鎂合金－珍珠巖泡沫複合材料的製備方法
2023-06-09 17:58:51
專利名稱：鎂合金－珍珠巖泡沫複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料及其製備方法
背景技術：
由於泡沫合金、膨脹珍珠巖、松脂石、蛭石具有重量輕、消聲等性能好等特點而倍受關注。膨脹珍珠巖、蛭石、漂珠等無機非金屬材料與橡膠複合作為潛艇外殼的「消聲瓦」或其與水泥等複合作為鐵路、高速公路、地鐵等兩側常見的隔聲板有著廣泛的應用。但泡沫鎂合金目前應用的影響力和廣泛性還不能與上述無機非金屬材料複合材料相比。主要原因在於泡沫鎂合金或其複合材料在製備過程中一些技術難題表現的較為突出，特別是製造工業普遍使用的管、帶、片材表現的更為明顯。中國專利200310111400.1號公開的題為「一種泡沫鎂製備工藝」的專利，該專利揭示用真空滲流方法，很容易使得液態Mg滲透16目～120目的顆粒獲得泡沫鎂，並且該發明人在中國期刊「特種鑄造及有色合金」2003年第6期P8～10報導了使用與上述發明相同的方法製備泡沫鎂的細節，其選擇的顆粒為MgSO4或NaCl；由於鹽顆粒的粒度選擇受限制較小，真空滲流通道順暢，但缺點在於後處理過程中用大量水溶解掉鹽顆粒，環保和對泡沫鎂製品腐蝕的防護較難解決。另一中國專利03100180.7號公開的題為「一種高強輕質泡沫鋁複合材料及其製備方法」的專利，該專利用火力發電廠粉煤灰中分離獲得的玻璃空心漂珠和含有部分該漂珠的煤灰混合料與鋁複合，製備閉孔泡沫鋁複合材料，其複合材料在提高壓縮強度、增加隔熱效果、控制泡沫鋁孔徑方面都有很大改善。但是，選擇漂珠同樣也給後續工藝帶來嚴重的負面效應，由於漂珠屬於發電廠粉煤灰的附帶品，很難選擇到粒度大一點的顆粒，很小粒度的漂珠堆積在模具內，其透氣性差，必須用很高的壓力才能夠將液態鋁壓入漂珠的間隙中，這導致生產大塊或較厚板材等困難，對該專利工業實用性範圍形成了難以逾越的限制。另外一些中國專利，如中國專利03200299.8號、200320115557.7號和03100180.7號，對於滲流製備泡沫鋁中的固體顆粒的選擇提出很好的建設性思想，但具體可操作內容和措施比較空泛。另一方面，泡沫鋁與無機顆粒複合出的複合材料與泡沫鎂-無機顆粒複合材料相比，前者不如後者的重量輕，後者在要求輕量化領域內應用更有吸引力。中國專利200410012162.3號公開了題為「鎂基泡沫複合材料及製備」的專利，該專利揭示以Mg合金粉和MgCO3為原料，用粉末冶金法製備泡沫鎂複合材料，該發明的優點之一在於發泡劑MgCO3發泡後殘留的MgO對泡沫鎂抗腐蝕性無嚴重影響，但其不足表現在粉末冶金法製備小器件可以，工業生產大體積的管、帶、片材受到制約。另一中國200410012166.1號專利公開了題為「無機相鎂基多孔複合材料及製備方法」的專利，該專利揭示用真空滲流方法，將鎂合金液體通過(Mg，Fe，Al)3[(Si，Al)4O10](OH)2·4H2O蛭石類顆粒製備鎂合金泡沫複合材料；該發明的優點在於蛭石的價格比較便宜。但嚴重的缺點表現在蛭石中Fe含量通常比珍珠巖和松脂石高出10~25倍，自然界中尋找到低含量Fe的蛭石是極其困難的。超過300℃鎂與蛭石中無定形SiO2反應，反應過程中蛭石內的Fe很容易殘留在泡沫鎂複合材料。顯然，人為的增加複合材料中Fe的含量而留下腐蝕隱患，在材料設計合理性和材料使用過程中質保性兩方面存在嚴重缺欠。
發明內容
本發明的目的在於解決泡沫鎂的管、帶、片材工業生產中泡孔質量難以控制的技術難題，提供一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法。特別是提供一種利於工業規模生產管、帶、片材和成本低的製備方法。
本發明所基於的主要原理是金屬鎂在高溫下化學活潑性強，易於同膨化珍珠巖發生化學反應而部分或全部燒毀珍珠巖顆粒，在珍珠巖顆粒表面塗覆一些隔離劑，用部分或全部隔離固-液反應界面的方法，減小或全部消除主反應的發生。當隔離劑為合適的碳酸鹽時，如碳酸稀土RE2(CO3)3粉末，高溫下碳酸鹽分解，有反應發生，所生成的CO2的瞬間膨脹，使得液態鎂和珍珠巖顆粒表面被膨脹出一定的間隙，形成本發明所期望的「特定結構」。另外，CO2可以與鎂在高溫下反應，既；本反應生成的MgO壁膜，可以增加鎂合金內孔的強度。
本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料是將膨脹珍珠巖複合到純鎂或鎂合金中所形成的具有特定結構的閉孔或通孔輕體金屬-珍珠巖泡沫複合材料，是採取如下的技術方案實現的1、一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於以市售純度為99.5％以上的AZ91鎂合金錠為合金原料；以市售國產膨脹珍珠巖為本發明的另一主體原料，若用開孔膨脹珍珠巖顆粒，其粒度區間Vp為8-60目；若用球形閉孔膨脹珍珠巖，其粒度區間Vp為40目～80目；以市售純度為99.8％的鋁粉、碳酸鈣粉或碳酸稀土粉與聚乙烯醇為反應界面隔離劑的原料，其中聚乙烯醇為粘合劑；用上述的至少為200目的鋁粉、至少為200目的碳酸鈣粉或至少為200目的碳酸稀土粉，分別與聚乙烯醇稀溶液調製出鋁粉漿、碳酸鈣粉漿或碳酸稀土粉漿；將上述的一種粉漿或其中二者混合粉漿噴灑在膨脹珍珠巖顆粒表面，熱風烘乾，得到表面含有鋁粉、碳酸鈣粉、碳酸稀土粉或其中二者混合粉的膨脹珍珠；噴灑在膨脹珍珠巖表面的鋁粉、碳酸鈣粉碳、碳酸稀土粉或者二者混合粉的重量為膨脹珍珠巖重量的1％～4％；將上述噴灑過粉料的膨脹珍珠巖顆粒，放到吸鑄模具中，用震動法調整顆粒間隙以調整透氣度，開動機械真空泵使得真空罐真空度達到0.06Pa；將AZ91鎂合金加熱熔化，溫度控制在670℃～750℃，鎂合金液體與吸鑄口連接，打開真空手閥開始吸鑄，通過真空手閥控制吸鑄的合金液面推進速度為0.05m/s-0.5m/s，吸鑄完成，冷卻脫模，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。
本發明的製備方法顯著優點在於工藝簡單，生產管、帶、片材容易，對模具的磨損小，設備折舊成本低，易於工業大規模生產。
圖1是本發明用開孔膨化珍珠巖所製備出的複合材料樣品橫向的截面圖。
圖2是本發明膨脹珍珠巖複合到AZ91鎂合金中所形成特定結構的一個單孔內部放大圖。
具體實施例方式實施例1用200目的鋁粉與聚乙烯醇稀溶液調製出鋁粉漿，將該鋁粉漿噴塗到粒度區間Vp為14目-40目的開孔膨脹珍珠巖顆粒表面上，熱風烘乾，噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的鋁粉的重量為膨脹珍珠巖的重量為1.5％，再將表面含有鋁粉的膨脹珍珠顆粒放到真空吸鑄模具中，用震動法調整顆粒間隙以調整透氣度，開動真空泵使得真空罐真空度達到0.06Pa。將AZ91鎂合金加熱熔化，溫度Tc控制在670℃±5℃，合金液體與吸鑄口連接，打開真空手閥開始吸鑄，通過真空手閥的大小控制吸鑄速度，吸鑄合金液面行進速度Vc控制在0.05m/s，吸鑄完成後冷卻脫模，即獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。用浮力法測定該複合材料密度ρ為1.43g/cm3；用萬能實驗機測定該複合材料壓縮性能，其壓縮強度最大值σmax為138MPa，屈服強度σy為33MPa。
實施例2Vp＝14目～24目；噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的鋁粉的重量為膨脹珍珠巖的重量的4％；Tc＝750℃±5℃；Vc＝0.5m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，ρ＝1.18g/cm3；σmax＝221MPa；σy＝78MPa。其餘同實施例1。
實施例3在鋁粉中混入等重量的碳酸鈣粉；Vp＝8目～18目；噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的鋁粉和碳酸鈣粉混合粉的重量為開孔膨脹珍珠巖的重量的2％；Tc＝700℃±5℃；Vc＝0.1m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，ρ＝1.24g/cm3；σmax＝179MPa；σy＝82MPa。其餘同實施例1。
實施例4用富釔混合碳酸稀土代替鋁粉，其中富釔混合稀土MY中稀土元素的組成為Y＝88.2％，Er＝6.9％，Ho＝1.4％，Yb＝1.2％，其它稀土總和＝1.8％。用球形閉孔膨脹珍珠巖代替開孔膨脹珍珠巖。Vp＝40目～80目；噴灑在球形閉孔膨脹珍珠巖表面的富釔混合稀土粉的重量為膨脹珍珠巖的重量的2.5％；Tc＝720℃±5℃；Vc＝0.08m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，ρ＝1.15g/cm3；σmax＝155MPa；σ0.2＝64MPa。其餘同實施例1。
實施例5用富釔混合碳酸稀土和等重量的碳酸鈣粉的混合物代替純富釔混合碳酸稀土。開孔膨脹珍珠巖的Vp＝40目～60目；噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的富釔混合碳酸稀土粉和碳酸鈣粉的混合粉的重量為膨脹珍珠巖的重量的2.1％；Tc＝730℃±5℃；Vc＝0.06m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，ρ＝1.05g/cm3；σmax＝147MPa；σy＝56MPa。其餘同實施例4。
實施例6用富釔混合碳酸稀土和等重量的鋁粉的混合物代替純富釔混合碳酸稀土。Vp＝24目～40目；噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的富釔混合碳酸稀土粉和鋁粉的混合粉的重量為開孔膨脹珍珠巖的重量的1.7％；Tc＝685℃±5℃；Vc＝0.09m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，獲得的泡沫複合材料ρ＝1.09g/cm3；σmax＝154MPa；σy＝48MPa。其餘同實施例4。
實施例7用富釔混合碳酸稀土和等重量的碳酸鈣粉的混合物代替純富釔混合碳酸稀土。Vp＝18目～40目；噴灑在開孔膨脹珍珠巖表面的富釔混合碳酸稀土粉和碳酸鈣粉的混合粉的重量為開孔膨脹珍珠巖的重量的2.6％；Tc＝715℃±5℃；Vc＝0.35m/s，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。其中，ρ＝0.73g/cm3；σmax＝96MPa；σy＝23MPa。其餘同實施例4。
權利要求
1.一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於以市售純度為99.5％以上的AZ91鎂合金錠為合金原料；以市售國產膨脹珍珠巖為本發明的另一主體原料，用開孔膨脹珍珠巖顆粒，其粒度區間Vp為8-60目；以市售純度為99.8％的鋁粉、碳酸鈣粉或碳酸稀土粉與聚乙烯醇為反應界面隔離劑的原料，其中聚乙烯醇為粘合劑；用上述的至少為200目的鋁粉、至少為200目的碳酸鈣粉或至少為200目的碳酸稀土粉，分別與聚乙烯醇稀溶液調製出鋁粉漿、碳酸鈣粉漿或碳酸稀土粉漿；將上述的一種粉漿或其中二者混合粉漿噴灑在膨脹珍珠巖顆粒表面，熱風烘乾，得到表面含有鋁粉、碳酸鈣粉、碳酸稀土粉或其中二者混合粉的膨脹珍珠；噴灑在膨脹珍珠巖表面的鋁粉、碳酸鈣粉碳、碳酸稀土粉或者二者混合粉的重量為膨脹珍珠巖重量的1％～4％；將上述噴灑過粉料的膨脹珍珠巖顆粒，放到吸鑄模具中，用震動法調整顆粒間隙以調整透氣度，開動機械真空泵使得真空罐真空度達到0.06Pa；將AZ91鎂合金加熱熔化，溫度控制在670℃～750℃，鎂合金液體與吸鑄口連接，打開真空手閥開始吸鑄，通過真空手閥控制吸鑄的合金液面推進速度為0.05m/s-0.5m/s，吸鑄完成，冷卻脫模，獲得本發明的鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料。
2.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用球形閉孔膨脹珍珠巖代替開孔膨脹珍珠巖，其粒度區間Vp為60目～80目。
3.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用開孔膨脹珍珠巖的粒度區間Vp為8目～18目。
4.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用開孔膨脹珍珠巖的粒度區間Vp為14目-40目。
5.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於所述的用開孔膨脹珍珠巖，其粒度區間Vp為14目～24目。
6.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用開孔膨脹珍珠巖的粒度區間Vp為18目～40目。
7.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用開孔膨脹珍珠巖的粒度區間Vp為24目～40目。
8.如權利要求1所述的一種鎂合金-珍珠巖泡沫複合材料的製備方法，其特徵在於用開孔膨脹珍珠巖的粒度區間Vp為40目～60目。
全文摘要
本發明涉及鎂合金－珍珠巖泡沫複合材料的製備方法。本發明的鎂合金－珍珠巖複合材料是用真空滲流鑄造法，將膨脹珍珠巖複合到純鎂或鎂合金中所形成的具有特定結構的閉孔或通孔輕體鎂合金－珍珠巖泡沫複合材料。解決了泡沫鎂的管、帶、片材工業生產中泡孔質量難以控制的技術難題。
文檔編號B22D19/16GK1792505SQ200510119108
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月26日 優先權日2005年12月26日
發明者王立民, 吳耀明, 豆傳國, 彭秋明, 房大慶, 楊潔, 孟健, 張洪傑 申請人:中國科學院長春應用化學研究所