專利名稱：高鎂鋁合金－膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高鎂鋁合金-天然膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
目前在消聲材料行業(yè)，有兩類消聲材料越來越被重視，一類是泡沫鋁或泡沫鎂；另一類是天然蛭石、松脂石、珍珠巖經(jīng)過高溫膨化后的制品或從火力發(fā)電廠粉煤灰中分離獲得的玻璃空心微珠。二者比較而言，前者的優(yōu)點(diǎn)在于可單獨(dú)使用，缺點(diǎn)是①管、帶、片材工業(yè)生產(chǎn)中泡孔質(zhì)量難以控制，②泡沫壓縮性能等不理想，③隔熱效果不佳。后者的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在不但有比較好的消聲性能，而且其隔熱性能是大多數(shù)其它材料不能比擬的，其缺點(diǎn)集中在不能單獨(dú)作為管、帶、片材等使用，要與其它材料復(fù)合；其中有影響力的另一類復(fù)合體為橡膠、水泥、水玻璃、呋喃、聚胺酯泡沫樹脂等。將膨化蛭石或松脂石或珍珠巖或玻璃微珠與橡膠復(fù)合，可制造“消聲瓦”，該“消聲瓦”已經(jīng)被使用到潛艇外殼。其與水泥等硅酸鹽復(fù)合，可制造在鐵路、高速公路等兩側(cè)的隔聲板。其與聚苯乙烯或聚胺酯泡沫復(fù)合，可制造大型液化氣儲(chǔ)罐、火箭燃料儲(chǔ)罐等的隔熱圈閉外殼。泡沫鋁單獨(dú)應(yīng)用公開專利較多，諸如飛機(jī)夾層材料、高速列車發(fā)動(dòng)機(jī)室隔音材料等。能否將泡沫鋁與天然蛭石、松脂石、珍珠巖或玻璃空心微珠進(jìn)行復(fù)合，以克服泡沫鋁缺點(diǎn)；對(duì)于天然蛭石或珍珠巖與泡沫鋁復(fù)合還未見專利公開或論文報(bào)道。但將與從火力發(fā)電廠粉煤灰中分離獲得的玻璃空心微珠進(jìn)行復(fù)合或加入碳化硅復(fù)合則有以下相關(guān)專利公開。中國(guó)專利98126141.8號(hào)公開的題為“泡沫碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造工藝”的專利。該專利在用TiH2發(fā)泡過程中添加碳化硅，獲得了良好的增強(qiáng)效果，但該材料還沒有跨出純泡沫鋁領(lǐng)域。另一中國(guó)專利03100180.7號(hào)公開的題為“一種高強(qiáng)輕質(zhì)泡沫鋁復(fù)合材料及其制備方法”的專利。該發(fā)明用火電廠粉煤灰中分離獲得的玻璃空心微珠與鋁復(fù)合，制備閉孔泡沫鋁復(fù)合材料。該發(fā)明的顯著特點(diǎn)為①微珠支撐泡沫鋁空洞增加復(fù)合材料強(qiáng)度，②微珠的絕熱性增加了泡沫鋁的隔熱效果，③均勻的微珠粒度分布克服了常規(guī)泡沫鋁發(fā)泡過程中空洞大小不均而影響產(chǎn)品質(zhì)量的難題。但是，選擇微珠同樣也給后續(xù)工藝帶來嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。由于微珠粒度小，堆積在模具中的微珠透氣性差，必須用很高的壓力才能夠?qū)⒁簯B(tài)鋁壓入微珠的間隙中，這導(dǎo)致生產(chǎn)大塊或較厚板材等困難和模具折舊成本較高，對(duì)該專利工業(yè)實(shí)用性范圍形成了難以逾越的限制。與此類似的專利還有中國(guó)專利03200299.8號(hào)公開的題為“含微小封閉空洞的泡沫鋁”的專利和中國(guó)專利200320115557.7號(hào)公開的題為“仿真泡沫鋁”的專利，都對(duì)改進(jìn)泡沫鋁現(xiàn)存缺點(diǎn)提出很好建設(shè)性思想。但前一項(xiàng)專利的“三性”內(nèi)容與上述提及的中國(guó)專利03100180.7號(hào)相同。后一項(xiàng)專利選擇比重為1g/cm3～3.4g/cm3球體復(fù)合，顯然遠(yuǎn)大于膨化蛭石和珍珠巖或微珠。這種界于陶瓷顆粒比重范圍的物質(zhì)雖然可以增加泡沫鋁的強(qiáng)度，但減弱泡沫鋁的吸聲性能或改變了泡沫鋁輕量化特性。另外，該專利要求所添加的任何球體的膨脹系數(shù)與金屬鋁相同或相近，過于理想化的設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致實(shí)用性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決泡沫鋁的管、帶、片材工業(yè)生產(chǎn)中泡孔質(zhì)量難以控制、泡沫壓縮性能等不理想和隔熱效果不佳的技術(shù)難題。提供一種高鎂鋁合金與膨化蛭石和珍珠巖的復(fù)合材料的制備方法。特別是提供一種利于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)管、帶、片材制備方法，尤其是成本低的制備方法。
本發(fā)明在復(fù)合材料設(shè)計(jì)上基于如下二原則(1)合金液體與無機(jī)非金屬顆粒的外表面有較好的潤(rùn)濕作用。
(2)在保證復(fù)合材料在力學(xué)性能、抗腐蝕等綜合性能良好的前提下，選取的合金密度盡可能小。
金屬鎂在高溫下化學(xué)活潑性強(qiáng)，易于同膨化蛭石、珍珠巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在鋁合金牌號(hào)中，選擇的高鎂鋁合金中某些牌號(hào)，利用合金中鎂含量相對(duì)較高的優(yōu)勢(shì)，促使合金液體與無機(jī)非金屬顆粒的接觸界面發(fā)生少許化學(xué)反應(yīng)，以此提高界面潤(rùn)濕效果、減小合金液體在顆粒間隙中流淌阻力，方便鑄造出大體積的鑄造件。同時(shí)，少許化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的Si-Mg強(qiáng)化相還可增加金屬泡沫的內(nèi)壁強(qiáng)度。另外，高鎂鋁合金是鋁合金牌號(hào)系列中密度較小、綜合性能較好的合金，這利于復(fù)合材料輕量化。
本發(fā)明的高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料是高鎂鋁合金與膨化蛭石、珍珠巖、進(jìn)行復(fù)合所獲得的多孔輕體復(fù)合材料。本發(fā)明的方法是采取如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的以市售純度為99.5％以上的金屬M(fèi)g、Mn、Cu、Si、Fe、Al、Zn、Cr為合金原料，在高鎂鋁合金范圍內(nèi)，選擇合金密度小于2.7g/cm3的四種牌號(hào)，其分別為5182、5083、5454、5052；在四種牌號(hào)合金要求的化學(xué)成分范圍內(nèi)，按照如下重量百分比配制代表性的合金，5182組成為Mg＝4.65％、Mn＝0.35％、Cu＝0.10％、Si＝0.14％、Fe＝0.20％、Al余量。5083組成為Mg＝4.5％、Mn＝0.5％、Cu＝0.10％、Si＝0.4％、Zn＝0.25％、Al余量。5454組成為Mg＝3.0％、Mn＝0.8％、Cu＝0.07％、Si＝0.12％、Fe＝0.20％、Cr＝0.08％、Al余量。5052組成為Mg＝2.5％、Mn＝0.1％、Cu＝0.1％、Si＝0.45％、Zn＝0.25％、Al余量。其中Mn、Cu、Si、Fe和Cr預(yù)先配制成中間合金并以中間合金形式加入。以經(jīng)過膨化國(guó)產(chǎn)的開孔蛭石、開孔珍珠巖、閉孔球形蛭石或閉孔球形珍珠巖為本發(fā)明的另一主要原料，將市售的膨化蛭石和珍珠巖用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出如下粒度區(qū)間8～12目、8～18目、12～14目、12～18目、12～24目、14～24目和18～24目?？梢赃x擇其中一種粒度分布的膨化蛭石或膨化珍珠巖，放到真空吸鑄模具中，用震動(dòng)或敦實(shí)法調(diào)整顆粒間隙以調(diào)整透氣度和堆積密度，預(yù)熱模具中的膨化蛭石或膨化珍珠巖顆粒，預(yù)熱溫度控制在150℃～450℃。開動(dòng)真空泵使得真空罐的真空度達(dá)到0.06Pa。于680℃～800℃加熱熔化合金為液體，開通液體合金與吸鑄口之間連接器，打開真空手閥開始吸鑄，吸鑄速度為0.05m/s～0.5m/s，吸鑄完成，冷卻脫模，制品用高頻感應(yīng)熱處理，獲得高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料。
本發(fā)明的制備方法優(yōu)點(diǎn)在于以航空業(yè)和汽車行業(yè)普遍認(rèn)可的高鎂鋁合金牌號(hào)為合金原料，合金密度小，利于復(fù)合出的材料輕量化；合金中Mg含量高，其中鎂與蛭石和珍珠巖中的多晶Si發(fā)生化學(xué)作用，復(fù)合界面得到強(qiáng)化，增加復(fù)合材料的強(qiáng)度；以天然礦石，特別是經(jīng)過簡(jiǎn)單高溫就能膨化成多孔物質(zhì)的蛭石和珍珠巖為原料，它們資源豐富、成本比玻璃微珠低、粒度可控，利于調(diào)整堆積間隙和金屬液體的透過性，在很小的正壓或負(fù)壓下就可以生產(chǎn)管、帶、片材，對(duì)模具的磨損小，降低設(shè)備折舊成本和生產(chǎn)能耗。


圖1是本發(fā)明用開孔膨化蛭石所復(fù)合出的復(fù)合材料樣品橫向的截面圖。
圖2是本發(fā)明的復(fù)合材料樣品壓縮后的形貌圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
按照如下重量百分比配制5182高鎂鋁合金備用，合金具體化學(xué)成分為Mg＝4.65％、Mn＝0.35％、Cu＝0.10％、Si＝0.14％、Fe＝0.20％、Al余量。其中Mn、Cu、Si、Fe是以中間合金形式加入。選擇8目以上、8～12目和8～18目的開孔膨化蛭石，放到真空吸鑄模具中，調(diào)整顆粒間隙和調(diào)整透氣度后，膨化蛭石預(yù)熱溫度Tb控制在160℃±10℃；熔化合金溫度Tc控制790℃±10℃；真空罐真空度達(dá)到最大值后開通液體合金與吸鑄口之間連接器，打開真空手閥開始吸鑄，用真空手閥控制吸鑄合金液流動(dòng)速度Vc在0.1m/s，吸鑄完成后冷卻脫模，用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定壓縮性能，用浮力法檢測(cè)密度，所獲得的數(shù)據(jù)歸納在表1。
表1

實(shí)施例2其余同實(shí)施例1。所配制5083高鎂鋁合金的具體化學(xué)成分為Mg＝4.5％、Mn＝0.5％、Cu＝0.10％、Si＝0.4％、Zn＝0.25％、Al余量。選12～14目、12～18目和12～24目閉孔膨化蛭石。Tb＝440℃±10℃。Tc＝690℃±10℃。Vc＝0.5m/s。所獲得的數(shù)據(jù)歸納在表2。
表2

實(shí)施例3其余同實(shí)施例1。所配制5454高鎂鋁合金的具體化學(xué)成分為Mg＝3.0％、Mn＝0.8％、Cu＝0.07％、Si＝0.12％、Fe＝0.20％、Cr＝0.08％、Al余量。選14～24目的開孔和閉孔膨化珍珠巖。Tc＝750℃±10℃。Vc＝0.05m/s。所獲得的數(shù)據(jù)歸納在表3。
表3

實(shí)施例4其余同實(shí)施例1。所配制5052高鎂鋁合金的具體化學(xué)成分為Mg＝2.5％、Mn＝0.1％、Cu＝0.1％、Si＝0.45％、Zn＝0.25％、Al余量。選18～24目的閉孔膨化珍珠巖。Tb＝300℃±10℃。Tc＝720℃±10℃。Vc＝0.3m/s。所獲得的數(shù)據(jù)歸納在表4。
表4

權(quán)利要求
1.一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以市售純度為99.5％以上的金屬M(fèi)g、Mn、Cu、Si、Fe、Al、Zn、Cr為合金原料，在高鎂鋁合金范圍內(nèi)，選擇合金密度小于2.7g/cm3的，按照如下重量百分比配制的合金5182組成為Mg＝4.65％、Mn＝0.35％、Cu＝0.10％、Si＝0.14％、Fe＝0.20％、Al余量；其中Mn、Cu、Si、Fe和Cr預(yù)先配制成中間合金并以中間合金形式加入；以經(jīng)過膨化國(guó)產(chǎn)的開孔蛭石、開孔珍珠巖、閉孔球形蛭石或閉孔球形珍珠巖為本發(fā)明的另一主要原料；膨化蛭石或珍珠巖用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出如下粒度區(qū)間8-24目；將上述粒度區(qū)間的膨化蛭石或膨化珍珠巖，放到真空吸鑄模具中，用震動(dòng)或敦實(shí)法調(diào)整顆粒間隙以調(diào)整透氣度和堆積密度，預(yù)熱模具中的膨化蛭石或膨化珍珠巖顆粒，，預(yù)熱溫度控制在150～450℃，開動(dòng)真空泵使得真空罐真空度達(dá)到0.06Pa，于680～800℃加熱熔化合金成液體，開通液體合金與吸鑄口之間連接器，打開真空手閥開始吸鑄，吸鑄速度控制在0.05m/s～0.5m/s，吸鑄完成，冷卻脫模，制品用高頻感應(yīng)熱處理，即獲得本發(fā)明的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的高鎂鋁合金為5083組成為Mg＝4.5％、Mn＝0.5％、Cu＝0.10％、Si＝0.4％、Zn＝0.25％、Al余量；化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間12～14目。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于高鎂鋁合金為5454組成為Mg＝3.0％、Mn＝0.8％、Cu＝0.07％、Si＝0.12％、Fe＝0.20％、Cr＝0.08％、Al余量；蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間14～24。
4.如利要求1所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的高鎂鋁合金為5052組成為Mg＝2.5％、Mn＝0.1％、Cu＝0.1％、Si＝0.45％、Zn＝0.25％、Al余量；化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間18～24目。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于膨化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間8～12目。
6.如權(quán)要求1所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于膨化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間8～18目。
7.如權(quán)要求2所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于膨化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間12～18目。
8.如權(quán)要求2所述的一種高鎂鋁合金-膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于膨化蛭石或珍珠巖粒度區(qū)間12～24目。
全文摘要
本發(fā)明涉及高鎂鋁合金－膨脹礦石復(fù)合材料的制備方法。將高鎂鋁合金與膨化蛭石和珍珠巖進(jìn)行復(fù)合，用真空滲流鑄造法獲得本發(fā)明的多孔輕體復(fù)合材料。該多孔輕體復(fù)合材料的密度為小于1.9g/cm
文檔編號(hào)B22D19/16GK1792504SQ20051011910
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月26日
發(fā)明者吳耀明, 王立民, 畢廣利, 彭秋明, 房大慶, 王建利, 孟健, 張洪杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所