[發明專利]一種利用回收的硅粉制備Mg2Si/Mg復合材料的方法

有效

• 申請號: 201110451683.9
• 申請日: 2011-12-20
• 公開（公告）號: CN102517489A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 高平;楊春霞;狄石磊;張文波;郭永亮;邸建輝;張建華;李進軍;王強
• 申請（專利權）人: 內蒙古五二特種材料工程技術研究中心
• 主分類號: C22C32/00
• 分類號: C22C32/00;C22C23/00;C22C1/02
• 代理公司: 包頭市專利事務所 15101
• 代理人: 郝荔蓁

技術領域

本發明屬于材料制備技術領域，涉及硅粉綜合利用制備Mg₂Si/Mg復合材料。

背景技術

鋼鐵和原鎂生產中需要大量使用硅鐵，生產硅鐵產生的粉塵行業上稱為硅粉，主要成分是二氧化硅，被認為是一種工業廢棄物，嚴重污染了環境，因而硅粉的回收以及資源化利用具有十分重要的意義，硅粉中的二氧化硅屬于無定形物質，活性高、顆粒細小、比表面積大，具有優良的理化性能，因而世界上許多國家對硅粉的再利用進行了大量的研究。早在1947年挪威?？瞎?ElkemASA)就開始進行微硅粉的生產技術、粉塵處理、分級和應用方面的研究，成為世界上最早開展微硅粉研發的企業，并始終在微硅粉收塵與處理技術上保持領先地位。之后，美國、俄羅斯、日本也開始進行研發應用，并成為微硅粉主要生產國。目前，硅粉年生產量為：美國30萬t，俄羅斯7萬t，娜威12萬t，日本7萬t。美國、俄羅斯、挪威等國均有微硅粉造球專利和制球設備。

我國對微硅粉的應用研究和回收利用起步較晚，近幾年，由于國家對環保的重視，逐步加強了對污染企業的管理，特別是國內對高強混凝土需求的增加，許多鐵合金生產企業配備了收塵設備，并開發、引進了加密技術。我國微硅粉產品發展迅速，在該領域與國外的差距逐步縮小。迫于節能減排的壓力，汽車行業對鎂合金的需求日趨迫切。由于鎂合金存在強度不高(特別是高溫強度)，剛度不足等弱點，目前鎂合金主要應用于非結構件和非耐熱件上，這極大地限制了鎂合金在汽車行業的應用。由于含有高剛度和高強度的第二相顆粒，鎂基復合材料具有高的剛度、良好的高溫強度和抗蠕變能力，是汽車發動機的理想材料。由于Mg₂Si具有高熔點(1087℃)、低密度(1.99g/cm³)、高硬度(HV460)、低熱膨脹系數(7.5×10^-6K^-1)和高彈性模量(120GPa)等優點，Mg₂Si顆粒增強鎂基復合材料密度與鎂合金相當，但具有更高的剛度、強度和抗蠕變能力，是汽車發動機的首選材料之一。在制備Mg₂Si增強鎂基復合材料中，普遍使用結晶硅作為硅源。結晶硅材料是全球最主要的光伏材料，隨著單晶硅和多晶硅在太陽能電池中廣泛運用，硅原料緊缺的狀況日益嚴重。成本是制約鎂基復合材料在汽車上應用的最大障礙之一，在制備Mg₂Si增強鎂基復合材料中如能用硅粉代替結晶硅，不僅可以實現硅粉的資源化利用，而且節約了日益昂貴的硅資源，具有重要的環保、資源和經濟價值。

硅粉的回收以及資源化利用是國家大力扶持和提倡的項目。對硅粉的資源化利用目前還處于初級階段，如何高附加值地利用硅粉是硅粉資源化利用的主要技術難點。

Mg₂Si增強鎂基復合材料是汽車發動機的首選材料之一，目前面臨的主要技術難點有二：(1)Mg₂Si增強鎂基復合材料成本高：如何降低Mg₂Si增強鎂基復合材料的成本是制約其應用的關鍵之一。(2)Mg₂Si增強鎂基復合材料高溫性能的最大化：Mg₂Si的形態和分布控制以及尺度的細化，細小均勻分布圓形的Mg₂Si可以最大化Mg₂Si增強鎂基復合材料的高溫強度和蠕變抗力。

發明內容：

本發明的目的是針對上述技術難點，利用回收的硅粉與鎂合金進行反應，通過攪拌鑄造的方法制備低成本高性能Mg₂Si增強鎂基復合材料。硅粉顆粒和其中的雜質相可以起到異質形核中心的作用，在優化工藝下，實現對Mg₂Si的形態、分布和尺度的控制，從而達到優良的高溫強度和蠕變抗力；利用工業粉塵硅粉作為反應劑，大幅度降低復合材料的制造成本的一種利用回收的硅粉制備Mg₂Si/Mg復合材料的方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明采用工業粉塵硅粉作為硅源，通過攪拌鑄造法實現鎂和硅粉的原位化學反應，制備出了性能優良的Mg₂Si/Mg復合材料。

鎂合金為AZ系列的鎂合金，硅粉為工業粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量為70％～75％，復合材料制備是在井式電阻爐中進行，采用SF₆+CO₂混合的氣體保護，其中10％的SF₆和90％的CO₂，坩堝為鋼制坩堝。

本發明一種利用回收的硅粉制備Mg₂Si/Mg復合材料的方法，其特征是：