[發明專利]鋁基電廠飛灰復合材料及其制備方法和裝置

無效

• 申請號: 97101403.5
• 申請日: 1997-01-05
• 公開（公告）號: CN1057132C
• 公開（公告）日: 2000-10-04
• 發明（設計）人: 劉勇兵;曹占義;陸有;張明哲;安健;孫大仁;張振清;費翠萍;董皓
• 申請（專利權）人: 吉林工業大學;延吉鋁業集團公司
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00
• 代理公司: 機械工業部長春專利事務所
• 代理人: 朱世林

本發明涉及一種以鋁及其合金作為基體材料，以電廠飛灰作為添加相的鋁基電廠飛灰復合材料。

本世紀七十年代以來，科學枝術在生產和生活的各個領域獲得突飛猛進的發展。特別是航空航天等高新技術的發展，對材料的各種性能提出了一系列的新要求。其中主要包括：要求材料的比剛度、比強度高；耐腐蝕、耐磨損。并且具有優良的低溫和高溫性能。有一定的化學和尺寸穩定性。鋁基復合材料正是近年來發展起來的、具有這種性能的一類新材料。它兼有鋁合金的比重小、耐腐蝕和添加相的高強度、高剛度的優點，同時又增加了耐磨性好、耐沖擊和減震性好的特點。在巨大社會需求的推動下，鋁基復合材料成為材料科學界普遍受關注的焦點課題，成為金屬基復合材料行業的先鋒。

發明專利ZL85100575報導了一種陶瓷鋁合金及其制造方法。這種復合材料中添加不經包覆的鋁礬土顆粒作為強化相，用復合鑄造法、旋渦法等工藝加到鋁或鋁合金中，制成陶瓷鋁合金。該發明制造工藝簡單、成本低廉，可以用于活塞、缸套等摩擦副，用于渦輪發動機的壓縮機葉片、熱交換器等耐熱部件，用在防彈板、屏蔽材料，也可降低裝飾件的制造成本。但是從該產品金相圖片可以看出，鋁礬土的分散性不好，在合金中成團絮狀分布。合金的各方面性能都會受到不同程度的影響。發明專利CN1033987A公開了一種采用阻擋層制備金屬基復合材料的方法。該發明先作出一塊可滲性陶瓷塊狀材料，其確定的表面臨界層具有阻擋層，再在含10％至100％左右氮氣體積、其余為非氧化氣體即氬氣或氫氣的氣體中，將熔融鋁鎂合金與該可滲透塊材料接觸。在常壓下，熔融合金自發深入陶瓷塊直至達到阻擋層為止。合金固體可置于具有阻擋層的可滲透性陶瓷材料基床附近，并加熱至熔融態，最好是至少700℃左右，以便用滲透法形成網狀鋁基體復合物。除鎂外，輔助合金元素可與鋁同用。生產的復合物可在鋁基體中包含不連續的氮化鋁相。該方法所生產合金的質量較高，性能穩定。但是生產效率低，難以形成批量規模。發明專利CN?1105301公開了一種鋁基陶瓷復合材料活塞的鑄造生產工藝。該發明選用ZL108合金作為基體材料，碳化硅顆粒作為陶瓷添加材料，按SiC占8～12％、ZL108合金占88～92％的比例配制，經攪拌法復合或懸浮澆杯法復合而成。發明人稱該發明不僅能夠滿足引進和自行設計的新一代發動機活塞配套技術的要求，而且為開發適應國際市場要求的高速高功率發動機活塞開辟了道路。發明專利CN?1104568A公布了一種非連續增強鋁基復合材料的兩級加壓擠壓鑄造制造非連續增強鋁基復合材料的方法。其中第一級壓力選取較小的壓力值，第二級壓力選取較大的壓力值。這種方法既能減少增強體預制塊在擠壓過程中的變形，又能降低復合材料中的孔隙率。這種制造方法屬于擠壓鑄造范疇。只能用于比較小尺寸零件的制造，并且同樣存在工藝復雜、成本較高等問題。

本發明的任務是在鋁合金基體中，以電廠排放的廢料電廠飛灰為添加相，制備一種使用性能和復合工藝性能優于現有鋁基合金復合材料，特別是具有較好的耐磨性和減振性的鋁基電廠飛灰復合材料，以及這種復合材料的制備方法和裝置。

制備鋁基電廠飛灰復合材料的技術方案是：

本發明的復合材料是由鋁、基本強化元素、晶粒細化和硅相變質劑、電廠飛灰以及雜質組成，其基體分別選用多種鋁合金材料、添加相材料選擇了火力發電廠作為廢料排放的飛灰。電廠飛灰以圓形和橢圓形為主，部分飛灰顆粒具有空心或多孔結構。

基體合金的成分設計主要考慮復合材料的使用性能和復合工藝性能。使用性能主要是指其力學性能(σ_sσ_bσ_tδ)，物理性能(α、ρ)，化學性能(耐蝕、著色)。工藝性能主要指鑄造工藝性能(合金熔體的流動性、合金熔體對飛灰顆粒的潤濕性)。

為了保證復合材料的力學性能，基體合金中應該含有一定量的鎂、硅、銅、鋅、錳等形成強化相的元素。

鎂在鋁基電廠飛灰復合材料中具有特殊的意義。它不僅可以和硅等元素形成強化相，提高基體合金的強度、硬度，而且明顯改善合金熔體對飛灰顆粒表面的潤濕性，加速復合過程，減少界面缺陷，提高界面結合強度。具有類似作用的其它元素還包括：鈣、銅、鈰、鑭、鋰等活性元素。

錳在合金中一方面起消除針狀鐵相，降低鐵相有害作用，另一方面提高合金的耐蝕性。

硅的含量較少時，微量的硅主要與鎂形成強化相。當硅的含量較高時，它可以顯著改善合金的流動性，減少鑄造缺陷。降低合金的膨脹系數，保證零件的尺寸穩定性。在鋁基電廠飛灰復合材料熔體中，硅的存在可以在一定程度上抑制鋁、鎂等活性元素對飛灰中二氧化硅的還原作用，減少界面脆性。