一種原位顆粒增強的鋁基復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及侶基復合材料的制備方法，特別設及一種采用錯英粉工業產生的廢棄 尾砂作為增強體原材料的原位顆粒增強的侶基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002] 復合材料是將兩種或兩種W上的組元經一定工藝復合，發揮組元間的協同效應而 制備出的性能優異的材料。復合材料的產生與發展順應了現代工業和技術的發展，滿足現 代技術對材料力學性能越來越高的強求。常見的復合材料基體有高分子樹脂基、陶瓷基、無 機水泥基W及金屬基等。目前，樹脂基復合材料制備工藝較簡單，但其強度遠比不上金屬基 復合材料。而陶瓷、水泥基復合材料因其基體脆性大，用途受到嚴重限制。金屬基復合材料 是現代工業中應用最廣泛的結構、功能材料之一。按照復合材料增強體的類型進行分類，復 合材料主要有長纖維增強、短纖維增強W及顆粒增強等=種。前兩者力學性能優異，但制備 成本較高，而顆粒增強侶基復合材料是將高彈性模量、高脆性的陶瓷顆粒與密度低、塑性和 延展性好、價格低廉的侶結合，使之不僅表現出較為良好的比強度、比剛度、小線膨脹系數， 還具有優異的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性等。當今，該類復合材料已廣泛用于航天航空、汽車 工業、3C數碼產品外殼W及人們日常家居用品中。
[0003] 就顆粒增強侶基復合材料增強體制備的模式分類，可分為外加增強顆粒和基體原 位自生增強體兩類。外加顆粒增強侶基復合材料WSiCp/Al、Al2〇3/Al等較為常見。上述 SiC/Al復合材料的增強體SiC和A1之間的化學反應需較高溫度才能進行，因此，不經過任 何預處理的SiC所制備得的A1基復合材料的組織中顆粒與增強體間結合力往往有限。原 位自生侶基復合材料是通過加入的合金元素或者其他物質與侶基體發生化學反應，而后在 基體中生成增強體，該類增強體與侶基體結合性能良好，有利于增強復合材料的強度，常見 的該類材料如 TiBa/AKMgaSi/Al、(Al3Zr+Al2〇3)p/Al、Al2〇3/Si〇2/Al 等。原位自生復合材料 耐磨性能較好，在工業領域已經被逐步推廣和應用。但制備上述顆粒增強侶基復合材料所 需的增強體原料需要專口購買，并且有的增強體價格昂貴。
[0004] 在關于設及利用固體廢棄物制備侶基復合材料的專利中，專利號CN200810036241 提到了利用回收的廢棄玻璃制備Si02/Al復合材料。該專利中的制備原料來源于生活廢棄 物玻璃，其他組分不僅含有Si〇2,還含有NasSiOs，化Si〇3等。
[0005] 錯英砂比重法精選后，會廢棄原砂質量約30%的尾砂，該廢棄尾砂除了少量被回 收用于建筑行業外，傳統處理方法常常是在空地堆填。長期W來，廢棄的錯鐵礦物尾砂已導 致大量±地資源被占用和堆田區±質劣化。因Si〇2只溶于氨氣酸、熱濃磯酸等有毒或強腐 蝕性溶劑，故較難提純回收。
【發明內容】
[0006] 為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種原位顆粒增強 的侶基復合材料的制備方法，制備工藝簡單，生產成本低廉，實現"變廢為寶"，得到的侶基 復合材料組織均勻。
[0007] 本發明的目的通過W下技術方案實現：
[000引一種原位顆粒增強的侶基復合材料的制備方法，包括W下步驟：
[0009] (1)錯鐵礦尾砂預處理：
[0010] (1-1)錯鐵礦尾砂采用比重法篩分，去除錯英砂；
[0011] (1-2)將經步驟（1-1)處理后的錯鐵礦尾砂經行星式球磨機干磨2~5min后取 出；
[001引 （1-如利用篩網對步驟（1-。得到錯鐵礦尾砂進行分篩，得到顆粒粒徑為 150 y m-180 y m的錯鐵礦尾砂；
[0013] (1-4)將步驟（1-3)得到錯鐵礦尾砂進行超聲清洗后烘干；
[0014] (1-5)將步驟（1-4)得到的錯鐵礦尾砂置入鐵相蝸中，在馬弗爐中進行650~ 750°C持續0. 5~1. 5小時的賠燒處理，得到尾砂添加顆粒；
[0015] (2)稱量原料；所述原料包括工業純侶和尾砂添加顆粒；其中，所述尾砂添加顆粒 的加入量為原料的1~lOwt% ;
[0016] (3)在660~850°C下烙煉純侶，并去除烙渣，得到烙融侶液；
[0017] (4)將石墨制攬拌獎伸入烙融侶液中進行攬拌；
[0018] (5)將步驟（2)稱量好的尾砂添加顆粒加入烙融侶液由于攬拌形成的縱禍中屯、， 持續攬拌5~30min ;
[0019] (6)攬拌完畢后加入CsCle除氣后誘鑄，冷卻后得到原位顆粒增強的侶基復合材 料。
[0020] 步驟（2)所述原料還包括純Mg，所述純Mg的加入量為原料總質量的0. 1~5wt%; [002U 步驟（3)具體為：在660~850°C下烙煉純侶，待純侶烙化后加入純Mg，并去除烙 渣，得到烙融侶液。
[0022] 步驟（3)所述攬拌，具體為；攬拌速率為100~2000r/min。
[0023] 所述工業純侶為工業純侶A00。
[0024] 本發明的原理如下；
[0025] 本發明采用的錯鐵礦尾砂除含70 %的Si化外還含有28 %的娃酸侶，該物質是目 前某些高性能侶基復合材料的優質增強體。Si〇2可與侶、儀等金屬烙體發生置換反應，利用 該原理加入金屬烙體中，可制備含有Al2〇3、MgO增強體的金屬基復合材料；AlsSiOe是常見的 侶基復合材料增強體，其在制備過程中與基體結合良好，對復合材料力學性能有正面貢獻。
[0026] 此外，Si化因其晶體類型不同，密度介于2. 20-2. 66g/cm3之間，與侶的密度 2. 70g/cm3較為相近。在制備過程中，對侶液施加機械攬拌可使二氧化娃顆粒順利進入侶烙 體中。W Si化作為制備侶基復合材料的添加顆粒可提高烙體和增強體的浸潤效果。純侶 與Si〇2在相對低溫下可發生如下反應：
[0027] 4Al(i)+3Si〇2(s)= 2A1 2〇3(s)+3Si (曰）
[002引為克服Si02楊氏模量較低的不足，通過尾砂與烙體反應生成具有更高彈性模量的 Al203可使材料獲得更高的剛度從而對復合材料起增強作用。
[0029] 與現有技術相比，本發明具有W下優點和有益效果：
[0030] (1)錯鐵尾礦砂每年的年廢棄量大，本發明對錯鐵礦廢棄物提出了合理的回收利 用方案，率先利用該類廢棄物制備具有工業應用價值的A1基復合材料，該不僅有利于環境 保護，還可創造可觀的經濟效益。
[0031] (2)本發明中錯鐵尾砂預處理方法簡單，只需短時間球磨就可得到粒徑均勻的加 入顆粒，較專利CN200810036241中提及的利用廢棄玻璃制備顆粒增強侶基復合材料的更 具備經濟性。
[0032] (3)錯鐵礦尾砂中Si化含量達到70 %，余量為超過28 %的AlsSiOsW及不足1% 的AlFe、ZrSi〇4。Si化可與侶烙體發生反應生成楊氏模量較大的A1 2〇3陶瓷進而提高材料 的強度；AlsSiOg亦是金屬基復合材料常見的增強相，其與侶烙體相容性較好，即該尾礦砂 中98% W上的成分對復合材料強度有正面貢獻。對比專利CN200810036241中提及對生活 廢棄玻璃的回收利用，其主要成分除了 Si化外還含有一定量的化、化、Pb、Cy等多種化合 物，因此用生活廢棄玻璃制備顆粒增強A1基復合材料的組織、性能可控性不如本專利采用 的尾砂。
[0033] (4)本發明采用的攬拌制備工藝簡便，烙鑄溫度下利用攬拌分散法可制備增強體 分散均勻的侶基復合材料，Si〇2加入侶烙體后原位反應生成A1 2〇3,反應后A1、SiOsW及 AI2O3S者之間的界面結合情況較增強體很難與基體發生化學反應的SiC/Al類侶基復合材 料好。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發明的實施例1的尾砂添加顆粒的3D光學顯微形貌；
[0035] 圖2為本發明的實施例1的尾砂添加顆粒的侶基復合材料的XRD分析結果；
[0036] 圖3為本發明的實施例1制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的XRD物相分析結 果；
[0037] 圖4為本發明的實施例1制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的金相組織圖。
[0038] 圖5為本發明的實施例1制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的放大80X的SEM 組織圖。
[0039] 圖6為本發明的實施例4制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的放大500X的SEM 組織圖。
[0040] 圖7為本發明的實施例4制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的金相組織圖。
[0041] 圖8為本發明的實施例4制備的原位顆粒增強的侶基復合材料的SEM組織圖。
[0042] 圖9為本發明的實施例5中制備的不同的樣品硬度值對比。
[0043] 圖10為本發明的實施例5制備的不同的樣品抗拉強度值對比。
【具體實施方式】
[0044] 下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0045] 實施例1
[0046] 本實施例的原位顆粒增強的侶基復合材料的制備方法，包括W下步驟：
[0047] (1)錯鐵礦尾砂預處理：
[0048] 本實施例所選用的錯鐵礦物尾砂來源于馬來西亞產的錯鐵礦原砂精選工藝后廢 棄的物料；
[0049] (1-1)將錯鐵礦尾砂采用比重法篩分后，去除錯英砂，收集主要成分為Si化和娃酸 侶的錯鐵礦物尾砂；
[0050] (1-。將經步驟（1-1)處理后的錯鐵礦尾砂經行星式球磨機干磨3min后取出；
[0051] (1-3)利用篩網對步驟（1-2)得到錯鐵礦尾砂進行分篩，得到顆粒粒徑為 150 y m-180 y m的錯鐵礦尾砂；
[0化2] (1-4)將步驟（1-3)得到錯鐵礦尾砂置入超聲清洗機中加入適量酒精清洗，清洗 后取出再次在電阻加熱器上烘干；
[0化3] (1-5)將步驟（1-4)得到的錯鐵礦尾砂置入鐵相蝸中，在馬弗爐中進行70(TC持續 1小時的賠燒處理，得到尾砂添加顆粒；
[0化4] 圖1為經過上述預處理工藝后添加顆粒的3D體視顯微形貌；圖2為步驟（1-5)得 到尾砂添加顆粒的XRD衍射譜，對其進行物質標準卡片對比W及半定量成分分析發現Si化、 AlaSiOs成分和約為98wt %，Z