專(zhuān)利名稱：一種鎂-硅中間體的合成方法及利用該中間體制備高鎂鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂-硅中間體的合成方法及利用該中間體制備髙鎂鋁合金的方法，特別是涉及一種 以天然珍珠巖礦石為硅源合成鎂4中間體的方法、并使用該中間體、采用原位合成的手段制備高 鎂智合金的方法。
背景技術(shù)：
許多牌號(hào)的鋁合金中需要同時(shí)加入鎂和珪元素以便生成合金強(qiáng)化相，諸如美菌牌號(hào)的5182、 5083、 5454、 5052等牌號(hào)的鋁合金，這類(lèi)Al-Mg-Si系的合金在國(guó)防和民用上有廣泛應(yīng)用。用于坦 克輕裝甲、艦船裝甲等鋁合金裝甲材料，許多都是5083或5182等高鎂鋁合金的配方基礎(chǔ)上改進(jìn)而 成、或直接使用原配方。民用"易拉罐"等包裝材料也在一直使用這類(lèi)高鎂鋁合金。生產(chǎn)這類(lèi)合金 過(guò)程中，在鋁基體中加入鎂和珪元素的方式有兩種. 一種是加入Al-Si中間合金和純金屬M(fèi)g;而 另一種方式是加入Mg-Si中間合金和純金屬M(fèi)g。由于Mg-Si中間合金比Al-Si中間合金的價(jià)格更 加昂貴，并且還需要同時(shí)加入純金屬M(fèi)g以調(diào)整镅合金中的Mg/Si的比例，因而，目前普遍使用 的是酋一種方式。而前一種方式，即使用加入Al-Si中間合金和純金屬M(fèi)g方式也一直存在尚未 解決的問(wèn)題，表現(xiàn)比較突出的兩個(gè)問(wèn)趙是①AI-Si中間合金的工業(yè)制備方法目前主要有兩種，即 熔配法和電熱還原法，兩種方法由于生產(chǎn)流程長(zhǎng)、能耗髙、精煉設(shè)備復(fù)雜和投資大等原因?qū)е翧I-Si 中間合金的生產(chǎn)成本居高不下.②在A1-Mg-Si系鋁合金生產(chǎn)中，雖然加入的為A1-Si中間合金和純 金屬M(fèi)g，但第合^系中Mg和Si元素相遇優(yōu)先生成Mg2Si金屬間化合物強(qiáng)化相；而不是A1和 Si的金屬間化合物，只有M&Si生成后剩余的Mg或Si才能與Al生成Al-Si或Al-Mg金屬間化合 物。Mg2Si金屬間化合物強(qiáng)化相既是天然優(yōu)先生成的化合物，也是人們希望得到的理想強(qiáng)化相；但 問(wèn)題出現(xiàn)在當(dāng)Al-Si中間合金和純金屬M(fèi)g加入到大量的鋁基體中時(shí)，大量的基體鋁浪體同時(shí)稀釋 了 Al-Si中間合金和純金屬M(fèi)g的濃度，使得Mg和Si碰撞幾率減小由此減小了期望得到的M&Si 生成幾率。顯然，解決上述諸多問(wèn)題的方法之一是尋找Al-Si中間合金或Mg-Si中間合金新的合成 方法以降低其生產(chǎn)成本，或?qū)ふ业叫碌牧畠r(jià)Si源為需要添加Si的鋁合M供其所需要的Si.
邱竹賢等提倡開(kāi)發(fā)新的電解法生產(chǎn)A1-Si中間合金，以降低AI-Si中間合金的生產(chǎn)成本、滿足 鋁合金行業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于使用量大面廣的Al-Si中間合金的巿場(chǎng)需求；并且在近期開(kāi)展了扎實(shí)的基礎(chǔ) 和應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作(于旭光，邱竹賢，東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004， Vol.25, No.5， P442-444)。但，尚 未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
中國(guó)專(zhuān)利CN02818531.5號(hào)、CN03803825.0號(hào)、CN200380108504.5號(hào)、日本專(zhuān)利特愿 2001—292117號(hào)、特愿2001—292118號(hào)、美國(guó)專(zhuān)利US 2005089435號(hào)、US 2005016638號(hào)和世界知 識(shí)產(chǎn)權(quán)中心專(zhuān)利WO 2006006379號(hào)，分別公開(kāi)了曰 式會(huì)社東京大學(xué)所申請(qǐng)的題為"鎂基復(fù)合材
料"、"鎂基復(fù)合材料前體及其制造方法"、"鎂基復(fù)合材料及其制造方法"等標(biāo)題的專(zhuān)利。這些類(lèi)似 的專(zhuān)利揭示以單質(zhì)Si粉末或Si02粉末與金屬M(fèi)g粉為原料，利用Si與Mg之間反應(yīng)或Mg戰(zhàn) 出Si02中的Si再與Mg發(fā)生合成反應(yīng)，生成含有M&Si金羼間化合物等強(qiáng)化相的鎂基復(fù)合材料。
該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一為利用了廉價(jià)的Si02提供了Si的來(lái)源。但相對(duì)缺點(diǎn)在于該合成產(chǎn)物只能作為 鎂基復(fù)合材料使用，還不能作為鎂4中間體材料使用.原因在于Mg還原出Si02過(guò)程中生成的 MgO和原料鎂粉中帶入的MgO等氧化物一同存在與產(chǎn)物中，這種大量渣與金屬共存物若要作為 鎂4中間糾料傾，必須經(jīng)過(guò)精煉使金屬與渣分離;而其中的^f渣MgO等的數(shù)量是如此的大， 即使經(jīng)過(guò)精煉，從精煉產(chǎn)率和精煉成M都是得不償失，所以，該產(chǎn)物作為鎂基復(fù)合材料使用應(yīng)該 是最佳選擇。
中國(guó)專(zhuān)利200510119108.3號(hào)公開(kāi)了題為"鎂合金-珍珠巖泡沫復(fù)合材料的制備方法"的專(zhuān)利. 該專(zhuān)利的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖與鎂之間的合成反應(yīng)，并用隔離劑制止了該反應(yīng)；同時(shí)制備出 多孔復(fù)合材料.但該發(fā)明相對(duì)缺點(diǎn)之一為沒(méi)有能夠因勢(shì)利導(dǎo)，釆用逆向思維利用該反應(yīng)中的天然 珍珠巖礦石為硅源合成鎂4中間體，
中國(guó)專(zhuān)利200410012166.1號(hào)公開(kāi)了題為"無(wú)機(jī)相鎂基多孔復(fù)合材料及制備方法"的專(zhuān)利。該發(fā) 明的優(yōu)點(diǎn)在于善于利用天然礦物貭為人類(lèi)所用，發(fā)現(xiàn)(Mg， Fe， Al)(Si， Al)401()l(OH)r4H20蛭 石類(lèi)顆?？梢耘cMg相互反應(yīng)；并能夠利用蛭石為反應(yīng)型造孔劑制備多孔復(fù)合材料；但相對(duì)缺陷 在于也沒(méi)有發(fā)揮人類(lèi)的逆向思維，利用該反應(yīng)中的天然姪石為硅源合成鎂4中間體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鎂-珪中間體的合成方法及該中間體對(duì)應(yīng)使用方法。特別是提供一 種以天然珍珠巖礦石為硅源合成鎂4中間體、并使用該中間體、采用原位合成的手段制備高鎂鋁 合金的方法。以解決需要同時(shí)加入鎂和硅元素的鋁合金制造過(guò)程中硅來(lái)源成本髙、品種單一和 M&Si生成幾率小等工業(yè)難題。
本發(fā)明主要設(shè)計(jì)原理
1、 活性和廉價(jià)Si源的設(shè)計(jì)、即本發(fā)明的實(shí)用性設(shè)計(jì)本發(fā)明選擇珍珠巖為Si源的設(shè)計(jì)原 因有三①珍珠巖礦石與Mg在髙溫的反應(yīng)活性比硅砂類(lèi)Si02礦石與Mg反應(yīng)的活性更髙。珍珠巖，
也稱為天然玻璃，其基本結(jié)構(gòu)單元是珪-氧四面體，其中硅原子與周?chē)膫€(gè)氧原子呈四面M配位 結(jié)合，其與硅砂類(lèi)Si02礦石結(jié)構(gòu)不同，2001C開(kāi)始，其膨化現(xiàn)象就開(kāi)始發(fā)生；而對(duì)桂砂增加溫度， 其只能熔融；因而，珍珠巖比硅砂類(lèi)Si02礦石更具有反應(yīng)活性。②珍珠巖以SiOz穩(wěn)定物計(jì)量，珍 珠巖中的Si02含量經(jīng)常為75 wtX左右，Si含量滿足通常作為Si源的物質(zhì)的品位要求。③自然界 中珍珠巖蘊(yùn)藏量非常豐富，并且結(jié)構(gòu)類(lèi)似和可以替代珍珠巖使用的礦石也非常之多，諸如蛭石、松 脂石等.這類(lèi)礦石容易開(kāi)采、破碎和膨脹加工，因而成本低廉，被廣泛用于建材等領(lǐng)域.所以，選 擇珍珠巖類(lèi)礦石為Si源的設(shè)計(jì)，考慮其廉價(jià)性是設(shè)計(jì)的第三個(gè)出發(fā)點(diǎn).
2、 反應(yīng)體系與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、即本發(fā)明的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)珍珠巖與Mg的反應(yīng)體系設(shè)計(jì)為固-液反應(yīng)體系。其體系的反應(yīng)溫度為785TO 825TC、體系中的反應(yīng)介質(zhì)為KC1、反應(yīng)物過(guò)量物料設(shè)
膨脹珍A巖的密度小于0.2 g/cm3;另 一反應(yīng)物料金屬鎂為液態(tài)(Mg的熔點(diǎn)約為650TC )、液態(tài)鎂在 此溫區(qū)內(nèi)的密度為"Sg/ci^-USg/cm3,液態(tài)鎂在反應(yīng)介質(zhì)液態(tài)K1中的溶解度約為0. 3wtX;反 應(yīng)介質(zhì)KC1也為液態(tài)(Kl的熔點(diǎn)約為780TC )、液態(tài)Kl在此溫區(qū)內(nèi)的密度為1.482 g/cm3 ~1.512 g/cm3,黏度在1.27厘泊~1.34厘泊，表面張力為0.94爾格/cm2 0.97爾格/cm2，蒸氣壓為0.4mmHg 1.8nunHg。
由這些參數(shù)可見(jiàn)①?gòu)姆磻?yīng)體系中的反應(yīng)物料和反應(yīng)介質(zhì)的密度參數(shù)可以看出膨脹珍珠巖 肯定處于反應(yīng)體系的最上層，由于其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液態(tài)鎂和液態(tài)Kl.而液態(tài)鎂和液態(tài)K1的密度 差在0.03g/cmS左右波動(dòng)。0.03g/cn^的密度差為臨界密度差，這一臨界密度差，導(dǎo)致液態(tài)鎂即可 能處于液態(tài)K1的上方，也可能處于液態(tài)KC1的下方；而實(shí)際上，隨著還原反應(yīng)進(jìn)行，液態(tài)鎂中被 還原出的Si量增加，其密度增大，超過(guò)臨界密度點(diǎn)后逐步使t^有Si的"液態(tài)鎂"處于液態(tài)K1 的下方，即反應(yīng)體系中的最下層.③反應(yīng)體系中的液態(tài)鎂在液態(tài)K1中相對(duì)移動(dòng)可以受撹拌力控制， 由于(UwtX液態(tài)鎂溶解在液態(tài)Kl中形成黏滯阻力層；同時(shí)，液態(tài)K1本身在該反應(yīng)溫區(qū)內(nèi)的黏 度較大，在U厘泊左右.(D反應(yīng)介質(zhì)液態(tài)K1在反應(yīng)初期的髙溢揮發(fā)受到反應(yīng)體系最上層膨脹珍 珠巖的阻礙，由于在反應(yīng)溫區(qū)內(nèi)液態(tài)K1的蒸氣壓變化較大；而表面張力變化較小。
根據(jù)這些參數(shù)及對(duì)參數(shù)的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出本發(fā)明用于中間體合成和原位合成的反應(yīng)器，其 代表性的小型實(shí)驗(yàn)裝置如附圖2。
3、中間體的合成原理與反應(yīng)機(jī)理、即本發(fā)明的新穎性設(shè)計(jì)本發(fā)明的中間體的合成原理與 反應(yīng)機(jī)理一并可概括為這種表達(dá)式
Mg-金屬霧(存在于離子性浪體中)+ Si+四面體(存在于膨脹珍珠巖中)—Mg,Si(存 在于中間體中)+ MgO (存在于漂浮礦渣中)
① Mg-金屬霧在熔鹽電解生產(chǎn)金屬A1、 Mg和稀土等過(guò)程中，總會(huì)有一定量的金屬溶解在熔 融鹽中，本發(fā)明的體系在反應(yīng)溫區(qū)內(nèi)，液態(tài)鎂在反應(yīng)介質(zhì)液態(tài)Cl中的溶解度約為(UwtX,溶解 在熔融鹽中的金屬以極其徼小的金屬珠形式存在，該傲小的金屬珠即業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)中的金屬霧。在
生產(chǎn)中非常不希i發(fā)生和盡可能避免發(fā)生的事情。而本發(fā)明設(shè)計(jì)思路與此相反，希望將該負(fù)面效應(yīng) 為本發(fā)明所用.即利用Mg-金屬霧高比表面與髙活性來(lái)完成金屬M(fèi)g與膨脹珍珠巖的反應(yīng)；利用 液態(tài)KCl中可以存在0.3wt條g-金屬霧現(xiàn)象，通過(guò)控制液態(tài)K1在反應(yīng)體系中總量，間接控制金屬 Mg在液態(tài)KCl中溶解總量，即Mg-金屬霧在反應(yīng)介質(zhì)中的總量，達(dá)到控制金屬M(fèi)g與膨脹珍珠巖的 反應(yīng)速度目的。
② KC1-離子性液朱不管珍珠巖的結(jié)構(gòu)和成分如何復(fù)雜，但其畢竟屬于一種天^l酸鹽、屬于
一種極性物質(zhì)。其作為反應(yīng)物之一，要求反應(yīng)介質(zhì)應(yīng)該具有極性。液態(tài)Ki中的廣和cr是完全電 離的，為典型的離子性液體。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序；比室溫離子液體有體積更小、更 穩(wěn)定的電離質(zhì)點(diǎn)和更完全的電離度以及遷移M、傳質(zhì)速度等。因而，其更適用與珍珠巖這種硅酸 鹽類(lèi)的反應(yīng)物。
③ 髙反應(yīng)表面的膨脹珍珠巖①選擇膨化初始溫度在600TC以上工藝膨化出的膨脹珍珠巖。以 獲得內(nèi)部存在大量孔洞，并且有一部分連通孔存在，反應(yīng)比表面比無(wú)孔珍珠巖提髙千倍以上。本發(fā) 明對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)研究結(jié)果表明這種膨脹珍珠巖的比表面可以達(dá)到約160mVg，這一比表面數(shù)值與通常 的納米粉末的比表面相近，從此意義上定義本發(fā)明，可以認(rèn)為本發(fā)明的反應(yīng)本質(zhì)是在離子性液體中 接近納米級(jí)比表面的反應(yīng)。本發(fā)明使用的膨脹珍珠巖單一顆粒的代表性照片如附圖l所示。
本發(fā)明是采取如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種以天然珍珠巖礦石為硅源合成鎂4中間體的方法為以巿售純度為99.5%的金屬鎂和純 度為99%的膨脹珍珠巖為原料，其中膨脹珍珠巖以穩(wěn)定氧化物計(jì)量所獲得的組成分析結(jié)果為Si02 為72.5 wt。/o、AlA為13.5wt%、K20為4.25wt%、Na20為3.75wt%、CaO為0.1wt%、 Fe203為0.9wt%、 MgO為0.075wt%、 H或0等分析不顯示物為4.925wt%，各種成分分析物的 組成總和構(gòu)成100X;以巿售純度為99.5%的KC1為反應(yīng)介質(zhì);向本發(fā)明附困2的坩堝8中加入20g 370g金屬鎂塊，接著向鎂塊表面澆入與所加入的鎂塊等重量的液態(tài)KCl,開(kāi)動(dòng)本發(fā)明附圖2中 超音頻感應(yīng)加熱器10開(kāi)始加熱，觀察到反應(yīng)體系中Kl開(kāi)始重新開(kāi)始熔化現(xiàn)象后緊接著加入4.3g
系外加熱溢度的目'的；用溫度瀏i探頭測(cè)定反應(yīng)體系的溫度，該探頭為附圖2中的熱電偶5，對(duì)應(yīng) 顯示溫度的裝置為附圖2中的溫度數(shù)顯儀9，溫度溯量探頭插入到反應(yīng)體系中一定要暫時(shí)關(guān)閉感應(yīng) 加熱器或調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱器的輸出功率為零，即溫度溯量與感應(yīng)加熱要交錯(cuò)進(jìn)行，控制反應(yīng)溫度在 785TC~ 8251C的范圍內(nèi)開(kāi)始撹拌操作，該撹拌器為附S 2中的撹拌器4,該撹拌操作的頻率范圍 為每分鐘撹拌2次~10次，直至觀察到反應(yīng)體系上方的膨脹珍珠巖顆粒完全消失后停止撹拌，將 反應(yīng)溫度提升到8251C，用撈渣勺首先撈反應(yīng)體系中的渣，爾后歉出反應(yīng)體系上方的融鹽混合物直 至顯霧出反應(yīng)體系下方的合金為止，用擋渣方式將獲得的合金潘鑄到模具中印獲得了本發(fā)明鎂4 中間M料，該中間體的Si含量范圍為1.24wt。/。 1.78wt。/。、 Al為0.02 wt% 0.1 wt%、 Fe含量范圍為0.01 wt%~ 0.2 wt%、其它雜質(zhì)元素為0.05 wt% ~ 0.2 wt%， Mg為余量，即 Mg含量范圍為97.72 wt% ~ 98.68 wt%;該中間4的鑄態(tài)密度范圍為1.737g/cm3~1.76g/cm3; 該中間體的鑄態(tài)維氏硬度范圍為52.96HV~66.01 HV。
該中間體的代表性應(yīng)用方法，即使用該中間體、釆用原位合成的手段制備髙鎂镅合金的方 法為所設(shè)計(jì)的高鎂鋁合金的組成為Mg為478wt。/。、 Si為0.12wt。/。、 Fe為0,3wt。/。、 Y為 0.15wt%、 Cr為0.1wt°/。、 Cu為0.09wt%、 Ti為0.02wt%、 Mn為0.71wt%、 Al為93. 73wt%， 即4.78Mg-0.12Si-0.3Fe"0.15Y- 0. lCr-0. 09Cu-0. 02Ti-0. 71Mq-A1;該合金的成分設(shè)計(jì)建立在 Ashton等發(fā)明的5.41 Mg-0. lOSi- 0.29Fe -0.86 Mn-Al裝甲鋁合金基礎(chǔ)上；按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的
高鎂鋁合金的組成和預(yù)期獲得300克該高鎂镅合M行選料和配料，選料和配料的設(shè)計(jì)思路為該 高鎂鋁合金中的Mg元素來(lái)源于鎂-珪中間體之中的Mg、硅元素來(lái)源于鎂4l中間體之中的Si，對(duì) 于鎂4中間體之中的Si與高鎂銀合金中所要求的Si含量的差額部分，由含珪10wty。的Al-Si中間 合金補(bǔ)齊；髙鎂鋁合金中的Fe、 Y、 Cr、 Cu、 Ti和Mn元素分別來(lái)源于含該元素10wt。/。的鋁中間合 金，即來(lái)源于10wt%Fe-90 wt%Al、 10wt%Y-90 wt%Al、 10wt%Cr-90 wt%Al、 10wt%Cu-90 wt%Al、 10wt%Ti-90 wt%Al和10wt%Mn-90 wt%Al的中間合金,銷(xiāo)基體元素來(lái)源于純度為99.9% 的金屬Al塊和由于加入中間合金所帶入的Al;所釆用原位合成方法的制備該髙鎂銀合金的操作步 豫為①首先按照本發(fā)明制M4中間體的方法制備出鎂^i中間體，即向本發(fā)明附圖2的坩堝 8中加入14.6g金屬鎂塊，接著向鎂塊表面澆入與所加入的鎂塊等重量的液態(tài)K1，以下的搡作步 錄和方式與本發(fā)明制備IMI中間體的方法相同，亦開(kāi)始加熱、觀察到KC1開(kāi)始重熔加入l.Og 膨脹珍珠巖、控制反應(yīng)溫度在8101C并施加撹拌、每分鐘撹拌8次直至觀察到膨脹珍珠巖顆粒完全 消失后停止撹拌、將反應(yīng)溫度提升到825TC、用撈渣勺撈渣，爾后微出融鹽混合物直至顯露出下方 的合金為止，該合金即為合成目標(biāo)的該鎂4中間體，該中間體中含有髙鎂銷(xiāo)合金中所要加入的全 部Mg和所要加入的70.8wtV。的Si;②該鎂4中間體不必出爐，再次向反應(yīng)坩堝中補(bǔ)加液態(tài)KC1， 凈卜加的數(shù)量與所加入的鎂塊重量的5倍等同，開(kāi)始在合成鎂4中間體的原位基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)入合成高鎂 鋁合金的操作；③所轉(zhuǎn)入的合成高鎂銷(xiāo)合金的具體操作方法為控制熔煉溫度800TC、向存在鎂陽(yáng) 硅中間體的坩堝內(nèi)加入243. 3 g、純度為99.9%的金屬Al塊、該A1塊融化后依次加入1.05g的 10wt%Si -90wt%Al的中間合金、9.0g的10wt%Fe -90wt%Al的中間合金、4.5g的10wt%Y
-90wty。Al的中間合金、10g的10wtyoCr-90wt。/。Al的中間合金、2.7g的10wt%Cu-90wt%Al的 中間合金、0.6g的10wt%Ti -90wt%AI的中間合金、21. 3g的10wt%Mn -90wt%Al的中間合金； 以每分鐘撹拌30次的撹拌速率撹拌2分鐘；停止外加熱并開(kāi)始靜置合金，觀察到合金上方的熔融 鹽開(kāi)始結(jié)殼后用熱電偶探頭在結(jié)殼面上鑿開(kāi)一個(gè)孔洞，并將該熱電偶探頭插入該孔洞之中直至深入 到合金液中心，同時(shí)觀察所瀏得的溫度，當(dāng)該溫度顯示7501C時(shí)從孔洞中拔出熱電偶探頭，同時(shí)以 該孔洞為澆鑄口向模具中澆鑄合金，澆鑄出的合金即為本發(fā)明采用原位合成的手段制備出的高鎂鋁 合金，
本發(fā)明的制備方法優(yōu)點(diǎn)在于以廉價(jià)的珍珠巖礦石為Si源合成鎂4l中間體、并使用該中間 體為需要添加Si的鋁合金提供其所需要的Si，有利之處在于添加的Si以M&Si強(qiáng)化相的形式存在 并有利于將該存在形式遺傳到鋁合金中，減少了以A1-Si中間合金形式生產(chǎn)高鎂銀合金過(guò)程中、因 Mg和Si碰撞幾率減小由此減小了期望得到的M&Si生成幾率；同時(shí)，該鎂4中間體的合成可以 與下道工序熔制髙鎂鋁合金步豕實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，便于真正意義上的原位合成髙鎂镅合金的實(shí)現(xiàn)。達(dá) 到發(fā)明目的。


圖1是本發(fā)明使用的膨脹珍珠巖單一顆粒的代表性照片。
圖2是本發(fā)明用于中間體合成和原位合成代表性的小型實(shí)驗(yàn)裝置圖。
該困中l(wèi)為膨脹珍珠巖；2為液態(tài)Mg-Si中間體；3為K1離子性液體；4為撹拌器； 5為熱電偶；6為感應(yīng)線圑；7為鋼坩堝；8為石墨坩堝；9為快速響應(yīng)溫度數(shù)顯儀；10 為超音頻感應(yīng)加熱器。
圖3是本發(fā)明以珍珠巖為Si源所合成的鎂4中間體2000倍下代表性的金相照片。
該照片中"人字狀"的漢字組織為Mg2Si強(qiáng)化相，定性表明本發(fā)明中間體中存在Mg2Si
并且該強(qiáng)化相存在有利于將該存在形式遺傳到鋁合金中. 圖4是本發(fā)明的4.78Mg-0.12Si-0. 3Fe-0.15Y- 0. lCr-O. 09Cu-0. 02Ti-0.71Mn-Al髙鎂鉬合金 2000倍下代表性的金相照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例h
以巿售純度為99.5%的金屬鎂和純度為99%的膨脹珍珠巖為原料，其中膨脹珍珠巖以穩(wěn)定氧 化物計(jì)量所獲得的組成分析結(jié)果為Si02為72.5 wt%、入1203為13.5wt%、 K20為4.25Wt%、 Na20為3.75wt%、 CaO為0.1wt%、 Fe20s為0.9wt%、 MgO為0.075wt%、 H或0 等分析不顯示物為4.925wt。/。，各種成分分析物的組成總和構(gòu)成100X;以巿售純度為99.5%的 KC1為反應(yīng)介質(zhì)；向本發(fā)明附圖2的坩堝8中加入370g金屬鎂塊，接著向鎂塊表面澆入與所加入 的鎂塊等重量的液態(tài)Kl，開(kāi)動(dòng)本發(fā)明附困2中超音頻感應(yīng)加熱器10開(kāi)始加熱，觀察到反應(yīng)體系 中Kl開(kāi)始重新開(kāi)始熔化現(xiàn)象后緊接著加入43g膨脹珍珠巖，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱器10面板上的輸出 功率旋鈕控制輸出功率從而達(dá)到控制反應(yīng)體系外加熱溫度的目的;用溫度擁量探頭溯定反應(yīng)體系的
溫度，該探頭為附圖2中的熱電偶5，對(duì)應(yīng)顯示溫度的裝置為附圖2中的溫度數(shù)顯儀9，溫度溯量 探頭插入到反應(yīng)體系中一定要暫時(shí)關(guān)閉感應(yīng)加熱器或調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱器的輸出功率為零，即溫度測(cè) 量與感應(yīng)加熱要交錯(cuò)進(jìn)行，控制反應(yīng)溢度在8251C的范圍內(nèi)之后開(kāi)始撹拌操作，該撹拌器為附圖2 中的撹拌器4，該撹拌操作的頻率范圍為每分鐘撹拌10次，直至觀察到反應(yīng)體系上方的膨脹珍珠 巖顆粒完全消失后停止撹拌，將反應(yīng)溫度提升到825TC，用撈渣勺首先撈反應(yīng)體系中的渣，爾后擻 出反應(yīng)體系上方的融鹽混合物直至顯露出反應(yīng)體系下方的合金為止，用擋渣方式將獲得的合金繞鑄 到模具中即獲得了本發(fā)明鎂-珪中間糾料，該中間體的Si含量為U4wt。/。、 Al為(Uwtn/c、 Fe含量為0.2 wt%、其它雜質(zhì)元素為0.2 wt%， Mg為余量；該中間體的鑄態(tài)密度為1.75 g/ cm3; 鑄態(tài)維氏硬度為66.01 HV。
實(shí)施例2:
其余同實(shí)施例1.所不同是①坩堝8中加入20g金屬鎂塊；②膨脹珍珠巖的加入量為4.3g; ③反應(yīng)溫度控制在785TC;④撹拌頻率為每分鐘撹拌2次；⑤該中間體的Si含量為1.51 wt%、 Al為0.02wt。/0、 Fe含量范圍為0.09wt0/0、其它雜質(zhì)元素為0.05 wt°/。.⑥該中間體的鑄態(tài)密 度為1.737 g / on3;鑄態(tài)維氏艦為52.96HV。
實(shí)施例3:
其余同實(shí)施例1。所不同是①坩堝8中加入37g金屬鎂塊；②膨脹珍珠巖的加入量為2.6g; ③反應(yīng)溫度控制在8001C;④撹拌頻率為每分鐘撹拌6次;⑤該中間體的Si含量范圍為1.78 wt% 、 Al為0,05wty。、 Fe含量范圍為O.Ol wt%、其它雜質(zhì)元素為0.11 wt%。⑥該中間體的鑄態(tài)密 度為1.76 g/ cm3;鑄態(tài)維氏硬度為53.52HV.
實(shí)施例4:
該中間體的代表性應(yīng)用方法，即使用該中間體、采用原位合成的手段制備高鎂镅合金的方 法為所設(shè)計(jì)的高鎂鋁合金的組成為Mg為4.78wt%、 Si為0.12wt%、 Fe為0.3wt%、 Y為 0.15wt%、 Cr為0.1wt%、 Cu為0.09wt%、 Ti為0.02wt%、 Mn為0.71wt%、 Al為93. 73wt%， 即4.78Mg-0.12Si-0.3Fe~0.15Y- 0. lCr-O.的Cu-O. 02Ti-0.71Mn-Al;所釆用原位合成方法的制 備該髙鎂鋁合金的操作步豕為:①首先沿用實(shí)施例1的制備鎂4l中間體的方法制備出鎂4中間體， 即向本發(fā)明附圖2的坩堝8中加入14.6g金屬鏌塊，接著向鎂塊表面虔入與所加入的鎂塊等重 量的液態(tài)KC1，以下的操作步稞和方式與本發(fā)明制M-珪中間體的方法相同，亦開(kāi)始加熱、觀 察到KC1開(kāi)始重熔加入l.Og膨脹珍珠巖、控制反應(yīng)溫度在8101C并施加撹拌、每分鐘撹拌8次直 至觀察到膨脹珍珠巖顆粒完全消失后停止撹拌、將反應(yīng)溫度提升到8251C、用撈渣勺撈渣，爾后撤 出融鹽混合物直至顯第出下方的合金為止，該合金即為合成目標(biāo)的該鎂4中間體，該中間體中含 有高鎂鋁合金中所要加入的全部Mg和所要加入的70.脇％的Si;②該鎂4中間體不必出爐，再 次向反應(yīng)坩堝中補(bǔ)加液態(tài)Kl，補(bǔ)加的數(shù)量與所加入的鎂塊重量的5倍等同，開(kāi)始在合成鎂-珪中
間體的原M礎(chǔ)上轉(zhuǎn)入合成髙鎂第合金的操作；③所轉(zhuǎn)入的合成髙鎂鋁合金的具體搡作方法為控 制熔煉溫度800TC、向存在鎂4l中間體的坩堝內(nèi)加入243. 3 g、純度為99.9%的金屬Al塊、該A1 塊躲化后依次加入1.05g的10wt。/。Si-90^%人1的中間合金、9. Og的10wt%Fe-90wt%Al的中 間合金、4.5g的10wty。Y-90wtV。Al的中間合金、3. Og的10wt%Cr-90wt%Al的中間合金、2.7g的10wt%Cu -90wt%Al的中間合金、0.6g的10wt%Ti -90wt%Al的中間合金、21. 3g的10wt%Mn -90^%"的中間合金；以每分鐘撹拌30次的撹拌速率撹拌2分鐘；停止外加熱并開(kāi)始靜置合金， 觀察到合金上方的熔融鹽開(kāi)始結(jié)殼后用熱電偶探頭在結(jié)殼面上鑿開(kāi)一個(gè)孔洞，并將該熱電偶探頭插 入該孔洞之中直至深入到合金液中心，同時(shí)觀察所淵得的溫度，當(dāng)該溫度顯示750TC時(shí)從孔洞中拔 出熱電偶探頭，同時(shí)以該孔洞為澆鑄口向模具中澆鑄合金，澆鑄出的合金即為本發(fā)明采用原位合成 的手段制備出的髙鎂鋁合金；該髙鎂銷(xiāo)合金的鑄態(tài)維氏硬度為103.73HV、鑄態(tài)合金壓縮曲線在應(yīng) 變?yōu)?1.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮強(qiáng)度為341MPa。
權(quán)利要求
1、一種鎂-硅中間體的合成方法，其特征在于以市售純度為99.5％的金屬鎂和純度為99％的膨脹珍珠巖為原料，其中膨脹珍珠巖以穩(wěn)定氧化物計(jì)量所獲得的組成分析結(jié)果為SiO2為72.5wt％、Al2O3為13.5wt％、K2O為4.25wt％、Na2O為3.75wt％、CaO為0.1wt％、Fe2O3為0.9wt％、MgO為0.075wt％、H或O等分析不顯示物為4.925wt％，各種成分分析物的組成總和構(gòu)成100％；以市售純度為99.5％的KCl為反應(yīng)介質(zhì)；向石墨坩堝中加入20g～370g金屬鎂塊、接著向鎂塊表面澆入與所加入的鎂塊等重量的液態(tài)KCl、開(kāi)始感應(yīng)加熱、觀察到反應(yīng)體系中KCl開(kāi)始重新開(kāi)始熔化現(xiàn)象后緊接著加入4.3g～43g膨脹珍珠巖、溫度測(cè)量與感應(yīng)加熱要交錯(cuò)進(jìn)行、控制反應(yīng)溫度在785℃～825℃的范圍內(nèi)之后開(kāi)始攪拌操作、攪拌頻率范圍為每分鐘攪拌2次～10次、觀察到反應(yīng)體系上方的膨脹珍珠巖顆粒完全消失后停止攪拌、將反應(yīng)溫度提升到825℃、用撈渣勺首先撈反應(yīng)體系中的渣、爾后撇出反應(yīng)體系上方的融鹽混合物直至顯露出反應(yīng)體系下方的合金為止、用擋渣方式將獲得的合金澆鑄到模具中即獲得了本發(fā)明鎂-硅中間體材料；該中間體的Si含量范圍為1.24wt％～1.78wt％、Al為0.02wt％～0.1wt％、Fe含量范圍為0.01wt％～0.2wt％、其它雜質(zhì)元素為0.05wt％～0.2wt％，Mg為余量，即Mg含量范圍為97.72wt％～98.68wt％。
2、 一種利用鎂4中間體制備高鎂鋁合金方法，其特征在于預(yù)期獲得300克高鎂鋁合金的 組成為Mg為4.78wt%、 Si為0.12wt%、 Fe為0.3wt%、 Y為0.15wt%、 Cr為0.1wt%、 Cu為0.09wt。/0、 Ti為0.02wt0/。、 Mn為0.71wtV-、 Al為93. 73wt0/。，所釆用原位合成方法的 制備該高鎂鋁合金的操作步驟為①首先按照本發(fā)明制備鎂^中間體的方法制備出鎂-硅中間體， 即向石墨坩堝中加入14.6g金屬鎂塊、接著向鎂塊表面澆入與所加入的鎂塊等重量的液態(tài)KC1、 開(kāi)始感應(yīng)加熱、觀察到Kl開(kāi)始重熔加入l.Og膨脹珍珠巖、控制反應(yīng)溫度在810TC并施加攪拌、 每夯鐘攪拌8次直至觀察到膨脹珍珠巖顆粒完全消失后停止攪拌、將反應(yīng)溫度提升到8251C、用撈 渣勺撈渣、爾后撇出融鹽混合物直至顯露出下方的合金為止，該合金即為合成目標(biāo)的該鎂-硅中間 體，該中間體中含有高鎂鋁合金中所要加入的全部Mg和所要加入的70.8wtV。的Si;②該鎂-硅中 間體不必出爐，再次向反應(yīng)坩堝中補(bǔ)加液態(tài)KC1，補(bǔ)加的數(shù)量與所加入的鎂塊重量的5倍等同，開(kāi) 始在合成鎂-硅中間體的原M礎(chǔ)上轉(zhuǎn)入合成高鎂每合金的操作；③所轉(zhuǎn)入的合成高鎂鋁合金的具 體操作方法為控制熔煉溫度800TC、向存在鎂4中間體的坩堝內(nèi)加入243. 3 g、純度為99.9%的 金屬Al塊、該Al塊融化后依次加入1. 05g的10wt%Si -90wt%Al的中間合金、9. Og的10wt%Fe -90wt%Al的中間合金、4.5g的10wt°/。Y -90wt%Al的中間合金、3. Og的10wt%Cr -90wt%Al的 中間合金、2.7g的10wt%Cu -90wt%Al的中間合金、0. 6g的10wt%Ti -90wt%Al的中間合金、21. 3g 的10wt%Mn -90wt%AI的中間合金；以每分鐘攪拌30次的攪拌速率攪拌2分鐘；停止外加熱并 開(kāi)始靜置合金,觀察到合金上方的熔融鹽開(kāi)始結(jié)殼后用熱電偶探頭在結(jié)殼面上鑿開(kāi)一個(gè)孔洞，并將 該熱電偶探頭插入該孔洞之中直至深入到合金液中心，同時(shí)觀察所測(cè)得的溫度，當(dāng)該溫度顯示750 TC時(shí)從孔洞中拔出熱電偶探頭，同時(shí)以該孔洞為澆鑄口向模具中澆鑄合金，澆鑄出的合金即為本發(fā) 明釆用原位合成的手段制備出的髙鎂鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及鎂-硅中間體的合成方法及其使用該中間體制備高鎂鋁合金的方法，特別是涉及一種以天然珍珠巖礦石為硅源合成Mg-Si中間體的方法、并使用該中間體、采用原位合成的手段制備高鎂鋁合金的方法。該鎂-硅中間體為一種低硅含量的特殊鎂-硅中間合金，用該特殊Mg-Si中間合金和原位合成方法，解決需要同時(shí)加入鎂和硅元素的鋁合金制造過(guò)程中硅來(lái)源成本高、品種單一和Mg₂Si生成幾率小等工業(yè)難題。
文檔編號(hào)C22C1/03GK101177745SQ20071005617
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者吳耀明, 王小林, 王立東, 王立民, 董龍祥, 謝軍偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所