高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺，该工艺将来自于陶瓷晶须增强金属基复合材料经机加工得到的残屑，利用固相再生机理进行回收利用，主要包括的步骤为：(1)残屑预处理、(2)机械研磨、(3)冷压、(4)热处理和(5)分析表征，其中，复合材料中的陶瓷晶须包括碳化硅晶须和硼酸镁晶须，金属包括铝，硼酸镁晶须的含量为50～75vol％。经过本发明专利技术工艺得到的再生的高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料，其工艺过程简便、成本低，再生过程无污染，实现了陶瓷晶须增强金属基复合材料的再利用，能够适应当前国家大力强调的绿色环保工业化的方向。

Recycling process of high volume fraction ceramic whisker reinforced metal matrix composites

The invention discloses a recovery and utilization process of high volume fraction ceramic whisker reinforced metal matrix composite, which will be recovered from ceramic whisker reinforced metal matrix composites by machine processing in the future. The main steps include: (1) debris preprocessing and (2) mechanical research. Grinding, (3) cold pressure, (4) heat treatment and (5) analysis and characterization, in which the ceramic whiskers in the composites include silicon carbide whiskers and magnesium borate whiskers, and the metal includes aluminum, and the content of magnesium borate whiskers is 50 ~ 75vol%. The recycled high volume fraction ceramic whisker reinforced metal matrix composites have been obtained by this process. The process is simple, low cost, and no pollution in the process of regeneration. It realizes the reuse of ceramic whisker reinforced metal matrix composites, and can adapt to the direction of green environmental industrialization emphasized by the current state.

【技术实现步骤摘要】
高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺
本专利技术涉及金属基复合材料的制备工艺，尤其涉及一种高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺。
技术介绍
金属基复合材料具有轻质、高比强度等优点，其中，晶须增强金属基复合材料因其高耐磨性和抗高温软化性能在航空、航天、汽车等行业中有广泛的应用前景。尽管晶须增强金属基复合材料的性能优异，并已进行了相当深入的研究，但其发展和应用一直受到晶须价格的制约。随着晶须制备技术逐渐完善和成本降低，晶须增强金属基复合材料，特别是晶须增强铝基复合材料的研究与应用日益受到重视。陶瓷晶须增强材料中，常见的材料为碳化硅晶须和硼酸镁晶须。碳化硅(SiC)晶须具有很高的弹性模量和机械强度以及很好的热稳定性能，是一种优良的复合材料增强增韧剂。硼酸镁(Mg2B2O5，简称MBO)晶须具有高强度和高弹性模量，特别是密度仅为2.9g/cm3，作为铝基复合材料的增强体，可以保持铝基复合材料低密度的特点。而且作为海水淡化和盐湖开发的副产品，硼酸镁晶须具有十分低廉的价格，是一种高性价比的金属基复合材料的陶瓷增强材料。随着陶瓷晶须增强金属基复合材料的应用领域逐步扩大，加工残料以及废料的回收再利用逐渐成为探究的课题，当前常见的方式为将残料回收后进行重熔铸造，然而该方式消耗的能源大，回收的成本高，而且回收过程对环境还造成一定程度的污染。因此，本领域的技术人员致力于开发一种针对高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的简便、低成本、无污染的回收利用工艺，能够适应当前国家大力强调的绿色环保工业化的方向。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是开发一种针对高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的简便、低成本、无污染的回收利用工艺，能够适应当前国家大力强调的绿色环保工业发的方向。为实现上述目的，本专利技术提供了一种高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺，该工艺将来自于陶瓷晶须增强金属基复合材料经机加工得到的残屑，利用固相再生机理进行回收利用，其特征在于，包括以下步骤：(1)残屑预处理：常温下，采用碱溶液浸泡的方式对复合材料残屑进行表面清洁处理，经去离子水清洗残液后，在真空干燥箱中烘干，随后经过旋转破碎机进行初步粉碎处理，得到碎屑；(2)机械研磨：采用行星球磨法对得到的碎屑进行细化处理，球料比为10:1～20:1，转速为300-400转/min，时间为3-4h，研磨后得到细化后的复合材料粉；(3)冷压：将复合材料粉放入钢制模具之中，选用35Mpa，保压20min的工艺条件，将复合材料粉在万能液压机上预压成型，其目的在于使混合粉末初步成型，保证预压坯体具有一定的强度，方便将其装入到石墨模具中，其次防止在热压烧结过程中出现料粉从空隙中漏出，初步减少空隙，利于进一步热压烧结；(4)热处理：将预压坯体放入热压烧结炉进行烧结，升温速度10℃/min，当温度加热到420℃后才开始施加压力，升温到烧结温度后保温1h，烧结结束后随炉冷却，待冷却到100℃时卸载压力，烧结温度设为500-650℃，烧结压力设为30-55Mpa，最终得到再生复合材料；(5)分析表征：采用阿基米德排水法测量再生复合材料的密度，采用电子布氏硬度计测定再生复合材料的硬度，采用万能材料试验机测试再生复合材料的力学性能。密度测试是采用阿基米德排水法测量材料的密度，并根据原料中铝和硼酸镁的比例算得理论密度，通过前后者的比率推算得到再生复合材料的致密度。硬度测试是选取5mm直径的硬质合金球压头，施加载荷力为125Kgf，试验力施加时间8s，试验力保持时间40s，在材料上得到压痕后，利用读数显微镜测量出压痕的平均直径d(单位：mm)，再根据d值从布氏硬度表查得材料的布氏硬度值。力学测试是先将材料加工为Φ10mm×20mm压缩试样，用金相砂纸将材料上下两端打磨抛光，随后采用电子万能材料力学试验机进行压缩性能测试，测试条件为压缩速度1mm/s，压力10KN，测试后经计算得到材料的力学性能。进一步地，陶瓷晶须增强金属基复合材料的残屑为经过机加工破碎得到。进一步地，步骤(1)中碱溶液的质量浓度为0.1～5％，浸泡时间为2～30min。进一步地，碱溶液选自NaOH溶液或KOH溶液。进一步地，步骤(2)中采用氧化锆陶瓷球进行机械研磨，细化后的复合材料粉的颗粒尺寸为微米级别。进一步地，机械研磨的研磨介质为无水乙醇与乙二醇(体积比3:1)的混合液。进一步地，复合材料中的陶瓷晶须包括碳化硅晶须和硼酸镁晶须，金属包括铝。进一步地，陶瓷晶须增强金属基复合材料为硼酸镁晶须增强铝基复合材料，硼酸镁晶须增强铝基复合材料是以纯铝和硼酸镁晶须为原料通过挤压铸造法得到。进一步地，挤压铸造法的主要步骤为：将挤压模具和硼酸镁晶须预制件预热到550-600℃，硼酸镁晶须预制件放入挤压模具中，将加热到900℃的液态铝倒入模具，加压使液态铝渗入到硼酸镁晶须预制件中，加压大小为100Mpa，保压待液态铝在压力下凝固后脱模，保压时间为10min，经车床加工去除纯铝的部分后，即得到硼酸镁晶须增强铝基复合材料。进一步地，硼酸镁晶须的含量为50～75vol％。特别地，步骤(3)冷压装粉之前，在模具的内壁均匀的涂上一层润滑油，其目的是为了减小冷压过程中复合材料粉与模具内壁之间的摩擦力，便于脱模，防止样品表面的破坏。经过本专利技术所披露的工艺得到的再生的高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料，其过程简便，成本低，再生过程无污染，实现了陶瓷晶须增强金属基复合材料的再利用，能够适应当前国家大力强调的绿色环保工业化的方向。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料的回收利用工艺的流程示意图，(A)为高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料制备流程，(B)为复合材料的回收利用工艺流程。图2是本专利技术的高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料经过预处理和机械研磨后的SEM照片(25×倍率)。图3是本专利技术的高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料经过预处理和机械研磨后的SEM照片(500×倍率)。具体实施方式一、高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料的制备(如图1A)：本专利技术提到的高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料，是以纯铝和硼酸镁晶须为原料，通过挤压铸造法得到，其中，硼酸镁晶须的含量为50～75vol％。挤压铸造法的主要过程如下：将挤压模具和硼酸镁晶须预制件预热到550-600℃，硼酸镁晶须预制件放入挤压模具中，将加热到900℃的液态铝倒入模具，加压使液态铝渗入到硼酸镁晶须预制件中，加压大小为100Mpa，保压待液态铝在压力下凝固后脱模，保压时间为10min，经车床加工去除纯铝的部分后，即得到硼酸镁晶须增强铝基复合材料。上述硼酸镁晶须增强铝基复合材料经机加工破碎，得到复合材料残屑，回收这些复合材料残屑以备下一步的回收利用。二、高体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料的回收利用(如图1B)：实施例1：(1)残屑预处理：常温下，将硼酸镁晶须体积分数为60vol％的复合材料残屑浸入质量浓度为3％的KOH溶液进行表面清洁处理，浸泡时间30min，再经去离子水清洗残液后，在真空干燥箱中烘干，随后经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺，该工艺将来自于陶瓷晶须增强金属基复合材料经机加工得到的残屑，利用固相再生机理进行回收利用，其特征在于，包括以下步骤：(1)残屑预处理：常温下，采用碱溶液浸泡的方式对复合材料残屑进行表面清洁处理，经去离子水清洗残液后，在真空干燥箱中烘干，随后经过旋转破碎机进行初步粉碎处理，得到碎屑；(2)机械研磨：采用行星球磨法对得到的碎屑进行细化处理，球料比为10:1～20:1，转速为300‑400转/min，时间为3‑4h，研磨后得到细化后的复合材料粉；(3)冷压：将复合材料粉放入钢制模具之中，选用35Mpa和保压20min的工艺条件，将复合材料粉在万能液压机上预压成型；(4)热处理：将预压坯体放入热压烧结炉进行烧结，升温速度10℃/min，当温度加热到420℃后才开始施加压力，升温到烧结温度后保温1h，烧结结束后随炉冷却，待冷却到100℃时卸载压力，烧结温度设为500‑650℃，烧结压力设为30‑55Mpa，最终得到再生复合材料；(5)分析表征：采用阿基米德排水法测量再生复合材料的密度，采用电子布氏硬度计测定再生复合材料的硬度，采用万能材料试验机测试再生复合材料的力学性能。...

【技术特征摘要】
1.一种高体积分数陶瓷晶须增强金属基复合材料的回收利用工艺，该工艺将来自于陶瓷晶须增强金属基复合材料经机加工得到的残屑，利用固相再生机理进行回收利用，其特征在于，包括以下步骤：(1)残屑预处理：常温下，采用碱溶液浸泡的方式对复合材料残屑进行表面清洁处理，经去离子水清洗残液后，在真空干燥箱中烘干，随后经过旋转破碎机进行初步粉碎处理，得到碎屑；(2)机械研磨：采用行星球磨法对得到的碎屑进行细化处理，球料比为10:1～20:1，转速为300-400转/min，时间为3-4h，研磨后得到细化后的复合材料粉；(3)冷压：将复合材料粉放入钢制模具之中，选用35Mpa和保压20min的工艺条件，将复合材料粉在万能液压机上预压成型；(4)热处理：将预压坯体放入热压烧结炉进行烧结，升温速度10℃/min，当温度加热到420℃后才开始施加压力，升温到烧结温度后保温1h，烧结结束后随炉冷却，待冷却到100℃时卸载压力，烧结温度设为500-650℃，烧结压力设为30-55Mpa，最终得到再生复合材料；(5)分析表征：采用阿基米德排水法测量再生复合材料的密度，采用电子布氏硬度计测定再生复合材料的硬度，采用万能材料试验机测试再生复合材料的力学性能。2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述陶瓷晶须增强金属基复合材料的残屑为经过机加工破碎得到。3.如权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，于泽源，史校瑞，
申请(专利权)人：张磊，于泽源，史校瑞，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23