CN110551912A - 铝基飞灰复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

利用现有技术所揭示的制造方法制得的铝基飞灰铸件，其通常具有过多的孔隙或气孔，造成其机械性质下降或不佳。有鉴于此，本发明提出一种铝基飞灰复合材料的制造方法。本发明的制造方法特别地以浮筛与磁筛的方式完成对飞灰粗筛与精筛处理，接着再将完成预热的飞灰批次性地添加入熔融状态的铝基材内，最后再利用模浸速固法将混有飞灰的铝熔汤加工成铝基飞灰铸件。并且，实验数据显示，本发明所提出的铝基飞灰复合材料的制造方法的确有助于降低铝基飞灰铸件的孔隙率并维持或增强其机械性质。

Description

铝基飞灰复合材料的制造方法
技术领域
本发明关于铝基-飞灰(Aluminum-Fly Ash,ALFA)复合材料的技术领域，尤指能够降低内部孔隙并增强机械性质的一种铝基飞灰复合材料的制造方法。
背景技术
金属基复合材料(Metal Matrix Composite,MMC)藉由将至少一种强化相材料固溶至一基相金属或其合金之中而制得。其中，所述强化相材料多为无机非金属材料，例如：陶瓷(即，金属氧化物)、碳、硅、石墨、与硼。1993年，Pradeep K.Rohatgi通过令燃煤废弃物飞灰所包含的SiO2与Fe2O3等氧化物成分与铝基材产生化学反应，藉此生成氧化铝(Al2O3)以作为铝基材的强化相，而后制得铝基飞灰复合材料(Fly-Ash-Containing AluminumMatrix Composites)。
随着材料制造技术的持续进步，目前铝基飞灰复合材料的工艺技术主要有压力渗透法(Pressure infiltration)、粉末冶金法(Powder metallurgy)与复合铸造法(Compocasting)。其中，因具有低工艺成本的优点，复合铸造法目前被广泛地应用于铝基飞灰复合材料的制造。文献一即揭示应用复合铸造法制造铝基飞灰复合材料的有关技术。于此，文献一指的是：庄水旺等人，“工艺參數对飞灰在铝基飞灰复合材料中均匀性之影响”，铸造工程学刊，39卷1期(2013/03/01)，P22-P28。吾人可根据文献一得知现有的铝基飞灰复合材料的制造流程包括以下步骤：
步骤(1)：选用美国材料标准试验协会(ASTM)之C618-12a标准规范所规定的F级飞灰，其中，通过X射线绕射分析(X-Ray Diffraction,XRD)可知所述飞灰包含：52.73％的SiO2、26.87％的Al2O3及5.11％的Fe2O3；
步骤(2)：对所述飞灰进行过筛，以筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰；
步骤(3)：酸洗飞灰以去除其杂质；
步骤(4)：日本工业规格(Japanese Industrial Standards,JIS)所规范的ADC6铝合金，其中，所述ADC6铝合金的化学元素组成包括：0.45％的Si、3.15％的Mg、0.31％的Fe、0.17％的Mn、以及89.39％的Al；
步骤(5)：将飞灰置于一高温炉内并预热至800℃；
步骤(6)：将ADC6铝合金置于高周波熔解炉内，加热至700℃以熔解所述ADC6铝合金成为一铝熔汤；
步骤(7)：使用搅拌设备以500rpm的转速搅拌该铝熔汤，并于搅拌过程中以0.2克/秒的流量将完成预热的飞灰添加至所述铝熔汤之中；
步骤(8)：利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process,MIRSP)将混有飞灰的铝熔汤加工成一铝基飞灰铸件。
本案的发明人基于多年的铝基飞灰复合材料的研究经验发现，上述步骤(1)至步骤(8)虽然可获得硬度高达58.13勃式硬度(BHN)的铝基飞灰铸件，然而此制造流程仍显示出以下实务缺点：
(1)飞灰颗粒的密度、形状及粒径会影响飞灰颗粒于铝熔汤中的分散性，一次性的大量添加会导致飞灰于铝熔汤之中发生群聚现象，令飞灰所含有的SiO2、Al2O3及Fe2O3及氧化物难以与铝熔汤进行反应；
(2)承上述第1点，氧化物与铝熔汤之间的反应不足最终导致所获得的铝基飞灰铸件具有过多的孔隙或气孔，造成铝基飞灰铸件的机械性质下降。
由上述说明可知，如何设计出能够制造低孔隙的铝基飞灰铸件的制造流程进行有效改良于是成为相当重要的课题。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究创作，而终于研发完成本发明的一种铝基复合材料的制造方法。
发明内容
利用现有技术所揭示的制造方法制得的铝基飞灰铸件，其通常具有过多的孔隙或气孔，造成其机械性质下降。因此，本发明的主要目的在于提供一种铝基飞灰复合材料的制造方法。本发明的制造方法特别以浮筛与磁筛对飞灰进行粗筛与精筛之后，再接着让完成预热的飞灰批次性地添加入熔融状态的铝基材内，最后再利用模浸速固法将混有飞灰的铝熔汤加工成铝基飞灰铸件。并且，实验数据显示，本发明所提出的铝基飞灰复合材料的制造方法的确有助于降低铝基飞灰铸件的孔隙率并维持或增强其机械性质。
为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述铝基飞灰复合材料的制造方法的一实施例，包括以下步骤：
(1)备好飞灰与一铝基材；
(2)对所述飞灰进行一初筛处理，以筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰；
(3)对所述飞灰进行一前处理以去除其杂质；
(4)对所述飞灰进行一精筛处理，以筛去含铁量较高的飞灰；
(5)对所述飞灰进行一高温烘烤处理，以烧除飞灰内的杂质与未燃碳；
(6)将所述飞灰置入一预热装置内，预热至600-800℃；
(7)将所述铝基材置入一金属熔解装置内，并加热至700-800℃使得该铝基材成为一铝熔汤；
(8)使用一搅拌装置搅拌该铝熔汤，并于搅拌过程中以0.05-0.15克/秒的流量将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤之中；以及
(9)利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process,MIRSP)将混有飞灰的铝熔汤加工成一铝基飞灰铸件。
对于本发明的铝基飞灰复合材料的制造方法的实施例而言，于该步骤(7)之中，可将一镁材料与所述铝基材一起置入该金属熔解装置内，并加热至700-800℃使得所述镁材料与该铝基材熔融成为所述铝熔汤。
对于本发明的铝基飞灰复合材料的制造方法的实施例而言，于该步骤(8)之中，基于一特定批次数将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤之中，且该特定批次数至少二次。并且，执行步骤(8)的过程中，必须等待前一批次的飞灰与该铝熔汤完成反应之后，再接着将下一批次的飞灰加入铝熔汤之中。
附图说明
图1A与图1B为显示本发明的一种铝基飞灰复合材料的制造方法的流程图；
图2为显示初筛装置的立体图；
图3为显示步骤(S2)的细部流程图；
图4A与图4B为显示步骤(S7)至步骤(S8)的工艺示意图；
图5为显示飞灰添加量相对于密度的数据图；
图6为显示飞灰添加量相对于孔隙率的数据图；以及
图7为显示飞灰添加量相对于硬度的资料图。
其中附图标记为：
S1-S9步骤
2初筛装置
20容器
21第一筛网
22第二筛网
23排水埠
S21-S23步骤
3金属熔解装置
31铝熔汤
5搅拌装置
6模具
4飞灰送入装置
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种铝基飞灰复合材料的制造方法，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
请参阅图1A与图1B，为显示本发明的一种铝基飞灰复合材料的制造方法的流程图。根据图1A与图1B可知，欲藉由所述铝基飞灰复合材料的制造方法制作具有低孔隙率与优秀机械性质的铝基飞灰复合材料，系须于流程上首先执行步骤(S1)：备好飞灰与一铝基材。继续地，本发明的制造方法系接着执行步骤(S2)：对所述飞灰进行一初筛处理，以筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰。请同时参阅图2所示的初筛装置的立体图以及图3所示的步骤(S2)的细部流程图。特别说明的是，本发明系以浮筛的方式完成步骤(S2)，其包括以下细部步骤：
步骤(S21)：备好一初筛装置2，其中该初筛装置2包括一容器20以及设置于该容器20内的一第一筛网21与一第二筛网22；并且，该第一筛网21的设置位置系高于该第二筛网22，且该第一筛网21的筛网孔径大小系大于该第二筛网22的筛网孔径大小；
步骤(S22)：将所述飞灰倒入该容器20内，并将流动水注入该容器20内，利用流动水冲刷飞灰；以及
步骤(S23)：通过该容器20的一排水埠23将流动水自该容器20排出，颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰即被筛出于该第一筛网21与该第二筛网22之间。
必须强调的是，现有技术通常以筛选机对飞灰进行初筛处理，然而筛选机通常必须花费一定的时间(例如:45分钟)才能够自飞灰原料中筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰。不同地，本发明自行设计初筛装置2并搭配流动水冲刷飞灰，这样的初筛处理可以在5分钟内便自飞灰原料中筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰。另外，必须特别强调本发明并不特别限制铝基材的种类，其可以是含有镁成分压铸铝合金(Die-casting aluminum alloy)，例如：日本工业规格(Japanese Industrial Standards,JIS)所规范的ADC6铝合金、ADC10铝合金与ADC12铝合金。此外，熟悉铝合金设计与制造的材料工程师应该知道，ZL系铝合金也是含有镁成分的铸造铝合金，例如：ZL101、ZL103、ZL105、ZL108、ZL109、ZL301、ZL305等。另一方面，本发明所使用的飞灰为美国材料标准试验协会(ASTM)的C618-12a标准规范所规定的F级飞灰，经测定后可知其包含以下表(1)所列多种成分：
表(1)
SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 烧失量(Loss on ignition,LOI)
58.9 25.5 4.93 4.1％
继续地，制造方法的流程接着执行步骤(S3)：对所述飞灰进行一前处理以去除其杂质。飞灰前处理是指将对飞灰进行表面处理以增加其洁净度，同时也改善飞灰颗粒与液相基材间的润湿性。于本发明的步骤(S3)之中，先以酸性溶液清洗所述飞灰，再接着使用纯水对酸洗过后的飞灰进行冲洗。完成步骤(S3)之后，接着执行步骤(S4)：对所述飞灰进行一精筛处理以筛去含铁量较高的飞灰。值得注意的是，步骤(S3)分别以酸性溶液与纯水清洗飞灰，因此完成步骤(S3)后所获得的飞灰是呈现如泥巴的湿润状态，无法直接对其进行精筛处理。基于这个理由，执行步骤(S4)之前，必须先对所述飞灰执行一低温烘烤处理，以除去其水分。
于步骤(S4)之中，首先使用高频震荡式筛选机搭配具有53μm筛网孔径大小的筛网对所述飞灰进行筛选，并同时使用强力磁铁对飞灰进行一磁吸处理，藉此方式吸除含铁量较高的飞灰。完成步骤(S4)之后，本发明的制造方法便接着执行步骤(S5)：对所述飞灰进行一高温烘烤处理，以烧除飞灰内的杂质与未燃碳。完成步骤(S5)之后，经测定后可知飞灰包含以下表(2)所列多种成分：
表(2)
比较表(1)与表(2)可以轻易地发现，与未执行任何处理工艺的飞灰相比，完成初筛处理、前处理、精筛处理、与高温烘烤处理后所获得的飞灰所含有的烧失量(LOI)与氧化铁成分大量减少；相反地，飞灰所含有的氧化铝与二氧化硅成分却提升了。完成高温烘烤步骤之后，本发明的制造方法接着执行步骤(S6)以将所述飞灰置入一预热装置内，预热至600-800℃，并接着执行步骤(S7)至步骤(S8)。图4A与图4B为显示步骤(S7)至步骤(S8)的工艺示意图。如图4A所示，所述铝基材被置入一金属熔解装置3内，并加热至700-800℃使得该铝基材成为一铝熔汤31。进一步地，如图4A所示，一搅拌装置5被用来搅拌该铝熔汤31，并于搅拌过程中利用飞灰送入装置4以0.05-0.15克/秒的流量将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤31之中。最终，如图4B所示，本发明利用模浸速固法(Mold Immersed RapidSolidification Process,MIRSP)将混有飞灰的铝熔汤31加工成为一铝基飞灰铸件。
必须补充说明的是，本发明以含有镁成分的铝合金作为所述铝基材；即使如此，为了增加改善飞灰与铝基材之间的润湿性，于该步骤(S7)之中，吾人也可将一镁材料与所述铝基材一起置入该金属熔解装置3之中，并加热至700-800℃使得所述镁材料与该铝基材一同熔融成为所谓的铝熔汤31。值得特别强调的是，本案的发明人基于多年的铝基飞灰复合材料的研究经验发现，一次性添加大量的飞灰进入铝熔汤31之中，会令飞灰于铝熔汤31之中发生群聚现象，导致飞灰所含有的SiO2、Al2O3及Fe2O3及氧化物难以与铝熔汤31进行反应。因此，于该步骤(S8)之中，基于一特定批次数将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤31之中，且该批次数至少二次。并且，批次性地添加飞灰时，必须等待前一批次的飞灰与铝熔汤31完成反应之后，再接着将下一批次的飞灰加入铝熔汤31之中。
必须再行补充说明的是，于步骤(S9)之中，混有镁材料与飞灰的铝熔汤31被倒入模具6之后(如图4B所示)，先以洒水器做铝基飞灰铸件表面冷却约30秒；接着，令铝基飞灰铸件定型后将其取出，并立即以流动冷却水将铝基飞灰铸件完全冷却1分钟。
实验例
就现有的铝基-飞灰复合材料而言，其通常含有1-5wt％的镁成分、3-15wt％的飞灰与96-83wt％的铝基材。因此，本发明的实验例之中以ADC10铝合金作为所述铝基材，并预定飞灰与镁材料的添加量分为15wt％与2wt％，同时将飞灰的批次数设为三次。简单地说，完成预热的飞灰会分成三批次被加入铝熔汤之中，且每批次的添加量各为6wt％、6wt％及3wt％。
图5为显示飞灰添加量相对于密度的数据图，且图6为显示飞灰添加量相对于孔隙率的数据图。由图5与图6的实验数据可知，相较于具有一次性添加6wt％的飞灰的铝基飞灰铸件，具有二批次添加(6wt％+6wt％)的飞灰的铝基飞灰铸件显示出较低的孔隙率。请继续参阅图7，其显示飞灰添加量相对于硬度的资料图。由图7的实验数据可知，具有一次性添加6wt％的飞灰的铝基飞灰铸件、具有二批次添加(6wt％+6wt％)的飞灰的铝基飞灰铸件、以及具有三批次添加(6wt％+6wt％+3wt％)的飞灰的铝基飞灰铸件，这三者的硬度质皆高于85勃式硬度(BHN)。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的一种铝基飞灰复合材料的制造方法的步骤流程；并且，经由上述可知本发明具有下列的优点：
(1)现有技术(如文献一)所揭示的制造方法所制得的铝基飞灰铸件具有过多的孔隙或气孔，造成铝基飞灰铸件的机械性质下降。相较于现有的制造方法，本发明所提出铝基飞灰复合材料的制造方法之中特别以浮筛与磁筛对飞灰进行粗筛与精筛之后，再接着让完成预热的飞灰批次性地添加入熔融状态的铝基材内，最终利用模浸速固法将混有飞灰的铝熔汤加工成一铝基飞灰铸件。并且，实验数据显示，本发明所提出的铝基飞灰复合材料的制造方法有助于降低铝基飞灰铸件的孔隙率并维持或增强其机械性质。
必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (11)

1.一种铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)备好飞灰与一铝基材；
(2)对所述飞灰进行一初筛处理；
(3)对所述飞灰进行一前处理以去除其杂质；
(4)对所述飞灰进行一精筛处理，以筛去含铁量较高的飞灰；
(5)对所述飞灰进行一高温烘烤处理，以烧除飞灰内的杂质与未燃碳；
(6)将所述飞灰置入一预热装置内，预热至600-800℃；
(7)将所述铝基材置入一金属熔解装置内，并加热至700-800℃使得该铝基材成为一铝熔汤；
(8)使用一搅拌装置搅拌该铝熔汤，并于搅拌过程中以0.05-0.15克/秒的流量将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤之中；以及
(9)利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process,MIRSP)将混有飞灰的铝熔汤加工成一铝基飞灰铸件。
2.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该铝基材为含有镁成分压铸铝合金(Die-casting aluminum alloy)。
3.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，所述初筛处理用以自所述飞灰之中筛选出颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰。
4.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该步骤(2)包括以下细部步骤：
(21)备好一容器，并于该容器内设置一第一筛网与一第二筛网；其中，该第一筛网的设置位置高于该第二筛网，且该第一筛网的筛网孔径大小系大于该第二筛网的筛网孔径大小；
(22)将所述飞灰倒入该容器内，并将流动水注入该容器内，利用流动水冲刷飞灰；以及
(23)通过该容器的一排水埠将流动水自该容器排出，颗粒大小介于53μm至106μm之间的飞灰即被筛出于该第一筛网与该第二筛网之间。
5.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该步骤(3)包括以下细部步骤：
使用酸性溶液清洗所述飞灰；以及
以纯水冲洗所述飞灰。
6.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该步骤(4)包括以下细部步骤：
使用高频震荡式筛选机搭配具有53μm筛网孔径大小的筛网对所述飞灰进行筛选；以及
使用强力磁铁对所述飞灰进行一磁吸处理，吸除含铁量较高的飞灰。
7.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，于该步骤(8)之中，基于一特定批次数将完成预热的飞灰添加至该铝熔汤之中，且该特定批次数至少二次。
8.如权利要求6所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，于该步骤(8)之中，等待前一批次的飞灰与该铝熔汤完成反应之后，再接着将下一批次的飞灰加入铝熔汤之中。
9.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，于该步骤(7)之中，可将一镁材料与所述铝基材一起置入该金属熔解装置内，并加热至700-800℃使得所述镁材料与该铝基材熔融成为所述铝熔汤。
10.如权利要求1所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该步骤(3)与该步骤(4)之间更包括以下步骤：
对所述飞灰执行一低温烘烤处理，以除去其水分。
11.如权利要求9所述的铝基飞灰复合材料的制造方法，其特征在于，该金属镁、该飞灰与该铝基材占所述铝基飞灰铸件的重量百分比分别为1-5wt％、3-15wt％与96-83wt％。
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