TWI648410B

TWI648410B - 鋁基飛灰複合材料之製造方法

Info

Publication number: TWI648410B
Application number: TW107119010A
Authority: TW
Inventors: 莊水旺
Original assignee: 國立臺灣海洋大學
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2019-01-21
Also published as: TW202003872A

Abstract

利用習知技術所揭示的製造方法製得的鋁基飛灰鑄件，其通常具有過多的孔隙或氣孔，造成其機械性質下降或不佳。有鑑於此，本發明提出一種鋁基飛灰複合材料之製造方法。本發明之製造方法係特別地以浮篩與磁篩的方式完成對飛灰粗篩與精篩處理，接著再將完成預熱的飛灰批次性地添加入熔融狀態的鋁基材內，最後再利用模浸速固法將混有飛灰的鋁熔湯加工成鋁基飛灰鑄件。並且，實驗數據顯示，本發明所提出的鋁基飛灰複合材料之製造方法的確有助於降低鋁基飛灰鑄件的孔隙率並維持或增強其機械性質。

Description

鋁基飛灰複合材料之製造方法

本發明係關於鋁基-飛灰(Aluminum-Fly Ash, ALFA)複合材料的技術領域，尤指能夠降低內部孔隙並增強機械性質的一種鋁基飛灰複合材料之製造方法。

金屬基複合材料(Metal Matrix Composite, MMC)係藉由將至少一種強化相材料固溶至一基相金屬或其合金之中而製得。其中，所述強化相材料多為無機非金屬材料，例如：陶瓷(即，金屬氧化物)、碳、矽、石墨、與硼。1993年，Pradeep K. Rohatgi 透過令燃煤廢棄物飛灰所包含的SiO ₂與Fe ₂O ₃等氧化物成分與鋁基材產生化學反應，藉此生成氧化鋁(Al ₂O ₃)以作為鋁基材之強化相，而後製得鋁基飛灰複合材料(Fly-Ash-Containing Aluminum Matrix Composites)。

隨著材料製造技術的持續進步，目前鋁基飛灰複合材料的製程技術主要有壓力滲透法(Pressure infiltration)、粉末冶金法(Powder metallurgy)與複合鑄造法(Compocasting)。其中，因具有低製程成本的優點，複合鑄造法目前被廣泛地應用於鋁基飛灰複合材料的製造。文獻一即揭示應用複合鑄造法製造鋁基飛灰複合材料的有關技術。於此，文獻一指的是：莊水旺等人，“製程參數對飛灰在鋁基飛灰複合材料中均勻性之影響”，鑄造工程學刊，39卷1期 (2013 / 03 / 01)，P22 - P28。吾人可根據文獻一得知現有的鋁基飛灰複合材料的製造流程包括以下步驟：步驟(1)：選用美國材料標準試驗協會(ASTM)之C618-12a標準規範所規定的F級飛灰，其中，透過X射線繞射分析(X-Ray Diffraction, XRD)可知所述飛灰包含：52.73%的SiO ₂、26.87%的Al ₂O ₃及5.11%的Fe ₂O ₃；步驟(2)：對所述飛灰進行過篩，以篩選出顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰；步驟(3)：酸洗飛灰以去除其雜質；步驟(4)：日本工業規格(Japanese Industrial Standards, JIS)所規範的ADC6鋁合金，其中，所述ADC6鋁合金的化學元素組成包括：0.45%的Si、3.15%的Mg、0.31%的Fe、0.17%的Mn、以及89.39%的Al；步驟(5)：將飛灰置於一高溫爐內並預熱至800 ^oC；步驟(6)：將ADC6鋁合金置於高週波熔解爐內，加熱至700 ^oC以熔解所述ADC6鋁合金成為一鋁熔湯；步驟(7)：使用攪拌設備以500 rpm的轉速攪拌該鋁熔湯，並於攪拌過程中以0.2 克/秒的流量將完成預熱的飛灰添加至所述鋁熔湯之中；步驟(8)：利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process, MIRSP)將混有飛灰的鋁熔湯加工成一鋁基飛灰鑄件。

本案的發明人基於多年的鋁基飛灰複合材料的研究經驗發現，上述步驟(1)至步驟(8)雖然可獲得硬度高達58.13勃式硬度(BHN)的鋁基飛灰鑄件，然而此製造流程仍顯示出以下實務缺點： (1)飛灰顆粒的密度、形狀及粒徑會影響飛灰顆粒於鋁熔湯中的分散性，一次性的大量添加會導致飛灰於鋁熔湯之中發生群聚現象，令飛灰所含有的SiO ₂、Al ₂O ₃及Fe ₂O ₃及氧化物難以與鋁熔湯進行反應； (2)承上述第1點，氧化物與鋁熔湯之間的反應不足最終係導致所獲得的鋁基飛灰鑄件具有過多的孔隙或氣孔，造成鋁基飛灰鑄件之機械性質下降。

由上述說明可知，如何設計出能夠製造低孔隙的鋁基飛灰鑄件的製造流程進行有效改良於是成為相當重要的課題。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究創作，而終於研發完成本發明之一種鋁基複合材料之製造方法。

利用習知技術所揭示的製造方法製得的鋁基飛灰鑄件，其通常具有過多的孔隙或氣孔，造成其機械性質下降。因此，本發明之主要目的在於提供一種鋁基飛灰複合材料的製造方法。本發明之製造方法係特別以浮篩與磁篩對飛灰進行粗篩與精篩之後，再接著讓完成預熱的飛灰批次性地添加入熔融狀態的鋁基材內，最後再利用模浸速固法將混有飛灰的鋁熔湯加工成鋁基飛灰鑄件。並且，實驗數據顯示，本發明所提出的鋁基飛灰複合材料之製造方法的確有助於降低鋁基飛灰鑄件的孔隙率並維持或增強其機械性質。

為了達成上述本發明之主要目的，本案發明人係提供所述鋁基飛灰複合材料之製造方法的一實施例，係包括以下步驟： (1)備好飛灰與一鋁基材； (2)對所述飛灰進行一初篩處理，以篩選出顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰； (3)對所述飛灰進行一前處理以去除其雜質； (4)對所述飛灰進行一精篩處理，以篩去含鐵量較高的飛灰； (5)對所述飛灰進行一高溫烘烤處理，以燒除飛灰內的雜質與未燃碳； (6)將所述飛灰置入一預熱裝置內，預熱至600-800oC； (7)將所述鋁基材置入一金屬熔解裝置內，並加熱至700-800oC使得該鋁基材成為一鋁熔湯； (8)使用一攪拌裝置攪拌該鋁熔湯，並於攪拌過程中以0.05-0.15克/秒的流量將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯之中；以及 (9)利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process, MIRSP)將混有飛灰的鋁熔湯加工成一鋁基飛灰鑄件。

對於本發明之鋁基飛灰複合材料之製造方法的實施例而言，於該步驟(7)之中，可將一鎂材料與所述鋁基材一起置入該金屬熔解裝置內，並加熱至700-800 ^oC使得所述鎂材料與該鋁基材熔融成為所述鋁熔湯。

對於本發明之鋁基飛灰複合材料之製造方法的實施例而言，於該步驟(8)之中，係基於一特定批次數將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯之中，且該特定批次數係至少二次。並且，執行步驟(8)的過程中，係必須等待前一批次的飛灰與該鋁熔湯完成反應之後，再接著將下一批次的飛灰加入鋁熔湯之中。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種鋁基飛灰複合材料之製造方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱圖1A與圖1B，係顯示本發明之一種鋁基飛灰複合材料之製造方法的流程圖。根據圖1A與圖1B可知，欲藉由所述鋁基飛灰複合材料之製造方法製作具有低孔隙率與優秀機械性質的鋁基飛灰複合材料，係須於流程上首先執行步驟(S1)：備好飛灰與一鋁基材。繼續地，本發明之製造方法係接著執行步驟(S2)：對所述飛灰進行一初篩處理，以篩選出顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰。請同時參閱圖2所示的初篩裝置的立體圖以及圖3所示的步驟(S2)的細部流程圖。特別說明的是，本發明係以浮篩的方式完成步驟(S2)，其包括以下細部步驟：步驟(S21)：備好一初篩裝置2，其中該初篩裝置2包括一容器20以及設置於該容器20內的一第一篩網21與一第二篩網22；並且，該第一篩網21的設置位置係高於該第二篩網22，且該第一篩網21的篩網孔徑大小係大於該第二篩網22的篩網孔徑大小；步驟(S22)：將所述飛灰倒入該容器20內，並將流動水注入該容器20內，利用流動水沖刷飛灰；以及步驟(S23)：透過該容器20的一排水埠23將流動水自該容器20排出，顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰即被篩出於該第一篩網21與該第二篩網22之間。

必須強調的是，習知技術通常以篩選機對飛灰進行初篩處理，然而篩選機通常必須花費一定的時間(例如:45分鐘)才能夠自飛灰原料中篩選出顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰。不同地，本發明自行設計初篩裝置2並搭配流動水沖刷飛灰，這樣的初篩處理可以在5分鐘內便自飛灰原料中篩選出顆粒大小介於53µm至106µm之間的飛灰。另外，必須特別強調本發明並不特別限制鋁基材的種類，其可以是含有鎂成分壓鑄鋁合金(Die-casting aluminum alloy)，例如：日本工業規格(Japanese Industrial Standards, JIS)所規範的ADC6鋁合金、ADC10鋁合金與ADC12鋁合金。此外，熟悉鋁合金設計與製造的材料工程師應該知道，ZL系鋁合金也是含有鎂成分的鑄造鋁合金，例如：ZL101、ZL103、ZL105、ZL108、ZL109、ZL301、ZL305等。另一方面，本發明所使用的飛灰為美國材料標準試驗協會(ASTM)之C618-12a標準規範所規定的F級飛灰，經測定後可知其包含以下表(1)所列多種成分：表(1) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> SiO<sub>2</sub></td><td> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td> 燒失量 (Loss on ignition, LOI) </td></tr><tr><td> 58.9% </td><td> 25.5% </td><td> 4.93% </td><td> 4.1% </td></tr></TBODY></TABLE>

繼續地，製造方法的流程係接著執行步驟(S3)：對所述飛灰進行一前處理以去除其雜質。飛灰前處理是指將對飛灰進行表面處理以增加其潔淨度，同時也改善飛灰顆粒與液相基材間的潤濕性。於本發明的步驟(S3)之中，係先以酸性溶液清洗所述飛灰，再接著使用純水對酸洗過後的飛灰進行沖洗。完成步驟(S3)之後，係接著執行步驟(S4)：對所述飛灰進行一精篩處理以篩去含鐵量較高的飛灰。值得注意的是，步驟(S3)係分別以酸性溶液與純水清洗飛灰，因此完成步驟(S3)後所獲得的飛灰是呈現如泥巴的濕潤狀態，無法直接對其進行精篩處理。基於這個理由，執行步驟(S4)之前，必須先對所述飛灰執行一低溫烘烤處理，以除去其水分。

於步驟(S4)之中，係首先使用高頻震盪式篩選機搭配具有53µm篩網孔徑大小的篩網對所述飛灰進行篩選，並同時使用強力磁鐵對飛灰進行一磁吸處理，藉此方式吸除含鐵量較高的飛灰。完成步驟(S4)之後，本發明之製造方法便接著執行步驟(S5)：對所述飛灰進行一高溫烘烤處理，以燒除飛灰內的雜質與未燃碳。完成步驟(S5)之後，經測定後可知飛灰包含以下表(2)所列多種成分：表(2) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> SiO<sub>2</sub></td><td> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td> 燒失量 (Loss on ignition, LOI) </td></tr><tr><td> 68% </td><td> 26.9% </td><td> 2.9% </td><td> 0.2% </td></tr></TBODY></TABLE>

比較表(1)與表(2)可以輕易地發現，與未執行任何處理製程的飛灰相比，完成初篩處理、前處理、精篩處理、與高溫烘烤處理後所獲得的飛灰所含有的燒失量(LOI)與氧化鐵成分係大量減少；相反地，飛灰所含有的氧化鋁與二氧化矽成分卻提升了。完成高溫烘烤步驟之後，本發明之製造方法係接著執行步驟(S6)以將所述飛灰置入一預熱裝置內，預熱至600-800 ^oC，並接著執行步驟(S7)至步驟(S8)。圖4A與圖4B係顯示步驟(S7)至步驟(S8)的製程示意圖。如圖4A所示，所述鋁基材被置入一金屬熔解裝置3內，並加熱至700-800 ^oC使得該鋁基材成為一鋁熔湯31。進一步地，如圖4A所示，一攪拌裝置5被用來攪拌該鋁熔湯31，並於攪拌過程中利用飛灰送入裝置4以0.05-0.15克/秒的流量將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯31之中。最終，如圖4B所示，本發明係利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process, MIRSP)將混有飛灰的鋁熔湯31加工成為一鋁基飛灰鑄件。

必須補充說明的是，本發明係以含有鎂成分的鋁合金作為所述鋁基材；即使如此，為了增加改善飛灰與鋁基材之間的潤濕性，於該步驟(S7)之中，吾人也可將一鎂材料與所述鋁基材一起置入該金屬熔解裝置3之中，並加熱至700-800 ^oC使得所述鎂材料與該鋁基材一同熔融成為所謂的鋁熔湯31。值得特別強調的是，本案的發明人基於多年的鋁基飛灰複合材料的研究經驗發現，一次性添加大量的飛灰進入鋁熔湯31之中，會令飛灰於鋁熔湯31之中發生群聚現象，導致飛灰所含有的SiO ₂、Al ₂O ₃及Fe ₂O ₃及氧化物難以與鋁熔湯31進行反應。因此，於該步驟(S8)之中，係基於一特定批次數將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯31之中，且該批次數係至少二次。並且，批次性地添加飛灰時，必須等待前一批次的飛灰與鋁熔湯31完成反應之後，再接著將下一批次的飛灰加入鋁熔湯31之中。

必須再行補充說明的是，於步驟(S9)之中，混有鎂材料與飛灰的鋁熔湯31被倒入模具6之後(如圖4B所示)，係先以灑水器做鋁基飛灰鑄件表面冷卻約30秒；接著，令鋁基飛灰鑄件定型後將其取出，並立即以流動冷卻水將鋁基飛灰鑄件完全冷卻1分鐘。

實驗例

就現有的鋁基-飛灰複合材料而言，其通常含有1-5 wt%的鎂成分、3-15 wt%的飛灰與96-83 wt%的鋁基材。因此，本發明的實驗例之中係以ADC10鋁合金作為所述鋁基材，並預定飛灰與鎂材料的添加量分為15wt%與2wt%，同時將飛灰的批次數設為三次。簡單地說，完成預熱的飛灰會分成三批次被加入鋁熔湯之中，且每批次的添加量各為6wt%、6wt%及3wt%。

圖5係顯示飛灰添加量相對於密度的資料圖，且圖6係顯示飛灰添加量相對於孔隙率的資料圖。由圖5與圖6的實驗數據可知，相較於具有一次性添加6wt%的飛灰之鋁基飛灰鑄件，具有二批次添加(6wt%+6wt%)的飛灰之鋁基飛灰鑄件係顯示出較低的孔隙率。請繼續參閱圖7，其係顯示飛灰添加量相對於硬度的資料圖。由圖7的實驗數據可知，具有一次性添加6wt%的飛灰之鋁基飛灰鑄件、具有二批次添加(6wt%+6wt%)的飛灰之鋁基飛灰鑄件、以及具有三批次添加(6wt%+6wt%+3wt%)的飛灰之鋁基飛灰鑄件，這三者的硬度質皆高於85勃式硬度(BHN)。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之一種鋁基飛灰複合材料之製造方法的步驟流程；並且，經由上述可知本發明係具有下列之優點：

(1)習知技術(如文獻一)所揭示的製造方法所製得的鋁基飛灰鑄件具有過多的孔隙或氣孔，造成鋁基飛灰鑄件之機械性質下降。相較於習知的製造方法，本發明所提出鋁基飛灰複合材料之製造方法之中係特別以浮篩與磁篩對飛灰進行粗篩與精篩之後，再接著讓完成預熱的飛灰批次性地添加入熔融狀態的鋁基材內，最終利用模浸速固法將混有飛灰的鋁熔湯加工成一鋁基飛灰鑄件。並且，實驗數據顯示，本發明所提出的鋁基飛灰複合材料之製造方法有助於降低鋁基飛灰鑄件的孔隙率並維持或增強其機械性質。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

＜本發明＞

S1-S9‧‧‧步驟

2‧‧‧初篩裝置

20‧‧‧容器

21‧‧‧第一篩網

22‧‧‧第二篩網

23‧‧‧排水埠

S21-S23‧‧‧步驟

3‧‧‧金屬熔解裝置

31‧‧‧鋁熔湯

5‧‧‧攪拌裝置

6‧‧‧模具

4‧‧‧飛灰送入裝置

＜習知＞

無

圖1A與圖1B係顯示本發明之一種鋁基飛灰複合材料之製造方法的流程圖；圖2係顯示初篩裝置的立體圖；圖3係顯示步驟(S2)的細部流程圖；圖4A與圖4B係顯示步驟(S7)至步驟(S8)的製程示意圖；圖5係顯示飛灰添加量相對於密度的資料圖；圖6係顯示飛灰添加量相對於孔隙率的資料圖；以及圖7係顯示飛灰添加量相對於硬度的資料圖。

Claims

一種鋁基飛灰複合材料之製造方法，係包括以下步驟：(1)備好飛灰與一鋁基材；(2)對所述飛灰進行一初篩處理，將顆粒大小介於53μm至106μm之間的飛灰篩出；(3)對所述飛灰進行一前處理以去除其雜質；(4)使用高頻震盪式篩選機搭配具有53μm篩網孔徑大小的篩網對所述飛灰進行一精篩處理；(5)對所述飛灰進行一高溫烘烤處理，以燒除飛灰內的雜質與未燃碳；(6)將所述飛灰置入一預熱裝置內，預熱至600-800℃；(7)將所述鋁基材置入一金屬熔解裝置內，並加熱至700-800℃使得該鋁基材成為一鋁熔湯；(8)使用一攪拌裝置攪拌該鋁熔湯，並於攪拌過程中以0.05-0.15克/秒的流量將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯之中；以及(9)利用模浸速固法(Mold Immersed Rapid Solidification Process,MIRSP)將混有飛灰的鋁熔湯加工成一鋁基飛灰鑄件。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該鋁基材為含有鎂成分的壓鑄鋁合金(Die-casting aluminum alloy)。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該步驟(2)包括以下細部步驟：(21)備好一容器，並於該容器內設置一第一篩網與一第二篩網；其中，該第一篩網的設置位置係高於該第二篩網，且該第一篩網的篩網孔徑大小係大於該第二篩網的篩網孔徑大小；(22)將所述飛灰倒入該容器內，並將流動水注入該容器內，利用流動水沖刷飛灰；以及(23)透過該容器的一排水埠將流動水自該容器排出，顆粒大小介於53μm至106μm之間的飛灰即被篩出於該第一篩網與該第二篩網之間。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該步驟(3)包括以下細部步驟：使用酸性溶液清洗所述飛灰；以及以純水沖洗所述飛灰。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該步驟(4)與該步驟(5)之間係更包括以下步驟：使用強力磁鐵對所述飛灰進行一磁吸處理，吸除含鐵量較高的飛灰。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，於該步驟(8)之中，係基於一特定批次數將完成預熱的飛灰添加至該鋁熔湯之中，且該特定批次數係至少二次。
如申請專利範圍第5項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，於該步驟(8)之中，係等待前一批次的飛灰與該鋁熔湯完成反應之後，再接著將下一批次的飛灰加入鋁熔湯之中。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，於該步驟(7)之中，可將一鎂材料與所述鋁基材一起置入該金屬熔解裝置內，並加熱至700-800℃使得所述鎂材料與該鋁基材熔融成為所述鋁熔湯。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該步驟(3)與該步驟(4)之間係更包括以下步驟：對所述飛灰執行一低溫烘烤處理，以除去其水分。
如申請專利範圍第8項所述之鋁基飛灰複合材料之製造方法，其中，該金屬鎂、該飛灰與該鋁基材佔所述鋁基飛灰鑄件的重量百分比分別為1-5wt%、3-15wt%與96-83wt%。