專利名稱：輕質(zhì)金屬部件的再循環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有夾雜氣體或非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件的再循環(huán)方法。
進(jìn)一步地，本發(fā)明部分目的為模鑄廢料的應(yīng)用以及鈍化金屬碎屑的應(yīng)用。
現(xiàn)如今，資源的有效利用不僅因環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)而廣為所知，而且從經(jīng)濟(jì)操作的觀點(diǎn)來看其被接受的程度也正在增加。原料的高昂價格和處理費(fèi)用迫使各領(lǐng)域的產(chǎn)品制造商將生產(chǎn)框架內(nèi)產(chǎn)生的廢棄物重新使用或使之再循環(huán)。例如，輕質(zhì)金屬構(gòu)件的制造商即面臨從鑄造工藝和生成碎屑的成型工藝中有目的地利用大量廢棄物的要求。
以最優(yōu)化的方式對廢棄物進(jìn)行節(jié)省原料和節(jié)省能量的利用，可以少的工藝步驟獲得高價值的產(chǎn)品。這對于輕質(zhì)金屬廢棄物的制備和重新利用或再循環(huán)顯然也是適用的。輕質(zhì)金屬廢棄物依其廢棄物來源而可具有夾雜氣體和/或非金屬粒子，這使得難以甚至不可能容易地將此類廢棄物整合入生產(chǎn)工藝中。
具有大量出現(xiàn)的夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件或廢棄物，因所述的夾雜氣體而不適用于高等級輕質(zhì)金屬構(gòu)件的直接生產(chǎn)，所述夾雜氣體例如在鑄造工藝中、特別是在模鑄過程中出現(xiàn)。因此，為了能重新使用輕質(zhì)金屬部件甚至用于高級別的輕質(zhì)金屬構(gòu)件，需將此輕質(zhì)金屬部件熔化，并在過熱條件下將熔融液除氣體，從而熔融液固化后得到致密的輕質(zhì)金屬，其隨后可用于例如鑄造工藝。
正如具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件的情況那樣，在具有非金屬粒子如鎂碎屑的輕質(zhì)金屬部件情況下，輕質(zhì)金屬材料可用于生產(chǎn)高等級構(gòu)件之前，必須對材料進(jìn)行棘手的清洗/純化處理。對此處理提出的一種方式是，將所述的不純材料熔融，從熔融液中除去干擾粒子，隨后使熔融液固化。由此獲得的高純度初步材料隨后可用于生產(chǎn)高質(zhì)量的輕質(zhì)金屬部件。
盡管從具有夾雜氣體或非金屬雜質(zhì)的輕質(zhì)金屬部件可生產(chǎn)出輕質(zhì)金屬部件用的高等級初步材料，但需要有復(fù)雜的清洗/純化操作。
基于上述因素，本發(fā)明的問題是提出具有夾雜氣體或非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件的制備方法，從而使此類廢棄產(chǎn)物能以簡易的工藝技術(shù)方式轉(zhuǎn)化成高等級的產(chǎn)品，而無需對所用材料應(yīng)用任何清洗/純化。
通過上述類型的方法使該問題得以解決，其特征在于，從至少一種具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件和至少一種具有非金屬粒子的較致密輕質(zhì)金屬部件生產(chǎn)出含氣體的金屬熔融液，在形成輕質(zhì)金屬泡沫體時使該金屬熔融液真空固化至少一段時間。
本發(fā)明目標(biāo)欲實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)主要在于，不純或污染的輕質(zhì)金屬部件可以簡易方法直接轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)金屬泡沫體，而無需對輕質(zhì)金屬部件使用清洗/純化。在本發(fā)明方法中有利的是，使用了具有夾雜氣體以及較致密非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件，從而使被污染的不同輕質(zhì)金屬部件或不同類型的輕質(zhì)金屬廢棄物可同時被重新使用或再循環(huán)。所得金屬泡沫體適用作絕熱用的能量吸收和聲音吸收構(gòu)件，或適用作汽車產(chǎn)業(yè)中的增強(qiáng)元件。由此，根據(jù)本發(fā)明，低等級的廢氣產(chǎn)物可直接轉(zhuǎn)化成具有多用途的高等級金屬泡沫體。
對于金屬泡沫的形成機(jī)制，推測認(rèn)為是由各輕質(zhì)金屬部件中引入金屬熔融液的夾雜氣體或非金屬粒子共同產(chǎn)生作用通過第一輕質(zhì)金屬部件的夾雜氣體帶入了形成金屬泡沫所需的氣體，從而在輕質(zhì)金屬部件的熔融過程中夾雜氣體以其形態(tài)保留于其中；類似地，金屬熔融液中存在的非金屬粒子因能量原因沉積于夾雜氣體或氣泡表面上，從而使之穩(wěn)定化并防止了其聚并。但是，非金屬粒子增加了金屬熔融液的粘度，從而減少了金屬熔融液中夾雜氣體或氣泡的遷移。這也減少了夾雜氣體上升至熔融液表面并由表面離開的趨勢。施加真空最終導(dǎo)致輕質(zhì)金屬泡沫體形成時含氣體的金屬熔融液的泡沫化。
與生產(chǎn)金屬泡沫體的常規(guī)方法比較可得出本發(fā)明方法特別的特征在于，其既無需特殊措施引入氣體，也無需進(jìn)行泡沫化劑組分和輕質(zhì)金屬粉末組分復(fù)雜的單獨(dú)生產(chǎn)，而在金屬冶金或粉末冶金方法中必需是這樣的。
在本發(fā)明的方法中，基本上可使用源自不同輕質(zhì)金屬的輕質(zhì)金屬部件。但是，如果使用源自相同金屬或相同合金的輕質(zhì)金屬部件則較有利。然后將這些輕質(zhì)金屬在小的溫度間隔內(nèi)進(jìn)行熔融，所述小的溫度間隔使得對方法的實(shí)施和控制更為簡易。
此外，如果將模鑄廢料用作具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件則較有利。模鑄廢料例如在模鑄過程中產(chǎn)生的所謂“溢流”形態(tài)，其可具有高于約10體積％的夾雜氣體，這對于金屬熔融液中高度引入氣體證明是有用的。
如果模鑄廢料部件由鎂或鎂合金組成則特別有利。這些材料的部件其表面具有鈍性，導(dǎo)致形成鎂粒子或鎂膜。如果將此類部件隨后用于本發(fā)明的方法中，則可另外將穩(wěn)定化的氧化鎂粒子進(jìn)料。另外，甚至是內(nèi)部的夾雜氣體也同時具有鈍性；這對于熔融液中夾雜氣體或氣泡的穩(wěn)定性具有積極的作用。
類似地，可將由鎂或鎂合金制成的部件用作致密的輕質(zhì)金屬部件，從而金屬熔融液中氣泡的穩(wěn)定化主要由氧化鎂粒子而產(chǎn)生。
如果所述非金屬粒子基本上為氧化物粒子則是較有利的，因?yàn)檫@些粒子對于與輕質(zhì)金屬熔融液的反應(yīng)一律表現(xiàn)為惰性。與碳化物相反，例如在所用材料中存在此類氧化物粒子時，可以認(rèn)為在形成的金屬泡沫體中存在的這些粒子幾乎保持未變。因此能可靠地影響甚至是所形成的輕質(zhì)金屬泡沫體的性能。因此在此基礎(chǔ)上，所生成的金屬泡沫體中非金屬粒子的含量可得到控制。如果所用材料中粒子含量是已知的，則僅需根據(jù)金屬泡沫體中所期望的粒子含量，選擇具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件與具有氧化物粒子的輕質(zhì)金屬部件的重量比。
對于非金屬粒子的情況，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果非金屬粒子平均粒度低于200微米則較有利。
理想地，生產(chǎn)出的金屬熔融液中非金屬粒子的體積占2-10％。非金屬粒子含量高于2％，則熔融液中的夾雜氣體/氣泡能獲得良好的穩(wěn)定性；粒子含量高至10％，則通過施加真空可容易地使含氣體的金屬熔融液泡沫化；另外，增加粘度會使金屬熔融液的泡沫化困難。
通過在10-400mbar真空下、特別是50-200mbar真空下固化，將金屬熔融液泡沫化并使其轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)金屬泡沫體。
也可通過施用氣體壓力，在金屬熔融液表面上另外將氣體供給至熔融液中，從而支持隨后的泡沫化。但是，如果是在大氣壓力下生產(chǎn)金屬熔融液，則工藝技術(shù)和裝置特別簡易。在此情況下，在整個方法過程中均不超過大氣壓力。
金屬熔融液生成后，應(yīng)將其過熱大于20℃。金屬熔融液的粘度隨溫度升高而降低，這基本上有利于氣泡的遷移并因此有利于除氣。因此理想地應(yīng)將金屬熔融液的過熱保持在受控狀態(tài)和低程度。
如果在溫度到達(dá)金屬熔融液固化溫度±5℃或固化間隔溫度范圍內(nèi)時施加真空，則是優(yōu)選的。在此溫度范圍內(nèi)，金屬的流體相具有高粘度，已證明這對于所形成的金屬泡沫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有利的。
對于所形成的金屬泡沫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同樣如果保持引起金屬熔融液泡沫化的真空，直至金屬熔融液完全固化，則是優(yōu)選的。同時，金屬熔融液可在固化過程中被冷卻，從而將釋放的固化熱釋放出，同時使所形成的輕質(zhì)金屬泡沫體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定。
為了設(shè)計具有特定形狀的輕質(zhì)金屬泡沫體，可在施加真空之前將金屬熔融液轉(zhuǎn)移至容器中，所述容器對輕質(zhì)金屬泡沫體賦予了形狀。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式中，在輕質(zhì)金屬泡沫體的形成過程中，可將一部分輕質(zhì)金屬泡沫體或金屬泡沫與金屬體接觸。在此情況下，在工藝步驟中形成的金屬泡沫通過金屬鍵以類似方式與金屬體進(jìn)行結(jié)合。這使得化合部件的生產(chǎn)極為簡易。
在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，使金屬熔融液在基本密閉的容器內(nèi)固化，所述密閉的容器限制了所形成輕質(zhì)金屬泡沫體的空間膨脹。在此情況下，一方面，預(yù)先賦予了將要得到的輕質(zhì)金屬泡沫體的容積；另一方面，即便是對引入容器中的質(zhì)量也可進(jìn)行選擇或選定，因而對密度也可進(jìn)行選定。換句話說，本發(fā)明使得可對所生產(chǎn)出的輕質(zhì)金屬泡沫體的密度進(jìn)行特定的調(diào)節(jié)。
如果將金屬熔融液分批引入容器中并使其固化的話，則本發(fā)明的方法可用于生產(chǎn)數(shù)個相同形式的輕質(zhì)金屬泡沫體。
采用模鑄廢料用于生產(chǎn)金屬泡沫體已被證明是極有用的。鈍化金屬的碎屑可視作第二輕質(zhì)金屬構(gòu)件。作為鋁或鎂加工件車床加工廢棄產(chǎn)物而大量出現(xiàn)的此類碎屑是特別有利的，因?yàn)榫哂醒趸锪Ｗ拥谋砻姹毁x予了鈍性，其最適合于引入穩(wěn)定化的粒子。此外，低容積的此類碎屑具有大表面，從而少量的此類碎屑足以能夠由模鑄廢料將金屬熔融液起泡并形成穩(wěn)定的金屬泡沫。
本發(fā)明進(jìn)一步基于實(shí)施例進(jìn)行描述。附圖中所示為

圖1是鎂泡沫體的切面圖。
圖2是圖1鎂泡沫體約25倍放大倍數(shù)下的顯微照片。
圖3是圖鎂泡沫體約90倍放大倍數(shù)下的顯微照片。
圖4密度為a)0.56gm/cm3，b)0.41gm/cm3，c)0.36gm/cm3和d)0.23gm/cm3的金屬泡沫體的應(yīng)力-壓縮圖。
圖5a是合金AZ91的金屬泡沫體，其中在溫度達(dá)580℃后施加真空。
圖5b是合金AZ91的金屬泡沫體，其中在溫度達(dá)600℃后施加真空。
圖5c是合金AZ91的金屬泡沫體，其中在溫度達(dá)620℃后施加真空。
圖6a是在開放容器中生產(chǎn)出的鎂泡沫體。
圖6b是在密閉容器中生產(chǎn)出的鎂泡沫體。
圖7是形成中空體的設(shè)備。
圖8是由鋁管與鎂泡沫芯組成的復(fù)合部件。
在根據(jù)本發(fā)明的再循環(huán)方法中，由鎂合金AZ91和AM50制成的模鑄廢料部件用于生產(chǎn)輕質(zhì)金屬泡沫體。該模鑄廢料部件顯示具有體積各自占約20％的氣孔。所用廢料部件的化學(xué)組成如下表1所示。
表1 合金AZ91與AM50的化學(xué)組成
將由AZ91或AM50制成的模鑄廢料部件與相同合金的鎂碎屑按模鑄廢料部件∶碎屑＝7∶1的重量比、于大氣壓下在開放的坩堝中共同熔融在一起。將由此生成的金屬熔融液轉(zhuǎn)移至鋼模(steel mould)中。隨后，將充填的鋼制坩堝置于真空室中，并在600℃(AZ91)或630℃(AM50)的溫度下施加80mbar的真空，從而使金屬熔融液泡沫化并形成輕質(zhì)金屬泡沫體。
圖1示出了由此生成的輕質(zhì)金屬泡沫體的切面?？梢钥闯?，該輕質(zhì)金屬泡沫體具有諸多氣孔和致密的外表面。除圖1中見到的直徑數(shù)毫米的氣孔以外，還有直徑更小的氣孔，這從圖2和圖3顯微照片可以看出。非金屬粒子具有低于200μm的平均孔徑。
由圖1至3中更清楚顯示的氣孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生能量吸收行為，該行為使得由再循環(huán)材料制造的輕質(zhì)金屬泡沫體可用于車輛制造的許多應(yīng)用中。
圖4是在平行六面體(5×5×3cm3)上對合金AZ91制成的、具有不同密度的輕質(zhì)金屬泡沫體進(jìn)行壓縮試驗(yàn)所得的應(yīng)力/壓縮圖。這些密度為a)0.56gm/cm3，b)0.41gm/cm3，c)0.36gm/cm3和d)0.23gm/cm3的平行六面體壓縮曲線證明，壓縮試驗(yàn)中的再循環(huán)輕質(zhì)金屬泡沫體在短期線性上升后顯示出顯著的平穩(wěn)性。在該平穩(wěn)區(qū)域，即所謂的形變應(yīng)力，輕質(zhì)金屬泡沫體有效作為能量吸收體。重新成形的輕質(zhì)金屬泡沫體中所獲得的形變應(yīng)力處于以常規(guī)方式生成的輕質(zhì)金屬泡沫體的范圍，常規(guī)方式例如粉末冶金或金屬冶金法。
在圖5a至5c中，示出了真空開始時的溫度對AZ91合金所制輕質(zhì)金屬泡沫體形狀的影響。圖5a和圖5b作為比較示出，在580℃泡沫形成部分地被抑制，這是由于待泡沫化的材料在該溫度下的極高粘度所致。在稍對應(yīng)于AZ91熔點(diǎn)的600℃，泡沫形成過程就泡沫體的完全膨脹而言得到最優(yōu)化。更高的溫度如620℃(圖5c)導(dǎo)致金屬熔融液的粘度下降。因而所形成的金屬泡沫體可由于金屬泡沫的壁結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定而瓦解。
除選擇泡沫化溫度或開始施加真空時的溫度外，特定的冷卻條件也會促進(jìn)輕質(zhì)金屬泡沫體的均勻形成均勻的冷卻就各方面而言都是有利的，通過將進(jìn)行泡沫化的容器隔離即可實(shí)現(xiàn)。
圖6a和圖6b并列示出了在相同條件下，尤其在相同溫度、真空、相同質(zhì)量的所用金屬熔融液下，于開放容器(圖6a)和密閉容器(圖6b)中的輕質(zhì)泡沫體形成。如果是開放容器，則所形成的金屬泡沫可膨脹而不受阻礙，從而得到圖6a所示的輕質(zhì)金屬泡沫體。但如果是密閉容器從而使得容器內(nèi)甚至能產(chǎn)生出真空，則所形成金屬泡沫體的膨脹受到限制；因而容器的形狀限定了金屬泡沫體的形狀。在此情況下，可得到期望形狀的、幾乎具有致密表面的多孔輕質(zhì)金屬泡沫體。
在圖7和圖8的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解釋了本發(fā)明方法如何能用于生產(chǎn)化合部件。圖7示出了真空室1，其具有安裝于真空室1外蓋8上的氣體入口6和氣體出口7。外蓋8可從真空室1的側(cè)壁5移除，從而可將鋼模2引入真空室1內(nèi)。鋼模2引入真空室1后起接納含氣體的金屬熔融液4的作用。顯然，可類似地先將金屬熔融液4置于鋼模2中，隨后將鋼模2引入真空室1內(nèi)。
除鋼模2外，真空室內(nèi)還引入了中空體3。中空體3的設(shè)置使得由金屬熔融液4形成的金屬泡沫能與其接觸。如圖7中的實(shí)例所示，其設(shè)置方式可使得管狀的中空體3置于圓錐形的鋼模2中，剛好位于熔融液的表面之上。
中空體3可以是任意的金屬或合金。例如，可適用鋼剖面(profile)或鋁剖面與鎂或鎂合金的輕質(zhì)金屬泡沫體的組合。如果將要起泡(foamed out)的中空體3是由熔點(diǎn)/熔融間隔近似于金屬熔融范圍的金屬或合金制成，則是特別有利的。從而中空體3與金屬泡沫在熔融溫度或剛好熔融溫度以下接觸時，實(shí)現(xiàn)了中空體3在接觸面的熔融，這促進(jìn)了輕質(zhì)金屬泡沫與中空體3的固體金屬結(jié)合。同樣有利的是在期望的接觸區(qū)域?qū)λ弥锌阵w3表面進(jìn)行預(yù)處理，例如通過除去鈍化膜/層從而實(shí)現(xiàn)盡可能地實(shí)現(xiàn)全面的金屬結(jié)合。
圖8示出了根據(jù)圖7所示布置生產(chǎn)的化合部件的切面。該化合部件的外部區(qū)域由所用中空輪廓3形成，內(nèi)部區(qū)域由輕質(zhì)金屬泡沫形成。
對專家而言顯見的是，不僅可起泡成為中空剖面，而且類似地使用以相同質(zhì)量生產(chǎn)出的化合部件，也可進(jìn)行金屬體的重新起泡以及起泡/重新起泡的組合。
權(quán)利要求
1.一種使具有夾雜氣體或非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件再循環(huán)的方法，其特征在于由至少一種具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件和至少一種主要具有致密非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件，可生產(chǎn)出含氣體的金屬熔融液，并且在形成輕質(zhì)金屬泡沫體時可使金屬熔融液在真空下固化至少一段時間。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用由相同金屬或相同合金制成的輕質(zhì)金屬部件。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于將模鑄廢料部件用作具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件。
4.權(quán)利要求3的方法，其特征在于模鑄廢料部件由鎂或鎂合金制成。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于將由鎂或鎂合金制成的部件用作基本上致密的輕質(zhì)金屬部件。
6.權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)的方法，其特征在于非金屬粒子主要是氧化物粒子。
7.權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)的方法，其特征在于非金屬粒子具有低于200μm的平均粒度。
8.權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)的方法，其特征在于生產(chǎn)出非金屬粒子體積占2～10％的金屬熔融液。
9.權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)的方法，其特征在于使金屬熔融液在10～400mbar，特別是50～200mbar的真空下固化。
10.權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)的方法，其特征在于在大氣壓力下生產(chǎn)出金屬熔融液。
11.權(quán)利要求1～10任一項(xiàng)的方法，其特征在于使金屬熔融液過熱不超過20℃。
12.權(quán)利要求1～11任一項(xiàng)的方法，其特征在于在到達(dá)金屬熔融液固化溫度之上5℃至之下5℃或者固化間隔的溫度范圍時，對金屬熔融液施加真空。
13.權(quán)利要求1～12任一項(xiàng)的方法，其特征在于保持真空直至金屬熔融液完全固化。
14.權(quán)利要求1～13任一項(xiàng)的方法，其特征在于在固化過程中將金屬熔融液冷卻。
15.權(quán)利要求1～14任一項(xiàng)的方法，其特征在于在施加真空之前，將金屬熔融液轉(zhuǎn)移至對輕質(zhì)金屬泡沫體賦予形狀的容器內(nèi)。
16.權(quán)利要求1～15任一項(xiàng)的方法，其特征在于在輕質(zhì)金屬泡沫體形成過程中，將輕質(zhì)金屬泡沫體或金屬泡沫的一部分與金屬體接觸。
17.權(quán)利要求1～16任一項(xiàng)的方法，其特征在于使金屬熔融液在很大程度上密閉的容器內(nèi)固化，所述容器限制了所形成的輕質(zhì)金屬泡沫體的空間膨脹。
18.權(quán)利要求17的方法，其特征在于將金屬熔融液分批引入容器內(nèi)，并使其在容器內(nèi)固化。
19.模鑄廢料在生產(chǎn)金屬泡沫體中的應(yīng)用。
20.鈍化金屬碎屑在生產(chǎn)金屬泡沫體中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有夾雜氣體或非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件的再循環(huán)方法。為了以簡單的工藝技術(shù)方式將不同的廢棄產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成高等級的產(chǎn)品，而無需對所用材料進(jìn)行清洗/純化，本發(fā)明建議由至少一種具有夾雜氣體的輕質(zhì)金屬部件和至少一種具有大量致密非金屬粒子的輕質(zhì)金屬部件，生產(chǎn)出含氣體的金屬熔融液，并且在形成輕質(zhì)金屬泡沫體時可使金屬熔融液在低壓下固化至少一段時間。
文檔編號C22B7/00GK1965096SQ200580018156
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者卡林·倫格爾, 理查德·克雷茨 申請人:阿盧萊特國際有限公司