煙花用鋁鎂合金粉體制備工藝研究*

孫振起，吳安如，陳 蓉,董麗君,寧立偉

(1.湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411104；2.湖南省風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

煙花用鋁鎂合金粉體制備工藝研究*

孫振起1，2，吳安如1，2，陳 蓉1,董麗君1,寧立偉1

(1.湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411104；2.湖南省風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

運用活性熔劑熔煉、鐵質(zhì)模冷卻鑄造技術制備了煙花用鋁鎂合金鑄錠，在惰性氣氛保護環(huán)境下采用機械球磨方法制備煙花用合金粉體，鋁鎂粉末形貌分析在電子掃描電鏡上進行.試驗結果表明：制得的合金粉體粒度分散度大，形狀各異，適合大批量生產(chǎn)煙花使用.

煙花、鋁鎂合金、粉體、球磨

0 引言

煙花在高空綻放時極具觀賞性，會發(fā)出紅色、綠色、蘭色、白色、黃色、紫色等各種色彩斑斕顏色，鋁鎂合金粉末是必不可少的.鋁鎂合金粉是重要的還原劑，起著關鍵作用，它在氧化過程中產(chǎn)生的高溫使不同的金屬離子產(chǎn)生不同的顏色，而且更加明亮，因此常常在煙花中加入鋁、鎂等金屬及其合金[1- 2]，此外，鋁鎂合金對煙花的聲級的大小也有直接關系[3].但是，純鎂在空氣中極易自燃，儲存條件嚴格[4].鋁的粉體也具有強烈的氧化性，極易燃燒，常作為火箭推進劑用于軍事[5].為了提高制作煙花安全性，煙花藥劑中添加的鋁、鎂通常以中間合金形式添加[6]，作為煙花用的鋁鎂合金，其制備工藝也非常關鍵，稍有疏忽極易造成危險，甚至帶來巨大生命及財產(chǎn)損失.本文是以某種煙花用鋁鎂合金為研究對象，研究鋁鎂合金的熔煉及鋁鎂粉末制備，以供生產(chǎn)參考.

1 實驗部分

鋁鎂相圖如圖1所示[7].由圖可以看出，鋁的熔點為660.425℃，鋁的熔點為650℃，鎂鋁合金相的熔點在450 ℃左右；鋁鎂合金主要形成β(Al3Mg2)、γ(Al12Mg17)、ε(Al30Mg23)相.β相具有復雜的立方結構，它的晶胞非常大，包含有1168個原子，而γ相雖然也具有復雜的立方結構，但它的晶胞小得多，只包含58個原子[8].

圖1 鋁鎂相圖

1.1 實驗儀器與材料

本實驗中使用的儀器、設備及材料包括：中頻感應熔煉爐(用于加熱熔融鋁、鎂鑄錠)、鐵質(zhì)澆鑄模(用于鋁鎂合金的成型與冷卻)、工業(yè)純鋁(制備鋁鎂合金的原料)、工業(yè)純鎂(制備鋁鎂合金的原料)、天平(用于原材料的稱量)、石墨坩堝(用于原材料熔融)、必要的工具(扒渣棒、抱鉗等)用于清理熔融合金輔助熔鑄)、球磨機(制備鋁鎂粉體)、便攜式紅外測溫儀(用于監(jiān)測球磨過程中溫度變化)、氮氣(提供制備粉體所需氣氛)、掃描電鏡(用于觀測粉體形貌).

1.2 實驗方法與工藝

1.2.1 鋁鎂中間合金的熔煉

鋁鎂合金的制備有多種方法，如電沉積法、機械合金化法、熔鑄法等[9].其中，熔鑄法是國內(nèi)最簡單易行、最常用的方法.由于在熔煉過程中，合金中的鎂極易同周圍的介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應，并且生成的MgO非常疏松，不能阻止鎂與外界介質(zhì)進一步發(fā)生反應，造成合金中鎂元素的持續(xù)燒損，極大地影響熔鑄后鎂鋁合金中鎂的含量，進而影響合金的使用性能.鋁鎂合金熔鑄過程中預防鋁鎂元素燒損的方法常用有熔劑(覆蓋劑)法和氣體保護法.彭斌輝在其研究中提到了氣體保護法制備鋁鎂合金[10].

本研究采用熔劑法制備鋁鎂合金，工藝路線如圖2所示.

其工藝路線主要包括：原材料的準備、熔爐預熱、熔融除渣與精煉、澆注成型等工序.

圖2 鋁鎂合金熔煉工藝圖

先將工業(yè)純鋁、純鎂鑄錠用機械切割的方法切成15 cm左右的塊狀，按一定的配比準備好.再將鋁放入預熱的石墨坩鍋中，為了防止鋁合金升溫過程中過度氧化，在加熱過程中在鋁合金表面灑一層粉狀覆蓋劑[11](主要成份是KCl、 NaCl、Na3AlF6(冰晶石)，三者之間的配比為25∶65∶10，其比重約為2.3 g/cm3，熔點約670 ℃).加熱至710 ℃左右，等待鋁合金全部熔化，然后將切割成小塊純鎂放入坩鍋中，并用不停地攪拌，促進鎂熔化，并使兩種金屬混合均勻，再加入精煉劑(C2Cl6).靜置幾分鐘后，用工具將熔體表面的氧化物取出后將熔融的合金液體倒入鐵制模具中，待其冷卻至室溫取出鋁鎂合金即可.

1.2.2 鋁鎂合金粉體的制備

制備粉體的方法有很多種，常用的有機械法[12-13]、化學法[14]等，各種制備方法有不同的特點及應用領域[15].本文采用機械球磨的方法制備鋁鎂合金粉體.先用木質(zhì)錘子將合金粉碎至5 cm左右的塊狀，嚴禁猛烈擊打，以免發(fā)生爆炸；再將塊體裝入球磨機中，合金與磨球的比例大約為1∶2，總體積約占球磨罐的2/3，球磨時間1.5 h.在球磨過程中會產(chǎn)生大量的熱量，為了防止合金發(fā)生氧化反應而引發(fā)爆炸，整個球磨過程在氮氣氛圍中進行，并時時用紅外測溫儀測量球磨罐的溫度，如果溫度超過60 ℃時，就要暫停球磨，待球磨罐溫度降低后再繼續(xù)進行球磨作業(yè).球磨后用120目的篩子進行篩選，顆粒過大合金需要進一步球磨.

2 實驗結果與討論

粉體形貌測試在JSM6490LV型掃描電鏡上進行.結果如圖3所示.由圖3a可以看出：粉體直徑在15～120 μm之間，大小不均，形狀各異，有圓形、長條形等；在圖3b所示的高分辨率視場下，粉體顆粒棱角分明，有的顆粒呈薄片狀，有的厚度較大，這是因為這種鋁鎂合金脆性較高，在研磨球的沖擊下發(fā)生崩裂形成大小不一、形狀各異的形貌.在煙花燃放時，大的顆粒燃燒持續(xù)時間長，視覺效果良好；小顆粒在天空中爆燃速度快，聚集性好.將制備的此粉體在生產(chǎn)煙花中試用，燃放效果良好，得到了用戶的肯定.

圖3 鋁鎂合金熔煉工藝圖

3 結論

(1)鋁鎂合金塑性差，用錘子輕輕擊打就會開裂；

(2)鋁鎂合金粉末粒度分布在15～120 μm之間，大小不一、形狀各異；

(3)用此種方法制備的鋁鎂合金制備的煙花燃放效果良好.表明此合金配方合理，制備粉體的方法簡單，適于大規(guī)模生產(chǎn).

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Study on Preparation Technology of Aluminum Magnesium Alloy Powder for Fireworks

SUN Zhen-qi1，2，WU An-ru1，2，CHEN Rong1，DONG Li-jun1，NING Li-wei1

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 2．The Coopperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion, Xiangtan 411104, China)

Aluminum magnesium alloys are prepared for fireworks by casting which is protected by active flux. Alloy powder for fireworks is made by mechanical milling method in inert gas. Graph of Aluminum magnesium powder is studied by electron scanning electron microscopy. The results show that the alloy powder has different shapes and sizes. It is suitable for enterprises to produce fireworks widely.

fireworks; aluminum magnesium alloy; powder; ball mill

2016-06-07

國家自然科學基金項目(11572124)；國家自然科學基金項目(11472103)；湖南工程學院博士啟動資金項目(XJBSJJ[2015-006])；湖南省高校產(chǎn)業(yè)化育培項目(13CY023).

孫振起(1975-)，男，博士，講師，研究方向：結構設計與優(yōu)化、焊接工藝及材料成型.

TB44

A

1671-119X(2016)04-0034-03