CN101148746B - 一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置，属均质偏晶合金材料制备工艺技术领域。本发明的特点主要是利用稳恒强磁场与交变电流复合作用来抑制合金第二相的偏析，从而获得第二相均匀分布的偏晶合金。本发明方法的过程如下：将含有偏晶成分的二元组成合金放置于设有两个交流电极的坩埚中，并将其放置在有惰性气体保护的加热装置中，前述装置又放置于一超导磁体产生的强磁场空间中；给加热装置通电加热，使炉内温度达到偏晶合金的液相线温度之上，并保温若干小时，然后控制炉温以恒定速度降温，同时通过合金熔体两端的交流电极通入适当强度和频率的交变电流，直至偏晶合金温度降低固相线温度以下，待冷却至室温下，即获得第二相均匀分布的偏晶合金材料。

Description

一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置，属均质偏晶合金材料制备工艺技术领域。
背景技术
第二相均匀分布于基体的偏晶合金是一种重要的功能材料，在高性能轴瓦材料、电触头材料、电化学材料、超导材料等领域中，均展现出非常优异的性能。然而该种合金具有特殊的冶金特点：在合金凝固过程中，均存在一个液液不混溶区，由于先析出的液相与原有熔体存在密度差异，导致液相分层，最终形成互不混溶的两相，从而无法实现第二相的均匀分布，以致在众多领域中无法展现偏晶合金的优良性能。
目前为制备第二相均匀分布于基体的偏晶合金，已有的方法包括微重力条件下凝固、快速凝固、粉末冶金等。然而各种方法都存在着一定的问题：利用微重力条件凝固时，在地面上要获得长时间的微重力非常困难，而在太空进行微重力下材料制备则费用昂贵，研究周期较长；采用快速凝固方案时，虽然可以制备出近似均匀分布的偏晶合金，但是试样尺寸和设备受到很大的限制；利用雾化制粉、再低温烧结的方法时，虽然可以制备出宏观无偏析的偏晶合金材料，但是其机械性能仍然无法与通过凝固制备的合金相媲美，用作轴瓦材料时其性能将大大降低。因此迄今为止，在地面上尚无法在常规凝固速度下制备出第二相均匀分布的偏晶合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的在地面上重力场下制备无偏析的偏晶合金的方法。
本发明主要是利用稳恒强磁场与交变电流复合作用下抑制第二相的偏析，从而获得第二相均匀分布的偏晶合金。
本发明的一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法，其特征在于该方法具有以下的过程和步骤：
将含有偏晶成分的二元或多元组成合金放置于设有两个石墨电极或不锈钢电极的坩埚中，并将所述的坩埚放置在有惰性气体氩气或氮气保护下的加热装置中；然后将上述整套装置放置于一超导磁体产生的强磁场空间中，磁场方向保持为向上垂直方向，调整磁场强度达1～12T范围内；然后给所述加热装置通电加热，通过控温仪控制加热装置炉内温度为偏晶合金的液相线温度以上，并保温若干小时；然后控制炉温以恒定的速度降温；同时通过合金熔体两端的两个石墨电极或不锈钢电极往熔体中通入适当强度和适当频率的交变电流，电流大小为2-40A，电流频率为1-1000Hz，同时确保磁场强度和电流密度的方向为垂直正交，直至偏晶合金温度完全降至固相线温度以下，此时关闭电源，停止电流输入，待冷却至室温后即获得第二相均匀分布的偏晶合金材料。
本发明的一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法中所用的装置，该装置由水冷套管、调压调频交流电源、超导磁体、交流电电极、坩埚、热电偶、控温装置、合金试样、加热元件和惰性气体氩或氮气的输入管组成；其特征在于：放置有合金试样的坩埚放置在设有加热元件的加热炉内；在坩埚内的两侧设置有两个石墨电极或不锈钢电极，且通过导线与调压调频交流电源相连接；上述装置坩埚和设有加热元件的加热炉整体的最外侧设置有一具有强磁场的超导磁体，使上述装置整体置于强磁场空间中，且磁场方向保持为垂直向上方向；超导磁体产生的磁场强度为1～12T；在超导磁体和加热元件之间的环形空间内设置有一水冷套管，以保护超导磁体；加热元件通过导线与控温装置相连接；另有一插入炉内的热电偶与控温装置相连接；在加热炉的底部连接有一可通过高纯惰性气体氩或氮气的输入管。
本发明方法的机理和原理叙述如下：
在本发明中，将偏晶合金的凝固过程移置于磁场中进行，利用强磁场与适当频率和适当强度的交变电流配合产生的电磁激振效应，来细化第二相液滴粒子的粒径，降低其上浮或下沉速度，以达到抑制比重偏析的目的。由于强磁场复合交变电流场对第二相粒子的上浮或下沉速度有显著的抑制作用，因此可以在地面上以较低的凝固速度下获得第二相均匀分布的偏晶合金材料，而目前已有的技术尚无法实现这一目的。本发明在工业级的冷却速度下，即0.1～102K/S冷却速度下，使偏晶合金凝固过程中的比重偏析得到显著抑制，从而获得第二相均匀分布的偏晶合金。
另外，本发明方法的特点如下所述：
(1)在强磁场中，第二相颗粒在导电熔体中运动时，将感生出电流，而该电流与磁场作用产生的洛仑兹力将阻碍颗粒的运动，因而可抑制聚合和偏析；
(2)强磁场与交变电流作用产生的振荡力能将第二相液滴打碎，而根据Stokes定律，第二相液滴的上浮或下沉速度与粒径平方成正比，因此，液滴粒径降低一倍，其运动速度将降低4倍，因此液滴直径的细化将进一步抑制其上浮和下沉运动；另外，液滴粒子在振荡力作用下将形成“S”形运动，从而延长粒子的迁移距离，降低粒子碰撞聚合的概率；
(3)强磁场使金属熔体的粘度增加，从而降低液滴粒子的上升和下沉速度；另外，强磁场能有效抑制由于Marangoni效应引起的流动，因而可以有效抑制偏析的产生。
附图说明
图1为本发明方法中所用的专用装置的结构示意图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本发明方法主要是通过其专用装置实现的。
参见图1，本实施例中制备偏晶合金材料所用的专用装置是由水冷套管1、调压调频交流电源2、超导磁体3、交流电电极4、坩埚5、热电偶6、控温装置7、合金试样8、加热元件9和惰性气体输入管10组成。放置有合金试样8的坩埚5放置在设有加热元件9的加热炉内；在坩埚5内的两侧设置有两个石墨电极或不锈钢电极4，且通过导线与调压调频交流电源2相连接；上述装置坩埚5和设有加热元件9的加热炉整体的最外侧设置有一具有强磁场的超导磁体3，使上述装置整体置于强磁场空间中，且磁场方向保持为垂直向上方向；超导磁体3产生的磁场强度为1～12T；在超导磁体3和加热元件9之间的环形空间内设置有一水冷套管1，以保护超导磁体3；加热元件9通过导线与控温装置7相连接；另有一插入炉内的热电偶6与控温装置7相连接；在加热炉的底部连接有一可通过惰性气体氩或氮气的输入管10。
本实施例的具体运作过程如下所述：
采用含有偏晶成分的二元组成合金锌铋合金，按质量比Zn∶Bi＝70∶30的比例称量纯Zn和纯Bi颗粒，放置于石墨坩埚中，在氩气保护的加热炉中制成直径为15mm、高为20mm的Zn-30wt％Bi的合金棒。
将上述Zn-30wt％Bi合金棒8放置于设有两个不锈钢电极4的坩埚5中，并将坩埚5放置在有惰性气体氮保护下的加热装置中；上述整套装置放置于由一超导磁体3所产生的强磁场空间中，磁场方向保持为向上垂直方向，调整磁场强度达6T；然后给所述加热装置通电加热，温度可通过插入炉内的热电偶6及控温装置7来控制和调节；利用加热元件9将Zn-30wt％Bi合金试样8加热到700℃，并在此温度下保温2小时(Zn-30wt％Bi合金的液相线为600℃)，此时合金试样高于两相液相线温度，合金液将在保温温度下和保温时间内充分熔化成单一的液相；调节调压调频交流电源2，使合金试样8中通过不锈钢电极4通入交流电，恒流交流电的电流强度为8A，交流电频率为100Hz；同时调节惰性气体氮从输入管10的流入速度；与此同时通过水冷套管通入冷却水，使偏晶合金逐渐降温凝固，其降温速度为5-10℃/min；当偏晶合金的温度降至200℃时(Zn-30wt％Bi个的完全凝固相线为254.5℃)，停止通电；继续通入惰性气体，让偏晶合金冷却至80℃时，停止惰性气体输入；关闭温控装置，取出偏晶合金，即得到直径15mm高20mm的第二相均匀分布于基体中的无偏析的Zn-30wt％Bi偏晶合金。

Claims (2)

1.一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：将含有偏晶成分的二元组成合金放置于设有两个石墨电极或不锈钢电极的坩埚中，并将所述的坩埚放置在有惰性气体氩气或氮气保护下的加热装置中；然后将上述整套装置放置于一超导磁体产生的强磁场空间中，磁场方向保持为向上垂直方向，调整磁场强度达1～12T范围内；然后给所述加热装置通电加热，通过控温仪控制加热装置炉内温度为偏晶合金的液相线温度以上，并保温若干小时；然后控制炉温以恒定的速度降温；同时通过合金熔体两端的两个石墨电极或不锈钢电极往熔体中通入适当强度和适当频率的交变电流，电流大小为2-40A，电流频率为1-1000Hz，同时确保磁场强度和电流密度的方向为垂直正交，直至偏晶合金温度完全降至固相线温度以下，此时关闭电源，停止电流输入，待冷却至室温后即获得第二相均匀分布的偏晶合金材料。
2.一种根据权利要求1所述的制备无偏析的偏晶合金材料的方法中所用的装置，该装置由水冷套管(1)、调压调频交流电源(2)、超导磁体(3)、交流电电极(4)、坩埚(5)、热电偶(6)、控温装置(7)、合金试样(8)、加热元件(9)和惰性气体氩或氮气的输入管(10)组成；其特征在于：放置有合金试样(8)的坩埚(5)放置在设有加热元件(9)的加热炉内；在坩埚(5)内的两侧设置有两个石墨电极或不锈钢电极(4)，且通过导线与调压调频交流电源(2)相连接；上述装置坩埚(5)和设有加热元件(9)的加热炉整体的最外侧设置有一具有强磁场的超导磁体(3)，使上述装置整体置于强磁场空间中，且磁场方向保持为垂直向上方向；超导磁体(3)产生的磁场强度为1～12T；在超导磁体(3)和加热元件(9)之间的环形空间内设置有一水冷套管(1)，以保护超导磁体(3)；加热元件(9)通过导线与控温装置(7)相连接；另有一插入炉内的热电偶(6)与控温装置(7)相连接；在加热炉的底部连接有一可通过惰性气体氩或氮气的输入管(10)。
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