CN102165084A - 制造用于生产合金的添加剂和中间合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金领域，特别是涉及制造用于生产各种合金的添加剂的方法。该方法包括：熔化基体金属和工作配料，在产生工艺上过热到基体金属和工作配料的液相线以上的温度，搅拌熔体，对它进行过滤和使过热的熔体在离心机的力场中采用范围在从20到500之间的不同的重力系数条件下，进行结晶，以便制造取代-填隙固溶体型的铸锭。用离心机的力场处理结晶块的过程需持续到能使冷下来的铸锭的温度达到在一般条件下的结晶过程结束时的温度。本发明的方法能够利用在不同的外部力场中、在结晶结构的形成阶段中的熔体中的扩散过程的加快而改变添加剂的结晶的条件。

Description

制造用于生产合金的添加剂和中间合金的方法

技术领域

本发明属于冶金生产领域，更具体地涉及生产改变各种合金工作性质用的添加剂的方法，其中包括中间合金的生产方法。

背景技术

添加剂和中间合金通常是由含有一种或多种制备合金的组分的工作合金的主要成分组成的，在数目上比在工作合金中的组分要多。它们应该满足下述的要求：具有与基体金属的熔化温度接近的熔化温度，保持在化学成分方面的均匀性，能够包含尽可能多的制备中间合金的元素，具有足够的方便粉碎的脆性，中间合金适合于加入到合金中使用，这些添加剂是：

—为了溶解而需要使熔体明显过热的难溶的添加剂；

—在纯净的状态下在熔体的温度下处在气态的易挥发的成分；

—在空气中为游离态能与氧气和氮气互相反应的化学性质活泼的添加剂；

—昂贵的添加剂，如果在纯的状态一般不能得到它们，而由于中间合金的生产方法已经被掌握，这时就可以用相当便宜的中间合金取代它们；

—在纯的状态下几乎不能可靠的微量(0.02-0.01％)加入的添加剂；

—某些制造合金的元素，这些元素的密度比基体金属的密度高或低，在前一种情况下，该元素将沉入到池的液体的底部，而在后一种情况下将漂浮在熔体的表面，在所有的情况下都很难监视到这些添加剂熔解情况。

中间合金在炉料成分中的质量从30-70％的范围内变化，其实际值取决于合金组成的复杂性。合金的化学成分，缺陷的存在和机械性能在很大程度上与所使用的中间合金的性能有关。

中间合金质量的基本判断标准是：在中间合金的整个体积内化学成分互相一致，没有氧化物和其它非金属夹杂，中间合金的各组分分布均匀。

现有生产添加剂的方法是应用各种物理学原理来实现的，这些原理可以保证解决两个基本的问题。

使用添加剂的第一方案在于：进行改进(第一和第二类)基体熔体，以便达到实现重要的变细结构。在这方面在配制添加剂-改良剂(中间合金)的过程中，应根据不同的改良剂本身的类型而提供下述的不同的制备方法：

—使用表面活性物质，不改变母液的化学成分，阻断在中间合金中粗大晶粒的生长，这些物质是以吸附剂的状态存在。

—利用难熔物质，保证这些物质在中间合金的体积内均匀分布，这样就可以很好地使中间合金的结构变细。在这个方案中，还必需依靠例如生成不同的氧化物的超分散粒子的相对稳定的键，使金属间化合物变细。

在重复熔化第一类合金时，在根据热力学定律改良工作熔体的过程中，在过热不太大的条件下，可以引起晶粒间键的破坏，释放出改良剂-吸附剂，然后改良剂-吸附剂从晶粒表面离开，引起晶粒破裂，这个温度过热的值非常小(20-40℃)，过热太大时，甚至短时间也会造成不能使用中间合金超分散晶粒作为底层。

实际上，该类型的中间合金的使用者在大多数情况下，把该类型的中间合金作为改性剂与原始的制备中间合金的元素联系起来，在最优选的情况下是把该类型的中间合金作为改性剂与均匀分布在中间合金的母体外围的中间合金的原始元素相连系。

第二种类型中间合金的重新熔化，该类型的中间合金通常是作为基体金属的机械混合物的粒子和被高分散过的难熔氧化物、碳化物、氮化物的粒子，这些粒子是形成中间合金晶粒的中心。只有在产生引起晶粒分裂的大的过热(大于50-70℃)之后才需要通过上述的重新熔化中间合金的方法完成改性的任务。只有在这些条件下，才能通过制备中间合金的元素最有效地实现改进。这些中间合金应该具有按体积均匀分布的制中间合金的元素。

使用添加剂的第二方案在于：通常利用任何合金的化学组分帮助添加剂达到期望的效果。在这种情况下，添加剂应该具有能以最大溶解度溶解在主要母体中的第二组分，包括已过饱和溶液的情况在内。

在制备这些添加剂的过程中，制备者力争改变添加剂的整个结构的非晶粒的部分。在这种添加剂的情况下，整体包括：例如15％的铝基体中的镁，可是在晶粒本身内部镁的含量却不会超过7％，在重新熔化这种类型的添加剂时，这种类型的添加剂最优选是以最大的相对体积渗入到溶液中的共晶物，这时引起了保证把第二组分注入到开始工作的熔体中的原始问题，人们曾尝试通过使共晶物完全溶解和随着第二过程的进行，校正在添加剂和工作熔体晶粒之间的第二组分的浓度来保证这个问题的解决。

由于未解决的浓度问题而使应用这些添加剂的最终的结局是制备出仅具有可能的部分工作性能的任何已知化学成分的合金。

目前，为了制备添加剂而采用制备铝合金用的中间合金的方法，该方法的基础是：通过生成的氧化物超分散的粒子稳定的键使在中间合金中的金属互化物中的金属互化物粒子变细，从而提高在制备熔体过程中这些金属互化物粒子的稳定性。(见SU No 1650746，C22 C1/03，公开日23，05.1991)

上述方法实施起来相当简单，采用该方法可以改善铸锭的结果，但是在制备合金的过程中，由于添加剂实际上不能溶解在它的母体中，而实际上，在最好的情况下也只能重复添加剂的结构，并不能使合金具有可能的工作性能。

用电磁场使用中间合金熔体制备中间合金的方法是公知的(见RU No.2210611，C22C1/03公开日20.08.2003)，该方法包括：熔化基体合金和工作配料，混合、过滤和在以不同的速度体积冷却熔体的条件下使其结晶，从而使金属互化物粒子变细，这时为了提高添加剂的均匀性而通过减少最初的金属互化物的份额在施加外部恒定的电磁场中进行结晶。

然而，这样的作用只是改变了添加剂的结构，并没有在性质上改变固溶体，这种情况的原因是由于在上述情况下，在使任何组分溶解(扩散)在母体中的预定计划中，起作用的机制是物质组分的浓度下降(菲克定律)，也就是说在这里没有加快扩散过程的机制。

制备用于生产合金的制合金的添加剂的方法是公知的，该方法包括：熔化基体金属和已溶解的配料，然后在体积冷却熔体的条件下，使熔体结晶，以便金属互化物粒子变细，其特征在于：为了制备一类制合金的添加剂而使熔体的取代-填隙的固溶体在离心机的力场中，在t＝m₃/akg的时间间隔中以在从20到240范围内的重力系数的条件下进行结晶，其中：a是根据配料的结晶热力学特性和热过程进行速度对每个金属-配料分别确定的数值形式的系数，Kg是重力系数，m₃是在中间合金添加剂中溶解的配料的比质量。

然而，进一步研究表明，由上述专利申请的权利要求书所提供的特性，不能获得其声称的效果。

对于进行加快扩散过程和在温度高于液相线的温度的条件下的在结晶过程中晶粒度的成长而言，在进入锭模之前的熔体的工艺上所必需的过热，会导致过程的中断和使过程转换到退出一般的离心铸造的过程。

引起组分溶解不足，破坏了预期的结晶块结构。

另外，忽视用离心机的力场继续加工结晶块直到使冷凝的结晶块达到在一般条件下完成所有过程所需要的温度，最终报废了加工结果，因为在过早地撤销力场之后就开始一般的过程。

在表1和2中所列的数据具有非系统的特性，脱离了过程在液相线以上进行的事实。

所建议的计算用于所需要的时间的公式(t＝m₃/akg，其中a是系数，Kg是重力系数，m₃是在添加剂中溶解的配料的比质量(相对质量))由于重力对熔体的质量的作用是无关重要的，所以在理论上是无根据的，又由于t与熔体的化学组分、冷凝速度高于液相线的温度系数和重力系数的数值的实际关系被系数“a”不合理的替代了，所以实际上是不合乎逻辑的。

在上述的理论的前提方面，将公式(2)的右边乘以“MO”的原子量的变换是不可靠的，这是由于在离心机的力场中的过程与被处理的物质的质量的关系无关重要。

对于所有的处理阶段用一个重力系数的断言对个别的一些材料组是可以接受的，而对大多数合金而言，根据被处理的合金的温度系数和相的状态改变重力系数Kg的值是有优选值的。这个关系在从过热的初始温度到液相线的温度的被处理的熔体的温度区间内表现的特别明显。

本发明是在该现有技术中的技术方案的基础上考虑到其存在的缺点而进行的改进。

发明内容

本发明的技术解决方案是通过将在熔体中加快扩散过程的新的物理现象应用到外力场中的形成晶体结构的阶段，而使添加剂的结晶条件得到改善来实现的。本发明所取得的技术效果是：使制备的添加剂对过热更稳定，该添加剂保证了在基体合金的熔体中的添加剂本身的母体和工作配料的理想的溶解度，从而使该合金的工作性能大幅度提高25-30％。

上述的技术效果是通过制备用于生产各种合金的添加剂，特别是中间合金的方法达到的，该方法包括：熔化熔体，产生在工艺上所必需的达到基体金属和工作配料的液相线以上的过热，搅拌熔体，对它进行过滤，和为了得到取代-填隙固溶体型的铸锭而使过热的熔体在离心机的力场中在从20到500的范围内的不同的重力系数(Kg)条件下结晶，这时，在将该过热的熔体注入到结晶器的砌有内衬的锭模中时的熔体过热到液相线上的数值，以及以从0.5到10度/秒范围内的速度使过热的熔体体积均匀冷却下来所用的该锭模的热力学特性数据一起保证该熔体在液相存在的时间能足以保证下述的两个主导过程的完成：

1)用在从20到500的范围内的不同重力系数(Kg)的离心机的力场处理熔体，这时，在给定的不同的重力系数(Kg)下处理的时间取决于熔体的化学组分、温度系数、和在带有内衬的锭模中的熔体的均匀体积冷却的速度。该处理时间通过试验的方法确定，并且与被处理的熔体的质量无关。对于大多数中间合金，这个时间不超过3分钟。

2)在从20到500范围内的不同的重力系数下，在离心机力场中的结晶过程使在结晶器中的锭模中变冷的熔体达到在一般条件下的结晶过程的初始温度。

从锭模处理到中间部分结晶锋面的移动速度由选定的结晶规范确定。

在恒定的Kg值条件下，在结晶的锋面通过铸锭的半径范围所需要的时间内，锋前随着变冷的熔体的温度的下降速度而移动。

把用离心机的力场处理铸锭的过程持续到使变冷的铸锭达到在一般条件下完成所有结晶过程的温度。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，下面结合附图说明实施本发明的实施例。

图1是无外部力场作用时的熔体的任何原子周围的位能曲线图；

图2是扩散的进行图；

图3是在有外部力场时的熔体的任何原子周围的位能曲线图。

具体实施方式

在本申请的范围内研究生产合金用的添加剂和中间合金的方法，该方法包括：熔化基体金属和被溶解的配料，以及在熔体的体积冷却下使该熔体结晶。这时为得到制合金的取代-填隙固溶体型的添加剂，而使该熔体在离心机的力场中结晶。具有给定的化学组成的弱过热的熔体的结晶在离心机的转子内衬(预过热的)锭模中的力场里进行，该力场具有与该熔体相适合的从20至500的范围内的重力系数，该结晶过程包括三个阶段：

在其中的第一阶段中，在锭模中以0.5-10°/秒的速度均匀地冷却注入的熔体的条件下处理溶液，熔体的过热度在液相线以上的温度值保证该熔体在液相存在的时间t足以使配料在上述时间t内完全溶解在熔体中。

上述的时间t＝m₃/akg，其中：a是系数，kg是重力系数，m₃是在添加剂中溶解的配料的比质量；

在第二阶段中，在选定重力系数的离心机的力场中处理冷下来的溶液，以在离心机的力场中进行结晶，该重力系数应使在结晶器的锭模中冷却下来的熔体达到通常条件下的结晶过程的起始温度；

在第三阶段中，在离心机的力场中，在已选择的重力系数的条件下，处理冷下来的铸锭，该重力系数应使在结晶器的锭模中冷却下来的铸锭的温度达到一般条件下的结晶过程结束的温度。

生成无易熔物质析出的取代-填隙型的固溶体需要工作的电力消耗，这将引起初始位能的曲线变形，结果产生了工作配料在基体金属中的扩散加快的情况。

外部力场，如离心机重力场容易控制，与材料类型没有多大关系，从而能保证制备任何类型的添加剂，包括使用非金属材料。

位能曲线变形程度与在相应过冷的熔体内产生的位移曲线的变形程度相同，根据塔马恩关系，在这些熔体的确定的那些值的条件下，可以形成添加剂结晶结构的任何大小的晶粒。

所建议类型的添加剂对过热稳定，确保在基本合金熔体中母体与工作配料的理想溶解度，从而使合金的工作性能明显提高(25-30％)。

获得生产各种合金用的添加剂，包括中间合金的方法包括：融化熔体，和使该熔体在工艺上产生超过基体金属和工作配料的液相线的必要的过热，搅拌熔体，过滤熔体，在离心机力场中在从20到500范围内的不同的重力系数(Kg)下使过热熔体结晶，以便按照取代—填隙固溶体型制备铸锭。

在这时，熔体注入结晶器的带有内衬的锭模时的熔体的过热度在液相线以上的数值，以及决定过热熔体以0.5至5℃/秒的速度均匀体积冷却的该锭模的热力学特性一起，保证熔体以液相存在的时间能确保两个主导过程的完成，这两个主导过程是：

1)在从20到500范围内的不同重力系数Kg的条件下，在离心机力场中处理熔体，这时，在给定的重力系数的条件下处理时间与熔体的化学成分、温度系数、熔体在锭模中的均匀的体积冷却速度有关，该处理时间用试验方法确定，与被处理的熔体的质量无关，对大多数中间合金来说，这个时间不超过4分钟。

2)在20到500范围内的重力系数的条件下，离心机力场中的结晶过程持续到结晶器的锭模中冷却的熔体达到一般条件下结晶开始的温度。

从锭模外壁到中间部分，结晶锋面移动的速度取决于选定的结晶规范。

在Kg值恒定的条件下，在通过结晶的铸锭半径范围所需的时间内，锋前随着变冷的熔体的温度的下降速度而移动。

用离心机力场处理结晶块的过程持续到使变冷的铸锭达到在一般条件下完成所有结晶过程的温度。

本发明得到了对过热更稳定的添加剂，确保添加剂的母体和工作配料在基体合金熔体中的理想溶解度，从而使主要工作性能提高20-30％。

本发明的方法是基于把在熔体中的扩散过程中出现的原理上新的物理现象应用在外部力场中形成结晶铸锭的阶段中。

在需要制造取代固溶体型的添加剂时，取代固溶体必须确保所要求的A元素在B元素中的溶解水平，这相当于A扩散到B中，即相当于A元素的原子跳跃到B元素晶格结点中。

根据弗雷克格理论，在熔体和固体中，在杂质A的任何初始浓度下，单位时间和单位体积内从熔体迁移到晶格的原子数量n等于：

$n=n_s\mathrm{Pf\; exp}[-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]---\left(1\right)$

式中，n_s是在所研究的区域内杂质A的原子数量；

P是原子跳跃到所要求方向的概率；

f是原子大约在平衡位置附近的振动频率；

U_A是B元素原子跳跃到熔体中与该元素相同的元素的晶格结点的平均活化能；

ΔA_i是对A元素原子相似跳跃所需的工作活化能(该能量是由于A和B原子不同引起的)。

在自然环境中没有外部力场时，熔体任何原子四周的位能曲线是对称的(见图1)，从而导致没有经PQ的扩散动力(图2)，在这种情况下，原子从介质2到介质1的移动的理由只在浓度不平衡时才有可能，即在自扩散的情况下。

由于具有位能E的外部力场F的存在，而引起的初始位能曲线(图3)变形，在A原子可能跳跃的两个方向的位垒高度分别为：

$U_1={\stackrel{\‾}{U}}_A-\mathrm{F\δ}/2+\mathrm{\Δ}{A}_i$

$U_2={\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{F\δ}/2+\mathrm{\Δ}{A}_i---\left(2\right)$

其中，δ为晶格的排列系数

位能曲线总的不对称等于：

ΔU＝Fδ            (3)

ΔU的存在导致出现原子不对称流n₂，可由下式计算：

$n_2=s\stackrel{\‾}{V}{c}_i---\left(4\right)$

其中，V是A型原子的平均移动速度；

S是固相面积；

C是A杂质原子的浓度。

为了进行评价，进行如下的计算。原子处在第i个势阱中的定居位置的时间等于：

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_0\exp [{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i/\mathrm{KT}]---\left(5\right)$

式中：τ₀＝1/f是原子振动周期

在这个情况下原子沿X方向移动的概率为：

$P_x^x=P_0^x\mathrm{dt}/\mathrm{\τ}---\left(6\right)$

其中，P₀ ^x-在任意方向跳跃的概率(通常令它为1/6)等于：

$P_0^x=\frac{1}{6}{U}_2/U_1---\left(7\right)$

考虑到公式(7)，公式(6)变成如下形式：

$P^x=\frac{\mathrm{dt}}{{6\mathrm{\τ}}^x}{U}_2/U_1---\left(8\right)$

考虑到公式(2)和(5)，A杂质原子在(+X)方向跳跃的概率等于：

$\frac{\mathrm{dt}}{{6\mathrm{\τ}}^x}{U}_2/U_1=U_2/U_1\frac{\mathrm{dt}}{{6_{\mathrm{\τ}}}^0}\exp [-U_2/\mathrm{KT}]---\left(9\right)$

在(-X)方向等于

$\frac{\mathrm{dt}}{{6\mathrm{\τ}}^{-x}}{U}_1/U_2=U_1/U_2\frac{\mathrm{dt}}{{6_{\mathrm{\τ}}}^0}\exp [-U_2/\mathrm{KT}]---\left(10\right)$

在dt时间内A杂质原子移动概率可以通过将δ乘上上述的两个概率差的乘积得到：

$\mathrm{\δ}\frac{\mathrm{dt}}{{6\mathrm{\τ}}^0}(U_2/U_1\exp [-U_1/\mathrm{KT}]-U_1/U_2\exp [-U_2/\mathrm{KT}\left]\right)---\left(11\right)$

由此，A杂质原子移动速度V等于

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{\mathrm{\δ}}{{6\mathrm{\τ}}^0}\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]\left\{\frac{U_2}{U_1}\exp \right[\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}]-\frac{U_1}{U_2}\exp [-\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}\left]\right\}---\left(12\right)$

把最后一个公式代到(4)中，得到：

$n=\frac{s{c}_i\mathrm{\δ}}{{6\mathrm{\τ}}^0}\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]\left\{\frac{U_2}{U_1}\exp \right[\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}]-\frac{U_1}{U_2}\exp [-\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}\left]\right\}---\left(13\right)$

使用指数级数展开：

$\exp [\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}=1+\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}+......---\left(14\right)$

$\exp [-\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}=1-\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}+......$

得到

$n=\frac{s{c}_i\mathrm{\δ}}{{6\mathrm{\τ}}^0}[\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}\frac{U_1^2+U_2^2}{U_1{U}_2}+\frac{U_2^2-U_1^2}{U_1{U}_2}]\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]---\left(15\right)$

可以假定，在有A和B型原子存在时的结晶过程中，组合晶格的构建由下列关系式确定：

$P_i=\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A-\mathrm{\Δ}{A}_i}{{\stackrel{\‾}{U}}_A}=1-\frac{\left|{\stackrel{\‾}{U}}_A\right|}{{\stackrel{\‾}{U}}_A}---\left(16\right)$

即，如果杂质A的原子是ΔAi＝0(与母体B有相同的原子特性)，构建取代固溶体型的添加剂的概率等于1。

考虑到公式(16)，方程式(15)变为下列形式：

$n=\frac{s{c}_i\mathrm{\δ}}{6}{P}_i[\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}\frac{U_1^2+U_2^2}{U_1{U}_2}+\frac{U_2^2-U_1^2}{U_1{U}_2}]\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]---\left(17\right)$

扩散原子的总流量等于：

$n=\frac{1}{{6\mathrm{\τ}}^0}\left(s{c}_i{P}_i\mathrm{\δ}\right[\frac{\mathrm{F\δ}}{2\mathrm{KT}}\frac{U_1^2+U_2^2}{U_1{U}_2}+\frac{U_2^2-U_1^2}{U_1{U}_2}]-n_s)\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]---\left(18\right)$

可以将这个公式简化(把n_D减小为1/6倍，取U₁＝U₂)

$n_D=\frac{1}{{6\mathrm{\τ}}^0}[\frac{s{c}_i\mathrm{F\δ}}{\mathrm{KT}}{P}_i-n_s]\exp [-\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_A+\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{KT}}]---\left(19\right)$

流量差n_D与活化能的和

有关，可以认为该活化能的和等于固化或熔化的活化能。公式(19)描述了具有从

至

的活化能的A和B原子流量的总和。由此可以得出的结论，如果在熔体中存在同时具有相应尺寸和固化活化能的A和B型原子，则在力场中进行结晶的结果是，生成取代固溶体。而且，以概率P的方式得到含有50％A元素的固溶体，条件是ΔAi＝0，因为力F的作用与原子类型无关。

如果在ΔAi＝0时，熔体中的Ci(A)d杂质浓度大于0.5，则在该环境下，生成了以A型原子为主的固相。

毫无疑问，如果A原子的尺寸明显大于溶剂B原子(＞15～20％)，则不可能存在稳定的取代型固溶体，而形成具有最小中间相体积的填隙的固溶体。

如果尺寸大的A原子浓度高于0.5，则情况会大不一样，在这种情况下，A原子的熔体就成了B原子的溶剂，这时，B原子进入到A原子的晶格结点中，形成取代的固溶体。

为评价在力场中制备添加剂过程的效率，可以确定如下关系式：

$Z=\frac{n_D}{n_i}=\frac{s{c}_i{\mathrm{\δ}}^2{P}_i\mathrm{mg}}{\mathrm{KT}{n}_3}{K}_g-1---\left(20\right)$

其中，m是熔体重量γ；

g是自由落体加速度；

Kg是离心机重力系数。

把公式(20)变为适合在离心机中制备添加剂的场合。

完成扩散过程所必须的时间具有重要作用：：

t＝n₃/n_D         (21)

其中，n_D是给定的杂质扩散原子的数量

公式(20)数值上的分析表明，对Al15Mg中间合金，从等于100～110的重力系数开始，用推荐的方法制备添加剂的效率提高了数10倍，对Al20Ni中间合金，优选的重力系数是140～150。

在重力系数选择为100～110时，Al15Mg熔体存在所需要的时间约为1.5～2分钟。把这个时间减少将导致镁在铝中不完全溶解，对Al20Ni中间合金这个时间为3.5～4分钟。

制备用于根据本发明的方法生产各种合金的添加剂特别是中间合金的方法：

a)其特征是，包括：处理具有给定化学成分的过热熔体并使该熔体结晶的过程，该过程在20～50范围内的重力系数的力场中在离心机转子加衬(预热的)锭模中进行；

b)其特征是，离心机转子的加衬(预热的)锭模要确保注入熔体以0.5～5℃/秒的速度均匀冷却；

c)其特征是，在把熔体注入锭模前，要产生工艺上所需要的高于液相线的熔体过热；这时，使熔体高于液相线的工艺过热数值和锭模热力学特性一起确保熔体液相存在的时间足以使离心机力场中的处理和结晶过程一直进行到结晶器的锭模中的冷却下来的熔体达到一般条件下结晶过程开始的温度；

d)其特征是，注入到锭模中的过热熔体的处理和结晶过程由三个阶段组成：

第一阶段：在20到500范围内的不同重力系数Kg的条件下用离心机力场处理熔体，这时，在给定重力系数下的处理时间与熔体的化学成分、温度系数、熔体在锭模中的均匀冷却时间有关，并通过试验方式确定，该时间与被处理的熔体的质量无关，对大多数中间合金，这个时间不超过4分钟；

第二阶段：在从20到500范围内的重力系数条件下，将在离心机力场中的结晶过程进行到使结晶器锭模中冷却下来的熔体达到一般条件下结晶过程开始的温度；

第三阶段：把用20到500范围内的重力系数的离心机力场处理锭块的过程一直进行到冷却下来的锭模达到一般条件下所有结晶过程完成的温度；

e)其特征是：给定的离心机力场重力系数对所有三个阶段可以是一样的(平均的)或对每一阶段给定20～500之间的最佳数值。

用于实现本发明的方法的实验室装置，是一台具有垂直轴的离心机，在该垂直轴上固定有带锭模的转动转子。转子由以可调的转动速度的电动机带动转动。用专门的提供稳定的给定转速的电子系统稳定转子给定的转动速度。锭模内衬的结构形式和在注入熔体前先用煤气喷灯火焰把锭模内表面加热到200～250℃以保证冷却速度不高于5℃/秒的结晶器锭模所需要的热力学特性。转子壳体是由厚度为5mm的结构钢制造的，由不可拆的下部、上部、和可拆盖组成。不可拆部分和盖的内部有厚度25mm的内衬，是由耐火屑-主填充料、耐火粘土-粘结剂和用于防止内衬开裂的石墨混合物构成的，它们的比例为7/3/1，它们赋予了锭模所需的热力学特性，5mm化学中性的石墨用于在把熔体充填到锭模中时保护内衬不受热冲击，预先把内衬预热到温度超过200℃条件下的实验室离心机的结晶器转子锭模的热力学特性保证了冷却的平均速度为2～3℃/秒。

在感应炉中将预先准备好的含有15％镁Mg95的铝A99熔体过热到950℃，注入到预先用喷灯火焰加热的离心结晶器转子锭模中，在锭模的装填体积按半径的25％计算条件下，转子转速定在1000～1600转/分，在半径130mm的条件下给定需要的重力系数的数值。由于实验室结晶器控制系统不完善，对整个处理过程和结晶器选择统一的重力系数。带有熔体的转子转动5分钟后，试验确定了足以使固化的铸锭温度低于400℃的时间，使结晶器停下来，取出环形铸锭。

对所得的铸锭截面的易熔物分散性的金相研究表明，本发明的方法具有高的效率，特别是按本发明的方法制备的Al15Mg中间合金结晶块，其一些主要性质优于按传统方法得到的结晶块达十倍之多。类似的结果在按照本发明的中间合金工艺的实验制备的条件下制备的Al10Mn，Al10Si，Al3Ti，Al20Ni中也表现出来。

其中，T是在进入结晶器锭模时过热熔体的温度；Kg是平均的重力系数；t是过程总的时间；e是铸锭中易熔物分散性。

工业上的应用

本发明不仅可应用于制备金属而且还可以应用于制备非金属材料的任何添加剂，包括盐和任何结晶及聚合材料。使用本发明的生产添加剂和中间合金的方法是最有效的。

Claims (1)

1.一种制造用于生产合金的添加剂和中间合金的方法，该方法包括：熔化基体金属和已溶解的配料，并在体积冷却的条件下使熔体结晶；同时为了制造取代-填隙固溶体型的合金添加剂而使熔体在离心机的力场中结晶，其特征在于：

将具有给定的化学成分的弱过热的熔体在离心机转子的砌有内衬的(被预热过的)结晶器中的力场中进行结晶，该力场具有与该熔体相适合的重力系数，该重力系数在从20到500的范围内选择，上述的结晶过程分三个阶段进行：

在第一阶段中，在注入到结晶器中的熔体以0.5-10°/秒的速度均匀体积冷却的条件下处理溶液，应使该熔体过热到液相线以上的温度值，使熔体在液相存在的时间t足以保证在进行的时间间隔内使配料完全溶解在熔体中；

上述的时间t＝m₃/akg，式中a是系数，kg是重力系数，m₃是在添加剂中溶解的配料的比质量(相对质量)；

在第二阶段中，在选定重力系数的离心机的力场中处理冷却下来的溶液，以在离心机的力场中进行结晶，使得在结晶器的锭模中冷却下来的熔体达到通常条件下的结晶过程的起始温度；

在第三阶段中，在离心机的力场中，在已选择的重力系数的条件下，处理冷下来的铸锭，使得在结晶器的锭模中冷却下来的铸锭的温度达到一般条件下的结晶过程结束的温度。

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