專利名稱：一種制備無偏析的偏晶合金材料的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備無偏析的偏晶合金材料的方法及其裝置，屬均質(zhì)偏晶合金材 料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景第二相均勻分布于基體的偏晶合金是一種重要的功能材料，在高性能軸瓦材料、 電觸頭材料、電化學(xué)材料、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域中，均展現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能。然而該種 合金具有特殊的冶金特點在合金凝固過程中，均存在一個液液不混溶區(qū)，由于先析 出的液相與原有熔體存在密度差異，導(dǎo)致液相分層，最終形成互不混溶的兩相，從而 無法實現(xiàn)第二相的均勻分布，以致在眾多領(lǐng)域中無法展現(xiàn)偏晶合金的優(yōu)良性能。目前為制備第二相均勻分布于基體的偏晶合金，已有的方法包括微重力條件下凝 固、快速凝固、粉末冶金等。然而各種方法都存在著一定的問題利用微重力條件凝 固時，在地面上要獲得長時間的微重力非常困難，而在太空進行微重力下材料制備則 費用昂貴，研究周期較長；采用快速凝固方案時，雖然可以制備出近似均勻分布的偏 晶合金，但是試樣尺寸和設(shè)備受到很大的限制；利用霧化制粉、再低溫?zé)Y(jié)的方法時，雖然可以制備出宏觀無偏析的偏晶合金材料，但是其機械性能仍然無法與通過凝固制 備的合金相媲美，用作軸瓦材料時其性能將大大降低。因此迄今為止，在地面上尚無 法在常規(guī)凝固速度下制備出第二相均勻分布的偏晶合金。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新的在地面上重力場下制備無偏析的偏晶合金的方法。 本發(fā)明主要是利用穩(wěn)恒強磁場與交變電流復(fù)合作用下抑制第二相的偏析，從而獲 得第二相均勻分布的偏晶合金。本發(fā)明一種制備無偏析的偏晶合金材料的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟將含有偏晶成分的二元或多元組成合金放置于設(shè)有兩個石墨電極或不銹鋼電極的坩堝中，并將所述的坩堝放置在有惰性氣體氬氣或氮氣保護下的加熱裝置中；然后將上述整套裝置放置于一超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場空間中，磁場方向保持為向上垂直方向，調(diào)整磁場強度達1 12T范圍內(nèi)；然后給所述加熱裝置通電加熱，通過控溫儀控
制加熱裝置爐內(nèi)溫度為偏晶合金的液相線溫度以上，并保溫若干小時；然后控制爐溫 以恒定的速度降溫；同時通過合金熔體兩端的兩個石墨電極或不銹鋼電極往熔體中通 入適當(dāng)強度和適當(dāng)頻率的交變電流，電流大小為2-40A，電流頻率為-1000Hz，同時 確保磁場強度和電流密度的方向為垂直正交，直至偏晶合金溫度完全降至固相線溫度 以下，此時關(guān)閉電源，停止電流輸入，待冷卻至室溫后即獲得第二相均勻分布的偏晶 合金材料。本發(fā)明一種制備無偏析的偏晶合金傘材料的方法中所用的專用裝置，該裝置由水 冷套管、調(diào)壓調(diào)頻交流電源、超導(dǎo)磁體、交流電電極、坩堝、熱電偶、控溫裝置、合 金試樣、加熱元件和惰性氣體輸入管組成；其特征在于放置有合金試樣的坩堝放置 在設(shè)有加熱元件的加熱爐內(nèi)；在坩堝內(nèi)的兩側(cè)設(shè)置有兩個石墨電極或不銹鋼電極，且 通過導(dǎo)線與調(diào)壓調(diào)頻交流電源相連接；上述裝置坩堝和設(shè)有加熱元件的加熱爐整體的 最外側(cè)設(shè)置有一具有強磁場的超導(dǎo)磁體，使上述裝置整體置于強磁場空間中，且磁場 方向保持為垂直向上方向；超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場強度為1 12T;在超導(dǎo)磁體和加熱 元件之間的環(huán)形空間內(nèi)設(shè)置有一水冷套管，以保護超導(dǎo)磁體；加熱元件通過導(dǎo)線與控 溫裝置相連接；另有一插入爐內(nèi)的熱電偶與控溫裝置相連接；在加熱爐的底部連接有 一可通過高純惰性氣體氬或氮氣的輸入管。本發(fā)明方法的機理和原理敘述如下在本發(fā)明中，將偏晶合金的凝固過程移置于磁場中進行，利用強磁場與適當(dāng)頻率 和適當(dāng)強度的交變電流配合產(chǎn)生的電磁激振效應(yīng)，來細(xì)化第二相液滴粒子的粒徑，降 低其上浮或下沉速度，以達到抑制比重偏析的目的。由于強磁場復(fù)合交變電流場對第 二相粒子的上浮或下沉速度有顯著的抑制作用，因此可以在地面上以較低的凝固速度 下獲得第二相均勻分布的偏晶合金材料，而目前已有的技術(shù)尚無法實現(xiàn)這一目的。本 發(fā)明在工業(yè)級的冷卻速度下，即0.1 1(^K/S冷卻速度下，使偏晶合金凝固過程中的 比重偏析得到顯著抑制，從而獲得第二相均勻分布的偏晶合金。另外，本發(fā)明方法的特點如下所述(1) 在強磁場中，第二相顆粒在導(dǎo)電熔體中運動時，將感生出電流，而該電流與 磁場作用產(chǎn)生的洛侖茲力將阻礙顆粒的運動，因而可抑制聚合和偏析；(2) 強磁場與交變電流作用產(chǎn)生的振蕩力能將第二相液滴打碎，而根據(jù)Stokes定 律，第二相液滴的上浮或下沉速度與粒徑平方成正比，因此，液滴粒徑降低一倍，其 運動速度將降低4倍，因此液滴直徑的細(xì)化將進一步抑制其上浮和下沉運動；另外，
液滴粒子在振蕩力作用下將形成"S"形運動，從而延長粒子的遷移距離，降低粒子 碰撞聚合的概率；(3)強磁場使金屬熔體的粘度增加，從而降低液滴粒子的上升和下沉速度；另外， 強磁場能有效抑制由于Marangoni效應(yīng)引起的流動，因而可以有效抑制偏析的產(chǎn)生。


圖1為本發(fā)明方法中所用的專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。 實施例1本發(fā)明方法主要是通過其專用裝置實現(xiàn)的。參見圖l，本實施例中制備偏晶合金材料所用的專用裝置是由水冷套管1、調(diào)壓 調(diào)頻交流電源2、超導(dǎo)磁體3、交流電電極4、坩堝5、熱電偶6、控溫裝置7、合金 試樣8、加熱元件9和惰性氣體輸入管10組成。放置有合金試樣8的坩堝5放置在 設(shè)有加熱元件9的加熱爐內(nèi)；在坩堝5內(nèi)的兩側(cè)設(shè)置有兩個石墨電極或不銹鋼電極4， 且通過導(dǎo)線與調(diào)壓調(diào)頻交流電源2相連接；上述裝置坩堝5和設(shè)有加熱元件9的加熱 爐整體的最外側(cè)設(shè)置有一具有強磁場的超導(dǎo)磁體3，使上述裝置整體置于強磁場空間 中，且磁場方向保持為垂直向上方向；超導(dǎo)磁體3產(chǎn)生的磁場強度為1 12T;在超 導(dǎo)磁體3和加熱元件9之間的環(huán)形空間內(nèi)設(shè)置有一水冷套管1，以保護超導(dǎo)磁體3; 加熱元件9通過導(dǎo)線與控溫裝置7相連接；另有一插入爐內(nèi)的熱電偶6與控溫裝置7 相連接；在加熱爐的底部連接有一可通過惰性氣體氬或氮氣的輸入管10。本實施例的具體運作過程如下所述采用含有偏晶成分的二元組成合金鋅鉍合金，按質(zhì)量比Zn: Bi=70: 30的比例 稱量純Zn和純Bi顆粒，放置于石墨坩堝中，在氬氣保護的加熱爐中制成直徑為 15mm、高為20mm的Zn-30wt。/。Bi的合金棒。將上述Zn-30wt%Bi合金棒8放置于設(shè)有兩個不銹鋼電極4的坩堝5中，并將坩 堝5放置在有惰性氣體氮保護下的加熱裝置中；上述整套裝置放置于由一超導(dǎo)磁體3 所產(chǎn)生的強磁場空間中，磁場方向保持為向上垂直方向，調(diào)整磁場強度達6T;然后 給所述加熱裝置通電加熱，溫度可通過插入爐內(nèi)的熱電偶6及控溫裝置7來控制和調(diào) 節(jié)；利用加熱元件9將Zn-30wt%Bi合金試樣8加熱到700°C ，并在此溫度下保溫2 小時(Zn-30wt。/。Bi合金的液相線為600。C)，此時合金試樣高于兩相液相線溫度，合 金液將在保溫溫度下和保溫時間內(nèi)充分熔化成單一的液相；調(diào)節(jié)調(diào)壓調(diào)頻交流電源 2，使合金試樣8中通過不銹鋼電極4通入交流電，恒流交流電的電流強度為8A，交 流電頻率為100Hz;同時調(diào)節(jié)惰性氣體氮從輸入管10的流入速度；與此同時通過水 冷套管通入冷卻水，使偏晶合金逐漸降溫凝固，其降溫速度為5-10'C/min;當(dāng)偏晶合 金的溫度降至20(TC時(Zn-30wt%Bi個的完全凝固相線為254.5°C)，停止通電；繼 續(xù)通入惰性氣體，讓偏晶合金冷卻至8(TC時，停止惰性氣體輸入；關(guān)閉溫控裝置， 取出偏晶合金，即得到直徑15mm高20mm的第二相均勻分布于基體中的無偏析的 Zn-30wt%Bi偏晶合金。
權(quán)利要求
1.一種制備無偏析的偏晶合金材料的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟將含有偏晶成分的二元組成合金放置于設(shè)有兩個石墨電極或不銹鋼電極的坩堝中，并將所述的坩堝放置在有惰性氣體氬氣或氮氣保護下的加熱裝置中；然后將上述整套裝置放置于一超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場空間中，磁場方向保持為向上垂直方向，調(diào)整磁場強度達1～12T范圍內(nèi)；然后給所述加熱裝置通電加熱，通過控溫儀控制加熱裝置爐內(nèi)溫度為偏晶合金的液相線溫度上，并保溫若干小時；然后控制爐溫以恒定的速度降溫；同時通過合金熔體兩端的兩個石墨電極或不銹鋼電極往熔體中通入適當(dāng)強度和適當(dāng)頻率的交變電流，電流大小為2-40A，電流頻率為1-1000Hz，同時確保磁場強度和電流密度的方向為垂直正交，直至偏晶合金溫度完全降至固相線溫度以下，此時關(guān)閉電源，停止電流輸入，待冷卻至室溫后即獲得第二相均勻分布的偏晶合金材料。
2. —種制備無偏析的偏晶合金傘材料的方法中所用的專用裝置，該裝置由水冷套管 (1)、調(diào)壓調(diào)頻交流電源(2)、超導(dǎo)磁體(3)、交流電電極(4)、坩堝(5)、熱電偶(6)、 控溫裝置(7)、合金試樣(8)、加熱元件(9)和惰性氣體輸入管(10)組成；其特征在于 放置有合金試樣(8)的坩堝(5)放置在設(shè)有加熱元件(9)的加熱爐內(nèi)；在坩堝(5)內(nèi)的 兩側(cè)設(shè)置有兩個石墨電極或不銹鋼電極(4)，且通過導(dǎo)線與調(diào)壓調(diào)頻交流電源(2) 相連接;上述裝置坩堝(5)和設(shè)有加熱元件(9)的加熱爐整體的最外側(cè)設(shè)置有一具有 強磁場的超導(dǎo)磁體(3)，使上述裝置整體置于強磁場空間中，且磁場方向保持為垂 直向上方向；超導(dǎo)磁體(3)產(chǎn)生的磁場強度為1 12T;在超導(dǎo)磁體(3)和加熱元件 (9)之間的環(huán)形空間內(nèi)設(shè)置有一水冷套管(1)，以保護超導(dǎo)磁體(3);加熱元件(9)通過導(dǎo)線與控溫裝置(7)相連接；另有一插入爐內(nèi)的熱電偶(6)與控溫裝置(7)相連接；在加熱爐的底部連接有一可通過惰性氣體氬或氮氣的輸入管(IO)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備無偏析的偏晶合金材料的方法及其裝置，屬均質(zhì)偏晶合金材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特點主要是利用穩(wěn)恒強磁場與交變電流復(fù)合作用來抑制合金第二相的偏析，從而獲得第二相均勻分布的偏晶合金。本發(fā)明方法的過程如下將含有偏晶成分的二元組成合金放置于設(shè)有兩個交流電極的坩堝中，并將其放置在有惰性氣體保護的加熱裝置中，前述裝置又放置于一超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場空間中；給加熱裝置通電加熱，使?fàn)t內(nèi)溫度達到偏晶合金的液相線溫度之上，并保溫若干小時，然后控制爐溫以恒定速度降溫，同時通過合金熔體兩端的交流電極通入適當(dāng)強度和頻率的交變電流，直至偏晶合金溫度降低固相線溫度以下，待冷卻至室溫下，即獲得第二相均勻分布的偏晶合金材料。
文檔編號C22F3/02GK101148746SQ20071004749
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者任忠鳴, 江 王, 鐘云波 申請人:上海大學(xué)