一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法及装置与流程

1.本发明涉及难混溶合金熔炼制备领域，具体涉及一种工业化大规模制备超均质难混溶合金的制备方法。


背景技术：

2.难混溶合金作为一类具有液相分离特性的合金，在相图上存在一个稳定或者亚稳的难混溶区。如al-bi、al-pb、cu-pb等合金具有稳定难混溶区，而cu-fe、cu-co等合金具有亚稳难混溶区。研究表明，难混溶合金在自润滑、轴瓦材料、电触头、半导体、超导等领域具有广阔的应用前景。但由于难混溶区的存在，该类合金在传统凝固过程中极其容易形成严重偏析甚至分层的组织。因此，如何获得均质的难混溶合金成为该类合金研究的核心问题之一。cu-pb合金，一直以来被用作重要轴承合金材料，由于cu-pb合金具有较好的耐热性和散热能力，很难因摩擦热与轴发生粘合，且能在300-320℃高温环境下工作，因此，作为被广泛应用于高速重载环境，特别是在航空工业和汽车工业领域具有极其重要的应用。但在常规凝固条件下，cu-pb合金极易发生液液分离，形成第二相液滴。而所生成的第二相液滴密度等物理性质与合金熔体存在较大差异，因此容易形成第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并等问题，很难制备出高均质的难混溶合金。因此，目前cu-pb合金的制备主要采用粉末冶金方法，但该方法需经过数次轧制烧结以提高其力学性能和密度，所以在工业化大生产过程中面临着工艺成本高、生产工序长等问题。由于采用粉末冶金工艺，该类合金产品也存在无法制备大型产品、产品塑韧性较低等问题。
3.以cu-pb为代表的难混溶合金虽然在传统凝固过程中难以实现其均质化制备，目前国内外学者通过可以制备出均质组织。国内外学者采用甩丝甩带、深过冷等快速凝固方法，使合金熔体以极快的凝固速率通过难混溶区，从抑制液液相变角度研究了难混溶合金的均质化制备，也取得了一定的研究成果，但同时也受到快速凝固工艺的制约，无论是所制备试样尺寸还是生产设备等都无法满足大规模工业化生产的要求。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法及装置，尤其是克服难混溶合金制备过程中粉末冶金工艺存在成本高、工序长、产品性能差、无法制备大型样件等缺点，克服快速凝固工艺存在的产品尺寸小、生产工艺无法产业化等问题，本发明研究表明，利用电磁振荡、电磁搅拌等方法，可以振碎并细化难混溶合金凝固过程中所产生的第二相液滴；而利用磁场的制动效应，可以抑制第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并，本发明充分利用电磁振荡、电磁制动等原理，实现了难混溶合金材料的连续化制备。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法，包括如下步骤：
7.步骤1、设备准备：
8.采用组合式的坩埚作为装载难混溶合金材料熔体，组合式的坩埚由上部石墨坩埚和下部石墨坩埚连接组装而成，在上部石墨坩埚下方设置下部石墨坩埚；
9.将待熔铸的金属原料放入上部石墨坩埚中，在上部石墨坩埚外部设有上部感应线圈，在感应加热线圈中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚中的金属原料，形成金属熔体；
10.将下部石墨坩埚作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚外部设有结晶器水冷装置，用于冷却合金熔体；在结晶器水冷装置外侧从上到下依次设有脉冲线圈和强磁场线圈；在下部石墨坩埚的下方设置引锭杆，并在引锭杆两侧设置二冷水喷口；在感应加热线圈中通入交流电的同时，开启结晶器水冷装置与二冷水；
11.步骤2、外加磁场辅助合金凝固过程：
12.在待熔化后的金属熔体从上部石墨坩埚流入下部石墨结晶器中时，利用结晶器水冷装置与二冷水的冷却作用，使难混溶合金的金属熔体在下部石墨结晶器中发生凝固；
13.在难混溶合金凝固过程中，在下部石墨结晶器外部的脉冲线圈中通入脉冲电流，利用脉冲电流力对下部石墨结晶器中合金熔体进行脉冲式振荡，从而获得细化第二相液滴；
14.在难混溶合金凝固过程中，还在强磁场线圈中通入直流电，从而在金属熔体凝固界面前沿诱导磁场，利用磁场对熔体运动进行抑制，阻碍细化的第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并，从而实现细化的第二相液滴在金属熔体凝固界面前沿进行弥散分布；
15.步骤3、连铸过程：
16.开启抽拉连铸设备，定向抽拉引锭杆，利用抽拉连铸设备将引锭杆从下部石墨结晶器中拉出，制备出均质难混溶合金材料的连铸坯，实现了难混溶合金材料的连续化制备。
17.优选地，在结晶器水冷装置外部设置一个脉冲线圈，在脉冲线圈中通入脉冲电流，在金属熔体内部感生出变化的磁场与电流，从而产生脉冲振荡的电磁力，利用该电磁力振碎和细化难混溶合金凝固过程中形成的第二相液滴；
18.优选地，在脉冲线圈的下部设置一个强磁场线圈，在强磁场线圈中通入直流电，这将在熔体中感生出稳恒磁场，利用磁场的制动效应，阻碍被振碎的第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并过程，从而实现第二相液滴的细化与弥散分布。
19.优选地，脉冲线圈在金属熔体内部感生的变化电流与强磁场线圈在熔体中感生的磁场相互作用，在金属熔体中感生出电磁振荡力，细化第二相液滴并使其弥散分布。
20.优选地，采用连续铸造模式对难混溶合金材料进行连续化制备，并最终形成所需长度的长尺寸均质难混溶合金材料。
21.优选地，本发明方法适用于制备难混溶合金材料，难混溶合金材料为cu-pb、cu-fe、cu-co、al-bi、al-pb中的任意一种；
22.优选地，本发明方法适用于难混溶合金材料的水平、立式、立弯式中的任意一种连铸工艺过程；
23.优选地，本发明方法适用于圆坯、方坯、板坯、管坯及异型坯中的任意一种连铸坯的制备；
24.优选地，在感应加热线圈中通入的交流电为中/高频交流电，其频率范围为1khz-100khz，电流范围为0-500000a。进一步优选电流范围为0-500a。
25.优选地，在脉冲线圈中通入的是脉冲电流，其频率范围为0.1hz-1000hz，占空比为1-100％，电流范围为0-10000a。进一步优选电流范围为0-500a。
26.优选地，在强磁场线圈中通入的是直流电，其电流范围为0-10000a，所诱导产生磁场强度为0-30t。进一步优选电流范围为0-500a，进一步优选磁场强度范围为0-2t。
27.一种均质难混溶合金材料的连续化制备装置，实施本发明均质难混溶合金材料的连续化制备方法，所述均质难混溶合金材料的连续化制备装置由上部石墨坩埚、感应加热线圈、下部石墨坩埚、水冷结晶器、脉冲线圈、强磁场线圈、二冷水、引锭杆和连铸设备牵引装置组成；上部石墨坩埚和下部石墨坩埚用于盛装金属熔体，上部石墨坩埚和下部石墨坩埚进行密封连接组装，形成组合式的坩埚，将待熔铸金属放入上部石墨坩埚中，在上部石墨坩埚外部设有感应加热线圈，在感应加热线圈中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚中的金属原料，形成金属熔体；在上部石墨坩埚下方连接设置下部石墨坩埚，下部石墨坩埚作为石墨结晶器；在下部石墨坩埚外部设有水冷结晶器，用于冷却金属熔体；在水冷结晶器外部从上到下依次设有脉冲线圈和强磁场线圈；在脉冲线圈中通入脉冲电流，用于诱导振荡电磁力，用于细化难混溶合金凝固过程中液液分离得到的第二相液滴，获得细化的第二相液滴；在强磁场线圈中通入直流电，在熔体内诱导产生稳恒磁场，用于抑制细化后第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并；在下部石墨坩埚的下方设置二冷水喷水口，用于冷却引锭杆，将凝固界面控制在下部石墨坩埚中，防止熔体泄漏；连铸设备牵引装置置于引锭杆两侧，用于定向抽拉，实现高均质难混溶合金材料的连续化制备。
28.优选地，所述上部石墨坩埚采用中间包取代，进行连续生产；
29.优选地，下部石墨坩埚采用石墨或者其他碳材料制作。
30.优选地，连铸设备采用下拉式、弧形式和水平式连铸设备中的任何一种连铸设备类型。
31.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
32.1.本发明方法及装置利用在水冷结晶器外部设置脉冲线圈和强磁场线圈，利用脉冲线圈在熔体中诱导的脉冲电磁振荡力细化第二相熔滴，随后利用强磁场线圈在熔体中诱导的电磁阻力抑制第二相熔滴的上浮、下沉、偏聚及凝并，从而实现难混溶合金的均质化；
33.2.本发明方法及装置利用定向抽拉机构，实现了难混溶合金的大规模连续化制备。
附图说明
34.图1为本发明实施例一制备高均质难混溶合金材料的连续化制备装置结构示意图。
35.图2为本发明实施例二所制备的高均质cu-pb合金连铸棒坯局部放大图。
36.图3为本发明实施例二所制备的高均质cu-pb合金连铸棒坯横/纵截面组织及其放大图。
37.图4为本发明实施例三所制备的高均质al-bi合金连铸棒坯横/纵截面微观组织图。
具体实施方式
38.本发明的优选实施例详述如下：
39.实施例一：
40.在本实施例中，参见图1，一种均质难混溶合金材料的连续化制备装置，所述均质难混溶合金材料的连续化制备装置由上部石墨坩埚2、感应加热线圈3、下部石墨坩埚4、水冷结晶器5、脉冲线圈6、强磁场线圈7、二冷水8、引锭杆9和连铸设备牵引装置10组成；
41.上部石墨坩埚2和下部石墨坩埚4用于盛装金属熔体1，上部石墨坩埚2和下部石墨坩埚4进行密封连接组装，形成组合式的坩埚，将待熔铸金属放入上部石墨坩埚2中，在上部石墨坩埚2外部设有感应加热线圈3，在感应加热线圈3中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚2中的金属原料，形成金属熔体1；在上部石墨坩埚2下方连接设置下部石墨坩埚4，下部石墨坩埚4作为石墨结晶器；在下部石墨坩埚4外部设有水冷结晶器5，用于冷却金属熔体1；在水冷结晶器5外部从上到下依次设有脉冲线圈6和强磁场线圈7；在脉冲线圈6中通入脉冲电流，用于诱导振荡电磁力，用于细化难混溶合金凝固过程中液液分离得到的第二相液滴12，获得细化的第二相液滴11；在强磁场线圈中通入直流电，在熔体内诱导产生稳恒磁场，用于抑制细化后第二相液滴12的上浮、下沉、偏聚和凝并；在下部石墨坩埚4的下方设置二冷水8喷水口，用于冷却引锭杆10，将凝固界面控制在下部石墨坩埚中，防止熔体泄漏；连铸设备牵引装置9置于引锭杆10两侧，用于定向抽拉，实现高均质难混溶合金材料的连续化制备。
42.参见图1，一种高均质难混溶合金的连续化制备方法，包括如下步骤：
43.步骤1、设备准备：
44.采用组合式的坩埚作为装载难混溶合金材料熔体，组合式的坩埚由上部石墨坩埚2和下部石墨坩埚4连接组装而成，在上部石墨坩埚2下方设置下部石墨坩埚4；
45.将待熔铸的金属原料放入上部石墨坩埚2中，在上部石墨坩埚2外部设有上部感应线圈3，在感应加热线圈3中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚2中的金属原料，形成金属熔体1；
46.将下部石墨坩埚4作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚4外部设有结晶器水冷装置5，用于冷却合金熔体1；在结晶器水冷装置5外侧从上到下依次设有脉冲线圈6和强磁场线圈7；在下部石墨坩埚4的下方设置引锭杆10，并在引锭杆两侧设置二冷水8喷口；在感应加热线圈3中通入交流电的同时，开启结晶器水冷装置5与二冷水8；
47.步骤2、外加磁场辅助合金凝固过程：
48.在待熔化后的金属熔体1从上部石墨坩埚2流入下部石墨结晶器4中时，利用结晶器水冷装置5与二冷水8的冷却作用，使难混溶合金的金属熔体1在下部石墨结晶器4中发生凝固；
49.在难混溶合金凝固过程中，在下部石墨结晶器4外部的脉冲线圈6中通入脉冲电流，利用脉冲电流力对下部石墨结晶器4中合金熔体1进行脉冲式振荡，从而获得细化第二相液滴12；
50.在难混溶合金凝固过程中，还在强磁场线圈7中通入直流电，从而在金属熔体1凝固界面前沿诱导磁场，利用磁场对熔体运动进行抑制，阻碍细化的第二相液滴12的上浮、下沉、偏聚和凝并，从而实现细化的第二相液滴12在金属熔体1凝固界面前沿进行弥散分布；
51.步骤3、连铸过程：
52.开启抽拉连铸设备9，定向抽拉引锭杆10，利用抽拉连铸设备9将引锭杆10从下部石墨结晶器4中拉出，制备出均质难混溶合金材料的连铸坯，实现了难混溶合金材料的连续化制备。
53.本实施例方法及装置利用在水冷结晶器外部设置脉冲线圈和强磁场线圈，利用脉冲线圈在熔体中诱导的脉冲电磁振荡力细化第二相熔滴，随后利用强磁场线圈在熔体中诱导的电磁阻力抑制第二相熔滴的上浮、下沉、偏聚及凝并，从而实现难混溶合金的均质化。
54.实施例二：
55.本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
56.一种高均质难混溶合金的连续化制备方法，用于制备cu-pb合金，包括如下步骤：
57.步骤1：将cu和pb两种金属块按照质量比1:1放入上部石墨坩埚2中，在上部石墨坩埚2外部设有感应加热线圈3，在感应加热线圈3中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚2中的cu-pb合金原料，形成cu-pb难混溶合金熔体1；与此同时，开启水冷结晶器5和二冷水8，对引锭杆10进行冷却，确保固液界面在下部石墨结晶器4内；
58.步骤2：待熔化后的cu-pb难混溶合金熔体1从上部石墨坩埚2流入下部石墨结晶器4中时，由于水冷结晶器5的作用，合金熔体1将发生凝固并产生第二相液滴11；随后对脉冲线圈中通入脉冲电流，利用诱导的脉冲电磁振荡力，获得振碎和细化的第二相液滴12；
59.步骤3：随后开启强磁场线圈，利用强磁场线圈诱导的稳恒磁场，抑制已细化的第二相液滴12的上浮、下沉、偏聚与凝并，从而实现第二相液滴均匀弥散分布于凝固界面前沿；
60.步骤4：开启抽拉连铸设备9，利用抽拉连铸设备9将引锭杆10从下部石墨坩埚4中拉出，通过水冷结晶器5与二冷水8对引锭杆10进行快速冷却，制备成高均质难混溶cu-pb合金材料的连铸坯。
61.本实施例连续化制备高均质难混溶合金材料的制备装置采用上部石墨坩埚2，用于装盛金属熔体1；通过在上部石墨坩埚2外部设置的感应加热线圈3中通入中/高频交流电，加热金属熔体1；下部石墨坩埚4作为下部石墨结晶器；水冷结晶器5与二冷水8用于冷却下部石墨结晶器4中金属熔体1，并诱导固液相变；脉冲线圈6与强磁场线圈7置于水冷结晶器5的外侧，用于振碎难混溶合金凝固过程中第二相液滴11，从而实现细化后第二相液滴12的均匀弥散分布于固液界面前沿；连铸抽拉装置9置于连铸坯10两侧，利用连铸抽拉装置9对连铸坯10进行定向抽拉，从而实现难混溶合金材料的连续化制备。参见图2，为在本实施例所制备的cu-pb合金连铸棒坯局部放大图。参见图3，为本实施例所制备的cu-pb合金连铸坯横/纵截面组织及其放大图。图中白色位置由pb元素占据，而黑色位置则被cu元素占据。从两种元素分布情况来看，无论是横截面还是纵截面，cu与pb元素都分布的极其均匀。
62.实施例三：
63.本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
64.在本实施例中，上述实施例方法和装置不仅适用于cu-pb合金的制备，还适用于cu-fe、cu-co、al-bi、al-pb等所有难混溶合金的制备。参见图4，为本实施例所制备的al-bi合金连铸坯纵/纵截面局部放大图。图中白色位置为bi元素占据，而黑色位置则被al元素占据。从两种元素分布情况来看，无论是横截面还是纵截面，al与bi元素都是分布及其均匀
的。
65.实施例四：
66.本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
67.在本实施例中，上述方法和装置不仅适用于难混溶合金的水平、立式、立弯式中的任意一种连铸工艺过程；而且还适用于圆坯、方坯、板坯及异型坯的中的任意一种连铸坯的制备。
68.综上所述，上述实施例连续化制备高均质难混溶合金材料的方法和装置，通过在石墨坩埚外侧施加一个感应加热线圈，并在线圈中通入中/高频交流电，从而加热石墨坩埚中的难混溶合金熔体；在水冷结晶器外部从上到下依次设置脉冲线圈和强磁场线圈，利用所诱导的脉冲振荡电磁力破碎难混溶合金凝固过程中的第二相液滴，并利用所诱导的稳恒磁场抑制破碎细化后第二相液滴的上浮、下沉、偏聚及凝并，最终实现难混溶合金的制备。上述过程连续进行，因此可以制备长尺寸的难混溶合金材料。
69.上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明连续化制备难混溶合金材料的方法及其装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。