專利名稱：一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無容器接觸深過冷快速凝固的方法，確切地說，它適用于Pb、Sn、Zn純金屬及Pb-Sb、Sn-Sb、Pb-Sn-Sb、Pb-Sn-Zn-Sb滑動(dòng)軸承合金在潔凈環(huán)境中熔煉并在無容器接觸的潔凈環(huán)境中的深過冷快速凝固。該方法除了可進(jìn)行科學(xué)研究外，可直觀方便用于液態(tài)金屬快速凝固教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
背景技術(shù)：
經(jīng)檢索可知在凝固技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，深過冷和快速凝固是當(dāng)前材料科學(xué)與工程研究領(lǐng)域中最活躍的課題之一，工業(yè)上廣為采用的急冷快速凝固技術(shù)由于受傳熱過程的控制只能制備出厚度或直徑極小的合金，如在各種情性介質(zhì)中對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行高速霧化處理，制備出尺寸極小的金屬粉末；用單輥甩帶法、雙輥甩帶法制備出急冷金屬薄帶。在實(shí)驗(yàn)室中用乳化法制備出微米級(jí)的金屬粒子。F.Giliessen，D.M.Herlach.“Crystal nucleation and glass-formingability of Cu-Zr in a containerless state”.Materials Scienceand Engineering.1988，97147-151.公開的為防止液態(tài)金屬在空氣中氧化避免異質(zhì)晶核的早期誘發(fā)形核，深過冷快速凝固設(shè)備均需要配備高真空系統(tǒng)或經(jīng)過抽高真空后在氬氣、氦氣、氮?dú)獾缺Ｗo(hù)性氣氛中進(jìn)行快速凝固。上述方法所使用的設(shè)備造價(jià)昂貴，裝置大且較為復(fù)雜。許應(yīng)凡，陳紅，王文魁的“20m落管中Pd-Ni-P合金的過冷與過飽和固溶相的形成”，物理學(xué)報(bào)，1992，41(7)1111-1118.公開的急冷金屬液滴的尺寸小、尺寸范圍較窄。也就是說設(shè)備大，獲的粒子尺寸小，設(shè)備在熔煉及凝固過程中，需要抽高真空，還須充入保護(hù)性氣體，裝置體積造價(jià)高。
近十幾年來，隨著空間材料科學(xué)的發(fā)展，人們注意到太空環(huán)境即微重力，超潔凈，無容器，可為液態(tài)金屬獲得深過冷凝固提供理想環(huán)境，可獲得無氧化，組織均勻，無比重偏析凝固組織，歐美、俄羅斯等國家已利用太空空間站進(jìn)行了GaAs等晶體材料的生長(zhǎng)研究，然而在太空中進(jìn)行金屬的凝固研究費(fèi)用極高，實(shí)驗(yàn)是極有限的，因此，近十幾年來在地面上模擬太空凝固深受各國重視，有落管落塔法，A.F.Norman，K.Eckler，A.Zambon et al.Application ofmicrostructure-selection maps to droplet solidificationacase study of the Ni-Cu system.Actamoter，1998，46(10)3355-3370.公開了磁場(chǎng)中懸浮熔煉法，熔融玻璃凈化法，乳化液滴法等等，但其冷卻速度低。在模擬太空凝固的試驗(yàn)裝置中，其中模擬度較高是落管落塔法，這種方法是將熔融的液態(tài)金屬在高真空的落管中(多數(shù)是抽真空后充入氬氣)自由下落(許多落管是將液態(tài)金屬吹落)，使液滴在降落過程中凝固。目前世界上最長(zhǎng)的落塔是日本利用廢充的700米深的礦井制成，可用于有效實(shí)驗(yàn)的下落時(shí)間為11秒。液態(tài)金屬裝置在密封的容器罐中熔化，然后隨罐一起自由降落到井底，我國目前在中科院力學(xué)所國家微重力研究中心新建80米的落塔，中國科學(xué)院物理所建有20米落管；西北工業(yè)大學(xué)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建有3米落管，3米落管中的金屬液滴下落時(shí)間僅有0.7秒，可獲的液態(tài)金屬粒子直徑小于2mm。這些裝置設(shè)備造價(jià)極高，要研究尺寸較大的液態(tài)金屬粒子的凝固需要增加落管的高度，研究及應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將Pb-Sb、Sn-Sb、Pb-Sn-Sb等滑動(dòng)軸承合金在硅油中凈化熔煉，并在充滿硅油的直立式落管中，使其在自由沉降過程中實(shí)現(xiàn)無容器接觸深過冷快速凝固，凝固的整個(gè)過程是在沉降過程中完成的，期間不與任何容器壁接觸，即保持了超潔凈環(huán)境，又獲得了快速冷卻凝固。
本發(fā)明其實(shí)現(xiàn)的步驟如下①在硅油中凈化熔煉，開啟旋轉(zhuǎn)式開閉閥門，通過施加5～150Pa壓力；②使液態(tài)合金通過孔徑為0.5mm至3mm的噴嘴，直接噴入0.8米高度的直立式充滿硅油的冷凝落管中；③使液滴在不與容器壁的接觸過程中，在自由沉降中完成快速凝固。
本發(fā)明有以下特點(diǎn)(1)整個(gè)熔煉和凝固過程均在超潔凈的環(huán)境中完成，凝固的金屬粒子表面無任何氧化，表面光亮潔凈，凝固過程不與固態(tài)容器壁接觸，因而防止了氧化及容器壁異質(zhì)晶核誘發(fā)形核的影響，使液態(tài)金屬在凝固前獲得了深過冷。
(2)該方法無需任何抽真空系統(tǒng)及各種保護(hù)性氣氛，因而極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)裝置，設(shè)備體積小，造價(jià)極低，本發(fā)明的主體裝置在300元以內(nèi)。
(3)熱交換能力高、冷卻速度快。液態(tài)金屬在硅油中的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在真空中及各種保持性氣體中的冷卻速度，因而在高度只有0.8米的沉降凝固容器中，制備出直徑6mm的大尺寸Pb-Sb、Sn-Sb快速凝固合金粒子，深過冷快速凝固向大尺寸發(fā)展不僅對(duì)科學(xué)研究有重要意義，對(duì)工業(yè)應(yīng)用有著更為重要的價(jià)值，這也是目前國內(nèi)外大型落塔所希望得到的結(jié)果。
(4)可獲的尺寸范圍寬廣的急冷金屬粒子。本發(fā)明采用滴出嘴直徑0.5mm至3mm的噴嘴，可制備出直徑0.1mm～6mm的各種尺寸的深過冷快速凝固合金。
(5)細(xì)化合金組織效果顯著，可消除因合金組元的比重差產(chǎn)生的比重偏析。其組織達(dá)到了目前國內(nèi)外高真空落管對(duì)組織的細(xì)化水平。
(6)本實(shí)驗(yàn)采用透明玻璃熔化室及透明冷凝器，可直接觀察熔化及沉降冷卻的全過程，因而可方便地進(jìn)行溫度和沉降時(shí)間監(jiān)測(cè)并直觀地用于教學(xué)研究。
以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述本發(fā)明用于對(duì)Pb-Sb、Sn-Sb、Pb-Sn-Sb滑動(dòng)軸承材料的快速凝固。


圖1 是本發(fā)明的無容器接觸深過冷快速凝固裝置示意圖。
在圖中1為粒子收集器；2為室溫硅油；3為直立玻璃凝固器；4為發(fā)熱體；5為高溫硅油；6為密封塞；7為玻璃熔煉室；8為液態(tài)金屬；9為旋轉(zhuǎn)式閥門；10為溢出口；11為硅油接受器；12為壓力泵；13為固定底座；14為紅外測(cè)溫儀；圖2 是本發(fā)明的Pb-15wt％Sb深過冷快速凝固粒子實(shí)物圖。
圖3 是本發(fā)明的Sn-16wt％Sb深過冷快速凝固部分大尺寸粒子實(shí)物圖。
圖4 是Pb-11.2wt％Sb共晶合金不同直徑粒子從凝固開始至結(jié)束所需時(shí)間的計(jì)算曲線。
圖5 是Sn-10.4wt％Sb包晶合金不同直徑粒子從凝固開始至結(jié)束所需時(shí)間的計(jì)算曲線。
圖6 是Pb-11.2wt％Sb共晶合金在550K溫度下液滴直徑與冷卻速度的關(guān)系曲線。
圖7 是Sn-10.4wt％Sb包晶合金在550K溫度下液滴直徑與冷卻速度的關(guān)系曲線。
圖8 是Pb-11.2wt％Sb共晶合金在緩慢凝固條件下(工業(yè)條件下)形成的粗大組織，初生相Sb呈大塊尖角狀，并發(fā)生了較嚴(yán)重的比重偏析現(xiàn)象，比重小的Sb浮于坩堝上方，而比重大的Pb沉于坩堝下方。
圖9在本發(fā)明的深過冷快凝固條件下，當(dāng)Pb-11.2wt％Sb共晶合金粒子直徑D＝4mm時(shí)，組織顯著細(xì)化，比重偏析現(xiàn)象被消除，小面相Sb的生長(zhǎng)形態(tài)向粗糙界面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化。
圖10是Pb-11.2wt％Sb共晶合金粒子直徑D＝1.5mm時(shí)，組織大幅度細(xì)化。
圖11是Pb-11.2wt％Sb共晶合金粒子直徑D＝0.7mm時(shí)，65％的凝固組織，以爆發(fā)式快速凝固形成，形成了極細(xì)小共晶組織，爆發(fā)形核區(qū)具有典型的“小太陽”生長(zhǎng)特征。
圖12是Pb-11.2wt％Sb共晶合金粒子快速形核中心形貌。
圖13是Sn-16wt％Sb合金在工業(yè)條件下緩慢凝固時(shí)形成的粗大組織，ΔT＝3℃。初生相SnSb化合物呈粗大尖角塊狀。
圖14當(dāng)Sn-16wt％Sb合金凝固速度較慢時(shí)，也發(fā)生比重偏析。ΔT＝12℃。
圖15在本發(fā)明的快速凝固條件下，當(dāng)Sn-16wt％Sb合金粒子直徑D＝3.7mm時(shí)，初生相SnSb大幅度細(xì)化，平均直徑為緩慢凝固尺寸的1/10。比重偏析現(xiàn)象完全消除。
圖16當(dāng)Sn-16wt％Sb合金粒子直徑D＝0.1mm時(shí)，初生相SnSb化合物平均直徑細(xì)化至1um。
以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例采用能量守衡定律、集總熱容法及牛頓冷卻模型對(duì)發(fā)明裝置的冷卻能力進(jìn)行了計(jì)算。
(1)不同直徑的液滴從凝固開始至凝固結(jié)束所需時(shí)間圖4是Pb-11.2wt％Sb共晶合金當(dāng)液滴直徑由0.1mm增至5mm時(shí)，液滴在室溫硅油中，從凝固開始至凝固結(jié)束所需的時(shí)間，可以看出，當(dāng)液滴直徑為1mm時(shí)，所需要的凝固時(shí)間僅為0.3秒，當(dāng)液滴直徑增大至5mm時(shí)凝固時(shí)間為1.08秒，圖5是Sn-10.4wt％Sb包晶合金不同直徑液滴凝固所需時(shí)間。由于上述兩個(gè)合金的熔點(diǎn)相差小，所以計(jì)算的凝固時(shí)間相差不大。
(2)液滴在硅油中的冷卻速度圖6、圖7分別是Pb-11.2wt％Sb共晶合金和Sn-10.4wt％Sb包晶合金在550K溫度時(shí)，不同直徑液滴在硅油中的冷卻速度。可以看到，當(dāng)液滴直徑D＝0.1mm時(shí)，冷卻速度V均達(dá)到了1×105k/s以上，當(dāng)液滴直徑D＝4mm時(shí)，冷卻速度V達(dá)到了3.1×102K/S以上。
1.Pb-15wt％Sb滑動(dòng)軸承材料的深過冷及快速凝固粒子的尺寸及形貌。
圖2是深過冷快速凝固的Pb-15wt％Sb合金粒子。通過改變滴嘴直徑可制備出直徑0.1mm至6mm直徑的快速凝固粒子，合金粒子表面潔凈光亮無任何氧化物。
組織形貌圖8至圖12是一組Pb-15wt％Sb合金在不同凝固條件下形成的組織形貌。
Pb-15wt％Sb滑動(dòng)軸承合金在普通工業(yè)條件下凝固時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的比重偏析，比重大的Pb沉到坩堝的底部，而比重較小的Sb浮于上部，造成材料組織的宏觀不均勻分布，同時(shí)，初生相Sb呈現(xiàn)粗大的尖角塊狀分布，經(jīng)無容器接觸深過冷快速凝固的合金，其組織中各相分布均勻無比重偏析，初生相Sb顯著細(xì)化，其形貌隨凝固粒子直徑的減小即過冷度的增大，逐漸由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹L(zhǎng)、完全的共生生長(zhǎng)，直到細(xì)化成球狀Sb粒子。見圖9至圖12中的組織形貌。其中圖12是直徑1mm的快速凝固粒子，初生相Sb的結(jié)晶被抑制，生成了超細(xì)化的共晶組織形貌。這種組織是在大過冷落下，爆發(fā)形核的結(jié)果，達(dá)到了國內(nèi)外高真空落管同樣的快速凝固效果。
2.Sn-16wt％Sb滑動(dòng)軸承材料的深過冷及快速凝固(1)快速凝固粒子的尺寸及形貌Sn-16wt％Sb合金是過包晶合金。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Pb-15wt％Sb過共晶合相同，在本實(shí)驗(yàn)的裝置中同樣獲得了直徑0.1mm至5mm深過冷快速凝固粒子。圖3是其中尺寸較大粒子的形貌，表面無任何氧化。
(2)快速凝固組織形貌圖13是Sn-16wt％Sb合金在緩慢凝固條件下的組織，初生相SnSb化合物形成粗大尖角塊狀相，尺寸約為100μm，圖15、16分別是直徑為3.7mm和0.1mm深過冷快速凝固條件下獲得組織?？梢钥吹剑S著凝固粒子直徑的減小即過冷度的增大，SnSb初生相的尺寸逐漸細(xì)化，均勻細(xì)小分布在基體中，并且其形貌由尖角塊狀相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小粒狀，圖15中初生相SnSb的尺寸被細(xì)化至30μm，圖16中初生相SnSb的尺寸平均為3μm，為緩慢凝固條件下尺寸的1/30，呈現(xiàn)彌散狀分布于合金的基體中。細(xì)化效果十分顯著。這種球形微粒將減小對(duì)基體的割裂作用。
將凈化熔煉的液態(tài)金屬通過旋轉(zhuǎn)式開閉閥門，直接注入直立式充滿硅油的冷凝落管中。直立式充滿硅油的冷凝落管高度大于0.8米。在0.8m的落管中制備直徑0.1～6mm的寬尺寸范圍快速凝固合金。熔煉及凝固全過程均不采用抽真空處理及惰性氣體保護(hù)。熔煉室、開閉閥門及冷凝管均采用透明玻璃材料制成。
權(quán)利要求
1.一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法，其實(shí)現(xiàn)的步驟如下①在硅油中凈化熔煉，開啟旋轉(zhuǎn)式開閉閥門，通過施加5～150Pa壓力；②使液態(tài)合金通過孔徑為0.5mm至3mm的噴嘴，直接噴入0.8米高度的直立式充滿硅油的冷凝落管中；③使液滴在不與容器壁的接觸過程中，在自由沉降中完成快速凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法，其特征在于將凈化熔煉的液態(tài)金屬通過旋轉(zhuǎn)式開閉閥門，直接注入直立式充滿硅油的冷凝落管中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法，其特征在于熔煉及凝固全過程均不采用抽真空處理及惰性氣體保護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法，其特征在于在0.8m的落管中制備直徑0.1～6mm的寬尺寸范圍快速凝固合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸快速凝固的方法，其特征在于熔煉室、開閉閥門及冷凝管均采用透明玻璃材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獲得寬直徑液態(tài)金屬無容器接觸深過冷快速凝固的方法，在硅油中凈化熔煉，并通過旋轉(zhuǎn)式開閉閥門，通過施加5～150Pa壓力，使液態(tài)合金直接噴入高度大于0.8米的直立式充滿硅油的冷凝落管中，使液滴在不與容器壁的接觸過程中，在自由沉降中完成快速凝固。該方法無需任何抽真空系統(tǒng)及各種保護(hù)性氣氛，整個(gè)熔煉和凝固過程均在超潔凈的環(huán)境中完成，因而極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)裝置，設(shè)備體積小，造價(jià)極低，本發(fā)明的主體裝置在300元以內(nèi)。熱交換能力高、冷卻速度快，可在0.8米高度的落管中制備出直徑0.1mm至6mm尺寸范圍寬廣的深過冷快速凝固金屬粒子。
文檔編號(hào)B22F9/08GK1425523SQ0310118
公開日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者朱定一, 陳麗娟, 關(guān)翔鋒, 湯偉 申請(qǐng)人:福州大學(xué)