一種橫向磁場(chǎng)定向凝固凈化金屬中夾雜物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種凈化金屬的新方法，即采用橫向磁場(chǎng)下定向凝固裝置凈化金屬中 夾雜物的方法，屬于冶金除雜研究技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 夾雜物對(duì)于金屬的性能有很大的影響，如嚴(yán)重影響金屬的力學(xué)性能，降低金屬的 流動(dòng)性和鑄造性能，使金屬易出現(xiàn)缺陷，同時(shí)還會(huì)降低金屬的耐腐蝕性。
[0003] 目前工業(yè)用于除去夾雜物的方法主要有，熔劑法，氣體攪拌法，過濾法，電磁分離 法。其中溶劑法需要合理的熔劑成分和與之相適應(yīng)的熔劑處理工藝以保證熔劑凈化的熱力 學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使熔劑與金屬熔體具有良好的接觸條件，充分發(fā)揮熔劑去除夾雜物的作 用，其工藝簡單，成本低廉，但是其對(duì)夾雜物的除去具有針對(duì)性，且容易引入新的雜質(zhì)。氣體 攪拌法是將惰性氣體(Ar、隊(duì)等)通入熔體中，利用氣泡俘獲夾雜物的特點(diǎn)去除夾雜物，但吹 氣產(chǎn)生的氣泡很難捕獲尺寸較小的夾雜物，難以達(dá)到理想的凈化效果，不能滿足高性能合 金的需要。過濾法就是使熔體流經(jīng)過濾網(wǎng)、泡沫陶瓷過濾器、顆粒深床過濾器和顆粒粘結(jié)陶 瓷等剛性介質(zhì)，這些剛性介質(zhì)可捕獲熔體中的夾雜物將其去除，其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡 便，但其使用使用壽命較短，過濾器成本較高，且難以滿足連續(xù)操作的要求，影響生產(chǎn)的效 率。電磁分離法是在電磁場(chǎng)作用下由于夾雜物與金屬熔體的導(dǎo)電性差異使夾雜物與熔體分 離，從而去除的方法，雖具有高效、穩(wěn)定、潔凈的優(yōu)點(diǎn)，但其操作較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種橫向磁場(chǎng)定向凝固凈化金屬 中夾雜物的方法和裝置。本方法的理論基礎(chǔ)是Seebeck效應(yīng)，對(duì)烙融狀態(tài)下的金屬施加橫 向磁場(chǎng)，在橫向磁場(chǎng)的作用下熔體中彌散均勻分布的夾雜物受到熱電磁力或熱電磁流的影 響向坩堝一側(cè)偏聚。再通過物理切割的方法進(jìn)行除去夾雜物偏聚部分。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種利用橫向磁場(chǎng)定向凝固裝置凈化金屬中夾雜物的方法，具體過程和步驟如下： a. 選擇含有夾雜顆粒金屬原料，利用線切割將原料切成直徑為3mm長度為150mm的棒 狀樣品合金并將其封裝在內(nèi)徑為3_的剛玉坩堝中； b. 將傳統(tǒng)常規(guī)定向凝固裝置放入電磁體中，將剛玉坩堝放置于定向凝固裝置的拉桿 上，使其能在加熱爐中作垂直移動(dòng)；將樣品合金加熱融化并保溫0.5小時(shí)后，開啟橫向磁 場(chǎng)，橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度為〇. 〇1~1Τ，將樣品合金在磁場(chǎng)作用下以固定速率為]-100 μ m向下移動(dòng)。 樣品合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為68K/cm。
[0006] C. 一段時(shí)間后，將樣品合金迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到夾雜物分 布隨空間改變的金屬。
[0007] 利用橫向磁場(chǎng)制備梯度材料的方法的傳統(tǒng)常規(guī)定向凝固裝置，包括保護(hù)氣氛輸入 管、水冷套管、加熱爐、控溫裝置、合金棒試樣、超導(dǎo)強(qiáng)磁體、淬火池、剛玉坩堝以及拉桿；放 置有合金棒試樣的剛玉坩堝放置在加熱爐內(nèi)；加熱爐的外側(cè)安裝有水冷套管，超導(dǎo)強(qiáng)磁體 置于水冷套管的外側(cè)，且磁場(chǎng)方向與定向凝固方向相垂直；合金定向凝固過程中固液界面 置于超導(dǎo)強(qiáng)磁體的穩(wěn)恒區(qū)域；加熱爐連接控溫裝置控制其溫度；在加熱爐頂端有一通入惰 性氣體的保護(hù)氣氛輸入管；拉桿與剛玉坩堝連接；淬火池位于加熱爐下方。
[0008] 本發(fā)明的原理是基于Seebeck效應(yīng)及其在橫向磁場(chǎng)下產(chǎn)生的熱電磁效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè) Seebeck系數(shù)（η s，ill)不同的材料上下兩端分別連接在一起，且兩結(jié)點(diǎn)之間具有溫度梯 度Λ T，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱電勢(shì)以及形成熱電流。磁場(chǎng)和熱電流相互作用將產(chǎn)生洛倫茲 力，即熱電磁力。此力將使帶電顆粒和枝晶間的液相沿該力方向運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)。當(dāng)夾雜物為 不導(dǎo)電顆粒時(shí)，夾雜物在液相流動(dòng)作用下偏聚于坩堝一側(cè)；當(dāng)夾雜物為導(dǎo)電顆粒時(shí)，導(dǎo)電夾 雜物受到熱電磁力作用偏向坩堝一側(cè)。
[0009] Seebeck效應(yīng)產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)，溫差熱電勢(shì)導(dǎo)致初生相和熔 體中熱電流的產(chǎn)生(如圖1 (左）所示)，假設(shè)作用在枝晶上的熱電流為 Λ，作用在周邊熔體中的熱電流為，則有：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種橫向磁場(chǎng)定向凝固凈化金屬中夾雜物的方法，其特征在于該方法的步驟如下： a. 選擇含有夾雜顆粒金屬原料，利用線切割將原料切成直徑為3mm長度為150mm的棒 狀樣品合金并將其封裝在內(nèi)徑為3_的剛玉坩堝中； b. 將常規(guī)定向凝固裝置放入電磁體中，將剛玉坩堝放置于定向凝固裝置的拉桿上，使 其能在加熱爐中作垂直移動(dòng)；將樣品合金加熱融化并保溫0. 5小時(shí)后，開啟橫向磁場(chǎng)，橫向 磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 01~1T，將樣品合金在磁場(chǎng)作用下以固定速率為]-100 y m向下移動(dòng)；樣品合 金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為68K/cm ; c. 一段時(shí)間后，將樣品迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到夾雜物分布隨空 間改變的金屬。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在橫向磁場(chǎng)下凈化金屬中夾雜物的方法。在定向凝固過程中存在Seebeck效應(yīng)，若施加橫向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)和電流相互作用產(chǎn)生熱電磁力及熱電磁流動(dòng)，此力或這種流動(dòng)使夾雜物在液相流動(dòng)作用下偏聚于坩堝一側(cè)。得到夾雜物空間分布變化的定向凝固組織。本發(fā)明的工藝方法的要點(diǎn)是：整個(gè)定向凝固過程在橫向靜磁場(chǎng)0~1T（特斯拉）下完成，樣品采用細(xì)長的合金棒，定向凝固中樣品向下抽拉的速率為1~100μm/s，在生長到穩(wěn)定階段后，迅速將樣品拉入冷卻介質(zhì)中進(jìn)行淬火，最終得到夾雜物空間分布變化的定向凝固組織。通過物理切割的方法除去夾雜物。
【IPC分類】B22D27-02
【公開號(hào)】CN104625022
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510034457
【發(fā)明人】李喜, 關(guān)光, 杜大帆, 李寒驍, 李曉龍
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日