一种横向磁场定向凝固净化金属中夹杂物的方法

摘要

本发明涉及一种在横向磁场下净化金属中夹杂物的方法。在定向凝固过程中存在Seebeck效应，若施加横向磁场，磁场和电流相互作用产生热电磁力及热电磁流动，此力或这种流动使夹杂物在液相流动作用下偏聚于坩埚一侧。得到夹杂物空间分布变化的定向凝固组织。本发明的工艺方法的要点是：整个定向凝固过程在横向静磁场0~1T（特斯拉）下完成，样品采用细长的合金棒，定向凝固中样品向下抽拉的速率为1~100μm/s，在生长到稳定阶段后，迅速将样品拉入冷却介质中进行淬火，最终得到夹杂物空间分布变化的定向凝固组织。通过物理切割的方法除去夹杂物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种净化金属的新方法，即采用横向磁场下定向凝固装置净化金属中夹杂物的方法，属于冶金除杂研究技术领域。

背景技术

    夹杂物对于金属的性能有很大的影响，如严重影响金属的力学性能，降低金属的流动性和铸造性能，使金属易出现缺陷，同时还会降低金属的耐腐蚀性。

目前工业用于除去夹杂物的方法主要有，熔剂法，气体搅拌法，过滤法，电磁分离法。其中溶剂法需要合理的熔剂成分和与之相适应的熔剂处理工艺以保证熔剂净化的热力学和动力学条件，使熔剂与金属熔体具有良好的接触条件，充分发挥熔剂去除夹杂物的作用，其工艺简单，成本低廉，但是其对夹杂物的除去具有针对性，且容易引入新的杂质。气体搅拌法是将惰性气体（Ar、N₂等）通入熔体中，利用气泡俘获夹杂物的特点去除夹杂物，但吹气产生的气泡很难捕获尺寸较小的夹杂物，难以达到理想的净化效果，不能满足高性能合金的需要。过滤法就是使熔体流经过滤网、泡沫陶瓷过滤器、颗粒深床过滤器和颗粒粘结陶瓷等刚性介质，这些刚性介质可捕获熔体中的夹杂物将其去除，其优点是适应性强、操作简便，但其使用使用寿命较短，过滤器成本较高，且难以满足连续操作的要求，影响生产的效率。电磁分离法是在电磁场作用下由于夹杂物与金属熔体的导电性差异使夹杂物与熔体分离，从而去除的方法，虽具有高效、稳定、洁净的优点，但其操作较为复杂，生产成本较高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种横向磁场定向凝固净化金属中夹杂物的方法和装置。本方法的理论基础是Seebeck效应，对熔融状态下的金属施加横向磁场，在横向磁场的作用下熔体中弥散均匀分布的夹杂物受到热电磁力或热电磁流的影响向坩埚一侧偏聚。再通过物理切割的方法进行除去夹杂物偏聚部分。

    为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用横向磁场定向凝固装置净化金属中夹杂物的方法，具体过程和步骤如下：

a. 选择含有夹杂颗粒金属原料，利用线切割将原料切成直径为3mm长度为150mm的棒状样品合金并将其封装在内径为3mm的刚玉坩埚中；

b.将传统常规定向凝固装置放入电磁体中，将刚玉坩埚放置于定向凝固装置的拉杆上，使其能在加热炉中作垂直移动；将样品合金加热融化并保温0.5小时后，开启横向磁场，横向磁场强度为0.01~1T，将样品合金在磁场作用下以固定速率为1~100μm向下移动。样品合金的加热炉中心炉温为900℃，温度梯度为68K/cm。

c.一段时间后，将样品合金迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中进行淬火，得到夹杂物分布随空间改变的金属。

利用横向磁场制备梯度材料的方法的传统常规定向凝固装置，包括保护气氛输入管、水冷套管、加热炉、控温装置、合金棒试样、超导强磁体、淬火池、刚玉坩埚以及拉杆；放置有合金棒试样的刚玉坩埚放置在加热炉内；加热炉的外侧安装有水冷套管，超导强磁体置于水冷套管的外侧，且磁场方向与定向凝固方向相垂直；合金定向凝固过程中固液界面置于超导强磁体的稳恒区域；加热炉连接控温装置控制其温度；在加热炉顶端有一通入惰性气体的保护气氛输入管；拉杆与刚玉坩埚连接；淬火池位于加热炉下方。

本发明的原理是基于Seebeck效应及其在横向磁场下产生的热电磁效应。当两个Seebeck系数（ηs,ηl）不同的材料上下两端分别连接在一起，且两结点之间具有温度梯度ΔT，回路中就会产生一个热电势以及形成热电流。磁场和热电流相互作用将产生洛伦兹力，即热电磁力。此力将使带电颗粒和枝晶间的液相沿该力方向运动和流动。当夹杂物为不导电颗粒时，夹杂物在液相流动作用下偏聚于坩埚一侧；当夹杂物为导电颗粒时，导电夹杂物受到热电磁力作用偏向坩埚一侧。

Seebeck效应产生温差热电势，温差热电势导致初生相和熔体中热电流的产生（如图1（左）所示），假设作用在枝晶上的热电流为                                                ，作用在周边熔体中的热电流为，则有：

                                           (1)

                                           (2)

式中和分别为固相和液相中的电导率，和分别为固相和液相的温差热电势，和分别是固相和液相的体积分数，G为固液界面前沿液相中的温度梯度。将式(1)中的电流带入洛伦兹力方程可以得到液相溶体和固相枝晶所受到的作用力分别为：

                                  (3)

                                        (4)

通过查阅合金的物性参数，可以估算出在已知的温度梯度下，温差电流的数量级达到10³A/m²。在磁场强度为0.5 T的横向静磁场作用下，固液界面前沿的液相在热电磁力的作用下形成一定方向的热电磁流动，这种流动使不导电夹杂物向一侧进行偏聚。热电磁流动方向通过左手定则可以判断，如图1所示。

    对于导电夹杂物，Seebeck效应产生温差热电势，温差热电势导致导电夹杂物和熔体中热电流的产生（如图2所示）。在夹杂物上产生的电流为

                                   (5)

根据电流和磁场耦合作用可知

                                                    (6)

                                  (7) 

夹杂物受到热电磁力方向通过左手定则可以判断，如图2所示。夹杂物与移动示意图如图3所示。

    与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

本方法是一种横向磁场在熔融态下制备梯度材料的新方法，本发明在金属定向凝固施加横向静磁场，夹杂物在横向磁场的作用下受到热电磁效应的作用发生偏聚，并且可以通过磁场的施加可以控制夹杂物的分布，使其偏聚到一侧再通过物理切割的方法进行去除。能起到净化金属的作用。本方法只要在现在工业上广泛使用的高速凝固过程中施加横向磁场就能达到目的，设备简单且易于操作同时对环境没有污染，清洁，且可以连续操作，可提高生产效率。由于其进本原理利用的是Seebeck效应，所以对夹杂物的尺寸没有要求，可去除细小的夹杂物，可大大提高金属的净化程度。

附图说明

图1为本发明中不导电夹杂物的原理示意图。

图2为本发明中导电夹杂物的原理示意图。

图3为本发明中导电夹杂物的效果模拟图。

图4为本发明方法的Bridgman法定向凝固装置的简单结构示意图。其中1-水冷套管、2-加热炉、3-合金棒试样、4-超导强磁体、5-合金棒已凝固部分、6-淬火池、7-拉杆、8-刚玉坩埚、 9-循环水出水口、10-循环水进水口。

图5分别为Al-Ti-B合金在横向磁场下磁场强度为0T（a）和磁场强度为0.8T（b）时的凝固组织的金相组织照片。

图6分别为Al-18wt%Si合金在横向磁场下磁场强度为0T（a）和磁场强度为0.8T（b）时的凝固组织的金相组织照片。

具体实施方式

根据夹杂物的导电性选了Al-Ti-B合金及Al-18wt%Si合金进行论证。下面结合附图将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

选择含有Al-Ti-B合金作为原料，利用线切割将原料切成直径为3mm长度为150mm的金属棒并将其封装在内径为3mm的刚玉坩埚中；刚玉坩埚装在拉杆上，拉杆连接定向凝固伺服抽拉系统。设计使试样的固液界面处于横向电磁体的稳恒磁场区域，定向凝固装置为典型的Bridgman装置。伺服抽拉系统设置的拉速为10μm/s、温度梯度为68K/cm、在强度为0T和0.8T的横向磁场下进行定向凝固。将样品合金加热融化并保温0.5小时后，开启横向磁场，。样品合金的加热炉中心炉温为900℃，温度梯度为68K/cm。定向凝固的试样在抽拉8cm后，达到稳定生长区域，这时以一较大拉速迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中进行淬火。所得的定向凝固试样在固液界面下方，垂直于磁场方向对称切开，得到观察组织的纵截面样品，镶嵌样品后，经过研磨、抛光后腐蚀观察组织，如图5所示。

实施例2

本实施例的过程和步骤与上述实施例1基本相同。特别之处在于：采用的合金为Al-18wt%Si。所得的在组织照片如图6所示。

两个实例分别以Al-Ti-B合金和Al-18wt%Si合金作为研究对象。图5中的导电颗粒Al₃Ti和TiB₂在加入横向磁场后偏聚到一侧，成空间梯度分布。图6中的不导电Si颗粒在横向磁场作用下偏聚到一侧，成空间梯度分布。从而可以利用物理切割的方法将其除去。