一種橫向磁場定向凝固凈化金屬中夾雜物的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種凈化金屬的新方法，即采用橫向磁場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領域。
【背景技術】
[0002] 夾雜物對于金屬的性能有很大的影響，如嚴重影響金屬的力學性能，降低金屬的 流動性和鑄造性能，使金屬易出現缺陷，同時還會降低金屬的耐腐蝕性。
[0003] 目前工業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的熔劑處理工藝以保證熔劑凈化的熱力 學和動力學條件，使熔劑與金屬熔體具有良好的接觸條件，充分發揮熔劑去除夾雜物的作 用，其工藝簡單，成本低廉，但是其對夾雜物的除去具有針對性，且容易引入新的雜質。氣體 攪拌法是將惰性氣體(Ar、隊等)通入熔體中，利用氣泡俘獲夾雜物的特點去除夾雜物，但吹 氣產生的氣泡很難捕獲尺寸較小的夾雜物，難以達到理想的凈化效果，不能滿足高性能合 金的需要。過濾法就是使熔體流經過濾網、泡沫陶瓷過濾器、顆粒深床過濾器和顆粒粘結陶 瓷等剛性介質，這些剛性介質可捕獲熔體中的夾雜物將其去除，其優點是適應性強、操作簡 便，但其使用使用壽命較短，過濾器成本較高，且難以滿足連續操作的要求，影響生產的效 率。電磁分離法是在電磁場作用下由于夾雜物與金屬熔體的導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、穩定、潔凈的優點，但其操作較為復雜，生產成本較高。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種橫向磁場定向凝固凈化金屬 中夾雜物的方法和裝置。本方法的理論基礎是Seebeck效應，對烙融狀態下的金屬施加橫 向磁場，在橫向磁場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 響向坩堝一側偏聚。再通過物理切割的方法進行除去夾雜物偏聚部分。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用如下技術方案： 一種利用橫向磁場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徑為3_的剛玉坩堝中； b. 將傳統常規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；將樣品合金加熱融化并保溫0.5小時后，開啟橫向磁 場，橫向磁場強度為〇. 〇1~1Τ，將樣品合金在磁場作用下以固定速率為]-100 μ m向下移動。 樣品合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為68K/cm。
[0006] C. 一段時間后，將樣品合金迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中進行淬火，得到夾雜物分 布隨空間改變的金屬。
[0007] 利用橫向磁場制備梯度材料的方法的傳統常規定向凝固裝置，包括保護氣氛輸入 管、水冷套管、加熱爐、控溫裝置、合金棒試樣、超導強磁體、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；加熱爐的外側安裝有水冷套管，超導強磁體 置于水冷套管的外側，且磁場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 置于超導強磁體的穩恒區域；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] 本發明的原理是基于Seebeck效應及其在橫向磁場下產生的熱電磁效應。當兩個 Seebeck系數（η s，ill)不同的材料上下兩端分別連接在一起，且兩結點之間具有溫度梯 度Λ T，回路中就會產生一個熱電勢以及形成熱電流。磁場和熱電流相互作用將產生洛倫茲 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動和流動。當夾雜物為 不導電顆粒時，夾雜物在液相流動作用下偏聚于坩堝一側；當夾雜物為導電顆粒時，導電夾 雜物受到熱電磁力作用偏向坩堝一側。
[0009] Seebeck效應產生溫差熱電勢，溫差熱電勢導致初生相和熔 體中熱電流的產生(如圖1 (左）所示)，假設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：
【主權項】
1. 一種橫向磁場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徑為3_的剛玉坩堝中； b. 將常規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；將樣品合金加熱融化并保溫0. 5小時后，開啟橫向磁場，橫向 磁場強度為0. 01~1T，將樣品合金在磁場作用下以固定速率為]-100 y m向下移動；樣品合 金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為68K/cm ; c. 一段時間后，將樣品迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中進行淬火，得到夾雜物分布隨空 間改變的金屬。
【專利摘要】本發明涉及一種在橫向磁場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，若施加橫向磁場，磁場和電流相互作用產生熱電磁力及熱電磁流動，此力或這種流動使夾雜物在液相流動作用下偏聚于坩堝一側。得到夾雜物空間分布變化的定向凝固組織。本發明的工藝方法的要點是：整個定向凝固過程在橫向靜磁場0~1T（特斯拉）下完成，樣品采用細長的合金棒，定向凝固中樣品向下抽拉的速率為1~100μm/s，在生長到穩定階段后，迅速將樣品拉入冷卻介質中進行淬火，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】CN104625022
【申請號】CN201510034457
【發明人】李喜, 關光, 杜大帆, 李寒驍, 李曉龍
【申請人】上海大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月23日