专利名称：一种偏晶合金的制造方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的铸造技术，特别提供了一种偏晶合金的制造方法。
偏晶合金是一类用途广泛的金属材料，目前已经发现有重要工业用途的偏晶合金包括铜-铅系偏晶合金，铝铅系偏晶合金，铝铋系偏晶合金，锌铅系偏晶合金等，这一类偏晶合金的共同的特点是在较硬的金属基体上弥散分布大量细软的第二相球粒，已有的研究结果显示这类偏晶合金是一种很好的减摩材料，适用于制造高性能的轴瓦。另一类偏晶合金包括铜铋系偏晶合金和铜铬系偏晶合金，这一类合金已发现具有很好的电触头材料性能，大量被用于制造高性能的电触头材料，此外还有大量的偏晶合金体系正在研究中，可以认为偏晶合金是现代材料科学和工程中最具有开发价值的合金体系之一。
偏晶合金熔炼和铸造结晶时与其它工业合金最重要的差别是在偏晶合金存在一个液相两相区，在这一温度区间，已熔化的液态金属各组元之间分成彼此互不溶解的单独液相，在地球重力场作用下，由于不同液相之间密度各不相同，因此一些密度较大的液相将在这一温度区间自动下沉，密度较小的第二相自动上浮，这一效应的结果将形成液相自动分层现象，因此，用常规铸造的方法制备偏晶合金工业难度很大，对较大的铸件几乎是不可能的，这一现象是偏晶合金长期得不到工业应用的最主要原因之一，也是目前制备偏晶合金研究要解决的主要技术关键之一。
为了克服偏晶合金凝固过程中产生的重力分层行为，获得具有工业用途的匀质偏晶合金，研究人员曾经进行过长期的努力，其中比较成功的是粉末冶金工艺路线[M.l.Mackay,Met.Progr.111(1977),32]，它是将不同金属先分别制粉，然后将固体粉末充分混合，再经冷压、除气、预烧结和烧结等一系列的工艺，获得最后的合金材料，这种工艺路线的优点是它能成功的克服重力场下偏晶合金凝固时的液相分层行为和易于调整合金成份等，但它的缺点是金属粉末是一种高度易爆的危险品，无论金属制粉以及粉末储存运输和使用过程中均要付出高昂的安全成本，金属粉末易于氧化和吸附大量的气体，这一倾向使粉末冶金制品的含气量较高，对要求含气量低的合金，这是一个难以克服的技术障碍，同时由于工艺上的原因与铸造制品相比，粉末冶金制品一般致密度较低，强度水平较差，如果采用后续的热等静压工艺，可以使粉末冶金制品的致密度和强度提高，但后者大大增加了合金的制造成本，因而工业应用受到很大的限制。为了克服偏晶合金固有的液相分层行为，其它的工艺研究包括薄板连续铸锭法[R.E.Eppich et al.Met.Eng.Q.11(1971),33]、高速机械搅拌法[孙大仁，刘勇兵等，中国有色金属学报，8,Suppl.1,1988]、超声波搅拌下凝固法等[F.Chen,G.Shu,J.Mater.Sci.L.17(1998)259],但所有这些工艺都具有工艺复杂，设备投资大，对合金成份高度敏感等缺点，有待于进一步的技术改进。例如高速机械搅拌法，就是采用转速为1500～3000转/分的高速搅拌器搅拌铝铅偏晶熔体使之成为一种半固态的膏状体，然后再挤压铸造，这种方法可以有效的抑制重力偏析，但它的主要缺点是在高速搅拌时铝液表面会在大气作用下剧烈氧化，生成大量不希望的氧化渣进入熔体，同时技术上还要寻找一种与Al液不反应，且具有足够的机械强度和抗热冲击性的材料制造优质高速搅拌器，而对于铜基偏晶合金，由于其合金熔点高，液体粘度大，找到一种合适的高温材料就更加困难，在连铸技术中，采用快速冷却原理抑制可能的重力偏析，但由于液相中的Marangoni对流效应，使在高的温度梯度场作用下合金中的第二相液滴在Marangoni力作用下迅速迁移到温度较高的铸锭心部，而降低冷却速度又导致重力偏析增加，因此这一工艺控制十分困难，难以达到工业生产的容许的范围。综上所述，目前工业技术还缺乏一种有效的工艺生产均匀的高性能偏晶合金，因此有必要发展一种新的低成本偏晶合金铸锭技术。
本发明的目的在于提供一种偏晶合金的制造方法，低成本地生产地球重力场下难铸造的偏晶合金，最大限度的减少这类合金在凝固结晶时严重的重力偏析效应，并借助于快速凝固原理，获得弥散分布的第二相组织。
本发明提供了一种偏晶合金的制造方法，其特征在于制备过程如下(1)将偏晶合金加热熔化，并升温至偏晶线以上10～300℃使其成为一种成份均匀的单相合金熔体；(2)将上述熔体底注或注入一保温中间包中再底注，形成稳定的连续注流并精确控制注流速度，使其在0.5kg/min～10kg/min范围内变化；(3)对重力自然下落的合金注流用高压气体进行雾化或雾化冷却，高压气体指氩气、氮气或氦气等惰性气体，其压力范围从0.2MPa-150Mpa；(4)将已雾化冷却并处于半液态的雾化金属收集在一预先准备好的强制制冷的铸模中(见
图1)。
本发明所述的合金加热方法可以选用燃料加热，电阻加热，高频或中频加热，电弧加热或等离子体加热等任何一种已知的加热技术，加热可以在大气、真空或保护性气氛下进行，本发明所述的控制注流速度可以用控制锥形塞棒与导流管之间的开口，控制导流管直径，调整坩埚液面高度以及在金属熔体上下加上气压差等任一方法或几种方法的组合使用来实现，也可以用滑动水口等简单的机械装置进行控制；本发明所述的对液态金属的雾化技术指采用任何现有的高压气体喷嘴进行雾化，这些喷嘴可以是限制性雾化喷嘴或非限制性雾化喷嘴，也可以是超声雾化喷嘴，喷射角变化范围5°～100°，本发明所述的铸模可以由陶瓷质耐火材料，金属材料或石墨材料等制成，其形状可以是简单圆柱体、方柱体、隋园柱体等，或是形状复杂的机械零件，这种铸模可以是固定不动的，也可以是连续或断续旋转，倾斜或向下运动，冷却铸模可以是有底的或无底的，铸件与铸模本身可以是相对静止的或连续滑动的；本发明所述的对铸模外壁强制冷却，可以是制冷铸模本身的自冷，也可以采用气冷、水冷或其它常规冷却剂，如冷却油等，冷却介质(气体、水或油等)可以是循环或不循环的方式，冷却剂本身可以为自然冷却或强制冷却，冷却剂的温度变化范围为0℃-80℃，压力为0.1Mpa-5Mpa。本发明所述的所谓强制冷却是指将高温铸件及其凝固放热所传至模壁的热量全部由冷却介质带走，使铸模内壁的温度接近或稍高于铸模冷却剂本身的温度。
本发明的技术特点在于将液态金属的雾化技术和冷模铸造技术结合起来，使高度过热的熔融单相液态偏晶合金在很短的时间内快速冷却和固化，以达到抑制重力偏析和细化组织结构的目的。本发明技术上的优点是显易见的。1．它不需要复杂而昂贵的机械或冶金设备，也不需要特殊的高温材料，因而整个工艺的设备投资很低，由此导致可以低成本的生产优质偏晶合金铸件；2．偏晶合金铸造工艺的难点在于单相熔体的过热温度太高(一般比基体金属的熔点高100-1000℃以上)，因此如何有效地对高过热的熔体进行快速冷却是成功制备偏晶合金的技术关键，本发明利用雾化快冷原理有效地对雾化流进行夹冷，因而可以成功的制备组织均匀的偏晶合金铸件；3．借助于控制雾化参数，可以很容易地调整雾化液滴的大小，后者导致等轴晶铸锭微观组织的形成和晶粒大小的控制，借助于这一科学原理可以最终获得高性能的合金材料；4．本发明利用对铸模的强制冷却可以对高度过热的偏晶熔体进行二次冷却，它可以大大减少一次雾化冷却可能的冷却不足，节省高压气体用量，消除铸锭中可能的二次重力偏析和抑制铸锭晶粒长大。综上所述，本发明是建立在快速凝固原理基础上的一种低成本生产优质偏晶合金的高技术。
附图1为偏晶合金雾化铸造技术示意。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1配制10％Pb，其余为Al的二元偏晶合金，由Al-Pb二元相图上查得该合金的双结点线临界温度为1000℃左右，将该合金放入石墨坩埚中，用电阻炉加热熔化，并升温至1300℃(双结点线以上300℃左右)，保温30分钟，使其充分均匀化以后将其注入一保温中间包中，中间包预热1200℃，当中间包中合金熔体的液面升到指定液面高度后，打开中间包底孔的锥形塞棒，并调整开口度，使过热的合金熔体由中间包底孔流出，控制流速为1Kg/min，在中间包底孔下部装有一非限制性亚音速雾化喷嘴，将已喷出的液体注流雾化粉碎，雾化参数为雾化角20°，气体压力2MPa，工业氩气。采用平行板厚壁石墨铸模收集已充分雾化冷却的铝铅合金雾化流，铸模原始温度为室温，采用厚壁铸模材料的自冷对铸锭进行快速冷却，铸锭完全凝固后，获得第二相Pb粒子分布均匀的Al-Pb偏晶合金板坯铸锭。
实施例2
配制30％Pb,1％Ni,5％ Sn，其余为铜的铜铅偏晶合金，由铜铅二元相图，含铅30％时，相图上双结点线临界温度为990℃，将该合金放入石墨坩埚中，用中频感应炉加热熔化并升温至1050℃(双结点线以上60℃左右)，保温30分钟，使其充分均匀化后，打开坩埚底部的塞棒，使熔体从坩埚底部的导流管中流出，控制导流管直径，使熔体的流速为5Kg/min左右，由导流管喷出的液流随即被底部的一超声波雾化喷嘴雾化粉碎，雾化工艺参数为工业氮气，气体压力15MPa，气体流量4Kg/min。采用一圆柱形碳钢制的铸模收集铜铅合金雾化流，碳钢铸模内部为循环水冷强制冷却，冷却水为室温，水压0.4MPa，铸锭凝固后，获得了第二相粒子分布均匀的铜铅偏晶合金铸锭。
实施例3配制12％Bi,2％ Sn,10％Al，其余为Zn的Zn-Bi偏晶合金，由Zn-Bi二元相图上，含Bi为10％时，双结点线临界温度为510℃，将该合金放入坩埚中，用电阻炉加热熔化，并升温至530℃，保温15分钟后，注入一保温中间包中，中间包底部浇铸口为石墨板滑动水口，其控制注流速度为8Kg/min，然后用一非限制性雾化喷嘴将流出的液体注流雾化粉碎，雾化参数为雾化角90°，工业氮气，压力6MPa，采用一水冷铜模收集已雾化的液滴，铜模为锥台形，内部为循环水冷却，水温为室温，压力0.2MPa，铸锭凝固后，获得了性能良好的Zn-Bi颗粒分布均匀，且晶粒细小。
比较例1配制10％Pb，其余为Al的二元偏晶合金，采用本发明具体实施例1完全相同的工艺参数，不经雾化，直接注入铸模中，即采用常规的铸锭方法进行铸造，冷却后发现大量的铅沉淀于铸模底部，铝铅发生了液相分层，铸造失败。
比较例2配制30％Pb,1％Ni,5％ Sn，其余为铜的铜铅偏晶合金，采用本发明具体实施例2完全相同的工艺参数，雾化后直接沉积在一氧化镁砂铸模中，作为对比，铸模不进行强制冷却，而采用自然冷却，冷至室温后，发现铸造组织中铅的偏折严重，铸造失败。
权利要求
1．一种偏晶合金的制造方法，其特征在于制备过程如下(1)将偏晶合金加热熔化，并升温至偏晶线以上10～300℃使其成为一种成份均匀的单相合金熔体；(2)将上述熔体底注或注入一保温中间包中再底注，形成稳定的连续注流并精确控制注流速度，使其在0.5kg/min～10kg/min范围内变化；(3)对重力自然下落的合金注流用高压气体进行雾化或雾化冷却，高压气体指氢气、氮气或氦气等惰性气体，其压力范围从0.2Mpa-150Mpa；(4)将已雾化冷却并处于半液态的雾化金属收集在一预先准备好的强制制冷的铸模中。
2．按照权利要求1所述偏晶合金的制造方法，其特征在于所述合金加热方法采用燃料加热、电阻加热、高频或中频加热；加热在大气、真空或保护性气氛下进行。
3．按照权利要求1所述偏晶合金的制造方法，其特征在于所述控制注流速度用控制锥形塞棒与导流管之间的开口，控制导流管直径，调整坩埚液面高度以及在金属熔体上下加上气压差等任一方法或几种方法的组合使用来实现。
4．按照权利要求1所述偏晶合金的制造方法，其特征在于在所述雾化过程中采用的雾化器喷嘴是限制性雾化气喷嘴、非限制性雾化器喷嘴、超音速雾化器喷嘴、亚音速雾化器喷嘴，喷射角度5°～100°。
5．按照权利要求1所述偏晶合金的制造方法，其特征在于所述铸锭模是自冷或强制冷却，其锭型是圆棒型、长方形或板形简单几何形状或复杂的零件形状，铸锭模由碳钢、不锈钢、铜或铸铁的金属材料制成，或由石墨、碳化硅、莫来石、氧化镁或氧化铝的陶瓷耐火材料制成。
6．按照权利要求5所述偏晶合金的制造方法，其特征在于所述铸模为无底口水冷结晶器，铸件与铸模之间相对连续滑动。
全文摘要
一种偏晶合金的制造方法,即将偏晶合金加热熔化,并升温至偏晶线以上10～300℃;将上述熔体底注并精确控制注流速度,使其在0.5kg/min～10kg/min范围内变化;对重力自然下落的合金注流用高压气体进行雾化或雾化冷却;将已雾化冷却并处于半液态的雾化金属收集在一预先准备好的强制制冷的铸模中。本发明可低成本地生产地球重力场下难铸造的偏晶合金,最大限度的减少这类合金在凝固结晶时严重的重力偏析效应,并借助于快速凝固原理,获得弥散分布的第二相组织。
文档编号B22D27/20GK1299719SQ99122628
公开日2001年6月20日 申请日期1999年12月14日 优先权日1999年12月14日
发明者冼爱平, 张永昌 申请人:中国科学院金属研究所