专利名称：一种控制金属凝固前沿颗粒行为的新方法
金属凝固过程中，凝固界面前沿颗粒的行为对金属性能产生深远的影响。例如，在金属铸件凝固过程中，液相熔体中非金属夹杂物颗粒如果被凝固界面所吞没，则非金属夹杂物将永久进入金属铸件中，在使用过程中，夹杂物的存在将导致裂纹的形成或者降低表面质量，因此对金属铸件或材料造成极为不利的后果；而在金属基复合材料的铸造法制备过程中，由于表面张力及物理性能差异等，增强相颗粒常被凝固界面所推斥，因而颗粒分布于凝固末端，金属基体中增强相颗粒分布便极不均匀，使复合材料的性能急剧降低。此外，在许多合金的凝固过程中，析出的初晶相颗粒经常被凝固界面推斥，使初晶相颗粒分布于晶界或凝固末端，导致宏观偏析的产生，使合金材料性能受到极大的影响。所有这些材料的制备过程中，关键在于控制颗粒的行为，然而，到目前为止，尚未提出一种切实可行的控制颗粒行为的方法。
在凝固界面前沿，颗粒受到两种类型力的作用一种为拖曳力，它倾向于使颗粒被凝固界面吞没；一种为推斥力，它倾向于使颗粒被凝固界面推斥。这两种力任一种取得优势，则颗粒朝该种力趋势发展。因此在凝固过程中，对凝固界而前沿的颗粒施加一个可控的外力的作用，来改变颗粒的受力平衡，进而使颗粒固有的被推斥或被吞没行为发生改变。
本发明即是基于这一思路，在金属凝固体系中，对金属熔体施加一均匀分布的电磁力，而在上述几种情况下，颗粒与金属熔体的导电率存在巨大的差异，如非金属夹杂物和增强相颗粒往往为电的不良导体，初晶相颗粒的电导率也与基体存在很大差别，因此颗粒将受到电磁挤压力的作用，并且，颗粒所受的电磁挤压力的方向和大小可以通过改变电场或磁场的方向和大小来任意改变，这就为改变颗粒的受力平衡提供了极大的便利，通过调整电磁力的大小和方向，便可以很方便的控制颗粒的行为，也就能达到控制颗粒分布的目的，从而达到最终控制金属材料性能的目的。
本发明目的的具体实现由以下实施例及附
图1至图3给出。
图1为电磁场控制颗粒行为装置主视图。
图2为电磁场控制颗粒行为装置侧视图。
图3为电磁场控制颗粒行为力学原理图。
下面结合图1至图3详细说明依据本发明的基本原理及工作情况。
本发明通过一个由电极[1][6]、电磁铁[4][16]、耐热绝缘容器[2]、热顶材料[7]、冷却管[5]、电热材料[14]、隔热材料[15]、隔离材料[12]、保温材料[3]组成的电磁场下定向凝固装置来实现。给电热材料[15]通电，将耐热绝缘容器[2]中含有颗粒的金属加热直至全部融化，盖上热顶材料[7]，将整个装置置于电磁铁[4][16]的磁场空间中，将冷却管[5]中通入冷却介质[13]，通过控制适当的流速或选择合适的介质，使金属熔体[8]自下而上凝固，同时通过电极[1][6]往金属熔体[8]中通入电流。针对不同的情况，电流和磁场的方向有所区别如果要控制金属熔体中夹杂物颗粒[9]不被凝固界面[10]吞没而进入金属固相[11]中，调整电流和磁场的方向，使金属熔体[8]中颗粒[9]所受电磁挤压力朝上，并使颗粒[9]获得一迁移速度，调整电磁挤压力使颗粒[9]迁移速度大于凝固界面[10]的迁移速度，则颗粒最终将停留在金属固相[11]的顶面，而下面的金属固相[11]非常纯净。但如果对于金属基复合材料或者合金凝固而言，则需调整电流和磁场的方向，使颗粒[9]所受电磁挤压力方向朝下，调整电磁力大小，使凝固界面[10]抵达颗粒[9]时，即将颗粒[9]吞没，此时电磁力的施加根据凝固速度而间断施加，或者呈某种函数关系施加。此外，如果要控制颗粒[9]在金属固相[11]中呈梯度分布或其他特殊分布，则可通过控制电流波形，通过与凝固界面[10]速度配合，使颗粒[9]在金属固相[11]中的分布成为颗粒[9]行为的函数，则可以使颗粒[9]在金属固相[11]中呈任何状态的分布。
权利要求
1.一种控制金属凝固界面前沿颗粒行为的新方法，其特征是在凝固过程中施加电磁力，使凝固前沿颗粒受力平衡发生改变，因而其被凝固界面推斥或吞没的行为也将发生改变，最终影响颗粒在凝固金属中的分布状况；
2.本发明通过一个由电极[1][6]、电磁铁[4][16]、耐热绝缘容器[2]、热顶材料[7]、冷却管[5]、电热材料[14]、隔热材料[15]、隔离材料[12]、保温材料[3]组成的电磁场下定向凝固装置来实现。该装置的特征是电流和磁场可调，凝固速度也可以随意控制。
3.按权项1规定的发明，其特点是将金属熔体中所有非金属夹杂物(液态或固态)全部聚集在金属固相[11]的顶部，而使金属固相[11]顶部以下的固相中不含非金属夹杂物。
4.按权项1规定的发明，其特征是控制金属基复合材料制备过程中，增强相颗粒[9]不被凝固界面[10]推斥，从而均匀分布于金属基体中。
5.根据权利要求1规定的发明，其特征是控制合金凝固过程中，初晶相颗粒[9]不被凝固界面[10]推斥，从而避免合金成分宏观偏析的产生。
6.根据权利要求1规定的发明，其特征是控制颗粒梯度材料的制备中，颗粒[9]在金属基体中呈梯度分布，从而制备大块颗粒梯度材料。
7.根据权利要求1规定的发明，其特征是控制特种功能材料的制备中，颗粒[9]在金属基体中呈函数分布，如对称梯度分布或层状分布等，从而获得性能极为独特的功能材料。
8.根据权利要求4规定的发明，在合金凝固过程中，也可以控制初晶相颗粒[9]在合金固相中呈梯度分布或者呈函数分布，从而制取某种自生复合材料、自生梯度材料或者自生特种功能材料。
全文摘要
本发明涉及一种控制金属凝固前沿颗粒行为的新方法。在金属凝固过程中通过施加电磁力，改变凝固前沿颗粒受力平衡，从而达到控制颗粒行为的目的。本发明通过一个由电极[1][6]、电磁铁[4][16]、耐热绝缘容器[2]、热顶材料[7]、冷却管[5]、电热材料[14]、隔热材料[15]、隔离材料[12]、保温材料[3]组成的电磁场下定向凝固装置来实现。通过本发明可以控制夹杂物颗粒不进入凝固金属；可以控制增强相颗粒以及初晶相颗粒均匀或者呈梯度或函数分布于金属中。
文档编号B22D27/02GK1406688SQ0112671
公开日2003年4月2日 申请日期2001年9月11日 优先权日2001年9月11日
发明者钟云波, 任忠鸣 申请人:上海大学