一种横向磁场定向凝固净化金属中夹杂物的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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、队等)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】
[0004] 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，对烙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。
[0005] 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3_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，横向磁场强度为〇. 〇1~1Τ，将样品合金在磁场作用下以固定速率为]-100 μ m向下移动。 样品合金的加热炉中心炉温为900°C，温度梯度为68K/cm。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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（η s，ill)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Λ T，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。
[0009] 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 Λ，作用在周边熔体中的热电流为，则有：
【主权项】
1. 一种横向磁场定向凝固净化金属中夹杂物的方法，其特征在于该方法的步骤如下： 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3_的刚玉坩埚中； b. 将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]-100 y m向下移动；样品合 金的加热炉中心炉温为900°C，温度梯度为68K/cm ; c. 一段时间后，将样品迅速拉入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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】B22D27-02
【公开号】CN104625022
【申请号】CN201510034457
【发明人】李喜, 关光, 杜大帆, 李寒骁, 李晓龙
【申请人】上海大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月23日