[发明专利]一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法及装置

说明书

本发明公开了一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法和装置，通过在水冷结晶器外侧从上到下依次施加脉冲线圈和强磁场线圈，利用脉冲线圈诱导的电磁振荡力振碎和细化第二相液滴，并利用强磁场线圈诱导稳恒磁场，利用磁场抑制熔体流动阻碍细化后第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并，并最终实现细化的第二相液滴在固液界面前沿弥散分布。本发明利用水冷结晶器和二冷水对难混溶合金熔体进行冷却，并利用连续抽拉装置实现高均质难混溶合金的连续化制备。本发明连铸装置简单、操作容易，可适用于多种难混溶合金材料的连续化制备。

技术领域

本发明涉及难混溶合金熔炼制备领域，具体涉及一种工业化大规模制备超均质难混溶合金的制备方法。

背景技术

难混溶合金作为一类具有液相分离特性的合金，在相图上存在一个稳定或者亚稳的难混溶区。如Al-Bi、Al-Pb、Cu-Pb等合金具有稳定难混溶区，而Cu-Fe、Cu-Co等合金具有亚稳难混溶区。研究表明，难混溶合金在自润滑、轴瓦材料、电触头、半导体、超导等领域具有广阔的应用前景。但由于难混溶区的存在，该类合金在传统凝固过程中极其容易形成严重偏析甚至分层的组织。因此，如何获得均质的难混溶合金成为该类合金研究的核心问题之一。Cu-Pb合金，一直以来被用作重要轴承合金材料，由于Cu-Pb合金具有较好的耐热性和散热能力，很难因摩擦热与轴发生粘合，且能在300-320℃高温环境下工作，因此，作为被广泛应用于高速重载环境，特别是在航空工业和汽车工业领域具有极其重要的应用。但在常规凝固条件下，Cu-Pb合金极易发生液液分离，形成第二相液滴。而所生成的第二相液滴密度等物理性质与合金熔体存在较大差异，因此容易形成第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并等问题，很难制备出高均质的难混溶合金。因此，目前Cu-Pb合金的制备主要采用粉末冶金方法，但该方法需经过数次轧制烧结以提高其力学性能和密度，所以在工业化大生产过程中面临着工艺成本高、生产工序长等问题。由于采用粉末冶金工艺，该类合金产品也存在无法制备大型产品、产品塑韧性较低等问题。

以Cu-Pb为代表的难混溶合金虽然在传统凝固过程中难以实现其均质化制备，目前国内外学者通过可以制备出均质组织。国内外学者采用甩丝甩带、深过冷等快速凝固方法，使合金熔体以极快的凝固速率通过难混溶区，从抑制液液相变角度研究了难混溶合金的均质化制备，也取得了一定的研究成果，但同时也受到快速凝固工艺的制约，无论是所制备试样尺寸还是生产设备等都无法满足大规模工业化生产的要求。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法及装置，尤其是克服难混溶合金制备过程中粉末冶金工艺存在成本高、工序长、产品性能差、无法制备大型样件等缺点，克服快速凝固工艺存在的产品尺寸小、生产工艺无法产业化等问题，本发明研究表明，利用电磁振荡、电磁搅拌等方法，可以振碎并细化难混溶合金凝固过程中所产生的第二相液滴；而利用磁场的制动效应，可以抑制第二相液滴的上浮、下沉、偏聚和凝并，本发明充分利用电磁振荡、电磁制动等原理，实现了难混溶合金材料的连续化制备。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种均质难混溶合金材料的连续化制备方法，包括如下步骤：

步骤1、设备准备：

采用组合式的坩埚作为装载难混溶合金材料熔体，组合式的坩埚由上部石墨坩埚和下部石墨坩埚连接组装而成，在上部石墨坩埚下方设置下部石墨坩埚；

将待熔铸的金属原料放入上部石墨坩埚中，在上部石墨坩埚外部设有上部感应线圈，在感应加热线圈中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚中的金属原料，形成金属熔体；

将下部石墨坩埚作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚外部设有结晶器水冷装置，用于冷却合金熔体；在结晶器水冷装置外侧从上到下依次设有脉冲线圈和强磁场线圈；在下部石墨坩埚的下方设置引锭杆，并在引锭杆两侧设置二冷水喷口；在感应加热线圈中通入交流电的同时，开启结晶器水冷装置与二冷水；