專利名稱：磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法及專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于塊狀金屬納米材料生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法及專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
納米是一個長度單位，納米科學(xué)與技術(shù)是研究由尺寸0.1～100nm之間的物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。目前，納米材料可大致分為零維的納米粉末、一維的納米纖維、二維的納米膜、三維的納米塊體、納米復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)等六類。其中，金屬納米晶體材料由于它的晶粒細小，通常小于100nm，界面密度高，因而具有小尺寸量子效應(yīng)和晶界效應(yīng)，表現(xiàn)出了一系列與普通多晶體和非晶態(tài)固體有本質(zhì)差別的力學(xué)、磁、光、電、聲等性能，為提高材料的綜合力學(xué)性能開辟了新路，具有良好的應(yīng)用前景。因而，高質(zhì)量的三維大尺寸塊狀金屬納米晶體的制備技術(shù)已經(jīng)成為納米材料研究的關(guān)鍵之一。
在現(xiàn)有技術(shù)中，塊狀金屬納米材料的制備技術(shù)主要有惰性氣體凝聚原位加壓成形法、機械合金研磨結(jié)合加壓成塊法、非晶晶化法、高壓、高溫固相淬火法、以及直接制備塊狀納米晶的深過冷直接晶化法和脈沖電流直接晶化法。
惰性氣體凝聚原位加壓成形法的制備過程是在高真空反應(yīng)室中惰性氣體的保護下使金屬受熱升華并在液氮冷鏡壁上聚集、凝結(jié)為納米尺寸的超微粒子，再用刮板將收集器上的納米微粒刮落進入漏斗并導(dǎo)入模具，在10-6Pa高真空下，加壓系統(tǒng)以1～5GPa的壓力使納米粉原位加壓(燒結(jié))成塊。采用該法已成功地制得Pd、Cu、Fe、Ag、Mg、Sb、Ni3Al、NiAl、TiAl、Fe5Si95等合金的塊狀納米材料。該方法雖適用范圍較寬，微粉表面潔凈，有助于納米材料的理論研究，但工藝設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)量極低，很難滿足性能研究及應(yīng)用的要求，特別是用這種方法制備的納米晶體樣品存在大量的微孔隙，致密樣品密度僅能達金屬體積密度的75％～97％，而這種微孔隙對納米材料的結(jié)構(gòu)性能研究及某些性能的提高十分不利。
機械合金研磨結(jié)合加壓成塊法是美國INCO公司于60年代末研發(fā)出來的技術(shù)。它是在Ar2氣保護下，通過機械研磨過程中高速運行的硬質(zhì)鋼球與研磨體之間相互碰撞，對粉末粒子反復(fù)進行熔結(jié)、斷裂、再熔結(jié)的過程中使晶粒不斷細化，達到納米尺寸，然后，納米粉再采用熱擠壓、熱等靜壓等技術(shù)加壓制得塊狀納米材料。研究表明，非晶、準(zhǔn)晶、納米晶、超導(dǎo)材料、稀土永磁合金、超塑性合金、金屬間化合物、輕金屬高比強合金均可通過這一方法合成。該方法的優(yōu)點是合金基體成分不受限制、成本低、產(chǎn)量大、工藝簡單，特別是在難熔金屬的合金化、非平衡相的生成及開發(fā)特殊用途合金等方面顯示出較強的活力。存在的問題是研磨過程中易產(chǎn)生雜質(zhì)、污染、氧化及應(yīng)力，很難得到潔凈的納米晶體界面，對一些基礎(chǔ)性的研究工作不利，此外，尚需進一步克服機械合金化過程中所帶來的應(yīng)力的影響。
非晶晶化法是通過控制非晶態(tài)固體的晶化動力學(xué)過程使晶化的產(chǎn)物為納米尺寸的晶粒。它通常由非晶態(tài)固體的獲得和晶化兩個過程組成。非晶態(tài)固體可通過熔體激冷、高速直流濺射、等離子流霧化、固態(tài)反應(yīng)法等技術(shù)制備，最常用的是單輥或雙輥旋淬法。由于以上方法只能獲得非晶粉末、絲及條帶等低維材料，因而還需采用熱模壓實、熱擠壓或高溫高壓燒結(jié)等方法合成塊狀樣品。晶化通常采用等溫退火方法，近年來還發(fā)展了分級退火、脈沖退火、激波誘導(dǎo)等方法。目前，利用該方法已制備出Ni、Fe、Co、Pd基等多種合金系列的納米晶體，也可制備出金屬間化合物和單質(zhì)半導(dǎo)體納米晶體，該方法在納米軟磁材料的制備方面應(yīng)用最為廣泛。該方法的特點是成本低、產(chǎn)量大、界面清潔致密，樣品中無微孔隙，晶粒度變化易控制，并有助于研究納米晶的形成機理及用來檢驗經(jīng)典的形核長大理論在快速凝固條件下應(yīng)用的可能性。其局限性是依賴于非晶態(tài)固體的獲得，而且，只適用于非晶形成能力較強的合金系，其應(yīng)用范圍受到一定的限制。
高壓、高溫固相淬火法是將真空電弧爐熔煉的樣品置入高壓腔體內(nèi)，加壓至數(shù)GPa后升溫，通過高壓抑制原子的長程擴散及晶體的生長速率，從而實現(xiàn)晶粒的納米化，然后，再從高溫下固相淬火，以保留高溫、高壓組織。該法的特點是工藝簡便、界面清潔，能直接制備大塊致密的納米晶。其局限性在于需很高的壓力，大塊尺寸獲得困難，另外，在其它合金系中也尚無應(yīng)用研究的報道。
深過冷直接晶化法，眾所周知，快速凝固對晶粒細化有顯著的效果，因此，急冷和深過冷是實現(xiàn)熔體快速凝固的行之有效的兩條途徑。急冷快速凝固技術(shù)由于受傳熱過程限制只能生產(chǎn)出諸如薄帶、細絲或粉體等低維材料，因而在應(yīng)用上受到較大的限制。深過冷快速凝固技術(shù)，通過避免或清除異質(zhì)晶核而實現(xiàn)大的熱力學(xué)過冷度下的快速凝固，其熔體生長不受外界散熱條件控制，其晶粒細化由熔體本身特殊的物理機制所支配，是實現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快速凝固制備微晶、非晶和準(zhǔn)晶材料的一條有效途徑。但該方法目前在理論上還處于研究階段，生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備也尚不成熟。
脈沖電流直接晶化法始于二十世紀(jì)八十年代，印度學(xué)者A.K.Mistra首先在Pb68Sb15Sn7共晶及Pb87Sb10Sn3亞共晶合金中通以40mA/cm2的直流電，發(fā)現(xiàn)凝固后組織明顯細化，M.Nakada等人在Sn85Pb15合金凝固過程中通脈沖電流后，也發(fā)現(xiàn)凝固組織細化且發(fā)生枝晶向球狀晶轉(zhuǎn)變，J.P.Barnak等研究了高密度脈沖電流對Sn60Pb40和Sn63Pb37合金凝固組織的影響。結(jié)果證實，脈沖電流可增加過冷度，并可使共晶的晶粒度降低一個數(shù)量級，且晶粒度隨脈沖電流密度增加而降低。國內(nèi)科研人員不僅在實驗上研究了脈沖電流對合金凝固組織的影響，而且在理論上用經(jīng)典熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)電動力學(xué)對脈沖電流作用熔體的結(jié)晶成核理論和結(jié)晶晶粒尺寸的計算作了深入研究，指出脈沖電流密度達到0.1GA/m2時，在理論上可獲得大塊納米晶。由于理論上要求的一些金屬納米化的臨界脈沖電流密度在工程上能夠達到且與實驗值基本符合，加之脈沖電流的快速弛豫特點可限制納米晶粒的長大，因此，隨著脈沖電流對金屬凝固影響機制的進一步研究及實驗裝置的進一步完善，超短時脈沖電流處理在某些合金上有可能使熔體直接冷凝成大塊納米晶材料，并成為直接晶化法制備納米晶材料的潛在技術(shù)之一。但該方法僅運用單一的外場作用于金屬熔體，在實現(xiàn)晶粒的超細化過程中對金屬熔體的作用強度還不夠大，且該方法目前還處于理論研究階段，在技術(shù)上受實驗設(shè)備的制約而沒有得到較大的進展。
縱觀納米材料的研究發(fā)展，不難看出，納米材料的推廣應(yīng)用關(guān)鍵在于塊狀納米材料的制備，而塊狀金屬納米材料制備技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)則是發(fā)展工藝簡單，產(chǎn)量大適用范圍寬，能獲得樣品界面清潔，無微孔隙的大尺寸納米材料制備技術(shù)，其發(fā)展趨勢則是直接晶化法納米晶制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的工藝設(shè)備復(fù)雜、成本高、大尺寸納米材料獲得困難等問題，提供一種生產(chǎn)工藝及設(shè)備簡單、成本低、能夠直接制備高品質(zhì)、大尺寸塊狀納米晶鑄錠的磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法及專用設(shè)備。
本發(fā)明磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法是按照下述步驟實現(xiàn)的1、按照金屬納米晶鑄錠的成份要求進行配料，將配好的原材料放入熔化用坩堝中，使之熔化，并過熱10～80℃；2、對金屬熔體進行除氣處理，除氣時間為1～10分鐘；
3、將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的坩堝中，坩堝的預(yù)熱溫度為300～400℃；4、將澆入的金屬熔體用加熱器加熱至液相線以上10～100℃；5、在此溫度下恒溫，并對金屬熔體施加電磁攪拌，勵磁電壓為170～200V，傳導(dǎo)電流密度為106～108A/m2，磁通密度為1～10T；6、與此同時，對金屬熔體施加超聲波振動，超聲波功率為100～1000W，超聲頻率為10～100kHz，對金屬熔體共同施加磁場與超聲波的時間為4～30分鐘；7、在對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動2～10分鐘時，開始對坩堝底部進行冷卻，使金屬熔體從底部開始凝固，并在金屬熔體表面凝固前撤出超聲波換能器，停止電磁攪拌，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠。
上述所說的除氣處理是在金屬熔體中加入除氣精煉劑或吹入氬氣或氮氣。
一種實施上述磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法的專用設(shè)備，它有一個保溫爐，在保溫爐內(nèi)有一個坩堝，其特殊之處是，在保溫爐的外側(cè)裝有磁場發(fā)生器，在坩堝的上面有一個超聲波換能器，在坩堝的底部有一個冷卻器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、首先就是外場的復(fù)合，因為任何單一的外場都很難把晶粒細化到納米級別，本發(fā)明就是通過外場的復(fù)合直接制備納米晶鑄錠，而且，本發(fā)明采用外場中強度最高的前兩類，即電磁場與超聲波場相結(jié)合，強強結(jié)合，共同作用于金屬熔體，從而實現(xiàn)了晶粒的超級細化，即納米化。
2、其次，就是直接制備出大尺寸的鑄錠，目前，納米材料大多是指納米粉體材料，制備塊狀納米材料，受制備技術(shù)的限定，十分困難，本發(fā)明利用磁場和高能超聲產(chǎn)生的復(fù)合外場聯(lián)合作用于金屬熔體，直接制備出了大尺寸的鑄錠，在直接制備三維納米晶技術(shù)上開辟出了一條新路。
3、電磁攪拌與超聲波相結(jié)合，對金屬熔體產(chǎn)生強烈的攪拌效果，而且，電磁場還具有消除宏觀偏析的作用，超聲波還具有除氣效果，從而獲得了清潔、無孔隙、大尺寸的納米晶鑄錠。
4、本發(fā)明的制備方法與生產(chǎn)設(shè)備簡單、投入少，實現(xiàn)了高品質(zhì)、低成本、多品種的生產(chǎn)納米晶材料，是一種多學(xué)科綜合與交叉的納米材料制備技術(shù)，也是納米晶制備技術(shù)的發(fā)展方向之一。
5、本發(fā)明對研究外場的細化作用機制，研究復(fù)合場下熔體的變化規(guī)律，理解納米晶材料形成機理以及發(fā)展和完善納米材料的制備技術(shù)，都有重要的科學(xué)意義。


圖1是本發(fā)明專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
實施例1本發(fā)明磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的具體步驟是1、按照金屬納米晶鑄錠的成份要求進行配料，以低熔點合金Al-1.0％Cu為例，將配好的原材料放入熔化用坩堝中，使之熔化，并過熱10℃；2、對金屬熔體進行除氣處理，在金屬熔體中加入除氣精煉劑，除氣精煉劑的加入量為金屬熔體重量的0.8％，除氣時間為1分鐘；3、將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的坩堝中，坩堝的預(yù)熱溫度為300℃；4、將澆入的金屬熔體用加熱器加熱至液相線以上100℃；5、在此溫度下恒溫，并對金屬熔體施加電磁攪拌，勵磁電壓為170V，傳導(dǎo)電流密度為106A/m2，磁通密度為1T；6、與此同時，對金屬熔體施加超聲波振動，超聲波功率為1000W，超聲頻率為10kHz，對金屬熔體共同施加磁場與超聲波的時間為4分鐘；7、在對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動2分鐘時，開始對坩堝底部進行冷卻，在冷卻器中通入冷卻水，使金屬熔體從底部開始凝固，并在金屬熔體表面凝固前撤出超聲波換能器，停止電磁攪拌，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠。
實施例21、按照金屬納米晶鑄錠的成份要求進行配料，以低熔點合金Pb-Sn為例，將配好的原材料放入熔化用坩堝中，使之熔化，并過熱50℃；2、對金屬熔體進行除氣處理，在金屬熔體中吹入氮氣，除氣時間為8分鐘；3、將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的石墨坩堝中，坩堝的預(yù)熱溫度為350℃；4、將澆入的金屬熔體用加熱器加熱至液相線以上70℃；5、在此溫度下恒溫，并對金屬熔體施加電磁攪拌，勵磁電壓為200V，傳導(dǎo)電流密度為108A/m2，磁通密度為10T；6、與此同時，對金屬熔體施加超聲波振動，超聲波功率為500W，超聲頻率為100kHz，對金屬熔體共同施加磁場與超聲波的時間為20分鐘；7、在對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動5分鐘時，開始對坩堝底部進行冷卻，在坩堝底部的冷卻器中通入冷卻水，使金屬熔體從底部開始凝固，并在金屬熔體表面凝固前撤出超聲波換能器，停止電磁攪拌，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠。
實施例31、按照金屬納米晶鑄錠的成份要求進行配料，以低碳鋼Fe-0.1％C為例，將配好的原材料放入熔化用坩堝中，使之熔化，并過熱80℃；2、對金屬熔體進行除氣處理，在金屬熔體中吹入氬氣，除氣時間為10分鐘；3、將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的石墨坩堝中，坩堝的預(yù)熱溫度為400℃；4、將澆入的金屬熔體用加熱器加熱至液相線以上10℃；5、在此溫度下恒溫，并對金屬熔體施加電磁攪拌，勵磁電壓為180V，傳導(dǎo)電流密度為107A/m2，磁通密度為8T；6、與此同時，對金屬熔體施加超聲波振動，超聲波功率為100W，超聲頻率為60kHz，對金屬熔體共同施加磁場與超聲波的時間為30分鐘；7、在對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動10分鐘時，開始對坩堝底部進行冷卻，在坩堝底部的冷卻器中通入冷卻水，使金屬熔體從底部開始凝固，并在金屬熔體表面凝固前撤出超聲波換能器，停止電磁攪拌，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠。
下面對實施上述磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法的專用設(shè)備進行詳細說明如圖1所示，它有一個保溫爐5，保溫爐5由三氧化二鋁爐膽和電阻加熱體構(gòu)成，電阻加熱體包裹在爐膽內(nèi)；在保溫爐5內(nèi)有一個坩堝4，坩堝4采用石墨制作，也可以用其他材料制作；在保溫爐5的外側(cè)裝有磁場發(fā)生器6，磁場發(fā)生器6為螺旋形線圈；在坩堝4的上面有一個超聲波換能器1，所述的超聲波換能器1為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，它主要由外殼、線圈、換能裝置等構(gòu)成，在外殼上有進、出水接頭，以便于對換能裝置進行冷卻；在換能裝置的下部裝有變幅桿2，在變幅桿2的下部裝有超聲波振動桿3，超聲波振動桿3的上部為鋼質(zhì)圓棒，下部為陶瓷棒；所述的超聲波換能器1通過滑動支架10安裝在立柱9上，滑動支架10可沿著在立柱9上下移動，從而帶動超聲波換能器1上下運動，立柱9固定在工作臺8上；在坩堝4的底部有一個冷卻器7，冷卻器7放置在工作臺8上，所述的冷卻器7由冷卻板和水箱構(gòu)成，在水箱上有進、出水接頭，冷卻板和水箱焊接在一起，構(gòu)成冷卻水套，冷卻板用銅制作，并位于水箱的上面，以提高對坩堝4的冷卻效果。
權(quán)利要求
1.一種磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法，其特征在于，它是按照下述步驟實現(xiàn)的(1)、按照金屬納米晶鑄錠的成份要求進行配料，將配好的原材料放入熔化用坩堝中，使之熔化，并過熱10～80℃；(2)、對金屬熔體進行除氣處理，除氣時間為1～10分鐘；(3)、將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的坩堝中，坩堝的預(yù)熱溫度為300～400℃；(4)、將澆入的金屬熔體用加熱器加熱至液相線以上10～100℃；(5)、在此溫度下恒溫，并對金屬熔體施加電磁攪拌，勵磁電壓為170～200V，傳導(dǎo)電流密度為106～108A/m2，磁通密度為1～10T；(6)、與此同時，對金屬熔體施加超聲波振動，超聲波功率為100～1000W，超聲頻率為10～100kHz，對金屬熔體共同施加磁場與超聲波的時間為4～30分鐘；(7)、在對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動2～10分鐘時，開始對坩堝底部進行冷卻，使金屬熔體從底部開始凝固，并在金屬熔體表面凝固前撤出超聲波換能器，停止電磁攪拌，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法，其特征在于，上述所說的除氣處理是在金屬熔體中加入除氣精煉劑或吹入氬氣或氮氣。
3.一種實施上述磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法的專用設(shè)備，它有一個保溫爐，在保溫爐內(nèi)有一個坩堝，其特征在于，在保溫爐的外側(cè)裝有磁場發(fā)生器，在坩堝的上面有一個超聲波換能器，在坩堝的底部有一個冷卻器。
全文摘要
一種磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法及專用設(shè)備，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的工藝設(shè)備復(fù)雜、成本高、大尺寸納米材料獲得困難等問題；本發(fā)明的方法是按照下述步驟實現(xiàn)的將配好的原材料熔化并過熱，對金屬熔體進行除氣處理，將除氣后的金屬熔體快速澆入預(yù)熱的坩堝中，將金屬熔體加熱至液相線以上，對金屬熔體施加電磁攪拌和超聲波振動，然后對坩堝進行冷卻，使之完全凝固，即可得到塊狀納米晶鑄錠；實施上述磁場與超聲波聯(lián)合處理金屬熔體制備納米晶鑄錠的方法的專用設(shè)備，它有一個保溫爐，在保溫爐內(nèi)有一個坩堝，其特殊之處是，在保溫爐的外側(cè)裝有磁場發(fā)生器，在坩堝的上面有一個超聲波換能器，在坩堝的底部有一個冷卻器。
文檔編號C22F3/00GK1702188SQ200510046589
公開日2005年11月30日 申請日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者李軍文 申請人:遼寧工學(xué)院