專利名稱：制造用于生產(chǎn)合金的添加劑和中間合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金生產(chǎn)領(lǐng)域，更具體地涉及生產(chǎn)改變各種合金工作性質(zhì)用的添加劑的方法，其中包括中間合金的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
添加劑和中間合金通常是由含有一種或多種制備合金的組分的工作合金的主要成分組成的，在數(shù)目上比在工作合金中的組分要多。它們應(yīng)該滿足下述的要求具有與基體金屬的熔化溫度接近的熔化溫度，保持在化學(xué)成分方面的均勻性，能夠包含盡可能多的制備中間合金的元素，具有足夠的方便粉碎的脆性，中間合金適合于加入到合金中使用，這些添加劑是一為了溶解而需要使熔體明顯過熱的難溶的添加劑；一在純凈的狀態(tài)下在熔體的溫度下處在氣態(tài)的易揮發(fā)的成分；一在空氣中為游離態(tài)能與氧氣和氮氣互相反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)活潑的添加劑；一昂貴的添加劑，如果在純的狀態(tài)一般不能得到它們，而由于中間合金的生產(chǎn)方法已經(jīng)被掌握，這時就可以用相當(dāng)便宜的中間合金取代它們；一在純的狀態(tài)下幾乎不能可靠的微量(0. 02-0. 01% )加入的添加劑；一某些制造合金的元素，這些元素的密度比基體金屬的密度高或低，在前一種情況下，該元素將沉入到池的液體的底部，而在后一種情況下將漂浮在熔體的表面，在所有的情況下都很難監(jiān)視到這些添加劑熔解情況。中間合金在爐料成分中的質(zhì)量從30-70 %的范圍內(nèi)變化，其實際值取決于合金組成的復(fù)雜性。合金的化學(xué)成分，缺陷的存在和機(jī)械性能在很大程度上與所使用的中間合金的性能有關(guān)。中間合金質(zhì)量的基本判斷標(biāo)準(zhǔn)是在中間合金的整個體積內(nèi)化學(xué)成分互相一致， 沒有氧化物和其它非金屬夾雜，中間合金的各組分分布均勻?，F(xiàn)有生產(chǎn)添加劑的方法是應(yīng)用各種物理學(xué)原理來實現(xiàn)的，這些原理可以保證解決兩個基本的問題。使用添加劑的第一方案在于進(jìn)行改進(jìn)(第一和第二類)基體熔體，以便達(dá)到實現(xiàn)重要的變細(xì)結(jié)構(gòu)。在這方面在配制添加劑-改良劑(中間合金)的過程中，應(yīng)根據(jù)不同的改良劑本身的類型而提供下述的不同的制備方法一使用表面活性物質(zhì)，不改變母液的化學(xué)成分，阻斷在中間合金中粗大晶粒的生長，這些物質(zhì)是以吸附劑的狀態(tài)存在。一利用難熔物質(zhì)，保證這些物質(zhì)在中間合金的體積內(nèi)均勻分布，這樣就可以很好地使中間合金的結(jié)構(gòu)變細(xì)。在這個方案中，還必需依靠例如生成不同的氧化物的超分散粒子的相對穩(wěn)定的鍵，使金屬間化合物變細(xì)。在重復(fù)熔化第一類合金時，在根據(jù)熱力學(xué)定律改良工作熔體的過程中，在過熱不太大的條件下，可以引起晶粒間鍵的破壞，釋放出改良劑-吸附劑，然后改良劑-吸附劑從晶粒表面離開，引起晶粒破裂，這個溫度過熱的值非常小O0-40°C )，過熱太大時，甚至短時間也會造成不能使用中間合金超分散晶粒作為底層。實際上，該類型的中間合金的使用者在大多數(shù)情況下，把該類型的中間合金作為改性劑與原始的制備中間合金的元素聯(lián)系起來，在最優(yōu)選的情況下是把該類型的中間合金作為改性劑與均勻分布在中間合金的母體外圍的中間合金的原始元素相連系。第二種類型中間合金的重新熔化，該類型的中間合金通常是作為基體金屬的機(jī)械混合物的粒子和被高分散過的難熔氧化物、碳化物、氮化物的粒子，這些粒子是形成中間合金晶粒的中心。只有在產(chǎn)生引起晶粒分裂的大的過熱(大于50-70°C )之后才需要通過上述的重新熔化中間合金的方法完成改性的任務(wù)。只有在這些條件下，才能通過制備中間合金的元素最有效地實現(xiàn)改進(jìn)。這些中間合金應(yīng)該具有按體積均勻分布的制中間合金的元
ο使用添加劑的第二方案在于通常利用任何合金的化學(xué)組分幫助添加劑達(dá)到期望的效果。在這種情況下，添加劑應(yīng)該具有能以最大溶解度溶解在主要母體中的第二組分，包括已過飽和溶液的情況在內(nèi)。在制備這些添加劑的過程中，制備者力爭改變添加劑的整個結(jié)構(gòu)的非晶粒的部分。在這種添加劑的情況下，整體包括例如15%的鋁基體中的鎂，可是在晶粒本身內(nèi)部鎂的含量卻不會超過7%，在重新熔化這種類型的添加劑時，這種類型的添加劑最優(yōu)選是以最大的相對體積滲入到溶液中的共晶物，這時引起了保證把第二組分注入到開始工作的熔體中的原始問題，人們曾嘗試通過使共晶物完全溶解和隨著第二過程的進(jìn)行，校正在添加劑和工作熔體晶粒之間的第二組分的濃度來保證這個問題的解決。由于未解決的濃度問題而使應(yīng)用這些添加劑的最終的結(jié)局是制備出僅具有可能的部分工作性能的任何已知化學(xué)成分的合金。目前，為了制備添加劑而采用制備鋁合金用的中間合金的方法，該方法的基礎(chǔ)是: 通過生成的氧化物超分散的粒子穩(wěn)定的鍵使在中間合金中的金屬互化物中的金屬互化物粒子變細(xì)，從而提高在制備熔體過程中這些金屬互化物粒子的穩(wěn)定性。(見SU No 1650746， C22 C1/03，
公開日
23,05. 1991)上述方法實施起來相當(dāng)簡單，采用該方法可以改善鑄錠的結(jié)果，但是在制備合金的過程中，由于添加劑實際上不能溶解在它的母體中，而實際上，在最好的情況下也只能重復(fù)添加劑的結(jié)構(gòu)，并不能使合金具有可能的工作性能。用電磁場使用中間合金熔體制備中間合金的方法是公知的(見RU No. 2210611, C22C1/0
公開日20. 08. 2003)，該方法包括熔化基體合金和工作配料，混合、過濾和在以不同的速度體積冷卻熔體的條件下使其結(jié)晶，從而使金屬互化物粒子變細(xì)，這時為了提高添加劑的均勻性而通過減少最初的金屬互化物的份額在施加外部恒定的電磁場中進(jìn)行結(jié)晶。然而，這樣的作用只是改變了添加劑的結(jié)構(gòu)，并沒有在性質(zhì)上改變固溶體，這種情況的原因是由于在上述情況下，在使任何組分溶解(擴(kuò)散)在母體中的預(yù)定計劃中，起作用的機(jī)制是物質(zhì)組分的濃度下降(菲克定律)，也就是說在這里沒有加快擴(kuò)散過程的機(jī)制。制備用于生產(chǎn)合金的制合金的添加劑的方法是公知的，該方法包括熔化基體金屬和已溶解的配料，然后在體積冷卻熔體的條件下，使熔體結(jié)晶，以便金屬互化物粒子變細(xì)，其特征在于為了制備一類制合金的添加劑而使熔體的取代-填隙的固溶體在離心機(jī)的力場中，在t = m3/akg的時間間隔中以在從20到240范圍內(nèi)的重力系數(shù)的條件下進(jìn)行結(jié)晶，其中a是根據(jù)配料的結(jié)晶熱力學(xué)特性和熱過程進(jìn)行速度對每個金屬-配料分別確定的數(shù)值形式的系數(shù)，Kg是重力系數(shù)，m3是在中間合金添加劑中溶解的配料的比質(zhì)量。然而，進(jìn)一步研究表明，由上述專利申請的權(quán)利要求書所提供的特性，不能獲得其聲稱的效果。對于進(jìn)行加快擴(kuò)散過程和在溫度高于液相線的溫度的條件下的在結(jié)晶過程中晶粒度的成長而言，在進(jìn)入錠模之前的熔體的工藝上所必需的過熱，會導(dǎo)致過程的中斷和使過程轉(zhuǎn)換到退出一般的離心鑄造的過程。弓I起組分溶解不足，破壞了預(yù)期的結(jié)晶塊結(jié)構(gòu)。另外，忽視用離心機(jī)的力場繼續(xù)加工結(jié)晶塊直到使冷凝的結(jié)晶塊達(dá)到在一般條件下完成所有過程所需要的溫度，最終報廢了加工結(jié)果，因為在過早地撤銷力場之后就開始一般的過程。在表1和2中所列的數(shù)據(jù)具有非系統(tǒng)的特性，脫離了過程在液相線以上進(jìn)行的事實。所建議的計算用于所需要的時間的公式(t = m3/akg，其中a是系數(shù)，Kg是重力系數(shù)，m3是在添加劑中溶解的配料的比質(zhì)量(相對質(zhì)量))由于重力對熔體的質(zhì)量的作用是無關(guān)重要的，所以在理論上是無根據(jù)的，又由于t與熔體的化學(xué)組分、冷凝速度高于液相線的溫度系數(shù)和重力系數(shù)的數(shù)值的實際關(guān)系被系數(shù)“a”不合理的替代了，所以實際上是不合乎邏輯的。在上述的理論的前提方面，將公式O)的右邊乘以“M0”的原子量的變換是不可靠的，這是由于在離心機(jī)的力場中的過程與被處理的物質(zhì)的質(zhì)量的關(guān)系無關(guān)重要。對于所有的處理階段用一個重力系數(shù)的斷言對個別的一些材料組是可以接受的， 而對大多數(shù)合金而言，根據(jù)被處理的合金的溫度系數(shù)和相的狀態(tài)改變重力系數(shù)Kg的值是有優(yōu)選值的。這個關(guān)系在從過熱的初始溫度到液相線的溫度的被處理的熔體的溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)的特別明顯。本發(fā)明是在該現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上考慮到其存在的缺點而進(jìn)行的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是通過將在熔體中加快擴(kuò)散過程的新的物理現(xiàn)象應(yīng)用到外力場中的形成晶體結(jié)構(gòu)的階段，而使添加劑的結(jié)晶條件得到改善來實現(xiàn)的。本發(fā)明所取得的技術(shù)效果是使制備的添加劑對過熱更穩(wěn)定，該添加劑保證了在基體合金的熔體中的添加劑本身的母體和工作配料的理想的溶解度，從而使該合金的工作性能大幅度提高 25-30%。上述的技術(shù)效果是通過制備用于生產(chǎn)各種合金的添加劑，特別是中間合金的方法達(dá)到的，該方法包括熔化熔體，產(chǎn)生在工藝上所必需的達(dá)到基體金屬和工作配料的液相線以上的過熱，攪拌熔體，對它進(jìn)行過濾，和為了得到取代-填隙固溶體型的鑄錠而使過熱的熔體在離心機(jī)的力場中在從20到500的范圍內(nèi)的不同的重力系數(shù)(Kg)條件下結(jié)晶，這時，在將該過熱的熔體注入到結(jié)晶器的砌有內(nèi)襯的錠模中時的熔體過熱到液相線上的數(shù)值，以及以從0. 5到10度/秒范圍內(nèi)的速度使過熱的熔體體積均勻冷卻下來所用的該錠模的熱力學(xué)特性數(shù)據(jù)一起保證該熔體在液相存在的時間能足以保證下述的兩個主導(dǎo)過程的完成1)用在從20到500的范圍內(nèi)的不同重力系數(shù)(Kg)的離心機(jī)的力場處理熔體，這時，在給定的不同的重力系數(shù)(Kg)下處理的時間取決于熔體的化學(xué)組分、溫度系數(shù)、和在帶有內(nèi)襯的錠模中的熔體的均勻體積冷卻的速度。該處理時間通過試驗的方法確定，并且與被處理的熔體的質(zhì)量無關(guān)。對于大多數(shù)中間合金，這個時間不超過3分鐘。2)在從20到500范圍內(nèi)的不同的重力系數(shù)下，在離心機(jī)力場中的結(jié)晶過程使在結(jié)晶器中的錠模中變冷的熔體達(dá)到在一般條件下的結(jié)晶過程的初始溫度。從錠模處理到中間部分結(jié)晶鋒面的移動速度由選定的結(jié)晶規(guī)范確定。在恒定的Kg值條件下，在結(jié)晶的鋒面通過鑄錠的半徑范圍所需要的時間內(nèi)，鋒前隨著變冷的熔體的溫度的下降速度而移動。把用離心機(jī)的力場處理鑄錠的過程持續(xù)到使變冷的鑄錠達(dá)到在一般條件下完成所有結(jié)晶過程的溫度。


為了更清楚地理解本發(fā)明，下面結(jié)合

實施本發(fā)明的實施例。圖1是無外部力場作用時的熔體的任何原子周圍的位能曲線圖；圖2是擴(kuò)散的進(jìn)行圖；圖3是在有外部力場時的熔體的任何原子周圍的位能曲線圖。
具體實施例方式在本申請的范圍內(nèi)研究生產(chǎn)合金用的添加劑和中間合金的方法，該方法包括熔化基體金屬和被溶解的配料，以及在熔體的體積冷卻下使該熔體結(jié)晶。這時為得到制合金的取代-填隙固溶體型的添加劑，而使該熔體在離心機(jī)的力場中結(jié)晶。具有給定的化學(xué)組成的弱過熱的熔體的結(jié)晶在離心機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)襯(預(yù)過熱的)錠模中的力場里進(jìn)行，該力場具有與該熔體相適合的從20至500的范圍內(nèi)的重力系數(shù)，該結(jié)晶過程包括三個階段在其中的第一階段中，在錠模中以0. 5-10° /秒的速度均勻地冷卻注入的熔體的條件下處理溶液，熔體的過熱度在液相線以上的溫度值保證該熔體在液相存在的時間t足以使配料在上述時間t內(nèi)完全溶解在熔體中。上述的時間t = m3/akg，其中a是系數(shù)，kg是重力系數(shù)，m3是在添加劑中溶解的配料的比質(zhì)量；在第二階段中，在選定重力系數(shù)的離心機(jī)的力場中處理冷下來的溶液，以在離心機(jī)的力場中進(jìn)行結(jié)晶，該重力系數(shù)應(yīng)使在結(jié)晶器的錠模中冷卻下來的熔體達(dá)到通常條件下的結(jié)晶過程的起始溫度；在第三階段中，在離心機(jī)的力場中，在已選擇的重力系數(shù)的條件下，處理冷下來的鑄錠，該重力系數(shù)應(yīng)使在結(jié)晶器的錠模中冷卻下來的鑄錠的溫度達(dá)到一般條件下的結(jié)晶過程結(jié)束的溫度。CN 102165084 A說明 書5/10 頁生成無易熔物質(zhì)析出的取代-填隙型的固溶體需要工作的電力消耗，這將引起初始位能的曲線變形，結(jié)果產(chǎn)生了工作配料在基體金屬中的擴(kuò)散加快的情況。外部力場，如離心機(jī)重力場容易控制，與材料類型沒有多大關(guān)系，從而能保證制備任何類型的添加劑，包括使用非金屬材料。位能曲線變形程度與在相應(yīng)過冷的熔體內(nèi)產(chǎn)生的位移曲線的變形程度相同，根據(jù)塔馬恩關(guān)系，在這些熔體的確定的那些值的條件下，可以形成添加劑結(jié)晶結(jié)構(gòu)的任何大小的晶粒。所建議類型的添加劑對過熱穩(wěn)定，確保在基本合金熔體中母體與工作配料的理想溶解度，從而使合金的工作性能明顯提高05-30% )。獲得生產(chǎn)各種合金用的添加劑，包括中間合金的方法包括融化熔體，和使該熔體在工藝上產(chǎn)生超過基體金屬和工作配料的液相線的必要的過熱，攪拌熔體，過濾熔體，在離心機(jī)力場中在從20到500范圍內(nèi)的不同的重力系數(shù)(Kg)下使過熱熔體結(jié)晶，以便按照取代一填隙固溶體型制備鑄錠。在這時，熔體注入結(jié)晶器的帶有內(nèi)襯的錠模時的熔體的過熱度在液相線以上的數(shù)值，以及決定過熱熔體以0. 5至5°C /秒的速度均勻體積冷卻的該錠模的熱力學(xué)特性一起， 保證熔體以液相存在的時間能確保兩個主導(dǎo)過程的完成，這兩個主導(dǎo)過程是1)在從20到500范圍內(nèi)的不同重力系數(shù)Kg的條件下，在離心機(jī)力場中處理熔體， 這時，在給定的重力系數(shù)的條件下處理時間與熔體的化學(xué)成分、溫度系數(shù)、熔體在錠模中的均勻的體積冷卻速度有關(guān)，該處理時間用試驗方法確定，與被處理的熔體的質(zhì)量無關(guān)，對大多數(shù)中間合金來說，這個時間不超過4分鐘。2)在20到500范圍內(nèi)的重力系數(shù)的條件下，離心機(jī)力場中的結(jié)晶過程持續(xù)到結(jié)晶器的錠模中冷卻的熔體達(dá)到一般條件下結(jié)晶開始的溫度。從錠模外壁到中間部分，結(jié)晶鋒面移動的速度取決于選定的結(jié)晶規(guī)范。在Kg值恒定的條件下，在通過結(jié)晶的鑄錠半徑范圍所需的時間內(nèi)，鋒前隨著變冷的熔體的溫度的下降速度而移動。用離心機(jī)力場處理結(jié)晶塊的過程持續(xù)到使變冷的鑄錠達(dá)到在一般條件下完成所有結(jié)晶過程的溫度。本發(fā)明得到了對過熱更穩(wěn)定的添加劑，確保添加劑的母體和工作配料在基體合金熔體中的理想溶解度，從而使主要工作性能提高20-30%。本發(fā)明的方法是基于把在熔體中的擴(kuò)散過程中出現(xiàn)的原理上新的物理現(xiàn)象應(yīng)用在外部力場中形成結(jié)晶鑄錠的階段中。在需要制造取代固溶體型的添加劑時，取代固溶體必須確保所要求的A元素在B 元素中的溶解水平，這相當(dāng)于A擴(kuò)散到B中，即相當(dāng)于A元素的原子跳躍到B元素晶格結(jié)點中。根據(jù)弗雷克格理論，在熔體和固體中，在雜質(zhì)A的任何初始濃度下，單位時間和單位體積內(nèi)從熔體遷移到晶格的原子數(shù)量η等于
權(quán)利要求
1. 一種制造用于生產(chǎn)合金的添加劑和中間合金的方法，該方法包括熔化基體金屬和已溶解的配料，并在體積冷卻的條件下使熔體結(jié)晶；同時為了制造取代-填隙固溶體型的合金添加劑而使熔體在離心機(jī)的力場中結(jié)晶，其特征在于將具有給定的化學(xué)成分的弱過熱的熔體在離心機(jī)轉(zhuǎn)子的砌有內(nèi)襯的(被預(yù)熱過的)結(jié)晶器中的力場中進(jìn)行結(jié)晶，該力場具有與該熔體相適合的重力系數(shù)，該重力系數(shù)在從20到 500的范圍內(nèi)選擇，上述的結(jié)晶過程分三個階段進(jìn)行在第一階段中，在注入到結(jié)晶器中的熔體以0. 5-10° /秒的速度均勻體積冷卻的條件下處理溶液，應(yīng)使該熔體過熱到液相線以上的溫度值，使熔體在液相存在的時間t足以保證在進(jìn)行的時間間隔內(nèi)使配料完全溶解在熔體中；上述的時間t = m3/akg，式中a是系數(shù)，kg是重力系數(shù)，m3是在添加劑中溶解的配料的比質(zhì)量(相對質(zhì)量)；在第二階段中，在選定重力系數(shù)的離心機(jī)的力場中處理冷卻下來的溶液，以在離心機(jī)的力場中進(jìn)行結(jié)晶，使得在結(jié)晶器的錠模中冷卻下來的熔體達(dá)到通常條件下的結(jié)晶過程的起始溫度；在第三階段中，在離心機(jī)的力場中，在已選擇的重力系數(shù)的條件下，處理冷下來的鑄錠，使得在結(jié)晶器的錠模中冷卻下來的鑄錠的溫度達(dá)到一般條件下的結(jié)晶過程結(jié)束的溫度。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，特別是涉及制造用于生產(chǎn)各種合金的添加劑的方法。該方法包括熔化基體金屬和工作配料，在產(chǎn)生工藝上過熱到基體金屬和工作配料的液相線以上的溫度，攪拌熔體，對它進(jìn)行過濾和使過熱的熔體在離心機(jī)的力場中采用范圍在從20到500之間的不同的重力系數(shù)條件下，進(jìn)行結(jié)晶，以便制造取代-填隙固溶體型的鑄錠。用離心機(jī)的力場處理結(jié)晶塊的過程需持續(xù)到能使冷下來的鑄錠的溫度達(dá)到在一般條件下的結(jié)晶過程結(jié)束時的溫度。本發(fā)明的方法能夠利用在不同的外部力場中、在結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成階段中的熔體中的擴(kuò)散過程的加快而改變添加劑的結(jié)晶的條件。
文檔編號C22C1/02GK102165084SQ200980128087
公開日2011年8月24日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者O·V·阿尼西莫夫 申請人:先進(jìn)合金公司