[发明专利]一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法和装置

说明书

本发明关于一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法和装置，主要采用的技术方案为：一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法，其包括如下步骤：在真空或保护气体的气氛下，使合金母料在定向保温炉中进行定向运动，以使合金母料依次通过定向保温炉内的熔化段、定向凝固段、保温段，得到具有近平衡态凝固组织的合金；其中，合金母料在熔化段中，熔化成液态合金；液态合金进入定向凝固段中进行定向凝固，形成由固液两相构成的柱状枝晶组织；呈固液共存状态的合金进入保温段，在保温过程中，完成凝固，得到具有近平衡态凝固组织的合金。本发明用于减少甚至完全消除合金凝固的有害共晶组织，以获得近平衡态凝固组织，从而改善合金材料的均质性。

技术领域

本发明涉及一种黑色金属以及有色金属制备领域，特别是涉及一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法和装置。

背景技术

轴承钢中的凝固共晶组织的控制是一个技术难题。由于合金凝固通常都偏离平衡态，严重的枝晶偏析将导致共晶组织的形成，共晶组织中的碳化物集中分布且尺寸粗大，即使经锻造和热处理后也会在材料中遗传，最终导致轴承钢组织和性能的非均质性，严重损伤了轴承的服役性能。因此，调控合金中的凝固共晶组织的含量，获得近平衡态的凝固组织，制备更加均质的轴承材料迫在眉睫。

为了降低合金凝固的共晶组织含量，传统的技术方法是调节凝固的冷却速度，具体地，通过快速凝固改变溶质分配系数，或通过极慢的冷却速度提高固相反扩散能力。然而，这些方法不但难以在工业生产中实现，而且实际的调控能力很有限。目前，工业界仍迫切需要更有效的调控技术以制备出具有近平衡态凝固组织的合金。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法和装置，主要目的在于减少甚至完全消除合金凝固的共晶组织，以获得近平衡态凝固组织，从而改善合金材料的均质性。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种具有近平衡态凝固组织的合金的制备方法，其包括如下步骤：

在真空或保护气体的气氛下，使合金母料在定向保温炉中进行定向运动，以使合金母料依次通过定向保温炉内的熔化段、定向凝固段、保温段，得到具有近平衡态凝固组织的合金；

其中，所述合金母料在所述熔化段中，熔化成液态合金；液态合金进入所述定向凝固段中进行定向凝固，形成的定向凝固组织为由固液两相构成的柱状枝晶组织；呈固液共存状态的合金进入保温段，在凝固过程中进行保温，实现完全凝固，得到具有近平衡态凝固组织的合金。

在此需要说明的是：术语“平衡态凝固组织”，理论上指的是：合金任何位置的成分完全一致，成分均匀，不存在因偏析而形成的非平衡的共晶相或第二相等。在此，本发明的术语“近平衡态凝固组织”是接近理论上的“平衡态凝固组织”， 减少甚至完全消除合金凝固的非平衡共晶组织，提高合金材料的均质性。

优选的，所述熔化段的温度比合金液相线温度高10-100℃。

优选的，所述柱状枝晶臂内是由固液两相构成的基质，所述定向凝固组织内存在多尺度的偏析分布（其中，偏析程度较轻微）。

优选的，所述定向凝固段的进口端温度与所述熔化段的温度一致，所述定向凝固段的出口端温度与所述保温段的温度一致；其中，在沿着所述定向运动的方向上，所述定向凝固段的内部温度由所述定向凝固段的进口端温度过渡至所述定向凝固段的出口端温度。

优选的，所述保温段的温度为合金母料的固相线温度±100℃。

优选的，所述呈固液共存状态的合金进入保温段，保温完成凝固的时间根据所述呈固液共存状态的合金中的多尺度偏析程度、反扩散速率以及目标共晶组织含量进行设置。（在此需要说明的是：多尺度偏析程度取决于定向凝固段的实施参数；反扩散速率取决于合金体系和保温温度；共晶含量是调控的目标；保温时间根据上述因素调整设定；反扩散速率指的是溶质从枝晶臂边界向枝晶臂中心的扩散速率）。