一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无卷气铁‑氮化硼熔体的高效搅拌方法及装置，属于冶金、铸造等材料加工研究领域，本发明专利技术采用内壁布有直叶片的变体积石墨坩埚与高速电磁搅拌相结合方式对铁‑氮化硼熔体进行搅拌；利用变体积石墨坩埚，排空熔体上部的全部气体，进而在与外界气体完全隔绝的条件下，利用高速电磁搅拌，产生周向高速搅拌运动，利用石墨坩埚内壁上的直叶片，阻止氮化硼颗粒的上浮和中央偏聚运动，从而高效率地得到无卷气的氮化硼颗粒均匀分布的铁‑氮化硼熔体，搅拌时间可缩短到2分钟，解决了铁‑氮化硼熔体搅拌中存在的卷气和搅拌效率低技术问题。

High efficiency stirring method and device for iron free boron nitride melt without coil gas

The invention discloses a high efficiency stirring method and device for the non volume iron and iron nitride boron nitride melt, which belongs to the field of material processing in metallurgy, casting and the like. The invention uses a variable volume graphite crucible with a straight blade with a straight blade and a high-speed electromagnetic stirring to stir the iron nitride boron nitride fusion body; the variable volume Shi Mogan is used. The whole gas in the upper part of the melt is emptied, and then the high speed electromagnetic stirring is used to produce high speed stirring motion with high speed electromagnetic stirring under the condition of complete isolation from the outside gas. Using the straight blades on the inner wall of the graphite crucible to prevent the floating of boron nitride particles and the movement of the central segregation, the boron nitride with no volume can be obtained efficiently. The mixing time can be reduced to 2 minutes, which can solve the problem of low gas volume and low stirring efficiency in the agitation of iron nitride boron nitride melt.

【技术实现步骤摘要】
一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法及装置
本专利技术属于冶金、铸造等材料加工研究领域，特别涉及一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法及装置。
技术介绍
在冶金、铸造等材料加工研究领域中，常常需要对各种熔体进行搅拌，比如金属半固态浆料、添加颗粒熔体的搅拌等等，目的是使熔体的温度、成分、组织等均匀化。搅拌效率通常取决于搅拌强度，搅拌强度越大，形成的剪切和紊流越强，熔体实现温度、成分、组织等均匀化的搅拌时间就越短，搅拌效率越高。然而，强烈的搅拌会导致熔体的卷气问题，极易造成高温熔体氧化、形成夹杂组织等，即便采用保护性气氛，卷气也会使熔体中散布气孔，导致材料性能恶化，可见，卷气问题束缚了熔体的搅拌强度，降低了搅拌效率。铁-氮化硼复合材料含有15wt％左右的铜和3.5wt％左右的氮化硼颗粒，兼有铁基体的延展能力强、导热性能好和氮化硼颗粒的硬度高、热稳定性好、耐磨损等优点，广泛应用于核能、石油化工、航空航天和国防等领域。由于氮化硼的熔点3000℃高于铁的熔点1538℃，因此氮化硼在铁液体中是以固态颗粒的形式存在的，另外，由于铁的密度7.0～7.9g/cm3大于氮化硼的密度2.1～2.3g/cm3，所以氮化硼颗粒在铁-氮化硼熔体中容易发生上浮，因此，要想高效率地制备氮化硼颗粒均匀分布的铁-氮化硼熔体进而得到高性能的铁-氮化硼复合材料，就必须加大对熔体的搅拌强度，这样卷气问题就更加突出了。授权公告号CN105436436B、授权公告号CN103307900B等专利技术专利通过“收窄搅拌腔内的熔体液面”、“设置熔体扰动隔离器”等方法来阻隔搅动向熔体液面传递、避免熔体卷气。本专利技术从熔体与气体完全隔绝的角度出发，进行熔体搅拌方面的创造专利技术，摆脱了卷气对搅拌强度和搅拌效率的束缚，可高效率地制备无卷气的氮化硼颗粒均匀分布的铁-氮化硼熔体。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，铁-氮化硼熔体搅拌中存在的卷气和搅拌效率低问题，提供一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法及装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：采用内壁布有直叶片的变体积石墨坩埚与高速电磁搅拌相结合方式对铁-氮化硼熔体进行搅拌；利用变体积石墨坩埚，通过减小石墨坩埚的体积，排空石墨坩埚中熔体上部的全部气体，并且在熔体与外界气体完全隔绝的条件下，即没有气体源的条件下，进行熔体的搅拌，进而从根源上避免熔体卷气；利用高速电磁搅拌，在无卷气束缚的情况下，使铁-氮化硼熔体产生周向高速搅拌运动，利用石墨坩埚内壁上的直叶片，不断地将内部的铁-氮化硼熔体移到周围、将上部的铁-氮化硼熔体移到下部，进而阻止氮化硼颗粒的上浮和中央偏聚运动，从而高效率地得到无卷气的氮化硼颗粒均匀分布的铁-氮化硼熔体。本专利技术的有益效果是：利用本专利技术，对铁-氮化硼熔体进行搅拌，可以直接制备出无卷气、氮化硼颗粒分布均匀的铁-氮化硼熔体，搅拌时间可缩短到2分钟，搅拌效率比CN102012173A专利公开的7分钟提高了250％，解决了铁-氮化硼熔体搅拌中存在的卷气和搅拌效率低技术问题。附图说明图1为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的主视图。图中，石墨坩埚2，直叶片3，加热管4，冷却管5，铁-氮化硼熔体6，堵塞7，外罩8，底架9，体积调整头10，热电偶11，圆锥形放气口12，封塞13，紧固螺钉14，弹簧15，轴瓦16，止推轴承17，电机18，传动机构19，导向板20，连接滑板21，缓冲弹簧22，连接螺杆23，导向槽24，齿条25，电机26，传动机构27，支架28。图2为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的A-A视图。图中，电磁极对1。图3为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的B-B视图。图4为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的C-C视图。图5为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的D-D局部视图。图6为本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的E-E局部视图。图7为本专利技术方法搅拌的铁-氮化硼熔体的水淬微观组织。具体实施方式结合附图对本专利技术方法搅拌铁-氮化硼熔体装置的具体说明如下：如图1-图4所示，无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌装置主要由高速电磁搅拌装置、石墨坩埚2及其体积调整装置与上下移动装置、热电偶11、堵塞7及底架9构成。如图1、图2、图4所示，高速电磁搅拌装置的三对电磁极对1均布在石墨坩埚2周围，与石墨坩埚2外壁之间的距离为5mm，电磁极对1外侧加外罩8。如图1、图2、图3所示，石墨坩埚2采用机械连接方式固定于底架9上，石墨坩埚2的壁内间隔均布加热管4和冷却管5，分别与外部电源与冷却液供给系统连接；在石墨坩埚2的内壁上部加工有内螺纹，与体积调整头10下端的外螺纹相互配合；在石墨坩埚2的内螺纹以下的内壁上分布有直叶片3，采用机械连接方式与石墨坩埚2的内壁连接。直叶片3在石墨坩埚2不同高度上呈水平层状分布，最下层的直叶片3的下边缘与石墨坩埚2的内底面的间隔a为0～20mm，相邻直叶片层之间的间隔b为0～20mm，通过调整a与b，使最上层的直叶片3的上边缘与石墨坩埚2内螺纹的最下端的间隔c保持在0～10mm，铁-氮化硼熔体6的上表面向上高出石墨坩埚2内螺纹的最下端的距离d为5～10mm。在同一直叶片层内，三个直叶片3的根部位置均布在石墨坩埚2的内壁上即间隔α角为120°，直叶片3的长度e均为石墨坩埚2的半径，宽度均为石墨坩埚2的半径的三分之一。在每个直叶片3的长度方向上，直叶片3的头部在指向石墨坩埚2水平圆周中心的基础上，逆着铁-氮化硼熔体6的流动方向倾斜，直叶片3与其根部和石墨坩埚2水平圆周中心连线的夹角β为22°，以便不断地将内部的铁-氮化硼熔体6移到周围；在每个直叶片3的宽度方向上，直叶片3的上刃部相对下刃部逆着铁-氮化硼熔体6的流动方向倾斜，直叶片3的宽度方向与水平面的夹角γ为43°，以便不断地将上部的铁-氮化硼熔体6移到下部。相邻直叶片层内的直叶片3的根部位置在同一水平投影面上的间隔δ角为60°。如图1、图4、图5所示，石墨坩埚2的体积调整装置由体积调整头10、封塞13、紧固螺钉14、弹簧15和驱动装置构成，用于实现石墨坩埚2的体积调整。体积调整头10，材质为石墨，其上部为圆杆，下部为圆盘，在圆盘侧面加工有外螺纹，与石墨坩埚2内壁上部的内螺纹相互配合；在圆盘上设有漏斗形放气口12。封塞13的长方平板左下部带有与体积调整头10的圆盘等厚的圆台，长方平板右部设有圆孔，封塞13通过右部圆孔被紧固螺钉14限制在漏斗形放气口12内，封塞13的圆台与漏斗形放气口12之间有1mm的间隙；弹簧15套在紧固螺钉14的螺杆上，其作用是顶起封塞13，在体积调整头10向下旋入使石墨坩埚2体积减小时，便于石墨坩埚2内的空气排出；顺时针旋转紧固螺钉14顶部的长方柄儿，柄儿下面的圆盘便可将封塞13的长方平板压贴在体积调整头10下部圆盘的上表面，使漏斗形放气口12封住。驱动装置由电机18、传动机构19和定位机构构成，用于驱动体积调整头10向下旋入和向上旋出石墨坩埚2，是实现石墨坩埚2体积调整的关键装置；传动机构19由涡轮与蜗杆、齿轮与齿轮传动构成；定位机构位于体积调整头10的圆杆上部，由上下二个轴瓦16进行横向定位，由上下二个止推轴承17进行纵向定位；驱动装置的电机18、传动机构19和定位机构分别采用机械连接方式固定于导向板20上，导向板2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无卷气铁‑氮化硼熔体的高效搅拌方法，其特征在于，采用内壁布有直叶片的变体积石墨坩埚与高速电磁搅拌相结合方式对铁‑氮化硼熔体进行搅拌；利用变体积石墨坩埚，通过减小石墨坩埚的体积，排空石墨坩埚中熔体上部的全部气体，并且在熔体与外界气体完全隔绝的条件下，即没有气体源的条件下，进行熔体的搅拌，进而从根源上避免熔体卷气；利用高速电磁搅拌，在无卷气束缚的情况下，使铁‑氮化硼熔体产生周向高速搅拌运动，利用石墨坩埚内壁上的直叶片，不断地将内部的铁‑氮化硼熔体移到周围、将上部的铁‑氮化硼熔体移到下部，进而阻止氮化硼颗粒的上浮和中央偏聚运动，从而高效率地得到无卷气的氮化硼颗粒均匀分布的铁‑氮化硼熔体，包括以下步骤：步骤1，制备铁‑氮化硼熔体，温度控制在1600℃；步骤2，将上述铁‑氮化硼熔体倒入石墨坩埚中，石墨坩埚的预热温度为1600℃，由其壁内的加热管实现预热；步骤3，启动上下移动装置，将体积调整头下端的外螺纹降到石墨坩埚上沿儿的内螺纹处，关闭上下移动装置；启动体积调整头的驱动装置，将体积调整头的外螺纹旋入石墨坩埚的内螺纹内，当铁‑氮化硼熔体开始沿着封塞的圆台与漏斗形放气口之间的间隙、从封塞的长方平板的下部溢出时，关闭体积调整头的驱动装置；顺时针拧紧紧固螺钉，将漏斗形放气口封住，使熔体与外界气体完全隔绝；步骤4，接通热电偶，利用热电偶向外部电源与冷却液供给系统输入信息，调节加热管和冷却管，使铁‑氮化硼熔体的温度稳定在1600℃，启动高速电磁搅拌装置，对铁‑氮化硼熔体进行等温搅拌，稳定搅拌2分钟；步骤5，关闭高速电磁搅拌装置，逆时针拧松紧固螺钉，使封塞在弹簧的作用下弹起，打开堵塞即可放出铁‑氮化硼熔体，以供使用。...

【技术特征摘要】
1.一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法，其特征在于，采用内壁布有直叶片的变体积石墨坩埚与高速电磁搅拌相结合方式对铁-氮化硼熔体进行搅拌；利用变体积石墨坩埚，通过减小石墨坩埚的体积，排空石墨坩埚中熔体上部的全部气体，并且在熔体与外界气体完全隔绝的条件下，即没有气体源的条件下，进行熔体的搅拌，进而从根源上避免熔体卷气；利用高速电磁搅拌，在无卷气束缚的情况下，使铁-氮化硼熔体产生周向高速搅拌运动，利用石墨坩埚内壁上的直叶片，不断地将内部的铁-氮化硼熔体移到周围、将上部的铁-氮化硼熔体移到下部，进而阻止氮化硼颗粒的上浮和中央偏聚运动，从而高效率地得到无卷气的氮化硼颗粒均匀分布的铁-氮化硼熔体，包括以下步骤：步骤1，制备铁-氮化硼熔体，温度控制在1600℃；步骤2，将上述铁-氮化硼熔体倒入石墨坩埚中，石墨坩埚的预热温度为1600℃，由其壁内的加热管实现预热；步骤3，启动上下移动装置，将体积调整头下端的外螺纹降到石墨坩埚上沿儿的内螺纹处，关闭上下移动装置；启动体积调整头的驱动装置，将体积调整头的外螺纹旋入石墨坩埚的内螺纹内，当铁-氮化硼熔体开始沿着封塞的圆台与漏斗形放气口之间的间隙、从封塞的长方平板的下部溢出时，关闭体积调整头的驱动装置；顺时针拧紧紧固螺钉，将漏斗形放气口封住，使熔体与外界气体完全隔绝；步骤4，接通热电偶，利用热电偶向外部电源与冷却液供给系统输入信息，调节加热管和冷却管，使铁-氮化硼熔体的温度稳定在1600℃，启动高速电磁搅拌装置，对铁-氮化硼熔体进行等温搅拌，稳定搅拌2分钟；步骤5，关闭高速电磁搅拌装置，逆时针拧松紧固螺钉，使封塞在弹簧的作用下弹起，打开堵塞即可放出铁-氮化硼熔体，以供使用。2.根据权利要求1所述的一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌方法，其特征在于，高速电磁搅拌装置的转速为900～1200转/分。3.一种无卷气铁-氮化硼熔体的高效搅拌装置，该装置包括：高速电磁搅拌装置、石墨坩埚2及其体积调整装置与上下移动装置、热电偶11、堵塞7及底架9；其特征在于：在石墨坩埚2的内壁上部加工有内螺纹，与体积调整头10下端的外螺纹相互配合；石墨坩埚2的体积调整装置由体积调整头10、封塞13、紧固螺钉...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟一，杜云慧，张鹏，王玉洁，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11