对熔融金属液进行超声波处理,可以达到细化晶粒,促进气体的去除,有利于夹杂物的凝聚和消 除,以及防止偏析等效果,具有良好的处理效果。因此,采用超声波振动对金属液处理是极其有效 的方法<1-3>。在此之前,笔者通过一系列试验,证明了超声波处理对金属凝固过程的各种作 用<4-7>。为了找到超声波振动对金属凝固组织的细化作用的有效振动条件,得到超声波作用 下对金属铸锭组织细化的基础资料,因此,本文对凝固过程中的铝硅固溶合金进行超声波处理,考 察超声波振动处理时间对于铝合金铸锭凝固组织的影响,并且对超声波振动处理时期的铸锭内部温度分布进行了比较。1 试验方法1.1 试验合金将纯度为99.7%的工业用纯铝和24%的AlSi母合金配成含硅1.65%的铝硅合金,并用角型电阻炉熔炼。1.2 超声波振动装置图1是 超声波振动凝固装置的概略图。这个试验装置的主要部分是由超声波发振器,
超声波换能器,变幅 杆,导入杆及石墨坩埚组成。另外,还有温度记录装置,位置移动计测器等辅助装置。超声波振动 处理采用顶部导入方式。1.超声波换能器 2.变幅杆 3.导入杆 4.
石墨坩埚5.导入杆 上下移动手柄 6.导入杆前后移动手柄7.导入杆左右移动手柄 8.导入杆上下移动距离测定 装置图1 超声波振动凝固装置Fig.1 Apparatusforsolidificationofmoltenmetalsunderultrasonicvibration.超声波发振器:最大功率为150W(功率连续可变方式) ,发振频率为25kHz。超声波换能器:靠镍磁致伸缩效应产生高能超声波。变幅杆:带有锥度的钢制棒。导入杆:直形氮化硅(Si3N4)材质,10～122mm.超声波工业株式会社订制产品。石墨坩埚:尺寸为 56～76mm。铸造技术1.3 试验方法将配制好的合金用角型电阻炉熔炼,熔炼过程中对熔体 进行充分的搅拌,并且在浇注之前用对熔体进行除气处理,浇注温度选择750℃。然后立即注入 石墨坩埚中,超声波加振前,让600℃予热的导入杆插入金属熔体20mm,并在该合金成分的 液相线以上10℃开始对金属熔体进行超声波振动处理,超声波振动处理时间分别为20s,60 s,100s,120s。为对比,在同样条件下分别浇注出未经超声波处理的试样。对于试验后 得到的铸锭,从中间切开,切断面全面研磨,进行组织观测。对铸锭内部温度分布比较。2 试验 结果与分析2.1 宏观组织的观察图2为未经超声波处理的铸锭和经超声波振动处理时间分别为 20s,60s,100s,120s的铸锭的宏观组织。由图中看出,未经超声波处理的合金组 织,U字型的等轴晶区被上下的粗大柱状晶区所包围,这和大野笃美所提出的等轴晶沉淀的试验结 果相一致<8>。在超声波处理的情况下,当超声波振动处理时间为20s时,铸锭的外层是粗大 的柱状晶,导入杆下面的中心部是等轴晶区,上部仍然是粗大的柱状晶区。当超声波振动处理时间 为60s时,铸锭外侧的柱状晶区减少,内部的等轴晶区域呈现出增加的趋势。当超声波振动处理 时间为100s时,从图2(d)中明显看到,铸锭中大量的细小均匀的等轴晶,且铸锭外侧的柱 状晶区减少,内部的等轴晶区域增加。当超声波振动处理时间为120s时,铸锭外层的柱状晶区 厚度比100s超声波振动处理时变大,中心区域是粒度分布不均匀的等轴晶区,在铸锭的上部是 粗大的柱状晶及等轴晶区域。 (a)未经超声波处理 (b)超声波振动处理时间20s (c)超声波振动处理时间60s(d)超声波振动处理时间100s(e)超声波振动处理时间120s图2 超声波振动处理时间对Al1.65%Si合金铸锭的宏观组织影响Fig.2 EffectofultrasonicapplicationtimeonmacrostructuresofAl 1.65%Siingots2.2 微细化率的考察首先,对铸锭的微细化率作如下的定义,见图 3。我们把铸锭的微细化等轴晶区域的面积与铸锭的全部切断面面积的比值,规定作为铸锭的微细化率。1熔体表面激冷的柱状晶 2 微细化等轴晶区域3 铸锭的全部切断面面积图3 铸锭的微细化率的概念图Fig.3 Schematicdiagr amofgrainrefiningrate那么,通过以上对铸锭的宏观组织的观察,求出浇 注温度与铸锭的微细化率的关系,见图4。由图4看出,铸锭的微细化率随着超声波振动处理时间 的增加而增加,当超声波振动处理时间为100s时,铸锭的微细化率值达到最大,此后,随着处 理时间的增加而减小,这表明,铸锭的微细化率与超声波振动处理时间之间存在依存关系。图4 各种超声波振动处理时间对Al1.65%Si合金铸锭的微细化率的影响Fig.4 EffectofultrasonicapplicationtimeongrainrefinementrateforAl 1.65%Sialloyingots 为了获得良好的铸锭结晶组织,合适的超声波振动处理 时间对于结晶组织的控制显得尤为重要,这是由于较短时间的超声波振动处理,熔体内部的核形成 还不充分,超声波振动带来的搅拌作用还没有把二次及三次枝晶破碎得更为细小,因此,获得的等 轴晶区域较小;另一方面,如果对熔融金属液进行超声波振动处理的时间较长的话,由于在超声波 处理的过程中,产生发热效应,从而导致熔融金属液的温度上升,使原来已经被细化了的枝晶再次 重熔,而使铸锭的结晶组织粗化,等轴晶区域减少。所以,只有当合适的超声波振动处理时间对熔 融金属液处理时,才会得到最大的铸锭微细化率和微细的等轴晶组织。2.3 铸锭内部温度分布 的考察为了便于探讨超声波的细化机理,对铸锭内部的温度分布进行了测定。图5为超声波导入杆 ,热电偶以及石墨坩埚三者之间的位置关系图。每个热电偶在二分之一坩埚高度的水平位置,从铸 型壁到坩埚的中心线之间均等分布,分别用来测定熔体内的各处温度的变化。1#,2#,3#热 电偶用来测试未经超声波处理的铸锭,4#,5#,6#热电偶用来测试超声波振动处理的铸锭。 另外,在本文所速的试验,超声波振动处理的操作都是以5#热电偶的温度变化作为基准。图5 超声波导入杆,热电偶及石墨坩埚三者之间的位置关系图Fig.5 Arrangementofhorn,thermocoupleandgraphiteCrucible图6作为冷却曲线的一例,当超声波振动处理时间为100s时,铸锭内部的温度变化的 测定结果。由图6看出,金属熔体没有经过超声波处理时,从铸型壁到熔体的中心,由于熔体各处 的冷却速度存在差异,因此,在熔体内部存在着较大的温度梯度;与此相比当熔体经过超声波处理 时,熔体内的温度梯度大为减少。因此可以知道,在过热状态下对熔体进行超声波处理时,超声波 振动有消除熔体内部的过热的作用。可以认为,这一作用同桃野早期对熔体内存在流动时的研究, 具有类似的效果<9>。从这一结果我们可以考虑到,当超声波振动带来的搅拌作用消除了熔体内 部的过热后,有利于在熔融金属液中形成的具有固体结构的不稳定晶胚的成长,从而易于液态金属 中等轴晶区的形成。此外,通过对其它几种情况下的铸锭内部温度变化的考察,发现均具有一致的 变化结果。图6 未经超声波处理和超声波处理时间为120s时的铸锭内部温度变化的比较Fig.6 CoolingcurvesofAl1.65%Sialloywithorwithoutultrasonicvibration forultrasonicapplicationtime120s另外,通过对所有情况的 冷却曲线的考察,见图7,可以看出,未经超声波振动处理的情况下,即使冷却最慢的熔体中心部 的冷却速度,也要比超声波图7 经超声波处理和未经超声波处理铸锭的冷却曲线比较Fig.7 CoolingcurvesofAl1.65%Sialloywithorwithoutul trasonicvibrationapplication(下转49页)(上接46页)振动 处理的情况下,冷却最快的铸型壁边缘部的冷却速度要快。这表明,伴随着对液态金属进行超声波 振动处理时,液态熔体通过超声波的音响流,被强烈地搅拌,并且在熔体内部产生了发热效果,这 一效果对于铸锭组织的形成具有不可忽视的影响。3 结论(1)当合适的超声波振动处理时间对 熔融金属液处理时,才会得到最大的铸锭微细化率和微细的等轴晶组织。(2)伴随着超声波振动 处理时间的增加,铸锭的内产生搅拌效果和发热效果。(3)在过热状态下,对熔体进行超声波处 理时,超声波振动带来的搅拌作用有消除熔体内部过热的作用。超声波振动处理时间对铸锭组织的影响@李军文$国立室兰工业大学材料物性工学科!日本北海道室兰市0508585
@桃野正$国立室兰工业大学材料物性工学科!日本北海道室兰市050 8585超声波振动;;
处理时间;;铝硅合金铸锭研究各种超声波振动处理时间下,超声波振动对 铝合金铸锭组织的影响,分析超声波对铝合金铸锭细化率的影响因素,并且对超声波振动处理时期 的铸锭内部温度分布进行比较。<1> OV.AbramovUltrasoundinLiquidandSolidMetals
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