超声波对Al-1%Si合金铸锭力学性能的影响

　　利用超声波对金属凝固过程进行处理,可以细化金属的凝固组织,去除熔体内的气体,使得凝固组织分布更为均匀[1-4]。因此,作者利用超声波对金属熔体进行处理,考察了超声波对力学性能的影响,并分析了凝固组织与力学性能之间的关系。

　　1 试验方法

　　1.1 超声波处理装置

　　金属超声处理装置包括超声波发生器(最大输出功率150W、频率25kHz)、磁致伸缩换能器、变幅杆、传振杆、粘土-石墨坩埚、热电偶、拉伸试样模具、冲击试样模具、保温炉、控温仪以及传振杆移动机构等组成。

　　1.2 试验材料与程序

　　试验用Al-1%Si合金采用99.7%的工业纯铝与纯硅配制而成。合金用8 kW的井式电阻炉熔化,熔化过程中对熔化后的熔体进行3次充分搅拌。合金从电阻炉中取出浇注前,先用市售的无毒除气剂(占熔体质量的1%)进行除气处理。事先将粘土-石墨坩埚放入保温炉中加热到需要保温的温度,当熔体温度降至720e时,浇注到保温炉的坩埚中,等熔体合金达到要求的温度后,立即进行超声波处理。

　　在超声波处理时,先让未预热的传振杆振动,然后从上方浸入液面下5mm,对熔体施加一定的超声波振动后浇注到冲击试样模具中。同时,拉伸试样模具预热后,分别在734~664°C以及674~664°C范围内,用150W的发生器处理相同质量(约为700g)的Al-1%Si合金熔体,传振杆的浸入深度同样也是5mm,然后浇注到拉伸试样模具中。为了对比,同时将相同质量的熔体在到达664°C时浇注到预热后的拉伸试样模具中。凝固后的拉伸试样毛坯按有关标准机械加工成拉伸试样,用WDW-100型微机控制电子万能试验机测定其抗拉强度和延伸率,测定布氏硬度。将浇注后的冲击试样(尺寸为10mmx10mmx55mm)用JB-30B型弯曲冲击试验机测定冲击韧性值,然后再观察其宏观和微观断口形貌。在断口附近取样制作成宏观试样,进行宏观组织和宏观晶粒度的分析。

　　2 试验结果与讨论

　　2.1 宏观组织分析

　　图1为无超声波处理和有超声波处理的拉伸试样宏观组织形貌。图2a和图2b分别是无超声波处理和有超声波处理冲击试样的横向宏观组织形貌。

　　从图1和图2中皆可看出,无超声波处理、664e直接浇注的合金拉伸试样(图2a),其横断面的宏观晶粒为明显粗大的等轴晶,而经过超声波处理后的样品则明显使宏观组织细小了,特别是在734~664°C范围内进行超声波处理(图2b)过的合金样品,组织和晶粒最为细小而致密,为均匀的等轴晶。

　　分析认为,经734~664°C超声波处理合金的组织明显细小于未经超声波处理的合金,其原因是在734~664°C内超声波处理时间较长,超声波产生较强的空化效应以及搅拌作用大大细化了凝固组织。超声波产生空化效应是因为在液态金属熔体中超声波以纵波形式传播[5],在波的前进方向上会引起周期性的交替压力变化。空化气泡在负压相产生,伴随着压力的变动,气泡长大到一定的程度;当声压的正压相到来的时候,空化气泡闭合、崩溃,完成一个周期的空化过程[6]。那么,空化泡在膨胀过程中,将会从泡壁周围的金属熔体中吸收大量的热量,这个过程导致微区熔体温度过冷,当这些微区满足生核所需要的温度条件时,大量的晶核将在这个区域生成而使形核核心数目增加;而超声波产生的搅拌作用是因为合金的固-液界面与纯金属不同所导致,即熔体内初生的细小枝晶被搅拌作用所破碎,使形核数目增多,并被分散到熔体中各处,使得晶粒得到进一步的细化[7-8]。