超声波处理对工业纯铝晶粒细化的影响

　　为了达到细化铝合金铸锭组织的目的,采用超声波振动对金属液处理是极其有效的方法。超声波具有独特的声学效果,在金属或合金的凝固过程中,如果施加超声波振动,铸锭的凝固组织就会从粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶,同时铸锭的宏观偏析及微观偏析也得到了改善[1-5]。关于超声波对铸锭组织的细化作用的机制目前有几个说法,比较普遍的认为是由于空穴现象促进在液态金属中核的生成,即核生成促成学说;另一种是枝晶破断学说。主要研究了超声波处理时间以及超声波功率对纯铝凝固组织的影响,分析超声波影响纯铝凝固组织的原因,探讨超声波影响金属或合金凝固过程的作用机制。

　　1 试验方法

　　1.1 试验装置

　　超声波振动装置包括超声波发生器,频率20kHz,功率0~600W(可调);超声波换能器,靠磁致伸缩效应,产生高能超声;变幅杆,超硬铝制成;导入杆,钛合金制成。此外还有石墨粘土坩埚(.120mmx180mm);电阻炉,热电偶等辅助装置。试验装置见图1。

　　1.2 试验过程

　　试验所用的材料为w(Al)=99.7%的工业纯铝,在电阻炉中熔化纯铝,熔化的过程中需要扒渣处理。将超声波导入杆预热到200e,通入到石墨坩埚的液态铝中,插入深度10 mm,改变处理条件对液态铝进行超声波处理。然后立即注入预热到200e的金属型坩埚中。

　　将凝固后的铸锭沿纵向切开,酸液侵蚀,观察其凝固组织,根据GB3247-82标准,用Quan-t Lab软件测量晶粒度,探讨超声处理条件与晶粒度的关系。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 超声波处理时间对晶粒度的影响

　　在温度T(700°C)和超声波功率P(100W)相同的情况下,考察超声处理时间t对铝液凝固的影响。对比试样纵剖面,见图2和图3。图2为未经超声波处理的工业纯铝的凝固组织,图3为经超声波处理后的凝固组织。比较可以看出未经超声波处理的晶粒粗大,柱状晶明显,而经超声波处理不同时间后,晶粒明显细化,只是细化的程度略有差别。用Quan-t Lab软件分析晶粒度,得到超声波处理时间与晶粒度的关系如图4所示。

　　未经超声波处理的工业纯铝的晶粒的平均面积为1.5x10⁶μm²,而经处理后晶粒平均面积均小于1.5x10⁵μm²,二者相比相差10倍左右。由此可以看出,超声波处理对纯铝的凝固组织的影响是相当明显的。但由图4可以看出,超声波处理30s时晶粒最小,时间增加到60s时晶粒显著增大,但并不随着时间单调递增或者递减,此结论与李军文的试验结果相同[6]。

　　2.2 超声波处理功率对晶粒度的影响