超声波对工业纯铝的组织细化研究和工业探索

　　超声波具有高能量及其他特殊效应,极大地提高了对凝固的作用效果[1]。在金属或合金的凝固过程中,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、防止偏析等效果[2~4],同时可以显著提高金属的组织结构和力学性能[5~10],因此采用超声波对金属液处理是一种极其有效的方法。利用高能超声波处理铝或铝合金的熔体是一种新的既符合环保要求又安全的技术,可广泛的用于制造商业高强轻合金半成品及其铸件[11]。

　　为了研究超声波对金属凝固组织的细化作用,得到超声波影响金属铸锭组织的细化规律,对熔融铝液进行超声波处理,考察超声波对工业纯铝铸锭凝固组织的影响,进行工业探索性试验,并且对超声波影响工业纯铝的凝固机理进行了探讨。

　　1 试验方法

　　1.1 试验设备

　　超声波装置由下列部件组成:超声波发生器,频率为20 kHz,功率0~600 W(可调);超声波换能器,靠磁致伸缩产生高能超声;变幅杆,由超硬铝制成;导入杆,由钛合金制成。

　　实验室试验装置示意图如图1所示。工业试验在东方希望包头稀土铝业有限公司完成,其实验主要在船型槽中进行,试验过程示意图见图2。

　　1.2 试验方法

　　实验室试验所用的材料为9917%的工业纯铝,在电阻炉中熔化纯铝,将超声波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200°C的金属型坩埚中凝固。

　　工业试验中将探头插入铝液面以下大约30 mm左右的位置,插入位置位于船型槽中心线上,并随着试验的进行,对探头的插入深度进行调节,改变超声波处理条件,研究其晶粒组织的变化。

　　切开的铸锭用酸液侵蚀,观察凝固组织,根据GB3247-82,用Quant-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 实验室试验

　　在温度T(700°C)和超声波处理时间t(60s)相同的情况下,考察超声波功率对铝液凝固给织的影响。图3为超声波处理功率不同得到的试样低倍组织,图4为定量分析结果。

　　由图4明显看出,超声波功率增加,晶粒度减小,即超声波功率增加有利于等轴晶的获取,但随着功率的增加,晶粒度的减小并不明显,即增大功率并不能获取最佳的晶粒度,所以在今后实际应用中应考虑最适当的功率以获得细小的等轴晶。

　　向液态铝液中引入超声波时,铝液受到周期性交变声场的作用。产生空化泡或空穴。这些空化泡或空穴将以极高的速度闭合或崩溃。在空化泡崩溃过程中,铝溶液中将产生强烈的冲击波,这些冲击波使铝溶液在凝固过程中产生的凝固相受到一定程度的冲击,初生晶体和正在长大的晶体被冲击波击碎,成为破碎的晶体质点,抑制了晶体的长大,使晶粒得到细化的同时晶体也得到了均匀弥散。同时,空化泡的闭合和崩溃使溶液的局部瞬间产生温度的变化,也促使钢液凝固前期的枝晶熔断。