超声波处理对细化碳钢凝固组织的影响

　　铸件的最终质量与许多影响因素有关，其中最重要的一点就是其凝固组织。凝固过程产生的任何缺陷都可能会表现在铸件上，影响铸件的使用寿命。碳钢铸件最主要的质量问题是不能彻底消除各种凝固缺陷，如粗大的柱状晶、气孔、偏析、夹杂物聚集等。研究发现，在铸件的凝固过程中施加超声波，利用超声波的空化效应可有效地改善铸件的凝固组织。但是关于超声波改善凝固组织的研究目前主要集中在轻金属上。超声波处理对7055铝合金熔体作用能细化晶粒和均匀化组织，提高其抗拉强度，并能大幅度提高其塑性[1];超声波处理可使Al-20Si合金中的初晶Si形貌由粗大的板片状逐渐变成细小的球状颗粒，圆整度高、分布均匀，并且使其抗拉强度和伸长率提高[2]。另外，超声波处理的ZA27合金由均匀细小的等轴晶组织组成[3]。Ma　Qian等[4]、M.Khosro　Aghayani等[5]、Zhang　Songli等[6]通过研究也发现了超声波在改善轻金属凝固组织方面的作用。然而，关于超声波处理钢铁材料的报道较少，特别是关于实际生产的应用更少。对T10钢进行超声处理发现可以细化其凝固组织、缩短凝固时间、降低凝固开始温度[7];李杰等[8]研究发现，在超声波作用下，高碳钢水中添加钛铁、铈可以明显细化其凝固组织。李军文等[9]研究发现，短暂的超声波处理可以使灰铸铁中的石墨形态由片状变成圆钝的、近球状与卷曲、细丝状石墨的混合形态，可有效地细化灰铸铁共晶团组织。以上研究着重探索了超声波在高碳钢(铁)中的作用，并取得了初步的效果，但是在普碳钢(低碳钢)中的研究还比较少。为了进一步研究超声波振动对钢铁材料凝固组织的影响，本课题分别以低碳钢和高碳钢为研究对象，观察超声波对其凝固组织的影响，为超声波处理应用于钢铁材料提供参考。

　　1　试验方法

　　1.1　试验材料

　　试验材料主要为低碳钢和高碳钢两种，碳含量分别为0.2%和1.0%，其他元素为Si、Mn及S、P等。

　　1.2　试验方案

　　试验过程采用两种超声波功率处理碳钢熔体，观察其对碳钢凝固组织的影响。方案见表1。

　　1.3　试验过程

　　试验装置分两部分，第一部分为钢水熔化装置，第二部分为超声波处理装置，见图1。

　　试验前，首先要调节变幅杆和导波杆的长度，使导波杆的长度为半波长的整数倍，以便超声波经变幅杆和导波杆传播后，还能较好地传入熔体中，产生最佳的效果。将称量好的钢样放入加热炉中进行加热。待熔化后，将钢水取出，迅速将超声波导波杆插入钢水中(插入深度为10mm左右)，待完全凝固后停止超声波处理。超声波处理完毕后，将试样切割、打磨，经腐蚀液腐蚀，观察其组织;从试样上切取小块试样打磨、抛光、腐蚀(5%硝酸酒精溶液)后，在电子显微镜下观察其显微组织。