超声波处理对工业纯铝晶粒细化的影响

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1、超声波处理对工业纯铝晶粒细化的影响陈 琳，宗燕兵，苍大强，甄云璞，杨 超(北京科技大学　冶金与生态工程学院，北京100083)　　摘要：试验研究了超声波处州时间和功率对工业纯铝晶粒细化程度的影响。结果表明，随着超声波处理时间的延长，工业纯铝的晶粒细化：随着超声波处理功率的增加，晶粒细化，但是细化程度逐渐减弱，超声波功率与晶粒细化作用之间有一阀值。　　关键词：超声波；处理时间；处理功率；细化　　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

2、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0～60

3、0W(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锅（Φ120mm×180mm）；电阻炉，热电偶等辅助装置。试验装置见图1。图1　超声波试验装置示意图　　1.2 试验过程　　试验所用的材料为w(A1)=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200℃，通入到石墨坩埚的液态铝中，插入深度10mm、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℃的金属型坩埚中。　　将凝固后的铸锭沿纵向切开，酸

4、液侵蚀，观察其凝固组织，根据GB3247-82标准，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　超声波处理时间对晶粒度的影响　　在温度T（700℃）和超声波功率P（100W）相同的下，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Quant-Lab软件

5、分析晶粒度，得到超声波处理时间与晶粒度的关系如图4所示图2未经超声波处理的纯铝的凝固组织图3　超声处理不同时间纯铝的凝固组织　　未经超声波处理的工业纯铝的晶粒的平均面积1.5×106μm2，而经处理后晶粒平均面积均小于1.5×106μm2，二者相比相差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]。图4　超声处理时间与晶粒度的关系　　2.2　超声波

6、处理功率对晶粒度的影响　　在温度T（700℃）和超声波处理时间t（60s）相同的情况下，考察超声波功率P对铝液凝固组织的影响。图5为超声波功率P不同时的试样低倍组织图，经过Quant-Lab定量金相分析的结果如图6。图5　不同功率超声处理纯铝的凝固组织　　由图6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，所以在实际应用中应考虑最适当的功率以获得细小的等轴晶。图　6超声处理功率与晶粒度的关系　　2.3结果分析　　当超声波在熔融铝中传播时，它将引起铝

7、媒质中分子以其平衡位置为中心的振动。这样，在声波的压缩相内，分子间的平均距离减小；而在稀疏相内，分子间的平均间距则增大。因此，在声波的负压相内，媒质受到的作用力为拉应力，当声强足够大时，液体受到的相应负压力足够强，那么分子间的平均距离就会增大到超过极限距离，从而破坏了液体的结构完整性，导致出现空腔或空穴。一旦形成空穴，它将随负压的增加一直增长到压力极大值。当其处于正压相时，这些空穴又被压缩。其结果是一些空穴进入持续振荡，而另一些空化泡将完全崩溃，即声空化现象。超声处理影响金属的凝固组织起主要作用的是声空化作用。　　

8、随着超声波处理时间的延长，纯铝铸锭的凝固组织明显细化，当达到60s时，铸锭细化效果最差，而随着时间继续延长，细化效果继续明显。对于这一点认为超声空化现象增加了形核率细化了凝固组织。但由于波的正负压现象，一段时间内声压不足以将空穴挤破或破碎的程度不足，以致晶粒又发生粗化现象。　　随着超声波功率的增加产生的强烈的冲击波击碎正在长大的晶粒，使之成为破碎的晶体质点，