超声波处理对铸轧铝板带组织的影响

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1、．144．2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集超声波处理对铸轧铝板带组织的影响聂朝辉1，毛大恒1，张云芳2(1．中南大学机电工程学院。湖南长沙410083；2．江苏科技大学数理学院，江苏镇江212003)摘要：采用双头式超声波导人杆在水平式双辊铸轧机进行超声波铝板带的铸轧试验，研究超声波作用下铸轧铝板带的金相组织，结果表明，在铝铸轧过程中施加超声波能够使晶粒细化。组织更加均匀；探讨超声波空化现象及声流作用对铸轧铝板带组织细化作用的机制。指出目前超声波铝铸轧过程中存在的问题。关键词：超声波；铝；铸轧；金相组织；

2、晶粒细化超声波通常指频率大于20kHz的高频声波。超声波有两个特点：一是沿直线传播，二是能量大。超声波主要用于超声检测和超声处理(通常称为功率超声)。理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。功率超声在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大，能引起介质间的相互作用。功率超声对金属凝固过程的影响的研究开始于20世纪30年代，G．I．Eskin，0．VAbramov，Dr．Ing，TahaM．A¨。1等人做了大量研究，结果表明，铝合金铸造过程中施加超声波使合金组织明显

3、细化，力学性能大大提高。赵忠兴等采用从铸锭的底部导入超声波的方式对铝合金进行处理，合金组织得到明显细化[6-7]。李英龙等研究了超声处理对铝合金组织和性能的影响，结果表明，功率超声能提高液相形核率，打断生长中的晶体，细化晶粒、除气、改善金属凝固组织，提高合金性能喁一0。。该技术具有环境友好、成本低、工艺性好、简单易行等优点。目前功率超声在国内外已经应用于金属铸造过程中，但超声波在铸轧过程中的应用尚未见报道。探索了功率超声在铝铸轧过程中的应用，超声场对铸轧铝板带组织的影响及作用机制。1试验1．1试验设备铸轧机，西

4、400mill×500mln水平式双辊铸轧机；铸嘴，宽200mill，型腔高18mm；熔炉，电磁感应加热炉；超声波发生器，频率(20±0．5)kHz，最大功率1kW，功率可调；换能器，压电陶瓷式换能器直径50rain，频率19．8kHz；变幅杆，一级变幅杆为合金钢材质，二级水冷变幅杆为铝合金材质；导人杆，合金钢材质，端面直径23rain的双头式导人杆。1．2试验方法超声装置的安装如图1所示，变幅杆与水平面倾斜45。。铝合金牌号为1235，在电磁感应炉中熔化，保温2h，出炉至前箱，保持前箱温度为675％一685'

5、E，试验参数如表1所示。把未经超声处理和经不同功率的超声处理的铝板带试样作表面、纵截面及横截面金相分析。表1试验参数2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集而促使空化现象不断作用下去；当超声波通过液体时，会降低液体黏度，使气泡上浮而进行除气，尽可能地除去混杂在熔体中的气体杂质11引。声流是指超声波在液体中的有限振幅衰减使液体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷射，此喷射流直接离开超声变幅杆的端面，并在整个流体中形成环流[15

6、。由于声流的环流特性，使得金属熔液能够上下翻动，因而使金属熔液在宏观上受到一定的搅

7、拌作用。超声波在熔体中引起的声流速度可达到流体热对流速度的10～1护倍[11]，因此声流可明显提高合金液温度场的均匀性，从而使其凝固方式由逐层凝固变为体积凝固，抑制了柱状晶组织的生长，形成了均匀的等轴晶组织。4存在的问题(1)冷却系统有待改进。本试验装置虽然采用了水冷系统，但由于变幅杆存在内摩擦，在超声波传递过程中部分声能将转化为热能，同时由于高温铝熔体的热量传递，使变幅杆迅速升温，这将影响到换能器的寿命及稳定性。(2)在超声波处理铝熔体时，与高温铝熔体接触的工具头端部将会被腐蚀。工具头材料选择不当将会有少量的

8、工具头材料进入铝熔体，对铝熔体造成污染。(3)超声能量计算不精确。超声波处理金属熔体过程中，起作用的是导入到铝熔体中的那部分能量，而目前的研究只提到超声波发生器的输出功率，而没有精确计算超声波在传递过程中的损耗。(4)超声变幅杆与铝熔体的水平夹角、与轧辊的相对位置、超声波频率、声强及超声作用时间等工艺参数对晶粒细化效果的影响规律尚未明确。5结论(1)在铝铸轧过程中施加超声波能使晶粒得到细化，柱状晶被打碎，组织更加均匀。(2)在超声功率为200W时比100W时晶粒得到进一步细化。(3)超声场的引入使铸轧凝固前沿的

9、温度场分布更加均匀。参考文献：[1]ABR&MOVOV．Actionofhighintensityultrasound0nsolidifyingmetal[J]．Ultrasonics，1987，25(2)：73—82．[2]ESKINGeorgyI．Effectofultrasonic(cavitation)treatmentofthemeltonthemicmstmctureevo