（机械设计及理论专业论文）超声振动系统性能分析及铝合金超声铸造试验研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 超声外场处理金属熔体是改善铸锭凝固组织，提高材料力学性能 的一种有效方法，是当前国际研究的热点和未来铸造技术的一个新的 发展方向。本文以铝合金超声铸造为切入点，主要研究了以下几方面 内容： 1 、对整个超声振动装置进行了系统分析。首先，根据电力声 类比原理，采用高精度的阻抗分析仪，测量超声振动系统在不同工况 下的导纳圆。基于导纳圆，研究了振动系统谐振频率只与机械品质因 数q 的具体变化规律。结果表明：只和绒均随负载温度的升高，负 载粘度的增大以及工具杆工作深度的增加而降低；随负载横截面积的 增大，一阶c 提高，二阶只略有降低，而对q 的影响相对较小。以 此为基础，确定振动系统与超声波发生器的最佳电端匹配。其次，基 于对振动装置失谐现象的探讨，分析现有发生器的电路工作原理，并 提出了适合超声铸造的电源改进思路。 2 、针对现有工具杆的端面为平面，超声波辐射范围小，作用区 域小，不利于超声铸造的问题，根据s n e l l 定律，并综合考虑半连铸 时的金属液穴形状，声强度分布与声能利用率，对其端面进行了优化 设计。利用有限元软件m a r c 对工具杆进行了模态分析验证，发现优 化前后的工具杆纵向振动频率基本相同，可保证优化后的工具杆与原 有振动系统匹配使用。 3 、详细描述了超声波处理金属熔体时的能量传递特性，超声细 晶的两种主要作用机制( 空化与声流) 和超声波对晶体形核、成长过 程的影响，为试验的开展及其结果的分析提供理论基础。 4 、探讨了在超声处理过程中，不同的超声功率、施振温度、冷 却方式、施振深度和方式对铸锭凝固组织细化规律，并对超声作用距 离及铸锭的力学性能进行了分析。试验结果表明：超声细晶存在一最 佳超声功率1 7 0 w 和施振温度区间8 0 0 一- - 6 6 0 ；适当降低熔体的冷 却强度有利于晶粒细化；施振深度不宜过大，否则振动强度降低，细 晶效果减弱；当选取合理的施振时间与温度时，间歇施振能取得优于 连续时的细化效果；超声作用距离与不同的铸造工况密切相关；经超 声处理后，铸锭的力学性能获得了提高，组织成分也趋于均匀，有利 中南大学硕士学位论文摘要 于后续加工。 通过上述研究，初步获得了一些振动系统振动性能的变化规律及 超声铸造工艺参数匹配规律，这对功率超声应用于工业领域，有效处 理金属熔体具有一定的指导价值。 关键词：超声振动装置，工具杆，超声铸造，空化，声流，晶粒细化 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r e a t i n gm e t a lm e l tb yu l t r a s o n i cf i e l dl s a ne f f e c t i v em e t h o do f i m p r o v i n gc a s t i n gi n g o ts o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dm a t e r i a lm e c h a n i c a l p r o p e r t y i ti st h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o t s p o ti nn o w a d a y sa n dan e w d i r e c t i o no ff u t u r ec a s t i n g t e c h n i q u e t h i sp a p e rt o o ka l u m i n u m u l t r a s o n i cc a s t i n ga sp e n e t r a t i o np o i n ta n dt h em a i ns t u d yw a ss h o w na s f o l l o w s ： 1 、t h ew h o l eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ne q u i p m e n th a db e e ns t u d i e d f i r s t ， a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r i c i t y f o r c e - a c o u s t i ca n a l o g y , a d m i t t a n c e c i r c l e s i nd i f f e r e n tl o a dc a s e sw e r em e a s u r e db yu s i n ga d m i t t a n c e a n a l y z i n ga p p a r a t u s b a s e do nt h e m ，t h ev a r i a t i o n a lr u l e so fr e s o n a n t f r e q u e n c yca n dm e c h a n i c a lq u a l i t yqo ft h ev i b r a t i o ns y s t e mw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d ：ea n dqb o t hd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fl o a dt e m p e r a t u r ea n d v i s c o s i t ya n dw o r k i n gd e p t ho ft o o lr o d ； w i t hl o a dc r o s ss e c t i o na r e ai n c r e a s e d ，f i r s to r d e rci n c r e a s e da n d s e c o n do r d e r 只h a sal i f f i ed e c r e a s e d ，b u ti th a dal e s se f f e c to n 绋o n t h i sb a s i s ，t h eo p t i m u me l e c t r i c a lm a t c h i n go ft h ev i b r a t i o ns y s t e ma n d g e n e r a t o rw a sc o n f i r m e d s e c o n d ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fr e s o n a n c e b r e a k i n go fv i b r a t i o ne q u i p m e n t ，t h ec i r c u i tw o r k i n gt h e o r yo fq u o n d a m g e n e r a t o rw a sa n a l y z e da n di m p r o v i n gs c h e m eo fp o w e rs o u r c es u i t e dt o u l t r a s o n i cc a s t i n g 2 、f o rt h ep r o b l e m so ft h a tt h ee n df a c eo fp r e s e n tt o o lr o dw a sf l a t ， s o u n dw a v er a d i a t e di nas m a l ls c a l ea n di t si n f l u e n c i n gz o n ew a ss m a l l ， w h i c hi sb a df o ru l t r a s o n i cc a s t i n g ，t h eo p t i m u md e s i g no fe n df a c ew a s m a d ea c c o r d i n gt os n e l ll a w a n dw i t ha l lo ft h e c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o no fs h a p eo fm e t a ll i q u i ds u m pi ns e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g ， t h ed i s t r i b u t i o no fs o u n di n t e n s i t ya n du s i n ge f f i c i e n c yo fs o u n de n e r g y c o n s i d e r e d t h em o d a la n a l y s i sa n dv a l i d a t i o no ft o o lr o dw a sc a r r i e do u t b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em a r c i tw a sf o u n dt h a tt h el o n g i t u d i n a l v i b r a t i o nf r e q u e n c i e so fu n i m p r o v e da n di m p r o v e dt o o lr o dw e r ea l m o s t u n i f o r m ，w h i c ha s s u r e dt h a tt h ei m p r o v e dt o o lr o dc o u l db e u s e d i i i 中南大学硕士学位论文 m a t c h i n gt h eq u o n d a mv i b r a t i o ns y s t e m 3 、t h ee n e r g yt r a n s m i s s i o np r o p e r t yo fu l t r a s o n i ci nt r e a t i n gm e t a l m e l t ，t w om a j o rf u n c t i o n a r ym e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n i n gb yu l t r a s o n i c a n dt h ee f f e c to fu l t r a s o n i co nt h ep r o c e s so fn u c l e u sa n dg r o w t ho f c r y s t a l w e r ed e s c r i b e d ，w h i c h p r o v i d e d aa c a d e m i cb a s i sf o rt h e p r o c e e d i n go fe x p e r i m e n t sa n d t h e i rr e s u l t sa n a l y s i s 4 、t h ec a s t i n g i n g o ts t r u c t u r er e f i n i n g l a w s o ft h ed i f f e r e n t u l t r a s o n i cp o w e r s ，t e m p e r a t u r e s ，d e p t ha n dw a y so fa p p l y i n gv i b r a t i o n a n dc o o l i n gm e t h o d sd u r i n gu l t r a s o n i ct r e a t i n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d u l t r a s o n i ca c t i o na r e aa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a s t i n gi n g o tw e r ea l s o a n a l y z e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d ：t h e r ee x i s t e da no p t i m a lu l t r a s o n i c p o w e r17 0 w a n dt e m p e r a t u r er a n g eo f a p p l y i n gv i b r a t i o n8 0 0 - - - 6 6 0 。ci n g r a i nr e f i n e m e n tb yu l t r a s o n i c ；i tw a sg o o df o rg r a i nr e f i n e m e n tw h e n c o o l i n gi n t e n s i t yd e c r e a s e dp r o p e r l y ；t h ed e p t ho fa p p l y i n gv i b r a t i o n s h o u l dn o tb et o og r e a t ，o t h e r w i s et h ev i b r a t i n gi n t e n s i t yw o u l dd e c r e a s e d a n dg r a i nr e f i n i n ge f f e c tw o u l db ew e a k e n e d ；t h er e f i n i n ge f f e c ta c q u i r e d w i t hi n t e r m i t t e n tv i b r a t i o nw o u l db eb e n e rt h a nt h a tw i t hc o n t i n u o u s v i b r a t i o nw h e nt h et i m ea n dt e m p e r a t u r eo fa p p l y i n gv i b r a t i o ns e l e c t e d r e a s o n a b l e ；u l t r a s o n i ca c t i n gd i s t a n c ew a sr e l a t e dt od i f f e r e n tc a s t i n gl o a d c a s e s ；b yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a s t i n gi n g o tw a s i n c r e a s e da n di t ss t r u c t u r ea n d c o m p o s i t i o n w e r ea l s o p r o n et o h o m o g e n i z a t i o n ，w h i c hw a sg o o df o rs e c o n dm a c h i n i n g t h r o u g ht h es t u d ya b o v e ，s o m ev a r i a t i o n a lr u l e so fv i b r a t i n g p r o p e r t yo ft h e v i b r a t i o n s y s t e ma n dm a t c h i n gl a w s o ft e c h n i c a l p a r a m e t e r sd u r i n gu l t r a s o n i cc a s t i n gw e r ea c q u i r e d i th a sc e r t a i ng u i d e v a l u ef o rp o w e ru l t r a s o n i ce f f e c t i v et r e a t i n gm e t a lm e l tu s e di ni n d u s t r i a l f i l e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o ne q u i p m e n t ，t o o l r o d ，u l t r a s o n i c c a s t i n g ，c a v i t a t i o n ，a c o u s t i cs t r e a m ，g r a i nr e f i n e m e n t i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：堑翌丝日期：辑年上月幽 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 螂 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百下匕 铝材的制备大多需要经过坯料铸造的过程，均质无裂纹的铸锭是生产合格铝 材的前提条件。各种裂纹的形成以及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切的关 系。同时随着铝材应用的迅速扩大，不同领域对铝材性能要求日益提高，高性能 铝材的制备是铝工业持续发展面临的一个迫切问题，矛盾日益突显。如何细化晶 粒，获得细小均匀的等轴晶组织，减少各种铸造缺陷，生产高强合金一直以来都 是国内外学者所关注的问题。传统的晶粒细化方法是在熔铸过程中添加晶粒细化 剂以细化铸造组织【l 。2 1 ，但使用细化剂会造成合金污染，并影响金属的性能和重 复使用性。所以一直以来，人们都在努力探索无污染、高效率的细晶技术，通过 引入外加物理场对熔体的结晶与传热过程进行调控，改变其凝固过程，改善凝固 组织是当前国际研究的热点。试验证明，超声波在液体中传播时会产生空化、声 流、机械等诸多特殊效应【3 。2 4 】，通过这些效应可以改善组织、减少偏析、改变二 次相的形成及分布。在铝合金超声铸造方面，前苏联，俄罗斯，美国、法国、日 本等国家都进行了广泛的研究，积累了很多成果【3 1 5 】。我国在此领域也开展了一 些工作，但因为各方面条件的限制，研究还比较零散，应用成果很少【l 睨4 1 。中南 大学冶金机械研究所长期致力于铝材质量的提高和高性能铝合金的开发，在外场 铸造、铸轧方面有良好的科研平台和丰富的实践经验【2 5 2 9 1 ，课题组得到国家9 7 3 项目的资助，将在铝合金超声铸造实验及工业应用、超声波作用机理等方面展开 深入的研究，力求获得超声铸造工艺参数对合金凝固组织及性能的影响规律，从 而为高性能铝材的生产制备提供基础理论平台和技术原型，为超声铸造有效应用 于工业领域打下基础。 1 2 凝固组织的调控手段 对凝固过程进行控制就是利用各种手段开发新的凝固工艺，改进熔炼工艺， 改变金属的凝固、成形过程，致力获得晶粒细小，组织致密、性能优良的铸锭、 铸坯。生产实践及研究结果证明，锭坯的凝固组织对产品的质量及深加工性能有 遗传影响，因而必须严格控制凝固组织。调控铸锭组织就是控制铸锭中等轴晶的 比例，尽可能获得细晶粒等轴晶组织，因为这种组织晶粒之间彼此嵌合，结合得 比较牢固，不产生弱面，在铸锭生产及二次热加工处理中，不容易产生开裂，强 中南大学硕士学位论文第一章绪论 度较高，同时铸件性能不呈现方向性。除了一些特殊的应用场合外，如磁合金， 涡轮叶片等，大部分铸锭和铸件都要求获得等轴晶组织。等轴晶组织可以通过抑 制柱状晶长大，创造等轴晶形成的条件而获得，主要有以下几个途径【3 1 】： ( 1 ) 增加形核率：可以通过提高液体金属的冷却速度、降低熔化温度或液 体金属中，加入少量的形核剂进行变质处理，以及一切能促进非均质形核的熔炼 及浇注措施实现。 ( 2 ) 抑制晶体长大：可以通过在液体金属中加入少量的成长抑制剂进行变 质处理或采取特殊措施( 通电凝固) 等实现。 ( 3 ) 使正在长大的晶体产生“颈缩 ( 根部颈缩) ：可以通过向液体金属加 入少量偏析系数( 绝对值l i - k 1 ) 大的合金元素来实现。 ( 4 ) 促进颈缩的晶体脱离模壁或树枝晶的枝干：可以引入外加物理场，加 强液体金属对流，进行机械搅拌、振动或振荡动态细化晶粒法实现。 ( 5 ) 使熔断脱离的晶体碎粒不被重新熔化：可通过适当降低浇注温度等方 法实现 1 3 物理外场调控组织技术的研究状况 外加物理场，对金属熔体进行处理，具有安全环保，操作简便，成本低廉， 应用广泛等诸多优点。在金属凝固过程中，引入的外加物理场通常有压力场、超 重力场、离心力场、电场、磁场、超声场及复合场等。外场处理技术就是利用物 理场和熔融金属的相互作用，达到改善凝固组织的目的。此领域研究的热点主要 体现在以下三个方面：一、向金属熔体中通电，进行电流处理：二、在金属凝固 过程中引入磁场，进行磁场处理；三、对金属熔体进行超声处理。 外加物理场处理金属熔体技术的研究一直方兴未艾，进入2 1 世纪，伴随物 理、材料和电子等领域的飞速发展，使得大功率电流、磁场和超声等细晶技术成 为可能，同时，社会、材料与环境的协调性迫切要求人们改变传统的凝固细晶技 术。物理场对金属凝固过程作用的研究国外起步较早，优势相对突出，但近年来 国内学者的研究异军突起，尤其是在脉冲物理场处理钢铁材料等高温合金细晶技 术方面的研究取得了大量成果，达到了世界领先水平【3 2 1 。 1 4 功率超声的优势及发展前景 超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类【3 3 1 ，一类是利用它的能量来 改变材料的某些状态，这需要产生相当大的或比较大的超声，实际是大功率超声 简称功率超声：第二类是利用它的高指向性采集信息，称检测超声。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 高强超声在媒质中传播时，会产生一系列效应，如力学效应、热学效应、化 学效应和生物效应等【3 圳。在力学效应中有搅拌、分散、除气、成雾、凝聚、冲 击破碎和疲劳损坏作用；在热学效应中有声能被吸收而引起的整体加热、边界处 的局部加热；在化学效应中可以促进氧化、还原，促进高分子物质的聚合或解聚 作用。所有这些都是超声波的次级效应，真正的起因是以下的一些基本作用：( 1 ) 线性的交变振动作用，超声波在媒质中传播时使质点作交变振动，从而引起一系 列的次级效应。( 2 ) 大振幅声波在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波， 在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压的一系列效应。( 3 ) 振 动的非线性会引起一些直流定向力，其中最主要的辐射力，此外还会在粒子间引 起相互靠近的伯努利力，此可以说明一些定向及凝聚作用等力学效应；( 4 ) 空化 作用会引起一系列次级效应，如分散、乳化和化学效应等。 随着功率超声应用领域的不断扩大，要求提供功率更大，声强更高的超声振 动源，不仅要提高单个超声换能器的功率容量，还要发展功率合成的振动系统， 并深入探讨功率超声对物质的作用机制。 1 5 超声振动处理金属熔体技术的发展状况 振动技术应用于冶金领域可追溯到1 8 6 9 年，c h e m o v 第一次成功运用摇晃 铸模法细化铸钢晶粒、改善铸锭的质量。早期的研究都是低频振动，如凸轮、气 动、电磁激振等。一般为几十赫兹，最高也不过2 0 0 0 h z ，振动能量较低，振动 不易控n t l 8 , 3 5 】。 震 图l 一1 超声工业应用( 1 、超声铸造1 2 0 0 r a m2 3 2 4 铝合金大铸锭，2 、超声铸造件) 2 0 世纪三、四十年代，高频振动效应对金属凝固的影响开始受到人们的重 视，1 9 3 5 年s o k o l o v 最先使用自行设计的超声振动装置对a l 、z n 、s n 的凝固过 程进行了超声处理研究。同时以e s k i n 、a b r a m o v 为代表的许多学者纷纷展开了 振动效应对凝同组织影n 向的研究3 j5 1 ，探讨了超声振动对会属和有机物凝吲过程 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的影响及作用机制，并取得了显著成果。随后t e u m i n 、p o g o d i n a l e k s e c v 、 p o l o t s k i t 、s e e m a n 等人也分别对超声场下金属的凝固规律展开了研究。但此后一 段时间由于材料和技术问题的制约，同时人们找到了变质处理、孕育处理等有效 细化晶粒的方法，导致这方面的研究处于停滞状态。八十年代，伴随新材料的诞 生，技术瓶颈获得突破，使得这一领域的研究再度活跃起来。美国田纳西州大学 对超声处理高强铝合金及钢材料进行了为期四年的试验研究，获得超声处理时， 冷却速率，施振时间等因素对金属熔体的影响规律；i r s i d 将超声振动施加于连 铸过程，能明显改善润滑状态，容易出型，减轻铸件表面偏析，如图1 1 所示， 国外这方面的一些研究成果己经应用在生产中【9 l 们。国内李英龙、赵忠兴、陈康 华等学者采用不同超声处理方式处理z l l 0 2 ，z c u p b 3 0 ，h t l 0 0 ，a 1 s i m g - c u 等合金，均发现合金组织得到细化，铸造缺陷获得改善 1 6 , 2 1 - 2 3 】，但由于条件和技 术的限制，我国在这一领域的应用成果很少。上述研究表明，见表1 1 ，在金属 凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，材料力 学性能提高，各向同性性增强，金属的宏观与微观偏析均得到改善，所以，对熔 体施加超声振动是细化凝固组织、改善铸锭质量、提高金属性能的有效手段。 表1 - 1 超声熔体处理对象及效果 研究 晶体细化及粗化，熔质的扩散，熔体的流动，气泡的运动 内容 处理细化晶粒，组织均匀化，组织净化( 除渣、去气、提纯) ，消除偏析，改善增强体 效果基体的浸润性，加速冷却 1 5 1 超声波的产生及引入技术 超声铸造的一般原理如图1 2 所示，振动可以直接在液体金属中产生，或者 在盛有正在结晶的熔融金属的锭模中产生【3 们。直接在锭模中产生机械振动，其 频率都较低，一般不超过5 0 h z ，且操作比较困难。对此而言，包括超声振动在 内的较高频的弹性振动将有很大的发展前景。超声振动是具有高频率变化的弹性 变形。通常使用的功率超声频率范围在1 8 8 0 k h z 之间，变形所达到的数值约 为1 0 一1 0 一，位移振幅为几十微米，而振动速度每秒可达到几米。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 产生功率超声有两种方法【3 4 1 ：一是用电声换能器产生超声( 压电换能器和 磁致伸缩换能器) ；另一种是用流体做动力来产生超声。根据超声对熔融金属的 作用，机电振动源有很大的意义。 图l - 2 超声铸造一般原理图 压电换能器因其电声转换效率比较高，在超声应用领域内应用比较广。图 卜2 所示为在熔融金属施加超声振动的基本装置原理图，由超声波发生器输出的 高频交流电信号激振压电陶瓷片，将电能转变为超声频振动的机械能，而超声振 动系统产生的弹性振动纵向驻波，则通过高温工具杆直接耦合到金属熔体中。值 得一提的是，磁致伸缩换能器虽然电声效率较低，但其机械强度高，适应负载能 力强，允许工作温度和幅度数值都很高，稳定性好，在处理熔融金属，尤其是在 工业应用领域，占有特殊地位。 为了有效地把超声振动导入金属液，一般把换能器和变幅杆连接，再将振动 传递给各种不同加工用途的工具杆。超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器， 其作用是把机械振动的质点位移和速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积 上，即聚能作用。输入端与输出端的能量比值，决定于变幅杆和尺寸和形状。同 时，变幅杆可以用来匹配换能器和工作负载，并且在工艺及结构方面具有一定用 途。 传振工具杆也称二级变幅杆，由于直接和高温金属熔液接触，所以制作工具 杆的材料不仅要有较高的熔点和热稳定性，而且要有良好的高温声学特性、刚性 和疲劳强度。对于熔点高于6 0 0 的材料来说，高温及交变应力的共同作用会使 普通材质的工具杆迅速熔化。d o b a t k i n 和e s k i n 曾通过碳钢工具杆，使用声强为 7 - - - 2 0 w c r n 2 的超声波处理铝合金熔液，试验开始后碳钢棒迅速熔化。即使采用 c d 8 t i 9 钢，其寿命也仅是1 - - 2 分钟【37 1 。s t e r r i t t 的试验表明，镍基合金的工具杆 有较好的使用性能【l ，但仍无法满足处理钢铁的要求。1 9 世纪5 0 年代，在前苏 联黑色冶金科学研究院开展的试验中，就采用具有高耐热性和化学惰性的特殊材 料制成的工具杆处理高熔点金属液，但因为当时条件所限，这些振动装置的导入 效率是非常低的。8 0 年代，a b r a m o v 研制了水冷的变幅杆，现在这种水冷变幅 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 杆已经在处理铝合金熔液中得到成功的应用。国内学者赵忠兴通过模拟试验研究 了不同直径工具杆对同一铸件施振的作用效果【1 2 d 4 】。分析表明，工具杆尺寸和铸 件直径越接近，超声处理的效果就越好【2 1 1 ，但必须注意的是，杆径尺寸不能无 限制的增大，尺寸过大将会产生横波效应，影响加工效率与稳定性。 如图1 3 所示，将超声波传递给熔融金属的主要方式有【3 6 】：1 ) 振动构件与 锭模作为一体，通过锭模对熔体施振。2 ) 锭模与振动构件分离，通过浸入金属 液的工具杆对熔体施振。3 ) 依靠把永久磁场重合在感应炉的高频磁场上，抑制 并通过锭模的侧壁实现在熔融金属中产生振动。 c，0d口 图1 - 3 在熔融金属中不同方式的超声施振示意图 ( a ) 振动构件与锭模做成一体；( b ) 通过振动线圈使锭模产生弹性振动 ( c ) 超声波从底端导入金属熔体；( d ) 超声波从顶端导入金属熔体 在上述三种方式中，第一种方式，引振频率较低，超声衰减严重，处理效果 不理想。第三种方式可以调节超声处理的熔融金属温度，但试验支持还不够，可 行性尚待研究。第二中方式在生产试验中运用较多，处理方式灵活易控制，具体 包括工具杆从熔体顶部浸入和底部浸入两种形式。两种浸入方式各有其不足之 处，对于底端导入来说，由于振动构件和盛放金属熔液的模子相粘接，那么有一 部分超声振动不可避免的被模子吸收，这样振动效率就会降低，所以底端的金属 熔液超声处理效果很差，尤其对于重金属则需要用比顶端导入高出很多的振动强 度才能取得相同的效果。顶端导入简单方便，且效率比较高，但由于工具杆浸入 液面，施振时，超声波使合金液呈剧烈的振动状态，合金液面连续的氧化膜遭到 破坏，而这些破碎的氧化膜被振动的合金液从表面卷入到熔液的内部，结果形成 了严重的夹杂【2 2 1 。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 2 超声振动对结晶金属的作用效果 1 超声振动对熔融金属的除气作用 溶解于金属熔体中的气体对金属的机械性能和组织都有不良的影响，因此尽 可能地降低其在铸锭中的浓度具有重大意义。使用弹性振动处理熔体时，会显著 降低其中气体的含量 3 8 4 0 1 。 图1 - 4 ( a ) 真空超声除气装置；( b ) 超声处理铝熔体除气装置 图1 1 4 显示的是两种常见的超声处气装置，在常温下液体除气和熔融金属 除气机理是相同的。超声波在熔融金属中传波时会形成流体动力流和产生空化作 用。在低压范围内，溶解的气体是以小气泡的形式析出，随后即聚合起来凝聚成 较大的气泡，在达到一定大小后，即向表面移动，然后离开表面。熔融金属中的 动力流能促使液体金属中气体的排除。为了防止可逆过程：由空气中吸收气体， 必须用特殊的熔渣或用一层熔盐来保护液体金属的镜面。 表1 2 不同金属除气技术的除气效果对比 首先观察到弹性振动对熔融金属的除气作用是波义耳和泰勒，科留盖耳和考 斯曼两人也进行过类似的研究，之后还有海特尔。这些研究者的试验充分表明： 弹性振动对易熔金属及其合金具有有效的除气性。约翰和瑞思英盖尔两人取得了 利用弹性振动对熔融金属进行除气方法的专利权 4 0 1 。在试验中，振动源是频率 为1 0 0 2 0 0 k h z 的小功率压电式换能器，经过弹性振动处理，铸锭中的气孔和央 渣都显著有所减少。 7 中南人学硕士学位论文第一章绪论 的 o 2 、 m g k 芷 毽5 窿霉 曾口2 c j n 琶 压， k 0 , 0 8 遮暖掰 n 国s 垃鹏 氆e j 图1 - 5 ( a ) 超声处理a i m g 合金工业铸锭( 3 0 0 x1 7 0 0 6 0 0 0 m m ) 的除气效率 ( b ) 不同除气方式效果对比：1 氯盐除气，2 超声除气，3 动态真空除气，4 超声真空除气 在e s m a r c hw 进行了的纯铝和镁铝合金除气试验中，处理铸锭的质量为 8 1 0 k g 4 1 1 。试验发现，用功率为1 0 0 0 w 的发生器，当弹性振动的频率为1 0 l m z 时，在1 5 小时之内便可以使1 0 k g 的熔融金属完全除气。如图1 5 所示，他同 时指出，经过5 1 5 分钟弹性振动处理之后，铸锭中的气孔也会显著的下降，甚 至消除。在其著作中指出，只有将弹性振动导入温度超过液相线5 0 的熔融金 属中，并在整个试验过程中保持恒温，才能达到除气的效果。 霹 图l - 6 基于不同超声处理条件下的铸锭样品气孔分布 a 、未加超声处理，b 、超声施振3 0 s ，c 、超声施振2 r a i n 但是，在某些情况下，超声振动却不能良好地解决金属除气的问题。例如， 在处理非液体且已在结晶的熔融金属时，铸锭甚至可能出现较多的气孔。这与在 铸锭表面形成硬壳及熔融金属内部体积除气较完全有关系。h i e d e m a n ne 指出， 在没有用弹性振动处理过的一些钢锭的宏观试片上，都有很小的气孔，但它们占 的试片面积却比较经超声处理的铸锭中出现的较大气孔所占的面积小，因此，为 了更好发挥超声波的除气效应，最好处理如连续浇注金属所取得的铸锭 4 2 1 。这 点已被s e e m a n ne 的一些试验所证实【4 3 1 ，在他的试验中，铝合金铸锭中的宏观 气孔是通过频率为2 0 k h z 、具有较小强度( 2 w c m 2 ) 的超声振动作用处理熔融 金属的方法排除的。 此外，为了达到完全除气的目的，不仅需要金属过热，超声处理时间也是比 较重要的因素。只有在数十分钟，甚至更长时问的曝露下，才会大大地降低金属 巾气体的浓度。当超声处理的时f h j 很短时( 儿秒钟) ，一般不会使之显著地除气。 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 显然，当其他条件都相同时，熔融金属凝固的速度愈小，导入熔融金属中的弹性 振动的功率愈大，则除气程度愈高【3 6 】。 铀 “ 邀 豹 蝗 绫 弘 趔 碉 竣 竣 7 0 0 6 5 0 嘲6 0 0 静 囊5 5 0 5 0 0 冷鞠隧闯罐冷却聪阿，g冷坪孵阔，8 图1 7p b s b 、a 1 s i l 7 合金冷却曲线( a 未加超声，b 施加超声) 2 超声振动对金属凝固组织的影响 如图1 7 所示，超声振动会改变金属的凝固条件从而影响铸锭的凝固组织， 由金属凝固学理论可知，形成结晶核心愈快和晶粒增长的线性速度愈小，则金属 的组织愈细小，改变这两种参数就可以改变结晶过程。 图1 - 82 3 2 4 铝合金微观组织( a 未加超声，b 施加超声) 通过透明有机物在超声场中结晶的模拟试验发现，超声处理能使在过冷液体 中所产生的结晶核心数目急剧增加。在对金属的研究中，虽然无法用直接方法显 示出金属的结晶情况，但是，可以对铸锭的显微组织进行分析，许多研究人员把 在有机物溶液试验中所取得的成果应用到金属上来，图1 8 显示了在高于液相线 温度时用弹性振动处理金属的结果，铝合会晶粒组织明显细化 州。 田纳西州大学x j i a n ，h x u 等人采用不同施振方式和冷却方式对a 3 5 6 铝合 金进行了不同时间的超声处理，如图1 - 9 所示，与常规铸造相比，引入超声波能 够提高形核率，抑制柱状晶q - ：长，显著细化凝【直| 组织【引。k a p u s t i n ，b a g d a s a r o v ， t e u i m 对超声处理纯金属问题进行了详细的研究，试验结果表明在相同的超声功 0 中南人学硕十学位论文第一章绪论 率下，不纯金属的细化效果要明显好于纯金属。对纯锡来说，在1 2 0 w 的功率超 声作用下，细化率是2 0 ，而当加入o 5 的s i 后，当采用施振超声功率9 0 w 时， 晶粒细化率竟然达到了5 0 7 0 。 阳1f b 、i c t l。 ：。+ ， 。： ， 一， 一 。 。 。 二 一 。? 9 r 一? 。一j ? ? o j j d1 ，、 “一 _ 。 - r 一 _ j， ， ? 、 。 -j? 0 ，l 。 t_ 。 j 。f 。： 二 ”：， 9 ”：。+ ? ， ，j 、 ，。7 ，+、? 。- ， ，：“ ?一： 、一 。-。 。j。j 一- 。 。 ， 4 。，一。 ? j 7 j+， 。 。 ” 图1 - 9a 3 5 6 铝合金微观组织( a 未加超声，b 、c 施加超声) p e r e y a s l o v 和s a p o z h n i k o v 研究了超声施振对p b s n 合金( 含有1 0 1 2 w t s b ) 的组织，超声波由锭模底端导入，发现超声处理后的组织全为等轴晶组织。在 a b r a m o v 和f i l o n e n k o 对共晶s n c d ，s n p b ，s b p b 合金超声试验研究中，发现 振动能量过低时，无法打碎s n c d 和s n p b 中的规则共晶体；而振动能量过高时， 则导致出现不规则的组织，并且相的厚度增加。a b d e l r e h i m 研究了超声振动对 具有不同微观组织的二元a 1 c u 、b i c d 合金凝固过程的作用【2 1 2 2 1 ，超声波由顶 端导入，结果表明，这些二元合金重熔凝固后，组织明显细化。工业纯铅超声细 化效果也非常理想，而且细化程度随着浇铸温度的降低而增加，见图1 1 0 。 图1 1 0 工业纯铅显微组织a 未加超声( 4 5 0 。c ) ，b 施加超声( 4 5 0 。c ) ，c 施加超声( 3 5 0 。c ) e s k i n ，i r s i d 将超声振动施加于连铸过程中，用超声波处理a 1 s i 合金，也取 得了良好的效果4 5 1 。尤其是当变质处理和超声处理联合作用时，对s i 相的细化 作用更为显著，如图1 1 1 所示。 黼瓣 图1 1 1a i s i l 3 、a 1 s i l 7 合金微观组织( a 未加超声，b 施加超声) 国内方面，东北大学李英龙等人研究了全过程处理和结晶前超声处理对 a l s i 共晶和过共品合金铸造组织的影响 1 6 。试验结果表明，全过程超声处理能 1o 黼圈 中南人学硕十学位论文第一章绪论 促使共晶s i 相显著细化、断裂并呈粒状分布，断裂处有局部熔化现象，棱角变 钝。沈阳工学院赵忠兴等人采用底部导入方式对铝合金进行超声处理【2 1 - 2 2 ，同样 发现合金组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶组织或颗粒状组 织。中南大学冶金机械所对工业纯铝和高强铝合金的铸造试验研究也证实了超声 对凝固组织的细化作用。 豳豳黼 图1 - 1 2 工业纯铝及7 8 5 0 铝合金微观组织 ( 1 、工业纯铝，2 、7 8 5 0 铝合金，a 、未加超声，b 、施加超声) 对于超声波处理钢液的研究，a b r a m o v 使用超声波处理碳钢，超声振动使铸 态下u 8 和u 1 0 钢的晶粒尺寸从2 0 0 9 m 减小到2 5 5 0 9 m ；w 1 8 钢经超声处理后， 碳化物偏析明显减轻；同时发现钢中含碳量越高，超声处理的效果就越明显，对 于含碳量少于0 4 的亚共析钢进行超声处理的效果却就不太理想。而对s t 4 0 钢进行变质和超声联合处理时，不仅得到了晶粒细化的珠光体组织，而且也打碎 了铁素体网，这种组织和退火中碳钢的等轴组织很相似【4 6 1 。s h k h l 在铬钢半连铸 中，对熔体施加超声振动，结果大大减小轴向疏松和缩小铸坯柱状晶区，扩大等 轴晶区，使晶粒和碳化物尺寸缩小。其它类钢也表现出良好的超声处理性。超声 振动处理所有铁素体钢的试验结果表明，超声振动可以抑制柱状晶的生长，细化 宏观和微观组织，同时也改善了钢锭的均匀性。上海大学材料学院翟启杰等人对 t 1 0 钢的超声处理研究也发现了相同的规律。 嘲翅 麓函 图1 1 3t 1 0 钢微观组织及s e m 断口扫描照片 a 未加超声，b 、c 、d 施加不同功率的超声) 3 超声振动对金属机械性能的影响 金属组织的改变是弹性振动作用的结果，而机械性能的改变j 铸造材料组纵 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的改善有密切关系。在这方面做了很多研究工作，例如，在熔融金属结晶时，利 用超声振动可以把显著降低锑的脆性，提高其硬度。对杜拉铝则可以提高其硬度 和屈服极刚4 3 l ；而铝铜合金( 2 c u ，0 8 m g ，0 5 s i ) 的强度极限则可提高 2 0 , - - - 2 5 。a b r a m o v 曾经撰文专门阐述了超声处理对铁合金力学性能的影响【4 j ， 对于铸态亚共析碳钢，超声处理后强度提高2 0 - - - 3 0 ，塑性提高了3 0 一- - 4 0 ： 而过共析钢经超声处理后，