超声波处理对工业纯铝晶粒细化的影响

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0～600W(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。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，弥散的分布在熔体中，提高了生核率。同时功率增加超声波声压增加，声压与空化泡的临界半径存在以下关系[7]：式中：Rmin-一定声压条件下能产生声空化的最小气泡半径；σ-熔液的表面张力；Pm-声压幅值；Po-静压力。公式（l）中，σ、Po均可以看为恒量。声压越大，空化泡的临界气泡半径越小，则熔体中空化泡越多。声压与声强的平方根成正比，声强越大，则声压也越大。所以纯铝随着导入熔体的超声功率的增加，产生的空化泡增多，在超声空化的作用下使晶粒被打碎，从而使晶粒细化。3结论（1）合适的超声波空化处理时间对熔融金属液处理才会得到最大的铸锭细化率和细小的等轴晶。随着超声波处理时间的延长，晶粒细小，在超声波处理过程中是否存在周期问题还需进一步深入探讨。（2）超声波功率增加，晶粒细化，但在应用中应考虑实际情况，应选用最适宜功率以得到细小晶粒。（3）超声波能量对铝的晶粒的细化作用有一阈值。