六氯乙烷预处理对超声波处理铸锭内气孔的影响.pdf

第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s v o l 6 1 ．N o ．1 F e b r u a r y2009 六氯乙烷预处理对超声波处理铸锭内气孔的影响 李军文1 ，一，曹力生3 ，贾征1 ，桃野 正2 1 ．辽宁工业大学材料与化学工程学院，辽宁锦州12 10 0 1 ； 2 ．国立室兰工业大学材料物性工学科，日本北海道室兰市0 5 0 ．8 5 8 5 ； 3 ．锦州师范专科学校物理系，辽宁锦州1 2 1 0 0 0 摘要研究六氯乙烷脱气剂对超声波处理铸锭内气孔的影响。结果表明，超声波处理的初期，添加六氯乙烷脱气剂的金属 熔体，超声脱气效果明显，随后与未添加六氯乙烷脱气剂的情况相比差异逐渐缩小，接近凝固时两者均会导致铸锭内气孔的增加。 添加脱气剂有助于改善后续的超声波除气效果。 关键词金属材料；铝合金；超声波；六氯乙烷脱气剂；气孔；铸锭 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T B 5 5 9 ；文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 3 7 0 4 众所周知，高能超声波具有独特的声学效果，在 金属凝固过程中，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， 同时铸锭的宏观及微观偏析也得到了改善【l - 5J 。 可是，对于超声波处理的铸锭，在获得全部等轴晶的 同时，往往观察到在铸锭内部存在气孔，如图1 所 示。这样一来，就使材料的机械性能大为降低。无 气孔和缩孔的高质量金属的生产，在冶金、铸造领 域，是非常重要的问题。在超声波振动处理的铸锭 中，如何减少和防止气孔的形成方面的相关研究目 前还比较少L 6 _ 1 0 J 。 对于铝合金来说，传统的脱气方法有真空处理 法、吹入惰性气体法、脱气剂添加法、稀土储氢法等。 前苏联曾经报道过有关超声波脱气的研究内 容[ 1 1 - 12 | 。最近，美国的橡树岭国家实验室以及加 拿大研究人员，也就大气湿度、金属熔体温度和熔体 体积对超声波脱气的影响进行了研究[ 1 3 ．1 4 】。超声 波处理法作为环保经济的方法，已经受到广泛关注。 因此，研究添加与不添加六氯乙烷 C 2 0 6 脱气剂对 超声处理铸锭气孔生成的影响，分析六氯乙烷脱气 剂对超声波处理铸锭气孔影响的原因【1 5 ．1 6 ] 。 收稿日期2 0 0 6 1 2 1 8 基金项目教育部留学回国人员科研启动基金资助项目；辽宁省自 然科学基金资助项目 2 0 0 8 2 1 7 7 ；辽宁省教育厅科研基 金资助项目 2 0 0 5 L 1 8 6 ；日本文部省国立大学研究活性 化支援经费资助项目 作者简介李军文 1 9 6 9 一 ，男，辽宁锦州市人，教授，博士，主要从 事超声波冶金铸造及金属基复合材料等方面的研究。 1实验方法 1 ．1 超声波振动处理装置 超声波振动处理装置与以前报道的相 同[ 1 7 1 引，由超声波发生器 最大输出功率1 5 0 W 、频 率2 7 ．5 k H z 、镍磁致伸缩换能器、4 5 号钢变幅杆、 金属陶瓷质探针 P r o b e 、石墨坩埚、自动测温装置 和探针移动机构等组成。 图1 利用浸透探伤法观察到的 超声波处理铸锭内气孔 F i g ．1O b s e r v e dp o r o s i t yo fu l t r a s o n i c a l l yt r e a t e di n g o t b yi n f i l t r a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d 1 ．2 试验过程 所用的舢．1 ．6 5 ％S i 和A 1 ．2 ％C u 合金分别采用 9 9 ．7 ％的工业纯铝铸锭与趾．2 4 ．4 ％S i 和灿． 3 9 ．2 2 ％C u 的母合金铸锭熔配而成。熔化采用角型 电阻炉，熔化过程中对金属熔体进行充分的搅拌。 浇注之前用六氯乙烷脱气剂 熔体质量的1 ％ 进行 预处理脱气，然后浇人石墨坩埚。 当熔体温度下降到每种合金的液相线T L 之上 万方数据 有色金属第6 1 卷 4 0 ℃时，开始对熔体进行超声波处理，探针浸入深度 为1 0 r a m ，施加一定时间后，从熔体中迅速拉出探 针。这里，A 1 ．1 ．6 5 ％S i 合金与舢．2 ％C u 合金的液 相线T L 分别为6 4 9 ．5 1 2 和6 5 3 ．6 1 2 ，固相线T s 分 别为5 7 7 ℃和6 2 0 ．6 ℃。 利用阿基米德法分别测出各铸锭的密度值，并 把实验后的金属铸锭，沿着纵向一分为二，研磨并抛 光，分别观察宏观组织和微观组织。基本试验条件 如表1 所示。 表1 试验条件 T a b l e1 E x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 项目条件 超声波功率／W 超声波频率A d - I z 浇注温度／1 3 超声开始加入的熔体温度／℃ 石墨坩埚的温度P C 超声波探针的预热温度／1 3 超声波探针的插入深度／r a m 超声波处理时间／s 7 5 2 7 ．5 7 3 0 T L 4 0 5 0 0 R ．T ． 1 0 6 0 ，1 2 0 ，2 4 0 2 试验结果与讨论 2 ．1 脱气剂预处理对A I ．1 ．6 5 ％S i 合金的影响 为了考察脱气预处理有无的影响，在超声波处 理金属液之前，分别没有使用或使用六氯乙烷系脱 气剂进行预处理。图2 表示～一1 ．6 5 ％S i 合金，在有 无脱气处理的情况下，超声波振动处理时间与铸锭 密度之间的关系。 鼍 誊 善 芎 篁 图2 超声波处理时间与A I ．1 ．6 5 ％S i 铸锭密度之间的关系 F 培．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i cv i b r a t i o na p p l i c a t i o n t i m ea n dA l - 1 ．6 5 ％S ia l l o yi n g o td e n s i t y 从图2 可以看出，未施加超声波振动时，添加脱 气剂试样的密度大于没有添加脱气剂试样的密度， 也就是说，添加脱气剂试样的含气量要大大低于没 有添加脱气剂试样的含气量。 施加超声波振动后，添加脱气剂的试样比没有 添加脱气剂的试样，在施加超声波振动的初期，表现 出显著的差别，随着超声波处理时间的增加，两者间 的密度差逐渐消失，在超声波处理时间达到1 2 0 ～ 1 8 0 s 的时间段，得到几乎一致的脱气效果。当超声 波处理时间达到2 4 0 s 时，由于铸锭已经处于凝固末 期，两者均表现出较低的脱气效果。有关温度方面 的试验数据详见表2 。由表2 可以看出，当采用超 声波进行脱气时，熔体中要有大量的液相存在，而且 施加的时间要适当，才能获得良好的脱气效果。 表2 对于A 1 ．1 ．6 5 ％S i 超声波开始加入 与停止时的熔体温度 T a b l e2T e m p e r a t u r eo fm e l tA I ．1 ．6 5 ％S if o ru l t r a s o n i c p r o b ei m m e r s i n ga n dw i t h d r a w i n g 2 ．2 脱气剂预处理对A 1 ．2 ％C u 合金的影响 图3 表示在有无脱气剂处理的情况下，对于～． 2 ．0 ％C u 合金，超声波处理时间与铸锭密度之间的 关系。从图3 可以看出，没有添加脱气剂试样的密 度与添加脱气剂试样的密度两者具有相同的变化趋 势，即随着超声波振动时间的增加，密度值开始呈现 上升的趋势，达到1 2 0 s 时，两者均达到最大值，然后 随着超声波振动时间的增加，密度值开始逐渐下降。 另外，添加脱气剂试样的密度值要高于没有添加脱 气剂试样的密度，说明事先用六氯乙烷脱气剂进行 预处理，会增进后来的超声波除气效果。其基本道 毫 营 著 l 蚤 图3 超声波处理时间与A 1 ．2 ％C a 铸锭密度之间的关系 №．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i cv i b r a t i o na p p l i c a t i o n t i m ea n dA I 一2 ％C ua l l o yi n g o td e n s i t y 万方数据 第1 期李军文等六氯乙烷预处理对超声波处理铸锭内气孔的影响3 9 理同前述，同样表3 列出了A 1 2 ．0 ％C u 合金超声波 开始加入与停止时的熔体温度。当探针拉出时，可 以看到熔体已经大部分凝固。可见，只有合适的超 声波处理时间，才能获得更加致密的金属铸锭。 表3 对于A 1 ．2 ％C u 超声波开始加入 与停止时的熔体温度 T a b l e3M e l tt e m p e r a t u r ew h e nu l t r a s o n i cp r o b e i m m e r s i n ga n dw i t h d r a w i n gf o rA 1 2 ％C u 2 ．3 脱气剂对超声波处理铸锭气孔影响的原因 图4 为脱气剂对超声处理铸锭气孔生成的影响 分析图。上排图为添加脱气剂的情况，下排为未添 加脱气剂的情况，t 1 t 2 t 3 t 4 。对比上下两排 图可以看出，对于添加脱气剂的情况，经过脱气剂的 预处理后，金属熔体内的气体含量已经大为减少，之 后，再经过超声波处理，由于在熔体内产生大量的发 达空化气泡，而且这时的空化气泡处于不断地脉动 状态，并以极快的速度在熔体内无序地运动 着u 9 - 2 0 ] 。因而，熔体中的融解气体大多被这些空 化气泡所捕获，并上升带到熔体表面而逸出，从而达 到净化脱气的效果。相反，对于未添加脱气剂的情 况，由于缺少脱气剂的预处理，熔体内残存的气体较 多，给后来的超声波除气也带来了困难。 1 一脱气剂；2 一熔体中气体；3 一脱气剂产生的气泡；4 一超声波探针； 5 一空化气泡；6 一脉动着的空化气泡；7 一熔体中残存的气泡 图4 脱气剂对超声处理铸锭气孔生成的影响 №．4E f f e c to fd e g a s s e ro np o r o s i t yf o r m a t i o no fu l t r a s o n i c a l l yt r e a t e di n g o t 3 结论 对于A l 一1 ．6 5 ％S i 合金，采用脱气剂进行预处 理比未用脱气剂进行预处理，在施加超声波振动的 初期，表现出显著的差别，在超声波振动处理时间为 1 2 0 ～1 8 0 s 的时间段，得到几乎一致的脱气效果，而 到达凝固末期，两者均表现出较多的含气量。对于 参考文献 A l - 2 ．0 ％C u 合金，当超声波振动处理时间为1 2 0 s 时， 铸锭的密度值达最大，当超声波振动处理时间为2 4 0 s 时，两者的含气量均呈增加的趋势，但是未经脱气剂 预处理的铸锭密度下降得更快。有无脱气剂的预处 理，对铝熔体的最终气体含量存在着较大的影响。脱 气剂的添加有助于改善后续的超声波除气效果。． [ 1 ] J i a nX ，M e e kTT ，H a nQ ．R e f i n e m e n to fe u t e c t i cs i l i c o np h a s eo fa l u m i n u mA 3 5 6a l l o yu s i n gh i g h i n t e n s i t yu l t r a s o n i c v i b r a t i o n [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ．2 0 0 6 ，5 4 5 8 9 3 8 9 6 ． ‘ [ 2 ] J h nX ，X uH ，M e e kTT ，e ta 1 ．E f f e c to fp o w e ru l t r a s o u n do ns o l i d i f i c a t i o no fa l u m i n u mA 3 5 6a l l o y [ J ] ．M a t e r i a l sl e t t e r s ， 万方数据 有色金属 第6 1 卷 2 0 0 5 。5 9 1 1 9 0 1 9 3 ． [ 3 ] E s k i nGI ，S i n y a v s k i iVS ，U s o v aVV ．R e g u l a r i t i e so ft h ei n t e n s i f y i n ge f f e c to fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tO i lt i t a n i u ma l b yp i c k l i n g [ J ] ．P r o t e c t i o no fM e t a l s ，2 0 0 3 ，3 9 6 6 1 4 6 2 3 ． [ 4 ] A b r a r n o vV0 ，A b r a m o vOV ，S t r a u m a lBB ，e ta 1 ．H y p e r e u t e c t i eA 1 一S ib a s e da l l o y sw i t hat h i x o t r o p i em i c r o s t r u c t u r ep r o ． d u e e db yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t [ J ] ．M a t e r i a l s D e s i g n ，1 9 9 7 ，1 8 4 3 2 3 3 2 6 ． [ 5 ] L ixT ，L iTJ 。L ixM ，e ta 1 ．S t u d yo fu l t r a s o n i cm e l tt r e a t m e n to nt h eq u a l i t yo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s l yc a s tA I 一1 ％S ia l l o y [ J ] ．U l t r a s o n i c sS o n o c h e m i s t r y ，2 0 0 6 ，1 3 1 1 2 1 1 2 5 ． [ 6 ] 大泽嘉昭，佐藤彰，生井亨，等．超声波振动向金属熔体的加入方法及对其凝固组织的影响[ J ] ．铸物，1 9 9 3 ，6 5 4 2 8 8 2 9 3 ． 日文 [ 7 ] 大泽嘉昭，荒金吾郎，高森晋，等．超声波振动对铸铁凝固组织的影响[ J ] ．铸物，1 9 9 5 ，6 7 5 3 2 5 3 3 0 ． 日文 [ 8 ] 大泽嘉昭，荒金吾郎，高森晋，等．超声波振动对铝合金晶粒细化的影响[ J ] ．铸造工学，1 9 9 9 ，7 1 2 9 8 1 0 3 ． 日文 [ 9 ] 大泽嘉昭，高森晋，荒金吾郎，等．超声波振动引起的～一s i 合金固液两相区初晶形态的变化[ J ] ．铸造工学，2 0 0 0 ，7 2 3 1 8 7 1 9 2 ． 日文 [ 1 0 ] 大泽嘉昭，佐藤彰．超声波振动引起的凝固组织的细化[ J ] ．铸造工学，2 0 0 0 ，7 2 1 1 7 3 3 7 3 8 ． 日文 [ 1 1 ] A b r a m o vOV ．U l t r a s o u n di nL i q u i da n dS o l i dM e t a l s [ M ] ．B o c aR a t o n C R CP r e s s ，1 9 9 4 2 7 5 2 8 7 ． [ 1 2 ] F ．s k i nGI ．U l t r a s o n i ct r e a t m e n to fh g h ta l l o ym e l t s [ M ] ．A m s t e r d a m G o r d o na n dB r e a c hS c i e n c eP u b l i s h e r s ，1 9 9 8 6 5 1 0 9 ． [ 1 3 ] N a j iM e i d a n iAR ，H s s a nM ．As t u d yo fh y d r o g e nb u b b l eg r o w t hd u r i n gu l t r a s o n i cd e g a s s i n go fA I C ua l l o ym e l t s [ J ] ．J M a t e rP r o c e s sT e c h 。2 0 0 4 ，1 4 7 2 3 1 1 ～3 2 0 ． [ 1 4 ] X uH ，J i a nX ，M e e kTT ，e ta 1 ．D e g a s s i n go fm o l t e na l u m i n u mA 3 5 6u s i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o n [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 4 ， 5 8 2 1 3 6 6 9 3 6 7 3 ． [ 1 5 ] J u n w e nL i ，T a d a s h iM o m o n o ，Y o s h i n o r iT a y u ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tt Od e g a s s i n go fm e t a li n g o t s [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 8 ，6 2 2 5 4 1 5 2 4 1 5 4 ． [ 1 6 ] 李军文，桃野正．超声波振动处理铸锭的气孔生成及其防止[ C ] ／／E l 本铸造工学会第1 4 2 回全国讲演大会论文集．东 京早稻田大学，2 0 0 3 4 2 4 3 ． E t 文 [ 1 7 ] J u n w e r tL i ，TM o m o n o ．E f f e c to fd h t f i b u t i o nc o e f f i c i e n tK Oo nt h es t r u c t u r eo fu l t r a s o n i ci n g o t sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o y s [ J ] ．M a t e rT e c h n o l ，2 0 0 5 ，2 0 4 2 0 2 2 0 7 ． [ 1 8 ] J u n w e nL i ，T a d a s h iM o m o n o ．E f f e c to fu l t r a s o n i co u t p u tp o w e ro nr e f i n i n go fc r y s t a ls t r u c t u r e so fi n g o t sa n di t se x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n [ J ] ．JM a t e rS c i T e c h n o l ，2 0 0 5 ，2 1 1 4 7 5 2 ． [ 1 9 ] 阿格拉纳特．超声波工学与应用技术[ M ] ．日苏通信社新日本铸锻造协会联合出版，1 9 9 1 1 9 7 2 0 3 ． E t 文版 [ 2 0 ] A b r a m o v O V ．超声波场内的金属凝固[ M ] ．日苏通信社新日本铸锻造协会联合出版，1 9 7 5 1 2 8 1 3 2 ． 日文版 E f f e c to fH e x a c h l o r o e t h a n eP r e t r e a t m e n to nP o r o s i t yF o r m a t i o no fU l t r a s o n i c a l l yT r e a t e dI n g o t s 、LI J u n ．t 蝴1 ，C A OL i ．s h e n 9 3 ，儿AZ h e n 9 1 ，M O M O N OT a d a s h i 2 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a la n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，J i n z h o u1 2 1 0 0 1 ，L i a o n i n g ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，M u r u r a nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，M u r o r a n0 5 0 8 5 8 5 ，J a p a n ； 3 ．D e p a r t m e n to f P h y s i c s ，J i n z h o uT e a c h e r ’5T r a i n i n gC o l l e g e ，J i n z h o u1 2 1 0 0 0 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fh e x a c h l o r o e t h a n ed e g a s s e rp r e t r e a t m e n to np o r o s i t yf o r m a t i o ni nu l t r a s o n i ci n g o ti si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e g a s s i n ge f f e c ti so b v i o u s l yi m p r o v e di ni n c i p i e n ts t a g eo fu l t r a s o n i ct r e a t m e n t f o rp r e t r e a t m e n tu s i n gh e x a c h l o r o e t h a n e C 2 C 1 6 d e g a s s e r ．T h ed i f f e r e n c eo fd e g a s s i n ge f f e c tb e t w e e nt h es p e c i m e n sw i t ha n dw i t h o u th e x a c h l o r o e t h a n ed e g a s s e rp r e t r e a t m e n ti sg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e u l t r a s o n i ct r e a t m e n tt i m e ．T h ep o r o s i t yi nb o t hs p e c i m e n sw i t hu l t r a s o n i cd e g a s s i n gi si n c r e a s e di nf i n a ls t a g eo f s o l i d i f i c a t i o n ．T h ed e g a s s e ra p p e n d i n gm a k e sa ni m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt ot h ee f f i c i e n c yo fu l t r a s o n i cd e g a s s i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u ma l l o y ；u l t r a s o n i c ；h e x a c h l o r o e t h a n ed e g a s s e r ；p o r o s i t y ；i n g o t 万方数据