超声波振动对Al-8.0%Cu合金抗裂性的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 3 7 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．j s s l l ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 6 ．0 0 9 超声波振动对A 1 8 ．o ％C u 合金抗裂性的影响 李军文1 ’2 ，郝政晔2 ’3 1 ．江南大学机械工程学院先进制造技术系，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ； 2 ．辽宁工业大学材料科学与工程学院，辽宁锦州1 2 1 0 0 1 ； 3 ．中国一拖集团有限公司铸造中心，河南洛阳4 7 1 0 0 4 摘要以A 1 一C u 合金为原材料，研究超声波对A l 一8 ．0 ％C u 合金热裂倾向性的影响。结果表明，金属熔体 经过超声波处理后．合金的抗裂力增大，热裂倾向明显降低，断口为沿晶断裂并且存在明显的液膜拉伸 痕迹。 关链词金属材料；A 1 8 ．0 ％C u 合金；超声波振动；金属熔体；热裂；断口 中国分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G 2 9 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 6 0 0 3 7 0 4 E f f e c to fU l t r a s o n i cV i b r a t i o no nC r a c kR e s i s t a n c eo fA l 一8 ．0 ％C uA l l o y L IJ u n - w e n l ．H A OZ h e n g y e 2 3 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，J i a n g n a nU n i v e r s i t y ，W u x i2 1 4 1 2 2 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM 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 ，L i a o n i n gU n i v e r s i t yo 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 ； 3 ．Y T OG r o u pC o r p o r a t i o n ，L u o y a n g4 710 0 4 ．H e n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no nh o tt e a r i n go fA 1 8 ．0 ％C ua l l o yi si n v e s t i g a t e dw i t hA 1 一C u a l l o ya sr a wm a t e r i a l ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l l o yc r a c kr e s i s t a n c ei si n c r e a s e db yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t i n t om e l t 。a n dt h eh o tt e a r i n gt r e n di sd e c r e a s e d ．T h ef r a c t u r es e c t i o ni so fi n t e r g r a n u l a rc h a r a c t e r i s t i c s a n dt r a c eo fs t r e t c h e dl i q u i df i l me x i s t sc l e a r l y ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1 8 ．0 ％C ua l l o y ；u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ；m e l t s ；h o tt e a r i n g ；f r a c t u r e 近年来，随着超声波技术的不断发展，超声波在 金属凝固方面得到了广泛的应用[ 1 。4 ] 。在轻金属凝 固过程中引入超声波振动，使凝固铸锭晶粒细化、组 织均匀，金属宏观及微观偏析均得到改善【5 1 ] 。热裂 是影响铸件品质的铸造缺陷之一，一直以来是铸造 工作者关注的热点。减轻铸件的热裂倾向对提高铸 件质量有很大帮助[ 8 。12 1 。 因此，以A l 一8 ．0 ％C u 合金为对象，利用超声波 对A 1 - 8 ．0 ％C u 合金熔体进行处理，在不同的温度 条件下进行浇注，并测定合金受阻收缩在热节部位 产生第一个热裂时的临界力及温度，以临界力衡量 合金的热裂倾向，并与没有进行超声波处理的试样 相比较，对比有无超声波处理的熔体凝固后试样热 裂倾向的大小，研究超声波对A 1 8 ．0 ％C u 合金热 裂倾向性的影响，并观察试样的热裂断口及宏观和 微观组织。 1试验方法 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中的相 同[ 1 3 ‘14 | ，由超声波发生器 最大输出功率1 5 0 W 、频 率2 5 k H z 、换能器、变幅杆、超声波探头、热裂倾向 仪、w Y J Q 1 型直流稳压电源、Z S X 无纸自动记录 仪、探头移动机构等组成。 基金项目教育部留学回国人员科研启动基金资助项目 2 0 0 7 1 0 6 7 ；辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 0 8 2 1 7 7 ；辽宁省教育厅创新团队 项目 2 0 0 8 1 2 2 4 ；江南大学科研启动基金资助项目 2 0 1 0 0 3 8 5 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。 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 1 一底座；Z ～加载螺钉；3 一马蹄形铁等；4 一传感器； 5 ～夹块；6 一拉杆；7 一砂型；8 一模型；9 一热电偶； 1 0 一浇口杯；1 1 一冷铁；1 2 一无纸记录仪；1 3 一稳压电源 图1 试验装置示意 F i g ．1 S c h e m eo fe x a m i n a t i o na p p a r a t u s 1 ．2 试验过程 试验所用的铝合金均采用9 9 ．7 ％工业纯铝铸 锭与各种母合金铸锭熔配而成。装入58 石墨坩埚， 熔化使用井式电阻炉，熔化过程中进行两次充分的 搅拌。浇注前用除气剂进行除气处理，然后对金属 熔体施加超声波振动，取出探头后将熔体浇入热裂 试样的砂型中。分别测出热裂发生时温度和抗裂力 值的大小，观察试样的宏观和微观组织，并对热裂断 口进行扫描。试验装置如图1 所示。宏观和微观组 织的观察位置如图2 中的竖线所示。 图2 热裂试棒中宏观组织的观察位置 F i g ．2S a m p l i n gp o s i t i o nf o rm a c r o s t r u c t u r e i nh o tc r a c kt e s tb a r 1 ．3 试验条件 超声波处理开始温度为T U 5 ，，一T L 5 0 ℃ 其 中T t 为A 1 8 ．0 ％C u 合金的液相线温度，等于 6 3 3 ．1 3 ℃ ；浇注温度分别为T ，，一T L 3 0 ℃和丁P 2 一T L 1 0 ℃，这期间为超声波处理温度区间。为了 对比超声波的影响效果，在同样条件下，浇注出未经 超声波处理的试样。 2 试验结果与讨论 2 ．1 宏观组织的观察 图3 为超声波对A l 一8 ．0 ％C u 合金热裂试样宏 观组织的影响。可以看出，未经超声波处理的试样 晶粒尺寸较粗大，而经超声波处理后，试样中存在有 较多的细小等轴晶，越趋向试样的右端其细化效果越 明显。另外，超声处理时间较长的图3 g 、图3 h 、 图3 i 一组，细化效果比前两者变得更为明显。 a ， b ， c 一分别为尢超芦泼处理的B ，C D 左侧组织试样} d ， e ， f 一分别为超声波处理的B ，C ，D 左侧组织试样，丁P 6 6 3 ℃； g ， h ， i 一分别为超声波处理的试样，B ．C ，D 左侧 的组织；T p 一6 4 3 ℃ 图3 超声波对A I - 8 ．0 ％C u 合金热裂试样 宏观组织的影响 F i g ．3 E f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no n m a c r o s t r u c t u r eo fA I 一8 ．0 ％C u A l l o yh o tc r a c kt e s tb a r 2 ．2 宏观断口的观察 图4 为热裂断口宏观观察。可以看到，图4 a 和图4 b 中，完整的柱状晶被拉断后呈现出散乱分 布的状态，随着超声波处理时间的延长，热裂断口逐 渐变为细小的等轴晶，杂乱分布的柱状晶观察不到。 a 一无超声波处理； b 一超声波处理，T p 6 6 3 ℃； c 一超声波处理，T P 一6 4 3 ℃ 图4A I 一8 ．0 ％C u 合金热裂断口宏观观察 F i g ．4M a c r o s c o p i co b s e r v a t i o no fA I - 8 ．O ％C u A l l o yh o tc r a c kf r a c t u r e 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年6 期 ．3 9 ． 2 3 热裂断口扫描分析 断裂，从形貌上可以看到完整的树枝晶。 图5 为热裂断口扫描图像。断口为典型的沿晶 a 一无超声波处理； b 一超声波处理，T P 一6 6 3 。C ； c 一超声波处理，T P 一6 4 3 “ C 图5A l - 8 ．0 ％C u 合金热裂断口扫描图像 F i g ．5 S E Mi m a g e so fh o tc r a c kf r a c t u r eo fA I - 8 ．0 ％C ua l l o y 对断口同一位置的观察如图6 所示。该组照片楚地看出，断口某处液态薄膜被拉断的痕迹。 为超声波处理的试样，T ，一6 4 3 。C 。从图6 可以清 图6 热裂断口中某处液膜被拉伸的S E M 像 F i g ．6S E Mi m a g e so fd r e wl i q u i df i l ms o m e w h e r ei nh o tc r a c kf r a c t u r e 2 ．4 冷却曲线 图7 为A l 一8 ．0 ％C u 合金热裂断口附近的温度 变化情况。可以看到，没有进行超声波处理试样的 冷却速度较慢，而经过超声波处理的两组试样的冷 却速度比较接近，而且与没有进行超声波处理试样 的冷却速度相比要快。这是由于超声波振动对金属 熔体作用的结果，刺激了金属熔体内的形核，使内部 形核率大幅度提高，凝固过程较早地进行，因而使金 属熔体冷速加快[ 1 5 _ 1 6 | 。 2 ．5 抗裂力 图8 为测得的A l 一8 ．0 ％C u 合金抗裂力曲线。 图9 为测得的A l 一8 ．0 ％C u 合金抗裂力值的大 小。从图9 可以看出，没有进行超声波处理试样的 抗裂力值较低 1 6 2N ，而经过超声波处理后试样 的抗裂力值明显增加，分别达到2 1 0N 和1 8 0N 。 因而，认为金属熔体经过超声波处理后，大大提高了 合金的抗热裂能力，减轻了合金发生热裂的可能性， 这对于获得健全的铸件 锭 来说，具有相当重要的 意义。 3结论 以A l 一8 ．0 ％C u 合金为研究对象，分析超声波 处理对合金热裂倾向性的影响。经过超声波处理后 的熔体，冷却速度比没有超声处理的合金要快，合金 万方数据 ．4 0 ． 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年6 期 p 、 越 赠 时问，s 图7A I - 8 ．O ％C u 合金热裂断口 附近的冷却曲线 F i g ．7C o o l i n gc u r v e so fn e a r b yt h eh o t c r a c kf r a c t u r eo fA l - 8 ．0 ％C ua l l o y a [ _ j ≯ r F ． ㈠ 牡b - 1 二＼一， V{ 二 入 ， 1k 二 童、 _ _ ■骞 ， { _ _ 一 ， } 扛一卜 骷 a 一无超声拔处理； b 一超声泼处理，7 _ 一6 6 3 ℃； c 一超声波处理，T p 一6 4 3 “ C 图8A I - 8 ．0 ％C u 合金抗裂力曲线 F i g ．8C o o l i n gc u r v e so fc r a c kr e s i s t a n c e o fA 卜8 ．0 ％C ua l l o y 的抗裂力增大，热裂的倾向性减小，断口为沿晶断 裂，并且存在明显的液膜拉伸痕迹。 参考文献 [ 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 l 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 y u l t r a s o n i cv 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 ] L iX ，L iT ，L iX ，J i nJ ．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 2 1 1 2 5 ． [ 3 ] N a j iM e i d a n iAR ，H a 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 1 一C ua l l o y m e l t s [ J ] ．JM a t e rP r o c e s sT e c h ，2 0 0 4 ，1 4 7 3 1 1 3 2 0 ． [ 4 ] X uH ，J i a nX ，M e e kT T ，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 s L e t t e r s ，2 0 0 4 ，5 8 3 6 6 9 3 6 7 3 ． [ 5 ] 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 f T r e a t m e n tc o n d i t i o n A 一无超声波处理；B 一超声波处理，T p 一6 6 3 ℃； C 一超声波处理．T P 6 4 3 ℃ 图9A i 一8 ．O ％C u 合金抗裂力值与 处理条件的关系 F i g ．9R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r a c kr e s i s t a n c ea n d t r e a t m e n tc o n d i t i o nf o rA I - 8 ．O ％C ua l l o y t 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 nt i t a n i u ma l l o 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 ． [ 6 ] A b d e l R e i h i mM ，R e i fW ．E f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s o nt h es o l i d i f i c a t i o n so fa l l o y sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e s [ J ] ．M e t a l l ，1 9 8 4 ，3 8 2 1 3 0 一1 3 2 ． [ 7 ] J i a 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 ，2 0 0 5 ，5 9 1 9 0 一1 9 3 ． [ 8 3 王业双，王渠东，丁文江，等．合金的热裂机理及其研 究进展口] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 0 2 4 8 5 0 ． [ 9 ] 郑贤淑，金俊泽．电磁铸造大板坯凝固过程中热裂纹萌 生机理分析[ J ] ．金属学报，1 9 9 5 ，3 1 B 1 1 5 1 1 5 1 7 ． [ 1 0 ] 曹禄华，丁浩．热裂纹的电子显微分析口] ．铸造技 术，1 9 9 7 1 4 7 4 8 ． [ 1 1 ] 丁浩，傅恒志，陈章容，等．凝固收缩补偿与合金的 热裂倾向[ J ] ．金属学报，1 9 9 7 ，3 1 A 9 9 2 1 9 2 5 ． [ 1 2 ] D a v i d s o nC ，V i a n oDL u ，L ，e ta 1 ．O b s e r v a t i o no f c r a c ki n i t i a t i o nd u r i n gh o tt e a r i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fC a s tM e t a l sR e s e a r c h ，2 0 0 6 1 5 9 6 5 ． [ 1 3 - IJ u n w e nL i ，M o m o n oT ．E f f e c to fd i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n tK 0o 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 e h n o l ， 2 0 0 5 ，2 0 4 2 0 2 2 0 7 ． [ 1 4 ] J u n w e nL i ，M o m o n oT ．E f f e c to fu l t r a s o n i co u t p u t p 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 s e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n [ J ] ．JM a t e rS c iT e e h n o l ， 2 0 0 5 ，2 1 1 4 7 5 2 ． [ 15 ] C a m p b e l lJ ．E f f e c to fv i b r a t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lM e t a l sR e v i e w s ，1 9 8 1 ，2 6 2 7 1 1 0 8 ． [ 1 6 3 刘清梅，龚永勇，侯旭，等．侧部导入超声处理对共 晶A l - S i 合金凝固特性的影响[ J ] ．中国有色金属学 报，2 0 0 7 ，1 7 2 3 0 8 3 1 2 ． No一毫竽百2 o；u量∞诱匣 万方数据