各种因素对铝合金超声波铸锭等轴晶占有率的影响.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 5 ．0 1 1 各种因素对铝合金超声波铸锭等轴晶占有率的影响 李军文1 ’2 ，桃野正2 ，何丽娜 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 ．国立室兰工业大学材料物性工学科，日本室兰市0 5 0 - 8 5 8 5 摘要以超声波探针顶上导入方式为例，讨论了金属熔体、超声波参数、探针和铸型等一系列因素对铝合 金铸锭等轴晶占有率的影响，并对超声细晶机理进行了探讨。结果表明金属超声铸锭的细化能力与自 身的化学成分有关；随着超声波功率和处理时间的增加，等轴晶占有率提高，但是增加到一定峰值后开 始下降；超声波探针应置于液面对称中心的位置，且浸入较小深度为宜；对于不同体积的铸型，存在一个 最佳的径高比。 关键词超声波；铝熔体；铸锭；等轴晶占有率；影响因素 中图分类号T G l 4 6 ．2 1文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 1 I 0 5 0 0 4 2 一0 5 E f f e c to fV a r i o u sF a c t o r so n A l l o yI n g o t E q u i a x e dG r a i nO c c u p a n c yo fA l u m i n u m b yU l t r a s o n i cV i b r a t i o n L IJ u n - w e n l ～，J I AZ h e n 9 2 ，M O M O N OT a d a s h i l 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 。C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to 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 ，M u r o r a nI n s t i t u t eo fT 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 A b s t r a c t T h ee f f e c t so fav a r i e t yo ff a c t o r si m p a c t i n gt h es o l i d i f i e ds t r u c t u r eo fa l u m i n u ma l l o yi n g o t ， w h i c hi n c l u d e dt h ec o m p o n e n ta n dt h ev a r i e t yo fm e t a lm e l t ，t h eu l t r a s o n i cp a r a m e t e ra n dt h ep o s i t i o no f p r o b e ，t h es h a p ea n dt h ev o l u m eo fm o u l d ，w e r ed i s c u s s e do nt h ec o n d i t i o n so fu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o n w h e r et h ep r o b ew a sf r o mt h em e t a lm e l tt o p ．T h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cr e f i n e m e n tw a sa l s od i s c u s s e d ． T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea b i l i t yo fr e f i n i n gm e t a li n g o tb yu l t r a s o n i cv i b r a t i o nr e l a t e dt ot h ec o m p o n e n to fm e t a lo ra l l o y si t s e l f ．W i t ht h ei n c r e a s eo fu l t r a s o n i cp o w e ra n du l t r a s o n i cd u r a t i o n ，t h ee q u i a x e d g r a i no c c u p a n c yi n c r e a s e du n t i li tr e a c h e dac e r t a i np e a kv a l u e ．I no r d e rt oo b t a i nt h eb e t t e rr e f i n e m e n te f f e c t i v e n e s s ，t h ep o s i t i o no fa nu l t r a s o n i cp r o b es h o u l db ea tt h es y m m e t r yc e n t e ro fm e l ta n dh a sas m a l li n s e r t e dd e p t h ．T h e r ea r eo p t i m u mD ／Hr a t i o sf o rd i f f e r e n tv o l u m e t r i cc a s t i n gm o u l d ． K e yw o r d s U l t r a s o n i c ；A l u m i n u mm e l t ；I n g o t ；E q u i a x e dg r a i no c c u p a n c y ；I n f l u e n c ef a c t o r 在铝熔体中加入超声波可以产生非线性效果， 如空化作用、声流、乳化作用和放射压，因而，超声 波被用来细化微观组织、减小偏析、改善次生相的组 织和分布‘卜2 j 。本文从细化晶粒角度出发，结合大 量试验结果，把影响超声细晶的因素分为内因 金属 熔体 和外因 超声探针、铸型 。概括并总结了金属 铸锭晶粒细化的最佳超声波振动条件，并对超声细 化机理进行了探讨。 基金项目教育部留学网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 I 江南大学科研启动基金 2 0 1 0 0 3 8 5 作者简介李S X 1 9 6 9 - - ，男，辽宁锦州人，工学博士。教授． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 4 3 1试验方法 1 ．1 超声波振动处理装置 超声波处理装置与以前报道的相同[ 3 ] ，它由超 声波发生器 最大输出功率1 5 0W 、频率2 5k H z 、 探针、粘土一石墨坩埚、温度自动记录装置、探针移动 机构等组成。 1 ．2 试验程序 试验所用的铝合金均采用纯度9 9 ．7 ％的工业 纯铝与各种中间合金铸锭熔配而成。熔化采用角型 电阻炉，熔化过程中，对熔体进行2 次充分搅拌。浇 注前用六氯乙烷块进行除气处理，再浇入粘土一石 墨坩埚。 葶 咨 C 矗 4 云 g C 芒 口 口 ∞ 蔷 ‘暑 口 山 A l l o y i n gc o n t e n t ，％ 超声波处理时，先让探针从上方浸入液面，然后 对熔体施加一定时间的超声波后，立即取出探针。 把得到的铸锭，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，测定铸锭的等轴晶占 有率。 2 试验结果与讨论 2 ．1 内因的影响 2 ．1 ．1 合金成分 定义铸锭等轴晶占有率为在铸锭宏观组织中， 等轴晶所占的面积与整个铸锭断面面积之比。图1 为超声波处理条件下，合金成分与铸锭等轴晶占有 率之间的关系。其中K 。为溶质平衡分配系数] 。 00 ．20 ．4 0 ．6 0 ．81 ．0 舢o y i n gc o n t e n t ／％ 图1 超声波处理条件下合金成分与等轴晶占有率之间的关系 F i g ．1 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na l l o yc o m p o s i t i o na n de q u i a x e dg r a i no c c u p a n c yu n d e ru l t r a s o n i cv i b r a t i o n 由图1 可看出，等轴晶占有率随着合金成分的 增加而增加。这是由于随着合金成分的增加，熔体 中溶质含量也相应增加，这样就使熔体中的脆弱点 处增加，如金属间化合物、非金属夹杂物、双薄膜， 那么，发生空化效应的机会大大增加；另一方面，随 着合金成分的增加，固一液界面的生长方式由平滑 界面向胞状乃至树枝状转变F s J ，因此，细小的二次及 三次枝晶很容易被声流的搅拌作用所破碎、折断，并 被分散到整个熔体中，使凝固后铸锭中的等轴晶区 增加。 2 ．I ．2 分配系数K 由图1 可看出无论是K 。 1 的合金，等轴晶占有率均随着 1 一K o 绝对值的 增加而增大。由于随着 1 一K 。 绝对值的增加，在 枝晶的根部产生溶质的富集或缺乏，使根部变细而 容易被折断。所以，综合以上结果，可以认为等轴晶 占有率和C 0 与 1 一K 。 绝对值的乘积成正比。 2 ．I ．3 熔体温度 2 ．1 ．3 ．1 浇注温度 浇注温度分别选择8 1 0 ℃、7 4 5 ℃、7 0 0 ℃，并 在液相线以上1 0 ℃开始对熔体进行4 0S 的超声波 处理，对应的等轴晶占有率分别为3 0 ％、6 3 ％和 7 0 ％。可以看出等轴晶占有率随着浇注温度的升 高而呈大幅下降趋势，这表明浇注温度对等轴晶占 有率有很大的影响。由于浇注温度高，有大量热量 被铸型所吸收，使铸锭的冷却速度缓慢，熔体保持液 态的时间变长，即使对熔体施加超声波振动后产生 了新晶核。那么也会被熔体内存在的热起伏所重熔， 使熔体中的形核数量减少，导致凝固组织的粗化。 然而，在较低浇注温度条件下，铸型释放出来的热量 少，重熔的晶核数目也大为减少，并且由于很快将发 生凝固，使凝固组织容易细化。 ∞ 鲫 砷 鲫 舯 。 字、3c_4云uo丘芒口葛c|I鲁山 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 2 ．1 ．3 ．2 超声波开始施加时的熔体温度 ．选用A l 一1 ．0 ％C u 合金，当熔体温度分别达到 8 3 2 ．8 ℃、8 0 6 ．2 ℃、7 2 8 ．2 ℃和6 7 2 ．0 ℃时，对熔体 施加1 0 0S 的超声波，等轴晶占有率分别为3 6 ％、 5 1 ％、5 9 ％和6 9 ％。可以看出等轴晶占有率随着 超声波开始施加时的熔体温度的提高而呈下降趋 势。其原因主要是由于熔体内发生了晶核重熔，而 使形核率降低，凝固后柱状晶区相应地扩大。 2 ．2 外因的影响 2 ．2 ．1 探针方面 2 ．2 ．1 ．1 超声波功率 图2 为超声波功率与3 种溶质含量均为1 ％的 铝合金铸锭等轴晶占有率之间的关系。 孚 分 品 宝 8 0 ．量 芒 口 i 蒿 。三 占 0搿’1 0 01 5 0 U l t r a s o n i co u t p u tp o w e r lW 图2 超声波功率与等轴晶占有率之间的关系 F i g ．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 co u t p u t p o w e ra n de q u i a x e dg r a i no c c u p a n c y 可以看出当超声波功率较低时，等轴晶占有率 也较低。A 1 一C u 合金和A 1 一M n 合金在功率为1 2 0 W 时，等轴晶占有率达到最大，功率继续增加至1 5 0 W 时，则呈下降趋势；对A l S i 合金来说，随着功率 的增加，等轴晶占有率始终呈现增加趋势，但是，可 以预测这种趋势会和前两种合金一致，即达到某一 峰值后开始呈现下降趋势。这是由于随着超声波功 率的增大，在熔体内产生了较强的热效应，使冷却速 度下降，有些已经形成的小枝晶发生了重熔，导致凝 固后等轴晶区减少。 2 ．2 ．1 ．2 超声波处理时间 图3 为超声波处理时间与等轴晶占有率之间的 关系。当超声波处理时间从6 0S 延长到1 2 0S 时， 三种金属或合金的等轴晶占有率都急剧增加；当超 声波处理时间达到1 8 0S 时，纯铝的等轴晶占有率 达到峰值，之后开始呈现下降趋势，这与随着超声波 处理时间的增加，熔体内产生了很强的热效应有关。 另外，两种A I - S i 合金的等轴晶占有率则呈现缓慢 增加的趋势。由于试验条件所限，可以预测当功率 大于1 5 0W 时，这种增长趋势会达到某一峰值，之 后则由于超声热效应导致等轴晶占有率下降，即三 者会表现出一致的变化趋势。而至于纯铝峰值点的 出现早于合金，这和纯金属与合金的凝固前沿的形 状不同有关。因此，认为超声细晶作用不但来自于 刺激金属熔体的动态形核，而且还与声流对初生晶 具有搅拌、破碎作用有关[ 6 ] 。所以，出现纯金属与合 金两者的等轴晶占有率峰值点的不同。 1 0 01 5 0 2 K l t l m ∞n i cd u r a t i o n T S 图3 超声波处理时间与等轴晶占有率 之间的关系 F i g ．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 cd u r a t i o n a n de q u i a x e dg r a i no c c u p a n c y 2 ．2 ．1 ．3 探针位置 2 ．2 ．1 - 3 ．1 水平位置变化 为了考察探针位置对于细化能力的影响，我们 改变探针的位置进行了一系列试验。图4 为探针在 水平方向上偏离铸型对称中心的距离 偏距 与等轴 晶占有率之间的关系。本试验条件下，当探针位于 铸型的对称中心时，偏距为0m m ；当探针碰到铸型 内壁时，偏距为2 0m m 。对三种铝合金来说，随着 偏距的增加，等轴晶占有率下降。 2 ．2 ．1 ．3 ．2 垂直位置变化 以A l 一2 ．0 ％S i 合金为例，当探针沿着铸型的 对称中心线方向作上下移动时，当探针浸深分别为 5 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 及7 0m m 时，等轴晶占 有率分别为 ％ 8 2 、7 8 、7 5 、6 1 、6 2 、5 9 、5 4 、5 1 、5 6 。 可见，等轴晶占有率呈现出下降的趋势。 ∞ ∞ 砷 ∞ 册 。 母、分c矗AjoD6 cIl亡口口。蔷一叮山 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 4 5 零 、 咨 t - 君 g ．量 芒 o ’ 勺 要 ．受 导 山 051 01 S 2 0 H o r i z o n t a Il o c a t i o no ft r a n s d u c e r ／m m 图4 探针偏距与等轴晶占有率之间的关系 F 喀4R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o b es e t o v e ro n h o r i z o n t a ld i r e c t i o na n de q l I i a 确e dg r a i no c c u p a n c y 分析以上探针位置影响的两种情况，认为等轴 晶的多少与熔体内声流作用区域有关。当探针的偏 距或浸深增加时，都会导致熔体内声流作用范围的 减小[ 7 ] ，因而表现在铸锭凝固组织中的等轴晶区域 变小。浸深7 0m m 时出现的等轴晶占有率略有回 升是由于随着探针浸深的增加，整个铸锭的有效断 面面积减小的缘故。 2 ．2 ．2 铸型方面 2 ．2 ．2 ．1 径高比 D ／H ，D 一铸型直径；H 一铸型高 度 浇注温度选择7 5 0 ℃，熔体浇入不同径高比的 水玻璃砂型中，探针浸深均为5m m ，处理时间均为 4 0s ，这里应该注意的是要保证各铸锭的冷却速度 一致，舍弃冷速不一致的铸锭，那么，试验结果如图 5 所示。 从图5 可看出，三种不同体积的铸型均具有一 致的变化趋势。对于体积分别为8 0 和1 2 0c m 3 的 铸型，当铸型的D ／H 0 ．7 时，等轴晶占有率达到最 大；而体积为2 0 0c m 3 的铸型，当D ／H 2 ．0 时，等 轴晶占有率达到最大。同时，还可以看出对于具有 相同D ／H 比而体积不同的铸型来说，随着铸型体积 的增大，等轴晶占有率呈下降的趋势。 2 ．2 ．2 ．2 断面复杂程度 取铸型的D ／H 比为定值 均为0 ．9 6 ，铸型形 状分别选取园柱体、长方体、园锥台 上大下小 、园 锥台 上小下大 、园柱体组合、园锥台组合6 种，等 轴晶占有率分别为 O A 8 8 ．5 、8 8 ．0 、8 4 ．0 、8 1 ．0 、 8 0 ．5 、6 8 ．5 。可以看出，断面形状最为简单的园柱体 图5 铸型D ／H 比与等轴晶占有率之间的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o u l dD ／H r a t i oa n de q u i a x e dg r a i no c c u p a n c y 和长方体，其等轴晶区域最大，而断面形状最为复杂 的园锥台组合，细小等轴晶区域则最小，也就是说随 着铸型断面形状复杂程度的增加，铸锭的等轴晶占 有率不断减小。这种细小凝固组织的形成与声流有 很大关系，对于铸锭下部的尖角部分，由于散热较 快，声流的影响达不到这里【7 】，因而在这些部位很容 易形成粗大柱状晶组织，而导致等轴晶占有率下降。 2 ．3 超声波细晶机理 2 ．3 ．1 空化效应 当超声波作用于金属熔体时，由于属于纵波，熔 体中的金属原子受到周期性的交变声压作用，当声 压超过一定阈值时，由于前半周期中的负声压作用 就会在熔体薄弱处形成空化气泡，紧接着后半周期 中的正声压使前半周期受托应力作用且由于惯性而 继续长大的空化气泡以极高的速度闭合或崩溃，因 此，在气泡崩溃瞬间将形成强烈的冲击波，在液体内 产生局部的高温、高压，这就是所谓的“空化效 应蚍引。正在长大的空化气泡从周围熔体中大量吸 热而导致熔体局部深度过冷，过冷度是晶体形核的 动力，这样在局部区域就形成了大量的晶核，而在气 泡崩溃破灭的过程中，释放出的巨大冲击波又会击 碎刚形成的晶核而形成更多的结晶核心，这就为细 小凝固等轴晶组织的形成创造了良好条件。 2 ．3 ．2 声流作用 超声波在熔体中传播时由于声压与熔体的粘滞 力相互作用，导致了超声振幅随着作用距离的增加 而衰减，形成了一定的压力梯度，熔体介质吸收了超 声波的动量，使其本身产生了流动，即形成了所谓的 “声流效应“ 【引。声流把在空化范围内形成的等轴晶 簪、o暑dn80差a p a 蠢一弓山 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 及有效形核质点转移到其它区域，而又把其它区域 的熔体带到空化范围内，使其形成等轴晶和更多的 形核质点，这样通过声流以及空化的双重作用，使最 终的凝固组织得到细化。 2 ．3 ．3 超声热效应 由于金属熔体的吸收及内摩擦损耗，一定时间 内的连续超声作用，使熔体中声场区域产生温升，这 就是所谓的“超声热效应”[ 9 ] 。频率一定的条件下， 超声功率越大，热效应变得越显著，这样会降低熔体 的冷却速度，使凝固时间变长，初生晶胚产生重熔， 导致凝固后铸锭组织的粗化。 3结论 1 金属超声铸锭的细化能力与金属自身的化 学成分有关，并且与C 。l1 一K 。I 值成正比；超声的细 晶能力还来自于超声波振动产生的空化效应，整个 过程是一个复杂的动力学过程； 2 随着超声波功率和超声波处理时间的增 加，细化效果提高，但是增加到某一峰值后开始下 降； 3 为了获得良好的细晶效果，超声波探针应 位于液面的对称中心且浸深较小为宜； 4 金属超声铸锭的细化能力与铸型的径高比 有关，对于不同体积的铸锭，存在一个最佳的径高 比；铸型断面形状越复杂，等轴晶占有率越低。 参考文献 [ 1 ] L iX ，L i T ，L iX ，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 - 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