（材料加工工程专业论文）外场作用下水平连铸制备al1﹪si合金线材的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水平连铸以其工艺设备简单等优势被认为是一种高效的连铸技术。随着信息产业的 迅速发展，对电子封装用集成电路键合线的需求量日益增加，而且对质量提出了越来越 高的要求。如何生产出优质铸坯，使其能够满足后续加工的要求，是提高生产效率、获 得高质量键合线材料的技术关键。目前外场如超声场、电磁场在冶金及材料加工领域得 到了大量的研究及应用，为制备高质量键合线材料提供了契机。 本文以制备高质量a 1 1 s i 合金键合线铸坯为目的，在国家自然科学基金 ( 5 0 4 7 4 0 5 5 ) 的支持下进行了键合线材料水平连铸及外场改性研究。论文主要包括以下 内容： 设计制作了一套水平连铸功率超声改性装置，在此设备上进行了a 1 1 s i 合金水平 连铸实验，探讨了功率超声对铸坯表面质量、凝固组织及力学性能的影响规律。结果表 明：在a 1 1 s i 合金水平连铸过程中施加功率超声能够提高保温炉内金属液温度均匀性， 显著提高铸坯表面质量；并且，随着超声功率的增加，铸坯的显微组织得到细化，力学 性能得到提高。 在上述实验的基础上，探讨了功率超声对触s i 合金溶质偏析的抑制效应。实验结 果表明：在功率超声作用下，s i 元素在a ( 舢) 基体中分布的均匀性得到了提高，溶质 偏析得到了抑制。从功率超声对a i 1 s i 合金凝固过程中的溶质扩散，结晶温度间隔， 液穴形态，温度场和流动场以及合金微观组织形貌的影响出发，尝试性地对功率超声抑 制溶质元素微观偏析的机理进行探讨性的解释和说明。 提出a 1 s i 合金键合线铸坯水平电磁连续铸造技术，设计制作了电磁成型系统并 进行了水平电磁连铸实验，考察了电磁场对水平连铸坯表面质量、凝固组织、力学性能 以及溶质偏析的影响。结果表明，在a 1 - 1 s i 合金水平连铸过程中施加工频电磁场，可 改善铸坯表面质量，细化凝固组织，提高力学性能并抑制溶质偏析。 关键词：水平连铸；键合线；功率超声；电磁场；a i - 1 s i 合金 高学鹏：外场作用下水平连铸a i d s i 合金线材的研究 r e s e a r c ho nh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n ga 1 - 1 s ia l l o yw i r em a t e r i a l s u n d e r0 u t f i e l dt r e a t m e n t a b s t r a c t h o r i z o n t a lc o n t i n u o u s c a s t i n gi s c o n s i d e r e da sar e m a r k a b l e t e c h n o l o g y f o rt h e a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ef a c i l i t i e s i nr e c e n t ) c a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n i n d u s t r y ，t h en e e d so f h i g hq u a l i t yf i n ew i r eb o n d i n gf o re l e c t r o n i cp a c k a g i n gi n c r e a s eq n i c h y t om e e tt h es u c c e d e n tp r o c e d u r e w i r er o d sf r e ef r o md e f e c t sa r en e e d e d , w h i c hi st h ek e yt o i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n do b t a i nh i g h - q u a l i t yb o n d i n gw i r e n o w a d a y s ，e x t e r n a l f i e l d ss u c ha su l t r a s o n i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l da r es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm e t a l l u r g y a n dm a t e r i a lp r o c e s s i n g , w h i c h p r o v i d e sac h a n c et op r o d u c eh i g hq u a l i t yw i r er o d s n 地p u r p o s eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st op r o d u c eh i g hq u a l i t ya 1 - 1 s iw i r er o d s t h e m s e 盯c hi sm a i n l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d a t i o nw h i c hn u m b e ri s 5 0 4 7 4 0 5 5 t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： an o v e lp r o c e s so fp o w e ru l t r a s o m ci sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fh o r i z o n t a l c o m i n u o u s l yc a s t a i 1 s ia l l o y e x p e r i m e n t a la p p a r a t u si s d e s i g n e da n dh o r i z o n t a l c o n t i n u o u sc a s t i n go fa i 1 s iw i r er o d si sc o n d u c t e dt 0i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fu l t r a s o n i c f i e l do nt h es u r f a c eq u a l i t y , s o l i d i f i c a t i o ns l n 尬t t l r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa i - 1 s i a l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu n i f o r m i t yo fm e l tt e m p e r a t u r ea n ds u r f a c eq u a l i t yo fw i r e r o d sa r ee n h a n c e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no fp o w e ru l t r a s o n i c m o r e o v e r , g r a i n sa r er e f i n e da n d t h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ea l l o ya r ee v i d e n t l yi n e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fu l t r a s o n i c p o w e r t h ei n f l u e n c eo fp o w e ru l t r a s o m co ns o l u t es e g r e g a t i o no fa i s ia l l o yi sd i s c u s s e d e x p o r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rp o w e r u l t r a s o m ct h eu n i f o r m i t yo f t h ed i s t r i b u t i o no fs i i na i si m p r o v e da n dt h es o l u t es e g r e g a t i o ni ss u p p r e s s e d me f f e c to f p o w e ru l t r a s o m c o nr e s t r a i n i n gs o l u t es e g r e g a t i o ni nj u - l s ia l l o yi n g o tb yh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gi s e x p l a i n e df r o ms u c hf a c t o r s 嬲t h ed i f f u s i o no f s o l u t e ，s o l i d i f i c a t i o ni n t e r v a l ，s o l i d i f y i n gf r o m s h a p e ，t e m p e r a t u r ef i e l d , f l o wp a t t e r na n dm i c r o s t r u c t u r e h o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go fa 1 - 1 s ia l l o yi n g o ti sp r o p o s e d 髓e e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dh o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n gw i r er o d sa r ec a r r i e d e f f e c to f c o m m e r c i a lf t e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l do i ls u r f a c e q u a l i t y ，s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds o l u t es e g r e g a t i o no fw i r er o d si s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts u r f a c eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e db yt h ea p p l i c a t i o no f i i 盔垄墅堑堡主鲨丝苎 e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd u r i n gh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ；g r a i ma r er e f i n e d ；m o r e o v e r , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa l ee n h a n c e da n ds o l u t es e g r e g a t i o ni ss u p p r e s s e d k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ；b o n d i n gw i r e ：p o w e ru l t r a s o n i c ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ：a l - 1 s ia l l o y i i i 高学鹏：外场作用下水平连铸a i - i s i 合金线材的研究 致谢 本论文是在导师李廷举教授的悉心指导下完成的。在这短短两年多的时间里，我从 李老师身上学到了许多做人的道理，我明白了作学闯一定要认真。李老师严谨的治学态 度、忘我的工作作风以及积极向上的生活热情都给我留下了深刻的印象，让我倍感敬重 并深受教益。李老师扎实的理论知识和丰富的实践经验更是令我受益匪浅。在作毕业论 文的过程中，李老师给予我谆谆教诲和无限鼓励，让我深感难忘；在生活中，李老师也 给予了我很多无私的帮助，让我倍感温暖。在此，谨向敬爱的李老师表示我最衷心的感 谢。 在做实验期间，李喜孟教授和吴启运师傅给予我大力的帮助，在这里对他们表示衷 心的感谢l 本实验室的张兴国教授、曹志强教授、姚山教授、王同敏副教授、郝海副教 授、温斌副教授和亓锋老师对我有很大的帮助和指导，在此表示诚挚的感谢。本实验分 析是在材料科学与工程学院中心实验室进行的，在此得到了各位老师的热心帮助和指 点，他们是：季首华老师、邹龙江老师、袁力江老师、王秀敏老师、徐卫平老师、侯晓 多老师、姚平坤老师和刘福义老师。各位老师都是在自己繁忙的工作中在作者最需要的 时候给予了最大限度的帮助，在此，谨向他们表示感谢! 在这里还要感谢我所在课题组的同学。在实验过程中李新涛博士、郄喜望硕士、赵 健强硕士和宁绍斌硕士给了我很大的帮助，在写论文的阶段也给我提出了很多宝贵的意 见，在这里向他们表示感谢。同时还要感谢吴彩虹硕士、徐爽硕士、刘辉科硕士、滕海 涛博士、张小立博士、冯秋元博士、张忠涛博士、张剑博士、齐凯博士、白富栋博士、 张宇博士、金文中博士、阎志明博士、岳红云博士，赵玉兰硕士、张保廷硕士、王舒杨 硕士、柴宗霞硕士、回春华硕士、李吉祥硕士、罗大伟硕士、马晓东硕士和李捷硕士， 无论是在生活方面还是在学习方面他们都给了我很大的帮助和鼓励，在此表示对他们的 谢意。 感谢我的家人和女友吴亚萍硕士一直以来对我的支持和鼓励，他们既是我生活上的 坚强后盾，又是我精神上的动力源泉。同时感谢我的朋友郭亮亮博士、王红阳博士、赵 旭硕士、陈晓东硕士、王建辉硕士和姜楠硕士，他们在实验中也给予了我很大的帮助。 本课题是在国家自然科学基金( 5 0 4 7 4 0 5 5 ) 的资助下进行的，在这里一并表示感谢。 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：多垩够 作翥签名；翌兰型 导师签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 键合线是构成集成电路封装外壳的重要组成部分，是把集成电路芯片和框架连接起 来的桥梁。m 1 s i 合金具有密度小，价格便宜等优点，是生产集成电路键合线的重要 原材料【i - 3 1 目前，生产键合线的常规工艺为首先采用半连铸方法制各铸坯，经铣面处 理后轧制成毫米级别的细线，然后通过模具拉拔成所需直径的键合线。随着集成电路向 小型化、高集成度方向发展，要求用更细的键合线进行窄间距、长距离的键合，超细、 超长的键合线需求量迅速增长。采用常规半连铸工艺制备的铸坯，表面粗糙，凝固组织 粗大，且成分偏析严重，在拉拔时经常发生断裂现象，这已成为制约键合线生产效率的 技术瓶颈。因此，开发a i i s i 合金细晶铸坯制备新工艺具有重要意义。 近几十年来，超声场【乒1 4 1 和电磁场【1 5 埘】被广泛应用于连续铸造来改善铸坯的凝固组 织，表面质量以及力学性能。前者通过超声波在液体中的声空化、声流等效应作用于金 属液的局部区域 2 5 1 ，提高了合金的形核率与流动性，降低了成分偏析；后者通过电磁搅 拌以及电磁力对流体的约束作用改善了铸坯的凝固组织与表面质量，提高了合金的力学 性能。如果能将超声场和电磁场引入到键合线用a 1 1 s i 合金线材的制备过程中，必将 得到高质量的铸坯。 1 2a i 一1 s i 合金键合线 目前，生产集成电路键合线的材料主要是a u 、c u 和a l ，表1 1 列出了它们特点。 a u 和a j 是最早被采用的键合线材料。金丝具有化学性能稳定、易加工成细丝、球焊性 能好等优点。但是，由于a u 丝生产成本高、密度大、高温键合可靠性差等缺陷限制了 其使用范围。a l 不容易被拉制成细线，此外a l 丝在使用时容易断线。c u 丝具有良好的 球焊性能，且c u 的抗电迁移性能比a l 好，因此，用c u 替代趾用于芯片上的多层布 线和互连技术也得到了研究及应用。但采用c u 丝键合的缺点是在塑料封装中同铝连接 处易腐蚀。 随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展，要求键合线 具有更细的直径进行窄间距、长距离的键合。为此人们积极开发新型键合线以取代传统 的键合线。2 0 世纪8 0 - 9 0 年代日本及欧洲一些公司通过在铝中加入n i 、m g 、s i 、c u 、 s r 、s n 、s b 等元素开发了一系列具有较高强度和耐蚀性的铝基合金键合线。但这些材料 都具有合金化元素复杂的缺点，元素含量必须严格控制阱射。g o t t f i i d e 等在研究中采用 直径为2 5 t a n 的a 1 1 s i 线代替常规a u 线和舢线用于键合工艺，在4 0 0 高温储存后。 高学鹏：外场作用下水平连铸a i - 1 s i 台金线材的研究 发现其高温性能较线有了显著提高，此外，由于加入的元素是s i ，不会造成集成电 路污染，因此，近年来1 s i 键合线的应用越来越广泛，有希望替代a u 丝用于键合 工艺【2 9 1 。表1 1 示出了各种材料键合线的特点。 目前生产过程主要难点在于：在9 9 9 9 9 a l 中加入l s i 制成普通铝硅丝，其破断 力和延伸率很低，而且加工性能差，不能拉制成直径在4 0 t t m 以下的产品。因此，需要 开发新的制各技术来生产高性能的a 1 1 s i 铸坯。 表1 1 各种键合线的特点田1 t a b 1 1t h ep r o p e r t i e so f b o n d i n gw i r e s 1 3 水平连铸技术 关于水平连铸最早的发明者要追溯到1 8 4 3 年j - l a i n g 申请的美国专利3 0 3 2 管子水 平连铸设备【3 0 】。目前已为我们熟悉的水平连铸技术始于2 0 世纪5 0 年代，最早应用于有 色金属生产。后来，美国d a v y - l o e w y 公司、日本钢管公司、美国通用汽车公司以及西 德t g 公司等迅速发展了水平连铸技术。现已实现了普通钢和特殊钢水平连铸的工业化 生产口1 ，3 2 】。由于水平连铸开发初期铸机技术性能的局限性和某些技术难点的存在，其产 量与效益均不明显，因而未能受到重视。随着科技的进步，对原材料的要求越来越高， 发展合理的连铸工艺以确保铸坯的技术性能已成为必然 水平连铸技术与传统连铸工艺( 立式、立弯式、弧形等) 相比，具有以下特点p 3 捌： ( 1 ) 水平连铸设备结构简单，重量轻，投资少般比弧形连铸机重量轻1 3 ，投资 可节省3 0 - 4 0 ： 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 水平连铸机高度低，占地面积小。一般高度为l 1 5 米，主体设备与地面呈直 线布置。结晶器热传导性能好，故冶金长度短： ( 3 ) 由于结晶器水平布置，金属液静压力低且铸坯水平运行，无弯曲和矫直应力， 因此可以浇注各种难于变形的高合金铸坯； ( 4 ) 保温炉与结晶器密封连接，避免了金属液浇注时的二次氧化，因此铸坯清洁度 高，质量好，可以浇注的钢种范围大； ( 5 ) 采用钢性直型引锭杆，不仅结构简单，而且振动小； ( 6 ) 特别适用于生产优质小断面铸坯，如m 3 0 1 2 0 r a m 的方( 圆) 坯，以至于 3 m m 的焊丝，这是一般的立式或弧形连铸机所难以实现的； ( 7 ) 无需控制结晶器内液面高度，不需要加保炉渣，操作简单，节省人力。 由于具有以上优势，水平连铸技术逐渐被视为是制备高质量铸坯的连铸方式，尤其 适于近终形连铸，越来越受到研究者及生产企业的重视。 目前，世界上水平连铸技术己进入工业生产应用阶段，达到了工业化水平。国外水 平连铸的现状是p o j ：1 ) 、双流水平连铸机已在美国、日本、德国、俄罗斯等国家投入工 业规模的生产；2 ) 、铸坯断面广，从0 3 8 m m 的线材到 3 3 0 r a m 的圆坯、2 5 2 5 0 m m 的 方坯等都可以生产；3 ) 、浇注钢种多，特别是对裂纹敏感、难以加工变形和易氧化元素 含量较高的特种钢和合金：4 ) 、铸坯质量好，铸坯表面不经打磨、酸洗等处理直接轧、 锻成材，表面光洁度高，致密性好，加工性能和机械性能均能满足相应的标准要求。 我国早在上世纪6 0 年代初期就开始了水平连铸实验，当时钢铁研究总院、唐山钢 铁公司等作过探索。从2 0 世纪7 0 起年代开始水平连铸技术受到我国科技界的关切和重 视。1 9 7 7 年，山西太原电解铜厂开发了一台铜合金水平连铸机。1 9 7 9 年，首钢钢研所 和山西冶金研究所在极其简陋的水平连铸设备上生产出第一根圆坯口5 】。1 9 8 1 年，马钢 钢铁研究所设计制造了一台单流试验机，1 9 8 5 年1 2 月又在马钢建成一台双流工业试验 机，试浇注m 8 0 m m 的2 0 钢管坯。试验由3 x 5 r 电炉供钢水，最高达6 炉连浇，一次浇 完9 3 吨钢水，拉成率达9 0 1 3 6 1 。1 9 8 7 年天津特钢厂和齐钢引进德国t g 公司设备建成 的双流水平连铸机投产，主要生产特钢方坯，从此我国出现了生产方坯的水平连铸机。 衡阳无缝钢管炼钢车间，是我国首家采用水平连铸实现全连铸化设计的炼钢车间，第一 台机组于1 9 9 1 年5 月投产，生产直径为8 0 - 1 3 0 r a m 圆管坯f 3 _ 7 】。1 9 9 0 年，国内第一条铸 铁型材水平连铸生产线由西安理工大学开发制造成功。1 9 9 4 底安装在西安理工大学新华 安公司的z s l 0 2 型连铸生产线正式投产运行，能够生产不同规格的圆坯、方坯及其它 等截面的各种牌号的灰铸铁、球墨铸铁型材【3 8 】。2 0 0 0 年，西安科技大学发明出6 0 9 0 m m 水平连铸机，由中间包、中间包车、结晶器、液压拉坯机、切割车、前后辊道、液压系 一3 一 高学鹏：外场作用下水平连铸a 1 1 s i 合金线材的研究 统、电控系统、循环水系统等部分组成。适用于中小型钢厂的技术改造和特钢类产品的 开发p g 。 1 4 功率超声技术 1 4 1 功率超声概述 超声波通常指1 秒内振动2 0 0 0 0 次以上的高频声波( 即频率大于2 0 k h z 的声波) ，就 其物理机制和应用目的来说，可大致分为检测超声和功率超声两大类【4 0 】。检测超声主要 是利用超声波信息载体作用，通过超声波在某种媒质中传播、散射、吸收以及波形转换 等，提取媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质，物体形状或几何尺寸， 内部缺陷或结构的目的。例如无损探伤，超声测速、测厚、测距、测物位等。另外，以 人体组织为检测对象的超声医学诊断，以海洋探测以及水下目标识别为目的的水声应用 等也属于此类。功率超声是利用超声的能量及对物质的作用，即利用超声振动产生的大 功率，高强度超声波来改变物质的性质与状态。最常用的频率范围是从几千赫到几百千 赫，而功率由几瓦到几万瓦【4 1 1 。例如超声清洗、焊接、切割、粉碎、钻孔、乳化、凝聚、 雾化、去气、萃取、颗粒弥散、凝固控制等【4 2 】。本文所涉及的是功率超声。 目前人们认为功率超声主要有五个基本作用即删： 线性的交变振动作用，它是由于媒质在一定频率和声强的超声作用下作受追振 动，而媒质的质点位移、速度、加速度以及应力等分别达到一定数值而产生的一系列超 声效应。 大振幅声波在媒质中传播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等一系列特殊反应。 振动的非线性会引起相互靠近的伯努利力，由粘度的周期性变化而引起的直流平 均粘滞力等等，这些直流力可以说明一些定向作用、滑聚作用等力学效应。 声空化作用。超声波在金属液中传播时，在炉壁处产生反射波，同时在结晶区形 成逸入波。在交变声场作用下，金属原予以其平衡位置为中心振动。在声波的负压相内， 质点间距增大，液体受到拉应力，当声强足够大时，液体受到的相应负压力足够强，质 点间的平均距离就会超过极限距离，从而破坏了液体的结构完整性，形成空化泡i g 】。在 超声波作用下，一部分空化泡进行复杂的非线性振动；而那些谐振频率高于声源频率的 空化泡在声波正压相内被压缩而形成崩溃现象【4 7 1 。空化泡崩溃的瞬间j 泡内聚集的能量 迅速释放出来，致使在空化发生的微小空间内产生瞬时高温、高压。理论计算和实测结 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 果均表明，高温和高压的数量级分别达到1 0 k 和1 0 9 p a n 图1 1 给出了空化过程示意 图。 p 皿 p m 负压相 阳画一。一。 筋 一。 声源 膨是正压相 声流作用。超声波在熔体中传播时，声波与熔体中粘性力交互作用导致有限振幅 衰减，使液体内从声源开始形成一定的声压梯度，导致液体流动，如图1 2 所示。当声 压幅值超过一定值时，液体中产生一个流体的喷射，喷射流在整个熔体中形成环流，这 就是声流。 醵 熔体中声流最大可能速度“为【4 】； “= 扼确 ( 1 1 ) 式中，a 为变幅杆端面最大振幅，m ；厂为超声波频率，h z ，本文为2 2 3 k h z 。 高学鹏：外场作用- f * 平连铸a i - i s i 合金线材的研究 可以看出，在超声频率一定的情况下，声流的最大可能速度与变幅杆端面最大振幅 成正比关系。在实际中，随着振幅的增加，熔体温度上升，提高了金属液的流动性，从 而使声流的速度增加更快。本实验通过激光测距仪的测量，变幅杆端面最大振幅彳为 2 0 p r o ，因此声流最大可能速度甜为1 9 8 r r g s 。 这些基本作用使得功率超声在媒质中传播时会产生一系列的效应，如力学效应、热 效应、化学效应和生物效应等【4 0 a 5 问。 ( 1 ) 力学效应 机械搅拌。超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成有效的搅动与流动。 空化气泡振动对固体表面产生的强烈射流及局部微冲流，均能显著减弱液体的表面张力 及摩擦力，并破坏固一液界面的附面层，因而达到普通低频机械搅动达不到的效果。这 一作用是药物透入，美容品导入皮肤，超声除气，食品及化妆品调匀细化等应用的物理 基础。 相互扩散。利用超声振动及空化的压力、高温效应，促使两种液体，两种固体， 或液一固、液一气界面之间，发生分子的相互渗透，形成新的物质属性。金属或塑料的 超声焊接，超声乳化、清洗、雾化可归为此类作用。 均匀化。空化气泡闭合后产生的局部冲击波。可粉碎液体中的颗粒，使其细化、 均匀化。 凝聚作用。超声振动可使气、液媒质中悬浮粒子以不同速度运动、增加相互碰撞 机会；或利用驻波使它们趋于声压节或声压腹处，从而发生凝聚过程。烟道收尘、人工 降雨属于此类。 机械切削作用。因超声振动加速度甚大，加上空化的声腐蚀作用，可对硬脆材料 ( 宝石、陶瓷、玻璃、磁钢等) 进行特形精密加工 机械粉碎作用。利用高强度超声脉冲，可以粉碎人体内的肾结石而不损伤软组织。 ( 2 ) 热效应 连续波的热效应。由于媒质的吸收及内摩擦损耗，一定时间内的超声连续作用， 可使媒质中声场区域产生温升。适当控制温升温度及温升区域。可实现超声局部加热治 疗癌病。亦可用作超声热敷及透入止痛药剂。空气中的大功率、高强度连续超声，还可 产生消毒、杀菌效果。 瞬时热效应主要指空化气泡闭合产生的瞬间高温，可用于高强度聚焦超声治癌 及超声外科手术。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 4 2 功率超声对凝固过程的作用i 柏】 研究发现，超声波对金属的凝固过程有很大影响，归纳如下： ( 1 ) 减小凝固晶粒的尺寸。 ( 2 ) 控制柱状晶的产生，促进等轴晶的形成。 ( 3 ) 改变溶质的分布。 ( 4 ) 防止偏析。 ( 5 ) 使非金属夹杂物均匀分布。 1 4 3 功率超声的细化机理i 哪l ( 1 ) 功率超声的破碎作用 功率超声在金属凝固过程中产生的声空化主要作用是：功率超声处理过程中同时形 成大量的空化气泡，空化泡在超过一定的阈值的声压下发生崩溃并产生冲击波，而这一 切均是在极短的时间里，以很高的频率发生的。空化泡在崩溃后变为大大小小的气泡， 其中大的气泡在声空化的作用下将继续崩溃，从而促使空化泡不断产生、崩溃，不断产 生冲击波，这样在声空化作用下，己结晶长大的晶粒被急剧的冲击波打碎，抑制了晶粒 的长大，使晶粒得到细化的同时，晶体也得到了均匀弥散。还有在空化过程中，熔体中 存在局部性的极高压力，这便形成了以气泡为中心向外传播的强烈冲击波。在高压高温 和声空化所产生的冲击波的共同作用下，晶体尖锐棱角变钝，体积变小。 ( 2 ) 功率超声的生核作用 超声波除了能够打碎长大的晶粒，使晶体得到均匀弥散外，还能增加凝固过程中的 晶核形核率。在声空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大，导致其内部的液体蒸发。 空化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收热量，这将导致空化泡表面的金属熔液的 温度降低，造成局部过冷，因此在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加，组织 得到细化。 在空化泡崩溃过程中，产生的强烈冲击波又会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使 之成为破碎的晶体质点，在声流的搅拌作用下，弥散地分布于熔体中，提高了生核率， 同时产生的强烈冲击波也会在熔体内造成很大的压强，压力的增加也将使晶核的形核率 增加。所以凝固后基体晶粒变成细小、均匀的等轴晶粒。 ( 3 ) 功率超声的均匀化作用 声流的形式是环流与紊流的结合。声流使得金属熔液能够上下翻动，受到一定的搅 拌作用，因此可以明显提高温度场和化学成分的均匀性整个熔体温度的均匀化，使其 高学鹏：外场作用下水平连铸a 1 1 s i 合金线材的研究 凝固方式由逐层凝固变为体积凝固，这样抑止了柱状晶组织，生成的组织为均匀等轴晶 组织；化学成分的均匀化，消除了凝固后的偏析现象 1 4 4 功率超声在金属凝固过程中的应用和发展 超声场在金属凝固过程中应用的研究始于2 0 世纪3 0 年代。在国外已先后有德国 4 9 5 2 、俄罗斯 5 3 蛔、美国旧石5 1 、日本 6 6 - 7 0 l 、罗马尼亚【7 ”、乌克兰 7 2 1 、法创7 3 】、印度 7 4 1 、 英国【明、巴西 7 6 j 等国家的许多科学家参与了研究。在所查到的资料中，德国开展此方面 的研究最早，而研究较多较深入的国家是俄罗斯、美国和日本。 ( 1 ) 德国 a b d e l - r d f i m 研究了超声振动对具有不同微观组织( 胞状、树枝状和多面体) 的铸 造二元a i c u 、b i - c d 合金凝固过程的作用。以前在这一领域内的研究仅限定在具有树 枝状结构的低熔点合金，a b d e l - r e l d m 选用具有不同的成分、不同的微观组织的材料进 行研究，深化了以前在这领域的研究。试验采用顶端导入，在温度高于液相线1 0 以上 时，导入2 0 k h z 的超声振动，在温度低于同相线l o 时停止导入试验结果表明，这 些合金重熔凝固后，组织明显细化。 a b d e l r e h i m 又在不同形状的铸件凝固过程中应用超声波，得到了组织均匀细化的 铸件产品。试验用超声发生器的功率为8 0 0 w ，频率为2 0 k h z ，铸件材料为铅合金。铸 件形状有如下三种： 中空圆柱体铸件 从图1 - 3 可以看出，通常状态下的凝固，铸件组织比较粗大。而经超声处理后，得 到的是均匀细化的组织。然而，随着距振荡器( 交幅杆) 距离的增大，晶粒的尺寸也增大， 这说明重金属的阻尼性能也对凝固过程有影响。 ( a ) 未经超声处理( b ) 超声处理 图1 3p b s b 4 合金的圆筒铸件显微组织 f i g 1 3m i c r o s t m c t u r eo f p b s b 4h o l l o wc y l i n d r i c a lc a s tp i e c e s 大连理工大学硕士研究生学位论文 薄壁件 未经超声处理的薄壁件的组织为粗大的树枝状组织，见图1 4 ( a ) ，在晶粒的边界 存在共晶体。而在超声振动下，正在长大的树枝状晶粒被打碎成细小的晶粒，这些粒子 或是形成细小的接近球形的晶粒，或是作为形核核心。在凝固后，整个截面表现为均匀 细化的组织，见图1 4 ( b ) ( a ) 未经超声处理( b ) 超声处理 图1 4p b s b 2 5 合金薄壁件的显微组织 f i g 1 4m i e r o s t r u c t u r eo f p b s b 2 5t h i nw a l l e dc a s tp i e c e s 复杂件 通常状态下，会金凝固后得到粗大的树枝状组织，见图1 5 ( 8 ) 。导入超声振动后， 晶粒得到均匀细化，见图1 5 ( b ) 。 对于工业用纯铅进行超声振动细化效果也是令人满意的，而且细化程度随着浇注温 度的降低而增加，见图1 6 。 ( a ) 未经超声处理 ( b ) 超声处理 图1 5p b s b l 5 合金复杂件的显微组织 f 皓1 5m i c r o s t r u c t u r eo f p b s b l 5c o m p l i c a t e ds h a p e sc a s tp i e c e s 一9 一 高学鹏：外场作用下水平连铸a m s i 合金线材的研究 ( a ) 未经超声处理 ( 浇注温度4 5 0 ) ( b ) 超声处理 ( 浇注温度4 5 0 c ) ( c ) 超声处理 ( 浇注温度3 5 0 ) 图l ，6 工业用纯p b 的显微组织 f i g 1 6m i c h 醇奸u c l 珑eo f 蝴m e r c i a l l yp u r el e a d s e i f e r t 等将功率超声应用于s n 、p b 的水平连铸过程中，其中，超声频率为1 7 k h z ， 变幅杆与结晶器耦合在一起，超声波通过模具导入熔体，如图l ，7 所示。实验结果表明。 超声波的作用不仅可以提高结晶器内壁的温度减少温度波动，细化铸坯的凝固组织。 提高晶粒均匀性，而且改善了铸坯的表面质量，降低了铸坯的表面粗糙度。此外，研究 还发现施加功率超声后最大拉坯速度得到了提高 图1 7 超声场作用下水平连铸示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o r i z o m a lc o n t i n u o u sc a s t i n gi nu l t r a s o n i cf i e l d 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 俄罗斯 a b r a m o v ，o v 等研究了超声波对过共晶铝硅合金凝固组织的影响，如图1 8 所示。 从图中可以看出，超声作用改变了基体中s i 的分布情况，使s i 的分布更加均匀，并且 呈球状。 ( a ) 未经超声处理 ( b ) 超声处理 图1 8a l - 1 7 s i 合金铸坯晶粒组织 r i g 1 8m i c m s t r u c t u r eo f a i s i l 7a l l o y s a b r a m o v 也研究了超声波对高熔点金属c r ，t i ，k l o ，w 的作用，发现c r , m o 。w 的组 织被细化，而t i 却没有。图1 9 为经过超声处理和没经过超声处理m o 的宏观组织对比 图，可以看出宏观组织明显细化。 ( a ) 未经超声处理 ( b ) 超声处理 图1 9 钼的宏观组织 f i g 1 9m o l y b d e n u mm j c “血u c t i l r e 为证明超声波的细化作用，a b r a m o v 和o u r e v i c h 用既无偏析又无第二相沉淀的纯金 属做试验。使用2 0 k h z 的超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，其中包括体心立方 的f e ，面心立方的n i 和a j ，密排六方的c o ，b i ，z n , s n 。换能器传递的能量为1 0 - 2 5 k w 。 试验表明，当换能器的输出功率为i k w 时，s n 和a l 的晶粒开始细化而当换能器的 高学鹏：外场作用下水平连铸a i 1 s i 合金线材的研究 输出功率提高到2 5 k w 时，f e ，c o ，b i ，z i i 的晶粒才开始细化。试验结果揭示具有不同 点阵的金属进行超声处理都能使晶粒细化并导致力学性能产生积极的变化。对于体心立 方和密排六方的金属，在低温时强度变化最大。随着试验温度增加，细化效果减弱。 e s k i n 等也用超声波处理了高纯铝，处理后使晶粒度从3 1 增加到3 7 5 ，拉伸强度从 5 4 m p a 提高到7 0 m p a ，硬度从h b l 7 2 提高到i - i b l 9 7 ，同时延伸率也得到了改善。 同时，e s k i n 等人采用1 0 k w 的超声波发生器对超声处理铝和二元铝合金的凝固过 程进行了较为深入的研究。试验表明，当采用底端导入时，对于高纯铝来说，超声处理 细化宏观组织和微观组织的效果并不明显。对于含有o 1 的t i ，z r , b 的铸铝，超声处 理使位微观晶粒尺寸减小到原来的十分之一，宏观晶粒减小到原来的四十分之一对于 纯铝，拉伸强度可以提高6 - 1 0 ，对于含有微量元素的铝，拉伸强度可以提高2 0 2 5 。 对于二元铝铜合金，试验发现。随着超声振动效率的提高和铜含量从2 增加到3 3 ， 组织细化程度增加。其原因是晶粒长大减缓和随着铜的浓度的增加凝固温度范围变宽。 在连续铸造中，e s k i n 用超声波处理a 1 s i 合金，也取得了良好的效果尤其是当变 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 0 所示。 ( a ) 原始铝合金( b ) 经过超声处理的铝合金 图1 1 0 过共晶硅( 3 6 s i ) 的微观组织 f i g 1 1 0m i c 蚰1 l c ：t i l 辑o f h y p e r e u t v c t i cs i l i c o n ( 3 ) 美国 美国科学家于2 0 世纪8 0 年代进行了超声波在金属凝固过程中应用的研究，他们分 别研究了超声作用对钢和铸铁凝固组织的影响结果表明：超声作用细化了凝固组织， 减少了合金中的含气量、气孔率和收缩，提高了固溶度和活化作用。 一1 2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 x j i a n 和q h a n 进行了功率超声对a 3 5 6 合金影响的研究。结果表明：功率超声对 细化凝固组织和共晶s i 同时具有很好的效果。他们认为细化的原因主要是空化泡引起 的过冷机制而并非高温高压和声流搅拌所引起的破碎机制。 ( 4 ) 日本 8 0 年代，日本钢铁公司就报道过一种新型的超声振动结晶器，并且成功用于生产连 续铸造板坯。与传统的机械振动结晶器相比，其优点主要体现在改善铸坯的表面质量方 面。 9 0 年代，j p a n ，m 等人成功将功率超声应用于制备铝钢复合材料。结果表明，功 率超声能够有效地破坏a l 上的氧化层，并且促进元素之间的扩散。 近年来，北海道国立室兰工业大学的李军文和桃野正分别研究了振动时间、铸型形 状和超声波导入杆与振动子之间的共振度等因素对铝合金铸锭凝固组织的影响。 在国内最早由东南大学的何德坪 7 7 - 8 0 1 等人于2 0 世纪8 0 年代末将超声场引入到金属 凝固过程中。此后，又有沈阳工业大学的赵忠兴 8 1 - 8 3 l 、东北大学的李英龙她8 5 1 和白晓清 嘲、上海大学的翟启杰p 7 9 4 、大连理工大学的李喜孟【9 5 1 、中南大学的陈康华 9 6 - 9 9 、辽宁 工学院的李军文【1 0 e , 1 0 1 】和上海交通大学的王俊1 1 0 2 - 1 啊等人对超声波在金属凝固过程中的 影响进行了研究，研究的内容大致相同，主要研究领域包括超声波对合金凝固组织的细 化作用，对合金机械性能的改善作用，超声净化，降低偏析，使组织均匀化，改善表面 质量，减少缺陷，提高合金的凝固温度以及不同导入方式，不同处理时间，不同超声功 率对合金凝固组织的影响等方面。 值得一提的是，大连理工大掣1 0 6 - 1 1 1 首先在国内将功率超声应用于连续铸造，取得 了较好的研究成果。 1 5 电磁场在材料制备过