（机械设计及理论专业论文）铝板带坯超声铸轧实验研究及组织性能分析.pdf

o ； ：= 【 z ol彳 t，_。，蠹盆， 1犷警冬鏊藿罨专、鍪毒j羲 jlj誊萋 、一， ，i碍酪带p。雀r l轻静-，o o、-蠢署g艟襄hou瓮奏e_一 ：。 ! 粤 一r ，。t ? ， 一 _ ，； 一 原创性声明 4 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 。气一，_r，o_c。卜7r ，气， 一。，_ 一 ! ： - “ 、0 ：l ! t ：i p ， 一、：“、一，：ih囊 t - ：一矗t、。 ， ， 7 、 叠 t 毒 硕士学位论文 摘要 摘要 常规铸轧技术生产的带坯存在晶粒粗大、组织不均匀、热带、孔洞等缺陷， 为此，世界各国都在致力于该技术的新发展或突破。超声波处理技术应用到金 属凝固中可起到除气、除杂、晶粒细化及改善组织结构等作用，目前已得到了 广泛的应用，但是关于超声铸轧技术的研究尚未见报导。本文对铝板带坯的超 声波铸轧技术进行了探索，具有重要的理论研究意义和工业应用前景。主要研 究了以下内容： 设计了双头式复合超声变幅杆系统，并对超声系统进行了功率测定。对现 有的铸轧实验平台进行了改造，确定了超声波频率、功率等参数，在0 4 0 0 x 5 0 0 m m 的水平式双辊铸轧机上对工业纯铝1 2 3 5 进行了铝板带坯超声铸轧实验。 通过实验研究了超声波功率从i o o w - 、一5 0 0 w 变化时铸轧铝板带坯组织细化 的规律，结果表明，超声波对铸轧铝板带坯组织具有明显的细化作用，本实验 中超声功率为3 0 0 w 时晶粒细化效果最佳。 探讨了变幅杆倾斜角度为2 0 0 、3 0 0 和4 5 0 时对铸轧铝板带坯组织的影响，实 验结果表明，本实验中当变幅杆的倾斜角度为4 5 0 时晶粒细化效果最好。 通过对铸嘴的残余板带坯的分析表明，超声波铝铸轧实验稳定后，变幅杆 的导热效应对凝固组织的影响不大。 对超声波的热效应进行了分析，结果表明过大的超声功率能使熔体温度上 升，从而延长了结晶时间，削弱了超声波的晶粒细化效果。 关键词：超声波，铸轧，铝板带坯，空化，细化晶粒 气， 哆1 1 尹 一。 ，- _ b 气 l i i ； k _ 知 i 缈 q 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r i p sp r o d u c e db yn o r m a lr o l l c a s t i n gt e c h n o l o g yh a v em a n yd e f e c t s ，s u c ha s l a r g ec r y s t a l ，a s y m m e t r ys t r u c t u r e ，t r o p i ca n dc a v i t y ，t h e r e f o r e ，m a n yc o u n t r i e sa r e c o n t r i b u t i n gt ot h i st e c h n o l o g yt og e ti m p r o v e m e n t u l t r a s o n i ct r e a t m e n to fm e t a l m e l ti se f f e c t i v ei nd e g a s s i n g ，d e s l a g g i n g ，g r a i nr e f i n i n ga n ds t r u c t u r ei m p r o v i n g ，s o i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s h o w e v e r , r e p o r t so fi t s a p p l i c a t i o n i nr o l l - c a s t i n g p r o c e s sh a v en o tb e e nf o u n d n l i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i c r o l l c a s t i n go fa l u m i n u ms t r i p ，i ti san e we x p l o r a t i o no ft h er o l l c a s t i n gt e c h n o l o g y o fa l u m i n u m s t r i p sa n dh a v eb r o a da s p e c t si ni t sa p p l i c a t i o n t h ef o l l o w i n gi s s u e sa l e m a i n l ys t u d i e d t 1 1 e t e c h n o l o g y o fu l t r a s o n i c r o l l - c a s t i n g i s b r o u g h tf o r w a r d ，a n d t h e d o u b l e - h e mu l t r a s o n i cr a d i a t o ri sd e s i g n e d 硒ep o w e ro ft h eu l t r a s o n i ca p p a r a t u si s m e a s u r e da n dt h eo r i g i n a le x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r er e f o r m e d 。砀ee x p e r i m e n to f u l t r a s o n i cr o l l - c a s t i n go f1 2 3 5i n d u s t r i a la l u m i n u mi sc a r r i e do u to n0 4 0 0 x 5 0 0 m m p l a n et w i n - r o l lr o l l - c a s t i n gm i l la f t e rt h ep a r a m e t e r sa r em a d e c e r t a i n 1 1 l ei n f l u e n c e so fu l t r a s o n i cp o w e ro nt h eg r a i nr e f i n e m e n to fr o l l - c a s t i n g a l u m i n u ms t r i p sa r es t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t sw h e nt h ep o w e ro fu l t r a s o n i c c h a n g e sf r o ml0 0 w t o5 0 0 w n 圮r e s u l t si n d i c a t et h a t3 0 0 wi st h eb e s tu l t r a s o n i c p o w e rf o rg r a i nr e f i n e m e n ti nt h i se x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c eo fi n c i d e n ta n g l eo fu l t r a s o n i cg u i d er o do nt h es t r u c t u r eo f r o l l - c a s t i n ga l u m i n u ms t r i pi ss t u d i e d n l eb e s ti n c i d e n ta n g l eo f u l t r a s o n i cg u i d er o d i s4 5 0t og e tt h eb e s te f f e c to f g r a i nr e f i n e m e n t 1 1 l es t r u c t u r eo fr e t a i n e da l u m i n u ms t r i pi nm e l tf e e d e ri si n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a ti th a sl i t t l ei n f l u e n c eo fh e a tc o n d u c t i o ne f f e c to ft h er a d i a t o ro n t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea f t e rt h ee x p e r i m e n tb e c o m e ss t e a d y 1 1 1 eh e a te f f e c to fu l t r a s o n i ci ss t u d i e d ，i ts h o w st h a tt h eo v e rl a r g ep o w e ro f u l t r a s o n i cm a k e st h et e m p e r a t u r eo fm e l tr i s er a p i d l y , t h e r e f o r e ，t h et i m eo f c r y s t a l l i z a t i o ni sp r o l o n g e d ，a n dt h e nt h ee f f e c to fg r a i nr e f i n e m e n ti sw e a k e n e d k e yw o r d s u l t r a s o n i c ，r o l l - c a s t i n g ，a l u m i n u ms t r i p ，c a v i t a t i o n , g r a i nr e f i n e m e n t 弋f ”1 1 ， l i j ! “r： 0 气 - l i ， 硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t ”i i 第一章绪论l 1 1 连续铸轧技术的发展概况l 1 2 超薄快速铸轧技术的发展2 1 3 电磁铸轧和电磁快速铸轧技术的发展3 1 4 物理场金属熔体处理技术的研究现状4 1 4 1 金属凝固组织的控制途径”4 1 4 2 外加物理场处理技术的研究状况5 1 5 超声波熔体处理技术的发展状况”5 1 5 1 超声波对铝及铝合金凝固组织的作用7 1 5 2 超声波对其它金属凝固组织的影响8 1 5 3 其它相关研究1 0 1 6 课题来源、研究内容及意义1 1 1 6 1 研究背景”1 1 1 6 2 课题来源”1 2 1 6 3 研究内容与意义1 2 第二章超声铸轧实验系统设计及功率测量1 3 2 1 超声场的描述1 3 2 2 超声波在铝熔体中的传播l5 2 2 1 超声波的波动方程与传播速度1 5 2 2 2 超声波的叠加与界面传播“1 6 2 2 3 超声波在铝熔体中的衰减1 9 2 3 超声波铸轧实验系统设计2 0 2 3 1 超声参数与超声设备的选择“2 1 2 3 2 变幅杆设计2 5 2 4 超声波功率的测量”3 1 第三章超声场作用下铝铸造及铸轧组织分析3 3 3 1 超声波铸造及结果分析3 3 i i i 硕士学位论文 目录 3 1 1 实验方法与过程3 4 3 1 2 实验结果及分析3 4 3 2 超声波铸轧实验及结果分析3 8 3 2 1 实验设备3 9 3 2 2 实验方法与过程3 9 3 2 3 实验结果分析4 l 3 2 4 超声铸轧铝板带坯的力学性能分析“4 9 3 - 3 小结“j 5 0 第四章超声波对铸轧铝板带坯组织的影响机理分析5 1 4 1 超声波与媒质的相互作用5 l 4 2 超声空化的产生与阈值计算5 3 4 3 超声波对铸轧铝板带坯的组织作用机理5 5 4 3 1 空化效应对铸轧组织凝固的影响5 5 4 3 2 声流效应对铸轧组织凝固的影响5 7 4 4 功率超声的热效应5 8 4 5 小结5 9 第五章全文总结及展望6 0 5 1 本文的主要工作及结论6 0 5 2 存在的问题及展望6 0 参考文献6 2 致 射6 7 攻读学位期间的主要成果一6 8 i v 广 0 冷 - 一 ， 0 - f j 一 ， 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 铝是自然界含量最为丰富的金属，是除钢铁之外的第二大金属材料。铝及铝 合金具有重量轻、耐腐蚀、易导电、易延展、回收成本低等优良特性，广泛应用 于国民经济的各个领域。在有色金属材料中，铝在世界上的生产量和消费量均位 居第一i ij ，被认为是可持续发展的金属材料。 。 1 1 连续铸轧技术的发展概况 随着科学技术的不断进步，铝板带成形新技术及新工艺得到了飞速的发展。 就铝板带铸轧技术而言，由于其所具有的投资少、能耗少、生产周期短等独特的 优越性，得到了世界各国的广泛关注与研究，经过多年的技术攻关，产品质量已 经达到或者超过原有方法的水平，并逐步取得了替代铸锭热轧法的稳定地位。 连续铸轧工艺是把金属熔体通入两个旋转的铸轧辊之间，用转动的轧辊做结 晶器，由通入辊套的冷却水强迫冷却，使金属熔体在靠近铸轧辊表面的地方迅速 冷却凝固，然后经过铸造和轧制直接生产出带坯，代替通常铝板、箔材生产中所 需的铸锭、锯切、铣面、加热、热轧等全部工序1 2 - 3 1 。如图1 1 所示为双辊倾斜 式连续铸轧装置。 1 熔炼炉；2 静置炉；3 净化装置；4 前箱；5 供料嘴； 6 铸轧机；7 霹引机；8 剪切机；9 导辊；1 0 卷诹机； 图1 1双辊倾斜式连续铸轧装置示意图 由于连续铸轧工艺直接将液态金属连续铸轧成了板带坯，是目前先进的材料 加工工艺，具有投资少、节能、生产周期短、见效快等优点，所以经济效益非常 显著。 1， _ h-， 硕士学位论文 第一章绪论 板带连续铸轧技术发展至今已经有近1 6 0 年的历史。英国的贝西默( h b e s s e m e r ) 于1 8 4 6 年首次提出了连续铸轧方法的设想”j ，但由于当时的相关技 术比较落后，这种实验未能获得成功。1 9 5 1 年美国的亨特一道格拉斯( h u n t e r - - d o u g l a s ) 公司研究出了双辊式连续铸轧机，铸轧出了宽的薄型铝板坯1 5 i 。1 9 5 6 年，美国黑兹利特公司采用双钢带式连续铸造机成功地生产出了铸轧带坯，随后， 法国彼希涅( p e c h i n e y ) 公司研制的3 c 水平式双辊铸轧机也获得了成功1 6 。j 。 7 0 年代以前，铸轧机多为标准型，铸轧辊直径为0 6 0 0 7 0 0 m m ，铸轧带坯 厚度7 m m 左右，铸轧速度小于1 5 m m i n 。8 0 年代以后出现了超型铸轧机， 9 0 年代初出现了改进型超型铸轧机，铸轧带坯厚度3 m m ，铸轧速度5 m m i n ，可铸 轧合金品种范围扩大。自此以后，连续铸轧一直以其投资少、见效快、生产周期 短、能耗少、成本低等优点而深受人们的青睐。 1 9 6 3 年我国的东北轻合金加工厂开始进行铝带坯连续铸轧工艺技术研究工 作，1 9 6 4 年相继铸轧出宽2 5 0 m m 和4 0 0 m m ，厚1 0 m m 的铝带坯。1 9 6 5 年铸轧 出宽7 0 0 m m 的带坯，经过不断技术改进，连续铸轧机工艺参数大体稳定。1 9 7 5 年，冶金工业部认定该技术已达到工业生产水平，决定在全国推广。 1 9 7 9 年至1 9 8 3 年相继研制出0 6 5 0 x1 3 0 0 m m 和0 9 8 0 x1 6 0 0 m m 双辊倾斜式 连续铸轧机，这标志着我国铝带坯连续铸轧技术步入成熟阶段。1 9 8 4 年，中日 涿神有色金属加工专用设备有限公司成立，从而加速了我国同国外的技术交流与 合作。1 9 9 0 年底，渤海铝业有限公司研制出0 9 8 0 x 2 0 0 0 m m 超型铸轧机，至此， 我国已能独立设计与制造较先进的连续铸轧设备l 。 连续铸轧技术较传统板材生产工艺有了很大的进步，但是也还存在以下缺 陷：铸轧速度低，生产能力受到了很大限制。连续铸轧生产的带坯质量和性 能也存在很多缺陷，如热带、孔洞、横向波纹及厚度不均等，可铸轧铝材的品 种有限，连续铸轧机只能生产结晶温度区间较窄的低合金化铝合金。这些都影响 到该技术与传统的热轧开坯技术的竞争。 1 2 超薄快速铸轧技术的发展 8 0 年代末，针对铝铸轧工艺存在的主要缺点，铝工业界掀起了对超薄快速 铸轧技术研究的热潮。双辊快速连续铸轧是在传统的双辊连续铸轧的基础上，将 铸轧速度提高1 0 倍以上，金属的凝固速度提高1 0 - 1 0 0 倍，并进行6 0 - 8 0 的大塑性变形，从而提高生产率2 3 倍，使铝合金获得更加优良的组织和性能。 与传统的常规铸轧相比，快速超薄铸轧具有以下几个优点：( 1 ) 生产率的大幅度 提高。( 2 ) 薄带坯组织的枝晶间距和偏析程度显著减小，表面晶粒更加细化。( 3 ) 减小铸轧厚度能相应减少后续的冷轧设备、轧制道次和装卸卷时间，减少基建投 2 旷 尸r “k_叫一_fl 孓 、一 伸 硕士学位论文第一章绪论 资，生产成本和能源消耗。快速铸轧的铸坯冷却速度可达1 0 4 - - 1 0 5 k s ，大大超 过了传统铸轧的冷却速度( 1 0 2 1 0 3 k s ) ，铸轧带坯组织的枝晶间距明显减少， 溶质在固熔体中的过饱和程度提高，板带的深拉性能和力学性能得到了改善。 9 0 年代以来，国际上开展了对超薄快凝铸轧技术的研究【啦“j 。英国的戴维 ( d a v y ) 公司在其与牛津大学进行的四年合作研究中所做的超过7 0 0 次试验研 究的基础上，于1 9 9 2 年宣布与欧洲铝厂签订协议，合作改建一条快速铸轧生产 线。此后意大利的法塔一亨特( f a t a - h u n t e r ) 、法国的彼希涅( p e c h i n e y ) 及挪威 的海德洛( h y d r o ) 等从事铝铸轧工艺生产及设备制造的老牌公司也开展了研究 1 2 - 1 3 1 ，制造出了快速超薄铸轧的工业样机，可铸轧出l m m 厚的铝带坯，铸轧速 度达1 5 m m i n 。 为解决我国高质量铝热带材短缺、社会需求量逐年迅速增长而长期依靠进口 的问题，国家重大基础研究规划项目( 9 7 3 ) 与国家计委高新技术产业化前期关 键技术和成套装备研制与开发项目相继将铝合金板带超常铸轧技术与设备列为 基础研究与技术攻关内容。该技术以比常规铸轧高1 0 倍以上的速度成功制备了 铝铸轧热带板，其晶粒可达到一级晶粒度，结晶取向高度分散，所获得铝材强度 比常规铸轧产品提高了3 0 ，深冲制耳率降低了3 0 5 0 。目前国内已成 功地建立了超薄快速铸轧工业生产线。 1 3 电磁铸轧和电磁快速铸轧技术的发展 铝带坯连续铸轧技术的主要特点就是用转动的轧辊做结晶器，其组织带有快 速凝固与定向结晶的特点，晶体成长的方向性极强，形成晶粒粗大的柱状晶组织， 严重影响了铸轧带坯质量，因此必须向熔体中添加晶粒细化剂，才能获得细小的 晶粒组织1 1 5 1 。目前，世界上几乎所有的铸轧生产线都采用在线添加舢t i b 丝 来细化铸轧带坯晶粒，这种方法的细化晶粒效果明显，改善了铸轧带坯的质量， 但也存在着一定的缺点：一是趾t i b 丝价格较贵，增加了生产成本；二是随着 a l t i b 的加入，t i b 2 。b a l 2 粒子进入铝溶体，易结成团，对带坯随后的加工性 能，特别是对某些要求高氧化表面质量的板箔材带来了不利影响l1 6 q 1 1 ；三是产生 了合金化污染，这对要求高纯铝箔材的航空航天、交通、电子、信息产品等行业 来说是一个必须解决的问题。电磁铸轧、电磁快速铸轧等新工艺都是在此背景下 发展起来的。 国内的中南大学机电工程学院一直致力于铝加工行业的基础及应用研究，在 取得了上述超薄快速铸轧成果的同时还进行了电磁铸轧技术的研究l l 引。该技术 在铸轧区中引入以行波磁场为主的组合磁场，产生电磁感应力，对铝熔体产生搅 拌、扰动，改变凝固前沿的流场和温度场，抑制和破坏定向凝固结晶，达到细化 噜 - _、， 硕士学位论文 第一章绪论 晶粒，改善枝晶偏析，调整晶粒取向，从而显著提高铸轧带坯质量的目的。经多 次工业试验和考核表明1 1 9 - 2 0 l ，施加电磁场可减少、或完全取代a 1 t i b 晶粒细化 剂，消除合金化污染，扩大可铸轧合金品种；采用电磁场铸轧技术生产的0 0 0 7 m m 铝箔，其金相组织和力学性能均优于用常规铸轧工艺生产的铝箔产品；用电磁铸 轧工艺生产的铝板，其深拉性能明显优于常规铸轧板。目前，铝电磁铸轧技术已 成功应用于兰州铝业公司和西北铝加工厂。 使用电磁铸轧技术虽然能显著提高带坯质量，但生产效率还不十分理想，而 快速连续铸轧能显著地提高铸轧带坯的生产效率，因此为了既能生产出高质量的 铝带坯又能提高铝带坯的生产效率，中南大学机电工程学院在电磁铸轧和快速铸 轧技术取得成功的基础上，承接了国家科学技术部“8 6 3 项目“电磁场快速铸 轧制备高性能铝板带材 。 该技术将电磁场和快速强冷外场集成施加到连续铸轧的凝固一一变形区，在 极短的时间内进行能量交换和金属成形，创造一种特殊的凝固与变形环境，控制 结晶与变形条件，从而高效率地制备高性能的铝板带材。这些新技术使我国在铝 带坯铸轧技术领域已接近或超过世界先进水平。 1 4 物理场金属熔体处理技术的研究现状 1 4 1 金属固组织的控制途径 铸轧中的金属凝固过程是各种工艺参数综合作用的结果，其中的熔体流动、 凝固和塑性变形连续与并行进行，含多种基本物理过程。其理论研究与计算涉及 到流场、温度场和变形场的物理建模与各模型间的交互作用，是一个十分复杂的 问题。 对金属的凝固成形过程进行控制是获得高性能优质铸轧板的关键。对凝固过 程进行控制，主要是综合利用各种手段开发新的凝固成形工艺，改进金属的熔炼、 凝固、成形过程，获得晶粒细小、组织致密、性能优良的产品，以满足不同行业 的需要。大量研究结果和生产实践都证明，铝带坯凝固组织对其产品的组织及深 加工性能有遗传影响。目前一致认为，均匀细小的晶粒组织是铝带坯的最佳组织。 获得细晶粒的途径主要是在凝固时增加形核速率，抑止柱状晶长大，其主要途径 有1 2 1 - 2 2 1 ： ( 1 ) 控制冷却速度。如快速凝固、近快速凝固等，控制冷却速度是获得细 晶组织最简单的方法，应用最为广泛。 ( 2 ) 控制凝固温度。主要是增加冷却速度和降低浇注温度。 ( 3 ) 孕育和变质处理。通过加入能够促进形核( 孕育) 和控制长大( 变质) 的添 4 f 暑 ， 鼍 i ， _ - 一 冬 ， 硕士学位论文 第一章绪论 加剂来达到控制凝固组织的目的。 ( 4 ) 强化对流。利用机械搅拌、电磁搅拌、超声波处理等各种振动等手段 促进枝晶折断和重熔来达到细化晶粒的目的。 ( 5 ) 特殊外场的作用。在凝固过程中施加特殊的外场，如压力场、微重力 场、超重力扬、离心力场、电场、磁场等，通过外场对液态金属的控制得到预期 的凝固组织。 通过以上几个基本途径，在细化晶粒、控制凝固组织等方面都取得了一定的 效果，而且开发出了一些崭新的金属凝固成形新技术，如喷雾成形、微重力凝固、 超重力凝固、电磁离心铸造、快速铸轧、电磁铸轧、电磁快速铸轧、超声铸造等。 1 4 2 外加物理场处理技术的研究状况 外加物理场处理技术是在金属凝固前或凝固过程中给金属熔体施加物理场， 利用金属和物理场的相互作用，改善其凝固组织强粥引。外加的物理场通常有压力 场、超重力场、离心力场、电场、磁场、超声场及复合能场等。目前该领域的研 究热点主要集中在以下三个方面：一是让电流通过金属熔体，即电流处理；二是 让金属熔体在磁场中凝固，即磁场处理；三是对金属熔体进行超声波处理。外加 物理场处理金属熔体技术具有环境友好、成本低、操作简便等优点。 外加物理场处理金属熔体技术的研究始于2 0 世纪3 0 年代【2 刚，而后一直无 太大的进展。这一方面是由于对高密度电流、超强磁场和对大功率超声波的要求 制约了该技术的应用，另一方面材料领域孕育处理、变质处理、电磁搅拌和微合 金化等凝固细晶技术在这一时期发展很快，人们更愿意接受工艺简单的凝固细晶 技术。人类进入2 1 世纪后，材料的环境协调性对传统的凝固细晶技术提出了质 疑，而物理、材料和电子等领域科学技术的飞速发展使大功率电流、磁场和超声 等物理手段的产生成为可能。因此，从2 0 世纪9 0 年代起物理场凝固细晶技术再 度成为材料领域的研究热点，而输出峰值高、设备负荷小的脉冲物理场成为物理 场凝固细晶技术的新亮点。 关于物理场对金属凝固过程作用的研究国外起步较早，但近年来国内学者的 研究异军突起，特别是在脉冲物理场凝固细晶技术以及对钢铁材料等高温合金的 研究方面已有了很大的进步。 1 5 超声波熔体处理技术的发展状况 早在1 8 6 9 年，俄国的c h e m o v 就成功地用摇晃铸模的方法细化了钢锭的晶 粒。1 9 4 1 年后振动效应对金属凝固的影响开始受到重视，众多学者开始了大量 5 硕士学位论文 第一章绪论 的研究。早期的研究都是低频振动，如凸轮、气动、电磁激振等，般为几十赫 兹，最高也不过2 0 0 0 h z ，所以振动所能提供的能量也受到了限制，而且振动过 程不易控制。 1 9 3 5 年，苏联的s o k o l o v 开始使用超声振动装置对纯金属a 1 、z n 、s n 的凝 固过程进行了处理研究。超声振动的高能量及其它的特殊效应，极大地提高了振 动对凝固的作用效果。因此，超声振动逐渐成为振动凝固研究的主要方向。目前 超声金属凝固处理的研究对象，研究内容和公认效果如表1 1 所利2 8 之引，经超声 处理后合金性能的变化如表1 2 所示，从表1 2 中可以看出，经超声处理后的金 属材料性能得到了不同程度的提高。 表1 - 1 超声熔体处理对象及效果 有色合金 黑色金属纯金属复合材料 a l _ c u ，a 1 - m g ，a 1 一s i ， a l f e ，a l p b ，b i z n ， 研究对象s n z n ，s n p b ， c u z n ， c u p b c u s b 碳钢、硼钢、 不锈钢、灰a 1 ，s n ， 铸铁、白口z n ，c d 铁、球墨铸 b i 铁 细化品粒，组织均匀化，组织净化( 除渣、去气、提纯) ，消除偏析， 公认效果 改善增强体基体的浸润性，加速冷却 研究内容晶粒细化及粗化，溶质的扩散，熔体的流动，气泡的运动 表1 2 超声处理对合金性能的影响 6 p - ，气 呲 豫 岛 乙 石 ：；i 谢 拢 踟 拟 一 一 一 一 一 魄 l s s m 1 k a 0 m 眦 舡 s 洲 觚 ， 0 - 硕士学位论文第一章绪论 1 5 1 超声波对铝及铝合金凝固组织的作用 俄罗斯学者g i e s k i n 对高纯铝进行超声波处理，处理后使晶粒度级别从3 1 增大到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h b l 9 7 ， 同时延伸率也得到了改善f m j 。g i e s k i n 等还采用1 0 k w 的功率超声对铝合金的 凝固行为进行了较为深入的研究1 3 ，实验表明纯铝经过超声波处理拉伸强度可 以提高6 1 0 ；而含有微量元素的铝经过超声波处理后拉伸强度可以提高 2 0 2 5 ；在连续铸造过程中用超声波处理灿s i 合金也取得了良好效果，对 初生s i 相的细化作用十分显著，如图1 2 所示。 未经超声处理经超声处理 图1 2 过共晶硅( 3 6 s i ) 的微观组织 2 0 世纪9 0 代，国内也掀起了超声波熔体处理技术的研究高潮。沈阳工业学 院的赵忠兴、毕鉴智等研究了铝合金超声铸造技术1 3 2 - 3 3 1 ，采用2 0 k h z ，0 2 5 k w 和2 0 k h z ，l k w 的冶金用超声波发生器处理a l s i c u m g 合金，z l l 0 2 ，h t l 0 0 和z c u p b 3 0 合金，经超声波处理的合金试样均为等轴晶组织或变成颗粒状组织， 且明显细化均匀，合金的宏观及微观偏析均得到改善。研究还表明，在超声波铝 合金处理过程中，采用底部导入超声波方式比顶部导入方式减少了合金内部的氧 化夹杂。 东北大学黄金学院的李英龙、高彩茹等人研究了超声振动对铝合金的变质作 用1 3 4 磷j ，结果表明：采用频率为2 0k h z ，声强为3 5 w c m 2 的功率超声全过程处 理a 1 s i 合金，能够提高液相形核率，抑制s i 相长大；对初晶s i 和共晶s i 组织 具有双重细化作用，使s i 破碎成颗粒状；空化效应能打断生长中的硅晶体，改 变硅的形态分布，减小其对基体的削弱作用，细化了合金组织；合金的强度和塑 7 一 p 八 峰， 硕士学位论文第一章绪论 性明显提高，超声振动是提高合金性能的有效途径。 李军文与日本的国立室兰工业大学的桃野正采用最大功率1 5 0 w ，频率 2 5 k h z ，磁致伸缩式换能器及氮化硅( s i 3 n 4 ) 材质的导入杆研究了不同工艺参 数对铝合金铸锭组织的影响，如超声波振动处理时间、超声波开始导入时的熔体 温度、浇注温度、超声波导入杆与振动子之间的共振度、铸型的形状系数等参数 对铝合金铸锭组织的影响1 3 6 - 3 9 1 。 中南大学的胡化文等人研究了2 0 k h z ，3 0 w c m 2 的超声处理对7 0 5 5 铝合金 铸态组织及性能的影响1 4 0 训j ，结果表明，超声波的空化效应促进了晶核的形成， 提高凝固合金的强度及塑性，其断口s e m 图如图1 3 所示。 ( a ) ( c ) 未经超声处理，( b ) ( d ) 经超声处理 图1 37 0 5 5 铝合金s e m 断口扫描照片 另外v o a b r a m o v 、m a r e h i m 、x j i a n 、j p a n 等人也对超声场作用下的铝 及铝合金的凝固做了大量的研究1 4 2 - 4 5 j 。 1 。5 2 超声波对其它金属凝固组织的影响 o va b r a m o v 和g u r e v i c h 使用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 和舢，密排六方的c o ，b i ，z n ，s n ) 1 4 6 4 8 1 ， 结果表明超声场处理能够使具有不同点阵结构的金属晶粒细化，力学性能提高； 8 u 一 ， 矿 硕士学位论文 第一章绪论 对于体心立方和密排六方的金属，在较低的浇注温度时细化效果最为明显，随着 浇注温度的增加细化效果减弱。 o v a b r a m o v 用超声波处理碳钢，超声波振动使铸态下u 8 ( o 8 c ) 和 u 1 0 ( 1 o c ) 钢的晶粒尺寸从2 0 0 1 s m 减d , n2 5 5 0 1 m a ；使铸态亚共析碳钢强度提 高2 0 - - 一3 0 ，塑性提高3 0 - - - 4 0 ；而过共析钢经超声处理后，其屈服强度提 高了7 5 ，同时塑性也有所增加；经过超声处理的铁素体和奥氏体钢无论是在室 温下还是在工作温度下，强度和塑性都得到了改善1 4 9 1 。在s h k h l 5 ( 1 c ，1 5 c n 钢连铸时进行超声波处理可大大减小轴向疏松和缩小铸坯柱状晶区，扩大其等轴 晶区，使晶粒及碳化物尺寸减小，对s t 4 0 钢进行变质和超声振动的联合处理实 验，不仅得到了晶粒细化的珠光体组织，而且也打碎了铁素体网，这种组织和退 火中碳钢的等轴组织很相似【4 8 1 。a b r a m o v 还研究了超声处理对工具钢w 1 8 的作 用1 4 圳。实验结果表明，经超声处理后的w 1 8 钢锭微观组织得到细化，碳化物偏 析明显减轻，而且超声振动也细化了共晶体碳化物，如图l - 4 所示。 未经超声处理经超声处理 图1 4 工具钢w 1 8 的微观组织 1 1 1 i r s i d 将超声波振动施加于连续铸造过程中1 5o l ，发现超声振动能明显改善润 滑状态，一是钢和型壁表面的摩擦明显减小，二是使铸件表面质量得到显著改善， 出型容易。另外使铸件晶粒细化，而且减轻了a 1 c u 合金连续铸造铸件的表面偏 析。黄金日等人探讨了超声波对h t l 0 0 灰铸铁凝固组织的影响，结果表明，超 声处理使灰铸铁共晶石墨变短、变粗i 5 l j 。 s n s b 合金以其良好的减摩性能广泛地应用于轴承及其它工业中，但由于s b 比s n 轻，在结晶过程中富s b 的d 相会上浮，造成严重的偏析，极大的限制了 该材料的应用。上海大学的高守雷、戚飞鹏等人采用2 0 k h z ，l k w 的功率超声 对s n s b 合金进行了全过程处理1 5 2 j ，经6 0 0 w 超声处理的s n s b 包晶合金显微组 织如图l - 5 所示，可以看出，基体晶粒得到了显著细化，原来呈尖锐棱角的b 相 9 _ _ _ 嘞一 硕士学位论文第一章绪论 变成了小的多面体或球形；另外研究了铸锭顶部和底部的显微组织后发现，超声 处理后大大消除了密度偏析，提高了凝固组织的均匀性。 未经超声处理经6 0 0 w 超声处理 图1 5s n s b 包晶合金显微组织 东南大学的陈锋、马立群、王俊等人从1 9 8 7 年开始研究了超声在金属基复 合材料( m e t a l m a t r i xc o m p o s i t e s 简称m m c ) 制备中的应用垮p ”l ，采用2 0 k h z ， 最大功率l k w 的超声波制备了s i c 颗粒z n 2 2 a 1 复合材料，分析结果表明， s i c 颗粒均匀地分布在基体中，且没有明显的气孔或颗粒偏聚之类的缺陷；材料 在铸态时的致密度为9 7 3 2 ，颗粒与基体结合紧密，明显优于机械搅拌制备的 同类材料；另外利用高能超声振动还制备了a 1 陶瓷，z a 2 2 陶瓷( 粒子平均直径 2 1 x m ) ，a 1 p b ( p b 粒子直径 、 o 、 f ，b ab 图2 7 位移及应力沿轴向分布示意图 ( 3 ) 指数形复合二级变幅杆的设计 为了进一步增加放大系数和减少热量的向上传递，故采用二级变幅杆。为了 超声波在铸轧板带的横向方向上分布均匀，我们把超声波的导入杆设计为双导入 杆，故采用截面为矩形的二级变幅杆，这种复合变幅杆由长方体和截面为矩形的 指数形变幅杆组成。这种形状的变幅杆与空气的接触面积较大，增强了变幅杆的 冷却作用，同时减少了应力分布不均匀现象。二级变幅杆的材料选用铝合金，铝 合金具有声阻抗小、易加工、重量轻等优点，纵波在其中的传播速度为 5 1 5 0 m s 1 6 扪。 其中长方体部分为低振幅端，起均匀传递超声波的作用。其长度为三： ：丝互：! ：! z 里! q 兰兰兰：旦：6 3 聊历 ( 2 4 0 ) ，= = 一= 一= ，丌，i 二- 叶u ， 冗2冗2 4 a 1 其中k l 的值可查文献【6 5 】得到。 截面为矩形的指数形变幅杆为高振幅端，起放大振幅作用，设计为四分之一 波长指数形变幅杆。考虑到放大系数及安装工具头的需要，取变幅杆两端的厚度 分别为a l = 6 0 m m ，a 2 = 4 2 m m 。 所以放大系数为： m p = n = 要= 昙2 笔= l 2 。 c 2 - 4 ， l i l n = 0 1 7 8 ( 2 4 2 ) 共振长度，为： ，：1 + ( 型) 2 】；：6 3 朋聊 ( 2 - 4 3 ) h 硕士学位论文第二章超声铸轧实验系统的设计及功率测量 = 手1 n = 2 8 3 1 0 - 3 ( 2 - 4 4 ) 所以l 5 丝2 n - 3 3 9 9 k h z ，满足p 1 5 等。z 万 变幅杆厚度a 的变化由口= a l e _ 2 肛计算得到，其中x 为距宽端面的距离。 表2 - 3 变幅杆厚度随距离变化计算值 为了使此系统具有双导入杆，故变幅杆的宽度应足够宽，取1 0 0 m m ，但此 尺寸已超过四分之一波长，将引起变幅杆的横向振动，故需在变幅杆中间位置沿 超声波传递方向开槽，以切断波的横向传播，取槽宽为1 0 m m ，长7 0 m m 。 ( 4 ) 导入杆设计 导入杆又称为工具头，实际上也是变幅杆的一种，由于其与铝熔体直接接触， 交变应力和高温的共同作用使变幅杆发热量大，易被腐蚀，所以其材料要求耐高 温，辐射端面抗腐蚀性好。早在5 0 年代，就有人提出了使用陶瓷材料和内部使 用高熔点液体冷却来解决这些问题，但因为当时条件所限，这些振荡器的导入效 率非常低。8 0 年代，o v a b r a m o v 研制了水冷的变幅杆f 4 1 ，现在这种水冷变幅 杆已经在处理铝合金熔液中得到应用，但其设计加工比较复杂。本实验超声波导 入杆插入铝熔体中的深度仅为1 0 m m 左右，所产生的热量能被及时传递出去，所 以导入杆的材料选用经过热处理的合金钢，超声波纵波在其中的速度为5 2 5 0 m s 。 另外为了增加辐射面积，使超声波能均匀作用到铝熔体中去，本实验设计了双导 入杆，对称安装，其形状选择一端带有圆锥形的复合变幅杆。圆锥大端面直径取 3 7 m m ，小端面直径取2 3 m m ，两导入杆之间的中心距取5 6 m m 。其中圆柱形阶 段的长度为： 硕士学位论文 第二章超声铸轧实验系统的设计及功率测量 三：k l 一2 ： 7 2 对于圆锥阶段： 面积系数： 查文献1 6 5 得： 共振长度： 1 5 8 8 0 8 6兰0 2 5 3 2 ：0 2 5 3 c ：6 6 m 朋 ( 2 4 5 ) ， ：旦：3 7 ：1 6 0 b 2 3 | | ：= 3 2 1 0 1 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 一 1