（材料加工工程专业论文）超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水平连铸近年来发展极为迅速，由于工艺设备简单等诸多优势，被广泛应用于铸造 行业制备高质量铸件。随着国民经济的不断发展，对金属线材的需求量日益增加，同时 对其质量及生产率提出了更高的要求目前，超声场及电磁场以其独特的性能在材料改 性及新材料制备中的应用研究越来越广泛。作者参与了国家自然科学基金“复合场作用 下液体金属的运动行为及控制”这一重大研究课题，研究了超声场及电磁场作用下金属 线材的制备及其改性，取得科研成果如下： 改进优化了水平连铸装置，成功将超声场及电磁场引入到水平连铸制备金属线材的 过程中。为了提高铸坯质量及生产效率，在超声场作用下探索出一套制备s i 合金线 材最佳的工艺参数，此时合金铸坯的微观组织均匀细小，力学性能最佳。采用静态模拟 实验，研究了超声场对触s i 合金除气净化及晶粒细化的影响。超声场对铝熔体产生显 著的除气净化效果，且超声处理时间存在最佳值；初步分析超声场作用下晶粒的球化、 细化可能是由于超声空化泡破碎产生的过冷生核所引起。 分析了不同励磁电流条件下，电磁场对a 1 s i 合金水平连铸冷却曲线、凝固组织及 成分偏析的影响规律。在电磁场作用下，洛仑兹力作用于凝固区域的金属，对其产生搅 拌及软接触两种作用，从而对金属的凝固过程产生影响施加电磁场后，舢s i 合金的 开始结晶温度上升，同时凝固速度加快结晶温度间隔变小；当励磁电流为1 0 0 a 时，电 磁场对凝固区域合金的作用效果最好，铸坯晶粒均匀细小且成分偏析得到了抑制。 研究了a z 3 1 镁合金的熔炼工艺并探索了不同材质的结晶器a z 3 1 镁合金的水平连 铸。采用i u 2 熔剂对镁熔体进行保护及精炼，同时利用加气体保护法阻止镁液的燃烧。 探索了石墨及不锈钢两种材质的结晶器下镁合金的水平连铸。 关键词：水平连铸；超声场；电磁场；a l - s i 合金；a z 3 1 镁合金 超声场及电磁场作用下水平连铸制各金属线材的研究 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 gm e t a lw i r eu n d e ru l t r a s o n i c f i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 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 sc 船t i n gi sw i d e l ya p p l i e da n dr e s e a r c h e df o ra d v a n t a g e ss 1 1 e ha s s i m p l ef a c i l i t i e s ，e t c mr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dn a t i o n a le c o n o m y 。 t h en e e d so fh i g h q u a l i t ym e t a l w i r ei n c r e a s eq u i c k l y n o w a d a y s ，u l t r a s o n i cf i e l da n d e 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 a t e r i a lm o d i f i c a t i o na n dn 唧m a t e r i a l p r e p a r a t i o n 。t h ew r i t e rt a k e sp a r th io r ep r o j e c t , w h i c hi sw r l l ed y n a m i c sa n d c o n t r o lo fm e t a l l i q u i d w i t hm u l t i f i e l d s 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 o u n d a t i o n 砸l c p r e p a r a t i o na n dm o d i f i c a t i o no f m e t a lw i r ew i t hu 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 e r e s e a r c h e d m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g ： e x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gi si m p r o v e d mu l t r a s o n i c 五e l da n de l e o t r o m a g n e t i c6 e l da r es u c c e s s f u l l yc o n d u c t e dt o p r e p a r em e t a lw i r eu n d e r 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 ho r d e rt oe n h a n c et h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f a 1 s ia l l o yi n g o t s ，t h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gc o m b i n e d w i t hu l t r a s o n i cf i e l da r ee s t a b l i s b e d t h em i c r o s t r u c t u r e sa r et u l i f o r m f i n ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa g et h eb e s to fa l lu n d e rt h e s ep a r a m e t e r s 。w i 血u l t r a s o n i cf i e l d , t h ed e g a s s i n ge f f e c t a n dt h eg r a i nr e f i n e m e n to f 舢s ia l l o ya r ei n v e s t i g a t e du s i n gs t a t i ce x p e r i m e n t t h ev a l u eo f p o r o s i t yv o l u m eo fa i s ia h o yd e c r e a s e so b v i o u s l yw h e nt h em e t a ll i q u i di st r e a t e db y u l t r a s o n i cf i e l da n dt h et r e a t m e n tt i m ec a l lb eo p t i m i z e d 。n ee x p a n s i o na n dc o l l a p s eo f c a v i t i e sw h i c hr e s u l t si nt h ef o r m a t i o no fn u c l e im a y p l a yt h ed o m i n a n ti m p o r t a n tr o l ei nt h e f o r m a t i o no ff i n ea n dg l o b u l a rg r a i n s n l ei n f l u e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h ec o o l i n go t l l v e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n d s o l u t e s e g r e g a t i n no fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s l y c a s ta 1 - s ia l l o yh a v eb e e n t h e o r e t i c a l l y i n t e r p r e t e d u n d e re l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , l o r e n t zf o r c ea c t e d0 1 1m e t a ll i q u i dc a np r o d u c et w o e f f e c t s ：s o f tc o n t a c ta n de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g t h ec o o l i n gc u i v cs h o w st h a tw h e nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i s i m p o s e 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 , t h en u c l e a t i o n t e m p e r a t u r eo ft h ea l l o yi n c r e a s e sa n dt h es o l i d i f i c a t i o ni n t e r v a li ss h o r t e n e d 1 7 i ，h c nc u r r e n ti s i o o a , g r a i n sa r er e f i n e da n ds o l u t es e g r e g a t i o n i ss u p p r e s s e d t op r e v e n tt h ec o m b u s t i o no fm g , m g m e l t i n gi ss t u d i e d t h er j 一2f l u xa n da rg a sa r e u s e df o rp r o t e c t i o na n ds m e l t i n g b a s e do ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s l y c a s ta l - s ia l l o y ，t h em o l do f g r a p h i t ea n ds t a i n l e s ss t e e li sr e s p e c t i v e l yr e s e a r c h e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 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 ：u l 懈o m cf i e l d ；e l e c t r o m a g n e t i cf i c l d ：a l s i a l l o y ；a z 3 1a l l o y - - i l l 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 作者签名：蕉! 蔓坚日期：蚬7 - z z 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：蕉蔓望 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 金属线材是高附加值产品，广泛应用于国民经济各部门。随着世界经济的快速发展 和人类物质生活水平的提高，以及当前基础产业、支柱产业的升级换代，对金属线材的 质量提出了越来越高的要求，发展金属线材先进制备技术以确保材料的技术性能已成为 一种必然。 集成电路引线键合是集成电路制造中最重要的工序之一，其作用是通过键合线把集 成电路芯片的各个功能端与外部连接起来，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的熟 量f 1 - 3 。a n 和a l 是最早被采用的键合线材料。a n 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 1 好，因此，用c u 替代a l 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。 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附l 。g o t t f r i d e 等在研究中采用直径为 2 5 z m 的a i 1 w t s i 线代替常规a u 线和线用于键合工艺，在4 0 0 高温储存后，发 现其高温性能较a 1 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。近年来，a l - 1 w t 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 6 1 。 目前，生产键合线的常规工艺为首先制备铸坯，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问距、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。 镁及镁合金与其他金属材料及工程塑料相比，具有很好的比强度、比刚度，优良的 阻尼减震性能、机械加工性能等特点。镁的这些优点使其被誉为“2 1 世纪绿色工程金属 结构材料”，并将成为本世纪重要的商用轻质结构材料。镁合金在航空、汽车、电子等 领域拥有广阔的应用前景m l 。随着镁合金结构件的广泛应用，其连接问题必须得到解 决，而焊接无疑是优选的连接方法之一。镁合金的压制、轧制和模压品等零部件的制造 超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究 都离不开焊接，铸件缺陷的修补也离不开焊接。因此，开发镁合金焊丝制备工艺已成为 材料学界的一个研究热点【9 】o 国内目前镁合金焊丝大部分仍从国外进口，虽然在镁合金 焊丝的熟挤压、挤压一拉拔方面做了很多研究，并取得了较好的成果，但是批量化生产 还有待开发。采用铸造方法生产焊丝，存在夹渣和疏松等铸造缺陷，产品合格率低，严 重影响了其使用性能。 综上所述，采用现有的制各工艺生产铝合金及镁合金线材已不能满足生产及应用的 需求。因此，开发制备高质量金属线材的新工艺，具有重要的应用价值及经济价值。 1 2 铝合金键合线的制备 目前，a l - 1 w t s i 合金键合线的制备方法主要是：棒材铸坯一挤压一拉拔，制成微米 级别的细丝l 删。其中，铸坯的质量影响着键合线的性能及挤压、拉拔的效率。国内键合 线铸坯的制备方法主要有下引连铸法、定向凝固法和水平连铸等方法。但传统的方法铸 坯晶粒粗大、成分偏析严重，并且存在气孔夹渣等缺陷，导致拉拔时断线率高、生产效 率较低、成本较大。大连理工大学材料学院李新涛、高学鹏等人已经在施加超声场的条 件下，利用水平连铸技术制备出直径1 嘧m 的a 1 1 w t s i 铸坯，铸坯表面质量良好、组 织发生明显细化，消除了夹渣及气孔等缺陷，铸坯性能优越【1 l 】。北京科技大学王自东等 对s i 合金连续定向凝固组织控制进行了系统深入的研究，采用真空熔炼和氩气保护 下，采用连续定向凝固设备制备出具有连续柱状晶和单晶组织的a 1 1 w t s i 合金键合线 坯。该棒材具有良好的塑性，在室温下可直接拉拔制备出线径为2 陬m 的超细丝材，其延 伸倍数达1 6 万倍【1 2 。键合线实物图如图1 所示。 图1 1 巾2 5 p , c s 0 0 m 铝硅合金键合线实物照片 f i g 1 1 b o n d i n g w i r eo fa i - s if l l o y 一2 一 大趣工大学硕士研究生学位论文 传统铸坯制各方法由于合金凝固速度慢，因此组织偏析等缺陷难以避免。与传统铸 坯一挤压一拉拔成形的键合线制各方法相比，利用熔融金属快速凝固技术制备具有最终直 径的键合线有着许多优势。目前，制备金属线的快速凝固方法有玻璃涂覆纺绩法、合金 液注入液体冷却法、旋转水纺绩法等。前两种方法冷却速度较慢，只限于生产p d s i 、 p t - n i 等贵金属合金丝。与其它快速凝固方法相比，旋转水纺绩法实施容易，是大量生 产非晶态和结晶态合金丝的有效方法。上海交通大学李克等采用旋转水纺绩法快速凝固 技术半连续制各了直径为0 1 一l m m 的a 1 1 叭s i 合金微细线【1 0 】。 1 3 镁合金焊丝的制备 目前，镁合金焊丝可以通过铸造、拉拔以及热挤压三种方法进行生产1 1 4 1 1 3 1 铸造成型 在小批量生产焊丝时可用铸造法，也可用条状的铸件的边角料作为焊丝使用。铸件 焊接和焊补常采用铸造焊丝，但铸件的边角料及铸造焊丝在使用前应经选择，存在夹渣、 疏松等铸造缺陷的焊丝不能使用旧。 1 3 2 拉拔成形 对镁合金而言，在拉拔成形的过程中的应力状态对其塑性的发挥不利，因此镁合金 难以进行拉拔成形。但是拉拔成形的产品具有尺寸精度高和表面粗糙度低，特别是线材、 管材拉拔易于实现高速、连续化生产，可以大大提高生产效率。已有的研究表明，拉拔 成形的线材具有更高的强度【l q 。因此，镁合金拉拔成形技术的研究逐渐受到关注。日本 电气工业株式会社采用拉拔成形工艺制备了镁合金线材，其抗拉强度高达4 0 0 m p a ，延 伸率为1 0 以上。此外，该公司对a z 3 1 、a 7 _ 强1 、a z s 0 的拉拔线材进行了研究，得到 了强韧性能良好的优秀线材，也可以用于汽车、轮椅等，并可制作弹簧【切。 1 3 3 热挤压成形 镁合金的挤压条件没有轧制和锻造的条件苛刻，因此对于晶粒粗大且不均匀而难以 轧制和锻造的两相镁合金，一般都可以进行挤压加工。同样，一些存在于合金晶界上的 可能影响铸造性能和轧制性能的氧化膜杂质对挤压过程不产生太大的影响，甚至还有可 能提高产品的力学性能。此外，挤压生产对生产场地的要求也不高，挤压过程中速度范 围也较宽。通常，采用低的挤压温度和慢的挤压速度获得的挤压产品力学性能最高，较 高的挤压温度和快速挤压可以获得较高的表面质量【1 8 】。 镁合金热挤压成形时，在有专门的保温装置保证坯料温度和模具温度始终保持在恒 定的温度范围内、采用合理的润滑剂等条件下，可以挤出各种高质量的镁合金制品。镁 一3 一 超声场及电磁场作用下水平连铸制各金属线材的研究 合金热挤压生产最大的特点是高温和高挤压比。在镁合金制品的熟挤压成形时，大比率 挤压导致的晶粒细化引起的镁合金力学性能的提高幅度大于由于发生高温再结晶而导 致的力学性能的降低幅度。 在上述三种方法中，铸造成型的应用较少，且由于其自身的特性只适用于小批量生 产。但随着铸造工艺的不断进步与发展，可以采用铸造工艺制备出高质量、近终形的镁 合金线材，再通过拉拔或热挤压工艺制备镁合金焊丝，这样不仅提高了材料的性能，而 且提高了焊丝的生产效率降低其生产成本。因此采用铸造工艺生产高质量的镁合金线材 将成为科研工作者的研究热点。 1 4 水平连铸技术， 连铸技术是由英国人b 璐s e m e r 于1 8 5 6 年提出来的，并于1 9 3 0 年开始应用于铜、 铝等有色金属的生产。我国是较早开始研究连铸技术的国家之一，1 9 6 4 年重钢三厂建成 我国第一台也是世界最早的r 6 m 弧形连铸机【堋。与传统的铸锭、开坯，轧制的生产方 式相比，连铸技术在提高生产能力及金属收得率、简化工艺流程、降低能耗、保证产品 质量等各方面都具有不可比拟的优势，更能适应现代生产大规模、高速化、连续化以及 节约能源的要求。因此，近凡十年来，世界各国的连铸技术发展都极为迅速，连铸比高 低已经成为衡量一个国家工业发达与否的重要标志之一，2 0 0 6 年我国的连铸比已达到过 9 9 【加l ，一些工业发达国家已经达到百分之百。 连铸技术是随着连铸机的发展而发展的。连铸机按铸坯断面形状可分为厚板坯、薄 板、小方坯、圆坯等；也可按铸坯运行的轨迹分为立式、立弯式、垂直一多点弯曲式、 垂直一弧形、多半径弧形、水平式及旋转式连铸机【2 1 】。 立式连铸机出现最早，其优点是金属液中夹杂易于上浮。凝固坯壳冷却均匀对称， 无弯曲矫直应力。但缺点是设备高度大、建设投资大且金属液静压力大，易使铸坯产生 鼓肚变形，铸坯断面和长度都不能过大，拉速也不宜过高。 立弯式连铸机的优点是降低了设备高度，将完全凝固的铸坯弯成9 0 。角，在水平方 向出坯，消除了定尺长度的限制，降低了设备的投资。但缺点是铸坯存在弯曲矫直应力， 容易产生裂纹。 弧形连铸机进一步降低了设备的高度，其高度仅为立式连铸机的1 2 - l 3 ，操作方便， 便于提高拉坯速度。但缺点是存在设备对弧困难，内外弧冷却欠均匀，弯曲矫直应力较 大及夹杂物在内弧侧容易聚集，因此对金属液纯净度要求非常高。 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。但由于开发初期铸 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 大连理工大学硕士研究生学位论文 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。与传统连铸工艺相比，水平连铸技术具有以下优点【笠捌： 水平连铸设备结构简单、重量轻、投资少，一般比弧形连铸机重量轻1 乃，投资 可节省3 0 - 4 0 ； 水平连铸机高度低，不需建高大厂房，适用于中小型车间； 由于结晶器水平布置，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； 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，可以浇铸的钢种范围大； 适用于生产优质小断面铸坯。 但水平连铸也存在着一些缺点：由于一般金属液的粘性较大，流动性能较差， 在水平连铸时经常出现补缩不及时，造成铸锭出现缩孔、缩松等缺陷，尤其是制备大直 径的铸坯，因此水平连铸只适合于生产直径较小的金属棒材。由于重力的作用，在 水平连铸时，铸坯上下部分的成分、组织不均匀，造成铸坯质量较差，一般都通过施热 外场来改变铸坯的组织性能。 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【2 4 1 。目前，世界上水平连铸技术已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：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；铸坯断面广，从f 3 l o m m 的线材到f 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； 浇注合金种多，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；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。 美国铸钢工程公司于1 9 8 4 年1 月在洛杉矾铸造厂建立一台水平连铸试验机，1 9 9 0 年 又将单流改为双流。该机组主要技术待点是：中间包容量很大，钢液柱高度可达 1 5 2 4 m m ，有利于夹杂物上浮，热损失少，并有利于多炉连浇；中间包等离子加热功 率为6 m w ，使浇注温度过热度控制在3 0 以内，改善了铸坯质量，并使整包钢水浇铸 时间长达5 h ；可调式新型结晶器在铜套后增加一段管式石墨段，称为再凝固段，最 后为可调石墨段；用直流力矩马达直接驱动拉坯机，精度高。此台连铸机年产量达 2 0 0 x1 0 3 t ，能获得高清洁度的铸坯，生产成本与弧形连铸枧相近。随后，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德国t g 。公司等迅速发展了水平连铸技术。 目前，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【矧， 超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究 实现了普通钢和对裂纹敏感、难以加工变形和易氧化元素含量较高的特种钢的工业化生 产。 我国的水平连铸实验早在2 0 世纪印年代初期就开始了。当时钢铁研究总院、唐山 钢铁公司等进行了探索。从2 0 世纪7 0 起年代受到我国科技界的关注和重视。1 9 7 7 年， 山西太原电解铜厂开发了一台铜合金的水平连铸机。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，试验浇f s 0 m m 的2 0 钢管坯。可以完成6 炉连浇，一次浇完9 3 吨钢水，持续7 3 6 小时，拉成率达9 0 。 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【磐”j 。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，第一台杌组于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 2 s 1 2 0 0 0 年，西安科技大学发明出制备直径6 0 9 0 r a m 圆 管坯的水平连铸机，由中间包、中闯包车、结晶器、液压拉坯机、切割车、前后辊道、 液压系统、电控系统、循环水系统等部分组成。目前，我国的水平连铸技术得到了迅猛 的发展，一些特种钢和非铁基合金也开始利用水平连铸进行工业化生产。 采用水平连铸方法制备金属线材，研究最多的是热型连铸技术又称o c c 技术 ( o h n oc o n t i n u o u sc a s t i n g ) 。它是由日本干叶工业大学的大野笃美教授( 九0 h n o ) 于1 9 7 8 年发明，并于1 9 8 6 年首次发表l 。利用该技术可以获得表面似镜面的铸锭，而且具有 近终成形( n e 心n c t - s h a p e ) 的特点叫。大连理工大学材料学院李廷举教授课题组在水平 连铸方面研究较深入，实现了紫铜、白铜等空心管坯的水平连铸技术，真正实现了无间 断连续铸造【3 2 - 3 3 | 。在对a i 1 w t s i 合金线材的制备中，采用超声场作用下的水平连铸技 术，净化了金属熔体，改善了金属凝固条件，得到了高质量的铸坯【3 4 1 。 1 ，5 超声场及电磁场在材料制备中的应用 现代科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。采用常规铸造工艺生 产的材料质量问题日益突出，例如，表面粗糙、组织偏柝、缩松、缩孔、夹渣等。传统 的孕育、变质处理或微量合金化在细化晶粒方面虽有显著效果，但是在生产过程中不同 程度地造成环境污染，同时影响了金属的重复使用。随着大功率超声设备的出现和电磁 场理论的不断完善，许多新兴的材料制备技术、工艺应运而生，目前已经成为材料研究 领域的新热点和亮点。 1 5 1 超声场概述 超声波通常是指频率高于2 0 e h z 的声波，具有频率高、波长短、束射性强和易于集 中能量的特点。超声波的应用大致可分为检测超声和功率超声两大类。检测超声是通过 大连理工大学硕士研究生学位论文 超声波在介质中传播、散射、吸收以及波形转换等，实现对介质性质、内部缺陷或结构 等的检测。同时，超声波作为一种能量形式，当其强度超过一定值时，通过其与传声介 质的相互作用，能够影响、改变甚至破坏介质的性质与状态，或者使这种改变的过程加 快，这称之为功率超声【3 5 】。功率超声最常用的频率范围为几千赫到几百千赫，以下所提 到的超声场均为功率超声所产生的超声场。 超声波的能量作用发现于2 0 世纪，1 9 1 6 年p 1 a n g c v i n 在水中进行超声实验时观察 到超声波能够杀死在换能器附近的鱼，从而发现了超声波的能量作用；1 9 2 7 年，w o o d 和 l o o m j s 发表了关于超声能量的实验报告，奠定了功率超声研究和应用的基础。2 0 世纪 初到2 0 世纪5 0 年代是功率超声发展的启蒙阶段，在这一阶段主要是对交幅杆进行改进， 从而获得高强度的超声，为工业应用奠定了基础1 3 6 】。与此同期，n o l t i n g k 和n c p p i m s 建 立了气泡动力学模型，初步建立了超声空化理论体系【卯硼。2 0 世纪7 0 年代森荣司提出 表观弹性法用于二维振动问题分析，初步解决了复杂二维振动的求解i 剐匦。随着有限元 理论的发展，目前开展了利用有限元方法及边界元方法分析三维振动问题【弘4 1 】。进入2 0 世纪9 0 年代，功率超声进入快速发展阶段。功率超声的功率从凡十到几百千瓦，声强 由每平方厘米几十瓦到几千瓦。换能器的振动模式由单一的纵向振动发展到扭转、弯曲 以及二者结合等振动模式，扩展了超声功率的应用领域嘲。大功率和离声强超声源的长 足进展，有力地推动了功率超声的工业应用。 ， 我国从2 0 世纪5 0 年代开始研究大功率的超声波，在理论研究和应用开发方面都取 得了一定的成果。2 0 世纪6 0 年代，中科院声学所等研究单位集中研究夹心式压电换能 器，开发了一种新型可调频率换能器【4 3 】，分别对纵向振动的单一变幅杆和组合变幅杆的 特性进行了系统的分析，取得了一定的进展。2 0 世纪7 0 8 0 年代，我国提出并发展了 两种新型的功率超声换能器，一种是广泛应用于超声清洗设备】的半穿孔结构宽频带压 电换能器；另一种是用于超声乳化设备【4 5 】的双向辐射换能器。2 0 世纪9 0 年代以来研究 设计了新型扭转振动变幅杆【蛔，并分析了几种扭振复合变幅杆，填补了这方面的空白 4 7 - 4 s 。有资料证明，我国在变幅杆、交幅器方面的研究处于世界前列【4 9 】。 1 5 2 超声场的作用机理 超声场在媒介中传播时，会产生许多效应，其基本效应有【卯】：线性的交变振动作用； 大振幅声波在媒质中的传播会形成周期性激波，在波面处造成很大的声压梯度：振动的 非线性会引起一些直线定向力，其中主要是辐射力；声空化；声流。超声的上述基本效 应能够引发一系列的次级效应，如力学效应、熟学效应、化学效应和生物学效应等。在 这些次级效应中起主要作用的是声空化和声流。 超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究 ( 1 ) 声空化效应驯 超声波在液体介质中传播时，在交变声场作用下，质点( 分子或原子) 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。此时空化泡中充满稀薄气体或蒸气，形成空化核，通常在 合金熔体中总存在一定量的微气泡，但并不是熔体中的所有微气泡都能成为空化泡核， 只有当液体内的声压超过一定的阈值时，空化泡才能形成。在声场的振动作用下，当声 压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，在随后来临的声波正压相内，这些空化泡将以极高 的速度闭合或崩溃。空化泡崩溃的瞬间，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，这一系列动力学过程称为超声空化。 理论计算和实测结果均表明，高温和高压的数量级分别达到i o k k 和1 0 4 a r m 。 ( 2 ) 声流效应嗣 超声场在液体中传播时，由于声波与液体中粘性力的交互作用，有限振幅衰减使液 体内从声源处开始形成一定的声压梯度，引起液体的流动。液体中距离声源越远，有限 振幅声流引起的等效力越小。声流的产生表明声场对媒质施加了一个按时间平均，其值 不为零的力。 超声场在液体中引起的声流的加速度大，并使声流以较大的速度运动，可达流体热 对流速度的1 1 矿倍。 1 5 3 超声场在材料制备中的应用 超声场作为一种自然场，不仅对环境没有污染，而且其在熔体中产生的一些特殊效 应如：声空化、声流等，在材料制备过程中产生重要的影响，因此超声场成为材料科研 工作者研究的热点。 ( 1 ) 超声场在金属材料制各中的应用 超声场应用于金属材料的制各，其主要作用是利用声空化和声流可以细化晶粒、使 组织均匀、除气和除渣，达到改善凝固组织、提高金属或合金力学性能的目的。 1 9 6 5 年n s k i a 5 3 1 研究了超声波对高纯铝的影响，发现经过超声处理后凝固组织发生 了显著的细化，同时力学性能得到了改善。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 2 所示。s e i f e r t s 4 等将超声场应用于s n 、p b 的水平连铸过程中。 实验结果表明，晶粒尺寸减小了1 5 ，且晶粒均匀性得到了显著的提高。超声场作用于 熔体中时，会产生大量的空化泡。这些空化泡不断的膨胀，破碎，在空化泡膨胀阶段， 大连理工大学硕士研究生学位论文 空化泡表面温度下降，在空化泡表面产生过冷形核。晶核通过声流效应在熔体中产生的 搅拌作用分布到熔体中去，大量的晶核在空化泡膨胀阶段产生，结果形成球状晶，细化 了晶粒。j p a n 5 5 】等采用铸造的方法连接铝合金及其他合金时，采用超声场后铝合金与 其他金属结合处的剪切强度得到大幅度的提高，从原来的8 m p a 增加到6 0 m p a 。 ( a ) 原始铝合金( b ) 经过超声处理的铝合金 图1 2 过共晶硅( 3 6 s i ) 的微观组织 f 蟾1 2 m i c r o s t r u c t u r eo f h y p e r e u t e 州cs i l i c o n a b r a m o v1 5 6 。0 1 等研究了为超声波对过共晶铝硅合金凝固组织的影响，如图1 3 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。d o b a t k i n 和e s k i n 6 1 删采用底部导入法研究了超声波对铝合金凝固过程的影响。 结果表明；含有微量t i 、z r 、b 元素的合金经超声处理后宏观晶粒尺寸减小到未处理时 的1 4 0 ，拉伸强度提高了2 0 2 5 。 c a ) 未经超声处理( b ) 超声处理 图1 3a l - t 7 s i 合金铸坯晶粒组织 f i g 1 - 3 m i c f o s t r u c t u r eo f a l - 1 7 s ia l l o y s 一9 一 超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究 在国内最早由东南大学的何德坪【倒6 】等人于2 0 世纪8 0 年代末将超声场引入到金属 的凝固过程中。大连理工大学李新涛【6 7 稍】等成功的将超声场引入到a l - s i 合金水平连铸 中，其中，超声场频率为2 2 3 k h z ，采用顶部导入法。在超声场的作用下，采用水平连 铸制备的铸坯，表面质量显著提高，凝固组织发生细化且成分偏析得到抑制。同时分析 了不同超声频率、不同超声功率对烈。s i 合金凝固过程的影响。不同实验条件下铸坯的 凝固组织如图1 4 所示，成分偏析见图1 5 所示。 未经超声处理超声处理( 1 0 0 0 w ) 图1 4a l - 1 w t s 合金铸坯微观组织 f i g 1 4 m i c r o s m m u r eo f a l - 1 w t s ia l l o y s 图1 5s i 元素在a m s i 合金中分布e p m a 分析 f i g 。1 5 d i s t r i b u t i o no f s i o i l t h e c r o s s - s e c t i o n o f a i - 1 s i a l l o y b y e p m a a n a l y s i s 东北大学李英龙i 凹l 等研究了a 1 s i 合金凝固过程中全程施加超声处理和仅在结晶前 施加超声处理对a 1 s i 合金铸造组织和性能的影响。结果表明全程施加超声处理使共晶 一1 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 s i 显著细化，断裂并呈粒状分布。而以同样声强在结晶前施加超声处理虽然也能细化共 晶硅，但仍呈针状分布。赵忠兴 7 0 - 7 3 1 在研究超声波对铝合金及z c u p b 3 0 合金结晶过程 的影响时发现在合金液中导入超声波，从而细化了铸造组织，减轻了铸造合金的宏观偏 析倾向，提高了铸造组织的均匀性中南大学陈康华 7 4 - 7 7 3 等将超声场引入到铝合金的铸 造中，改善了铸坯的凝固组织及性能。另外，辽宁工学院的李军文【7 8 。8 2 1 等在超声净化及 细化组织方面也有一定的研究。结果表明，超声场作用下铝合金的晶粒发生明显细化， 在除气净化方面，铸锭气孔率明显降低。 上海大学戚飞鹏i s 3 】等研究了不同超声场处理对s s b 合金凝固组织的影响。研究发 现未施加超声场处理时基体晶粒比较粗大，方块状的b 相( s n s b 化合物) 全部聚集于铸 锭的顶部，而底部只有少量的网状b 相，造成了十分严重的比重偏析。施加超声场后， 不仅基体晶粒得到了明显的细化，而且b 相的形状也发生了显著变化，从尖锐的方形变 成多边形。当超声功率为6 0 0 w 时，b 相接近于球形，同时比重偏析消除，如图1 6 和 图1 7 所示 顶部组织 底部组织 图1 6 未经超声处理的s n - s b 合t 组织 f 楚1 6m i c r o s l t u c t u r eo f s n - s ba l l o y 顶部组织 底部组织 图1 76 0 0 w 超声处理的s n s b 合金组织 f t g 1 7 m i a o s t m c t u r eo f s n - s ba l l o y 超声场及电磁场作用下水平连铸制备金属线材的研究 ( 2 ) 超声场在金属基复合材料制备中的应用 在超声场处理条件下，当增强纤维或颗粒进入金属液时，吸附在增强体表面的气体 和液体内部已存在的气泡就会成为超声空化效应的来源：空化核，在超声的声强作用下， 空化产生的局部温升和局部高压，不仅能够使金属液体进入预制件中，更重要的是还能 破坏金属表面致密的氧化膜，从而促进基体与增强体的润湿【明。具有高速度和加速度的 声流效应可以使增强体在合金中弥散分布，从而可以得到高致密性和增强体分布均匀的 金属基复合材料。 王俊瞄删等采用超声场复合法制各了致密度高、增强颗粒分散均匀的s i c z a 2 2 基 复合材料，其内部没有气孔或颗粒偏聚等缺陷；材料在铸态时的致密度为9 7 3 2 ，明 显优于机械搅拌制备的同类材料；颗粒与基体结合紧密。马立群l s t l 等用高能超声法将微 米级陶瓷颗粒均匀分散于铝液中，获得了微细颗粒增强铝基复合材料，超声能使较大的 s i c 颗粒在铝基体中非常均匀的分散而无任何成团、偏聚现象，如图1 8 所示。研究认 为超声对熔体颗粒界面施加的能量极大地促进了铝液对颗粒的润湿。声空化引发的高压 和离温可以清洗和活化颗粒的表面，使颗粒的表面能增大；而声空化引起的高温可以降 低熔体的表面能。声流的搅拌作用使颗粒在宏观上均匀分散，而声空化和声流的综合作 用则使颗粒在微观上达到均匀分散。 未经超声处理超声处理 图1 8s i g a 1 - m g 的显微组织( 1 0 ) f j g 1 8m i c r o s t r u c m r eo fs i c a a - m g y y a 且g 踮】等在铝合金熔体中采用超声非线性作用( 即瞬时空化和声流效应) 分散 纳米级s i c 颗粒的方法制造大体积铝基纳米复合材料，并且研究了它的微结构和力学性 能。结果表明：纳米s i c 颗粒能均匀地分散到基体中，仅使用质量分数为2 o 的纳米 s i c 颗粒就可以使a 3 5 6 铝合金的屈服强度提高5 0 。德国的s a r t o r 等人【8 9 1 研究了a 1 2 0 3 颗粒增强s n - t i 复合材料的冷却速度、颗粒含量与颗粒分布状况的关系和颗粒含量、颗 粒尺寸与材料性能的关系。研究表明，冷却速度越快、颗粒含量越高，复合材料中的颗 粒分布就越均匀：而颗粒含量越大，颗粒直径越小，则增强效果越明显，材料性能越好。 在颗粒体积分数相同时，颗粒的直径越小，则高温下的增强效果越好。日本的中西治