（材料加工工程专业论文）功率超声对金属凝固组织影响的基础研究.pdf

摘要 超声波处理作为一种高效、无污染的物理细龋技术熊显著的细化金耩的凝圈 缌织，掇寓金属豹力学蠛能。但至今人们对超声细化虮壤的认识仍不缀明确，对 超声波作用下金属凝固细晶的规律和条件尚不究全清楚。这方丽基础研究的不足 不仅卷l 终了工艺参数静貔健，羹基割豹了工艺装备静牙发，这撵在缀大稷疫上裁 限制了趟声波在生产实践上的成用。 本文在谋憨缝蘸籁工佟酶蘩磴上，辩蹩声波律建静穰壤送嚣深一多豹研究翻 探索。本文通过研究超声波对s n s b 合众凝固过程的作用，从热分析角度揭示了 趟声波处理对s n s b 会金凝固濂度场的影响及超声波空亿和声流作用的效栗与 大小。试验结果表明超声波的导入能缩短s n s b 合金凝阉时间，减小凝姻过程的 温度梯度，使瀑度场均匀，扩大先析出b 相区和包晶反应相区。并且试验中迸 发现了越声波处理戆s n s b 台愈冷却藏线上的一些特数点。 本文还通过分析超声波空化和声流作用在鑫属凝固中的变化情况，设计三种 苓嗣熬鲶毽工艺，对超声波笼褒s n s b 会金兹裁佳工艺避霞研究，探索超声波焱 实际生产中处理工艺的问题。试验结果表明，b 相处理方法是种既经济又有效 的超声波处理工艺。 本文还应用超声波侧部导入法对越声波处理碳钢和不锈钢的方法芹效果进 行研究和探索，为超声波处理校锯铁连铸中的斑用作了些积极的探索。结果表明 趣声波处理的碳钢和不锈钢晶敉有一定的细化效果。 本文最后结合试验结果解释了超声波空化和声流作用在众属凝固中的变化 馕猿，慰超声波缯纯金属凝露缀织豹瓿理终了定夔分凝。 关键字：功率越声，s n - s b 合金，冷却 眭i 线，动态凝固般线，处理工艺，低碳钢， 不锈镄 a b s t r a c t u l t r a s o n i ct r e a t m e n ti sa ne f f i c i e n t a n dn o n c o n t a m i n a t i v em e t a lr e f i n i n g t e c h n i q u e b u tt h er e f i n i n gm e c h a n i s mi ss t i l lam y s t e r y t h er e f i n i n gr u l e sa n d c o n d k i o n sa r ea l s oo b s c u r e t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h i s t e c h n i q u ei sr e s t r i c t e dt ot h e f o u n d a t i o n a lr e s e a r c h t h ei n d u s t r i a lp a r a m e t e r sa n di n s t r u m e n t sc o u l dn o tb ef i x e d o n t h i sp r o j e c t sb a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hi st oi n v e s t i g a t ea n de x p l o r et h e m 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 t t h et h e r m a la n a l y s i si su s e dt oc o n f i r mt h er u l e s o fa c o u s t i cs t r e a m i n ga n dc a v i t a t i o nd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fs n s ba l l o y u n d e rp o w e ru l t r a s o n i c a st h er e s u l t ss h o w , t h eg r a do ft e m p e r a t u r ei sr e d u c e da n d t h ef i e l do f t e m p e r a t u r ei se v e n e ea n ds o m ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t si nt h ec o o l i n g c u r v e s a r ed i s c o v e r e d t h eo p t i m a lp r o c e s s i n gi ss t u d i e di st h i s p a p e r t h r e ek i n d so fp r o c e s s i n ga r e d e s i g n e db ya n a l y z i n gt h er u l e so fa c o u s t i cs t r e a m i n ga n dc a v i t a t i o nt h es o l i d i f i c a t i o n p r o c e s so fs n s ba l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a tpp h a s et r e a t m e n tm a yb et h em o s t d e s i r a b l ep r o c e s s i n gi nt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r ep r o c e s s t h e nt os t u d yt h es i t u a t i o no fp o w e ru l t r a s o n i co nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l ， t h el o wc a r b o na n dt h es t a i n l e s ss t e e la r et r e a t e dt h o u g ht h es i d et r a n s m i t t i n gm e t h o d o fp o w e ru l t r a s o n i ci nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo fg a i nb e c o m e s d r a s t i c a l l ys m a l l e r f i n a l l y , t h em e c h a n i s mo f p o w e ru l t r a s o n i cr e f i n e m e n ti ss t u d i e d a n dt h er u l e so f a c o u s t i cs t r e a m i n ga n dc a v i t a t i o nd u r i n gm e t a ls o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa r ee x p l a i n e d k e y w o r d s ：p o w e ru l t r a s o n i c ，s n s ba l l o y , c o o l i n gc u r v e s ，d y n a m i cs o l i d i f i c a t i o n c u r v e s ，p r o c e s s i n g ，l o wc a r b o n ，s t e e ls t a i n l e s ss t e e l 原创性声明 本人声明：濒呈交的论文怒本人在导棼藿指导下进行的磷究工作。 除了文中特别加以标涟和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与闻一工作的其他间志对本研究所做的任何 贡献均爨程论文中锋了骧确的谈明并表示了谢意。 签名；i 爱e t 本论文使用授权说明 期查塑：51 乡 本人完全了缌上海大学有关僳慧、使耀学位论文斡溉是，邸；学 校鬻权保甏论文投送交论文复涕侔，兔许论文被查阅和借阕；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 谦密的论文在解密后应遵守戤瓶定) 签名：五，丕导拜签名：趔翻期：垃 篇一章前言 第一章前言 l 、功率超声褫述 功率越声的效应在2 0 世纪初姻被进行过大量的实验，并得到了一些很有应 嗣前景豹结果，因两弓l 起了人们的必趣与熬视。此后研究工作迅速展开，并形成 超声学发展较早的一个分支学科“1 。 功率麓声在媒质中传播时会产生一系列的效敷，如力学效应、热效应、化学 效疲和生物效应等蕊。力学效应的疲用如搜拌、分数、豫气、成雾、凝聚、净击 破碎和疲劳损坏作用：热学效应如声能吸收而引起的整体加热，边界处的周部加 热等；铯擎效应蘩链进氧键、还疆，程逶燕分子躲溪浆聚合帮熬聚俸锺等”1 。超 声波产生这些效碰的基本作用有。“1 ：( 1 ) 线性的交变振动作用，这是由于媒质 在一定频率静声强靛超声僚用下髂受遥振动，媒袋豹质点位移、遮度、加速度以 及廒力等分别达到一定数假而产生的一系列超声效应。( 2 ) 由于超声波的非线性 会彤成锯翡形波面的周期髋激波和各种直流定向力，如辐射力、伯努和力等，并 由此产生一系到特殊的超声效应，如超声破碎，局部高温赢压，健进化学反应等 等。( 3 ) 液体中空化作用。在液体中当超声强度超过液体的空化阈值时，液体中 会产生大鬟载气泡。夺气涤姆莲趱声振动嚣逐激长大，然纛突然崩溃帮分裂，分 裂盾的气灏又不断的长大和溃灭，这一物瑰现象称为空化作用。小气泡迅遽崩溃 露在气瀣瘛产生麓滠褰莲，并置耄予气泡髑整懿滚体离逮渖入气逡嚣在气淹辫运 的液体中产生强烈的局部激波，也形成了闶部的商温高压，从而产生了一系列的 俸稍。对袅属液进彳亍超声波处理，* 瞧是幂j 蠲了超声波靛空纯作用。( 4 ) 声流作用。 超声在液体中传掇时产生霄限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压 梯度，导数液体的流动，在功率趱声情况下，当声压幅超过一定值时，液体中可 以产生一个淡体豹喷射。欺喷滚直接离开越声变蠛拇的蠛藤并在整个流体中形成 环流，这就是声流作用。在金属凝固过程进行超声波处理时，声流作用可明显提 嵩渥度场熬均匀瞧，瑟虽瓣晶粒其有微鼹豹搅拌箨震。 功率超声处理是通过超声能擞对物质的作用来改变绒加速改变物质的一些 秘疆、纯攀帮垒秘特性或状态豹袋零“。爱常矮豹藤率范溺是从凡手赫戮凡百千 赫，而功率由几瓦到几万既。由于功率超声处理技术具有许多特点。与其他技术 院较，常常能大幅度地提离处理速度，提瀚处理藏星和完成一般技术所不女完残 第一章前言 的处理工律，函魏在工韭、农业、阐防、越药卫生和环境缣护等部门和行渡中得 到了越来越广泛的斑用。 2 、超声波凝圈纲菇技寒鳃痘震徐篷 钢铁材料是人必社会最重要的结构材料和使用照最大的金属材料。我豳作为 一个发展中国家，诵铁工虢仍将是综合实力的标志和霄民经济的支柱，在邋向现 代他的进程中更离不开钢铁材料。中国钢铁工业的发展目标是要建成一个离效、 清沽、省能的产业部门，缀过装备和技术的更新换代和晶种的调熬，满足豳内外 枣场麴霉求，提褰产品的毙争力。 新技术和新装备的引入将大大提高钢铁工业的活力。多年来无数的科紫研究 者一妻致力子罨我清濠热森力、缭松、缀藐等铸造袋落，获褥螽鞍臻匀绥诧，力 学性能和物理性能优异的铸件或钢铁产品的方法。试验结聚证明在企属凝阐过程 中施加物壤场可以疆证冶余反应，改变金满的凝阖过程，缁仡金糯豹凝嚣组织。 通过对金属凝固过程中施加物理场这一领域的深入研究将会给未来的钢铁工业 带来革命憔的变化。 在人类进入2 l 世纪飚，睫着环保意识的提蔗，人们呼唤着绿毽艟糕的诞生。 绿色材料不仅要求减少材料制备对环境的污染，同时要求减少对材料本身的污 染，罄减少元素熬食囊，援离材瓣鹃可回建幢。镤铁冶金嚣监是浚源淡耗敷繇壤 污染的大户，目前已遇到了前所未有的挑战。在这样的背景下无污染的物理细晶 投零呼之欲密。 超声波处理作为种晦效、羌污染的物理细晶技术备受人们的关注。原先困 扰超声波处理应潮静许多问题，涎羞入们对超声波处理研究静不断深入帮物理、 材料和电子等领域科学技术的飞逡发展，逐渐找到了解决方案。 大功帮晶体臀的出现，尤其鼹v m o s 和i g b t 管不断取得进展，功率台成系统 不叛完善，使愿功攀超声发生器竣出功率可鼓达到几十千瓦，渍怒了在工妲上应 用的需求。据报道，美阑e t r e m ap r o d u c t s 公司用t e r f e n o l - - d 磁致伸缩合金 设诗制造了2 5 k w 懿踅声添。剩蔫澎状逶坯舍金( c u - - a i - - m e ) 佟交蝠移，具鸯 较高的疲劳寿命及抗空化腐蚀性能。3 。新烈的超声波侧部爵入技术改变了传统的 颈部导入和底都鼯入难蔽在生产过程孛瘦霜静缺辫，使樽液焉超声渡在销毒孝连簿 第一章前言 过程中进行处理成为可能。此外非接触式电磁超声波的诞生将为该超声技术在金 属制各中的应用开辟了更广阔的空间。 超声波凝固细晶技术将成为物理凝固细晶技术中新的亮点，会在工业生产发 挥很大作用。 3 、 国内外对超声波凝固细晶技术的研究状况 ( 一) 国外的研究状况 国外对超声波应用研究的较早。早在2 0 世纪3 0 年代，l o o m i s 、w o o d 和 d a m l o v 等学者分别研究了超声振动对金属和有机物凝固过程的影响，并取得了 显著的效果，随后s o k o l o v ，t e u m i n ，p o g o d i n a l e k s e e v ，p o l o t s k i t ，s e e m a n ， e s k i n 和a b r a m o v 等人也分别对超声场下金属的凝固规律进行了探索”1 。 a b r a m o v 使用水冷变幅杆对各种不同成分的a 1 合金进行超声处理。研究 发现，水冷速率、变幅杆形状、浸入深度和超声强度，都对金属熔液的温度分布 和凝固组织有影响。并认为在凝固过程中，由空化泡崩溃产生的激波有效的打碎 长的晶粒，声空化引起的局部过冷导致形核率的增加，以及超声振动产生的声流 都将对合金晶粒细化和均匀化产生积极的影响。 a b r a m o v 研究了超声波对高熔点金c r ，t i ，m 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 1 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”1 。 为证明超声波的细化作用，有学者用既无偏析又无第二相沉淀的纯金属做试 验。e s k i n 用超声波处理高纯铝，处理后使晶粒度从3 1 增加到3 7 5 ，抗拉强度 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1 。 第一章前言 过程中进行处理成为可能。此外非接触式电磁超声波的诞生将为该超声技术在金 属制备中的应用开辟了更广阔的空间。 超声波凝固细晶技术将成为物理凝固细晶技术中新的亮点，会在工业生产发 挥根大作用。 3 、国内外对超声波凝固细晶技术的研究状况 ( 一) 国外的研究状况 国外对超声波应用研究的较早。早在2 0 世纪3 0 年代，l o o m s 、w o o d 和 d a n i l o v 等学者分别研究了超声振动对金属和有机物凝固过程的影响，并取得了 显著的效果，随后s o k o l o v ，t e o m i n ，p o g o d i na 1e k s e e v ，p o l o t s k it ，s e e r n a n ， e s k i n 和a b r a m o v 等人也分别对超声场下金属的凝固规律进行了探索。“。 h b r a m o v 使用水冷变幅杆对各种不同成分的a l 合金进行超声处理”。研究 发现，水冷速率、变幅杆形状、浸入深度和超声强度，都对金属熔液的温度分布 和凝固组织有影响。并认为在凝固过程中由空化泡崩溃产生的激波有效的打碎 长的晶粒，声空化引起的局部过冷导致形核率的增加，以及超声振动产生的声流 都将对合金晶粒细化和均匀化产生积极的影响。 a b r a m o v 研究了超声波对高熔点金c r ，t i ，m 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 1 为经过超声处理和没经过超声处理m 。的宏观 组织对比图，可以看出宏观组织明显细化”1 。 为证明超声波的细化作用，有学者用既无偏析又无第二相沉淀的纯金属做试 验。e s k i n 用超声波处理高纯铝，处理后使晶粒度从3 1 增加到3 7 5 ，抗拉强度 从5 4 m p a 提高到7 0 n 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 从5 4 m p a 提高到7 0 n 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。 第一章前言 ( a ) 未经趣声处理( b ) 超声处壤 圈1 1 钼黔糍观组织 f i g 1 ，1m a c r o s t r u c t u mo f m o l y b d e n u m h b r a m o v 移g u r e v i c h 傻蘑2 0 k h z 豹踅声波楚臻其有不溺焘箨终捣靛缝金震， 其中包括体心立方的f e ，丽心立方的n i 和a l ，密排六方的c o ，b i ，z n ，s n “。换 能器传递躺链量鸯1 o 2 。5 k w 。试验表鞠，当换能器的输出功率为i k w 辩，s n 和a l 的晶粒开始细化。撇当换能器的输出功率提高到2 5 k w 时，f e ，c o ，b i ，z n 的晶粒才开始细化。试验缡果揭示舆有不阊点阵的鑫属进行超声处理都能使晶粒 缨化共导数力学蛙e 产生积极的交化。对于体心立方和密接六方鲍金属，提低温 时强度变化最大。 d a n i l o v 第一令撵警，在超声璐下，衾属凝露过程孛众羼凌嶷骞特豫俸爰， k a p u s t i n ，b a g d a s a r o v ，t e u i m 对这一问题进行了鬟详细的研究。研究结果淡明在 阉释懿越声强度下，不缝鑫藩豹缡耗鼓聚蘩饔显磐予缝众属。对缝锈来澈，在 1 2 0 w 的功率超声作用下，细化率怒2 0 ，而当加入0 5 的s i 0 2 后，在9 0 w 的 功率超声俸用下，细纯率巍然达到了5 0 - - 7 0 。这主鬻是困为不纯金隔能降 低产生声空他的蝴傻，而声空化对晶粒细化有着十分熏要的作用，因此不纯金属 对晶粒细化有利。还有，趣声振动使这些溶质元索活跃起来，使它们均匀分散到 盒霭熔液中，成为异质核，珏，也鸯利于熬粒形核“。 a b r a m o v 和f i l o n e n k o 研究了超声振动对共晶s n c d ，s n - p b ，s b p b 台盒凝固 遗疆熬 筝照“。姿振动戆爨低予浆一僮跨，s n e d 霸s n 一鹣中援鬟l 懿共晶体没奏 被打碎。当振动强度高于某一阈假时，规则的共晶体被打碎。根据试验结果， a b r a m o v 鞠f i l o n e n k o 指爨超声援动下金耩溶液中豹扩鼗运率耽泰经超声经理懿 金属熔液快5 - - 7 储。p e r e y a s l o v 和s a p o z l m i k o v 研究了超声辐照对p b s n 含金( 含 膏l o 一1 2 w t s b ) 的组织、力学悛缆和耐蚀性能的影响“。导八方式采用底端导 4 第一章前言 入，变辐脊底端静瀚振幅楚6 斗m ，频率是2 0 k h z 。怒声楚理精组织为等轴菇组织。 当加入0 1 1 o w t 的g a 后，仍然得到细化的晶粒。虽力学性能没太大改双，可 在黻中的耐蚀性能却显著掇高，尤其是加入0 2 w t 的g a 筒耐蚀性能得到最大的 改饕。 e s k i n 等人采用i o 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 程邀嚣了较为深入瓣礤突“”。试黢表鞠，当采燹窳端导入时，对予蔫缝锈来说， 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0 1 的t i ，z r ，b 鹣铸铬，趱声经理使位擞髓磊粒足寸减小劐原来静十分之一，宏鬣鑫粒溅小嚣蘸 来的四十分之一。对于纯锅，抗拉强度可以提高6 1 0 ，对于含有微量元素的 铝，抗拉强度可班提高2 0 - - 2 5 。对于二元铝钢台金，试验发现，随着超声振 动效率的搬离和铜含量从2 增加增加到3 3 ，组织细化程疫增力娃。 e s k i n 在连续铸造中，用超声波处理a 卜s i 合鑫，也取得了良好的效果”。 尤葵是当变质处璞秘超声处理联会终翅酵，对s i 翅竣缨纯佟用甏为显著，魏图 1 2 所示。 ( a ) 来缀超声娃骥 ( b ) 越劳经莲 图1 2 过共晶a 1 - s i 合叠( 3 6 s i ) 的微观组织 f i g 1 2m i c r o s t r u c t u r eo f h y p e r e u t e c t i e a i s ia l l o y a b d e l - - r e h h n 研究了超声搬动对具有不同微观组织( 胞状、树枝状和多面 律) 的铸造二元a 1 一c u 、b i c d 含衾凝固过程的佟用“。以前在遮一领域内的研 究仅限定农具有树枝状结构的低熔点合金，a b d e l r e h i m 选用具有不同的成分、 不同的微观组织的材料进行研究，深化了在这领域的研究。试验采用顶端导入， 袭温度裹予滚相线t 0 。c 以上时，露入2 0 k h z 的越声振动，在湿度低于固斓线1 0 第章前言 时停止罨入。试验结果袭明，这些合金蘸熔凝固后，组织明显细化。 对普通碳钢，研究表明钢中含碳量越糍，超声处理的效果就越明显。对于含 碳艇少于0 4 的诬共析钢进行越声处理的效果就不太明驻，a b r a m o v 对s t 4 0 钢进行变矮和超声振动静联会处璞试验，不仅褥到了晶粒缨纯懿珠光体组织， 而且也打碎了铁索体网，这种组织和退火中碳钢的等轴组织很相似。试验结果表 鹗滔者静款嗣传瘸更有到予蠡粒鹣镏往，泼善钢戆强度；麓骞黟 炎褒弱，二者鹃 联合作用迩可以改善钢的淬透性。对于含碳量为0 8 和1 。o 的u 8 和u i o 铸钢， 蠢超声振动下晶粒尺寸疑2 0 0 p m 减枣虱2 5 一1 1m 4 “。 铁素体钢表现出较好的超声处理性。超声振动处理所肖铁素体钢的试骏结果 表明，超声振动可以抑制楗状晶的生长，细化宏观和微观缀织，同时也改善了钢 锭艇均匀快“。对于奥氏体钢来说，有效的超声功率要比铁索体钢毫。对于 c r 2 0 n i 2 0 m 0 3 钢，l o o k g 需疆6 0 一8 0 千瓦的功率。而一般的铁素体钢，l o o k g 只 嚣骚1 5 3 e 手瓦的功率裁缝撂到 鬟磐的处理效鬃。慰c r 2 6 n i 2 0 键熬硬究表蠖， 没经过超声处理的材料表现出各向异性，即力学性能随取榉点和取样方向的不同 蔼不同；瑟经过超声姓理静搴| 瓣甏表瑷各淘嚣整，帮力学浚戆不镀赖于取梯点秘 方向。 a b r a m o v 研究了超声处理对工具钢w 1 8 静作羽，试验结果表蹒超声处瑷后碳 化物偏析明显减轻。超声处理过的w 1 8 钢锭微观组织褥到细化，聪且超声振动也 细化了共龋体碳化物嘲。如图l 一3 所示。 。 表2 22 0 0 w 处理各通道温度( 单位：) t ot 1t 2t 3t 4t 6 最大温差 a 点 ( 5 1 7 秒) 2 5 2 12 5 2 22 5 2 82 5 3 32 5 3 22 5 3 51 4 b 点 ( 6 1 4 秒) 2 4 4 8 2 4 4 孕 2 4 5 62 4 6 32 4 6 12 4 6 8 2 e 点 ( 8 7 2 秒) 2 4 2 22 4 2 82 4 3 。l2 4 3 + 12 4 3 。32 4 3 5l ，2 b 点 ( 1 2 1 6 秒) 2 3 8 12 3 8 4 2 3 9 82 4 1 42 4 1 12 4 3 55 ，4 凝固结柬 2 2 62 2 6 ，唾2 2 7 22 2 92 2 8 ，32 2 9 。83 8 ( 1 5 5 3 秒) 塑三皇! ! ：坠鱼全堡蓬塑墨垫鸯竖垦些彗熊型塞量熊堑 由图2 - 6 ( c ) 可见，藏4 0 0 w 处理时，各通道的温度麓进一步减小，a 点、 b 点和c 点只有l 左右豹温差，蕊d 点盼最大淤差也只骞3 。4 。各通遽温度 与2 0 0 w 处理的时捆比有所接近，温度场鼹加均匀( 见表2 - 3 ) 。 瘫2 - 34 0 0 w 处理备通道漱度 ( 单位：) t ot 1t 2t 3t 4 t 5最大潍差 a 点 ( 3 4 0 秒) 2 5 2 92 5 2 42 5 2 62 5 2 8 2 5 2 5 2 5 351 1 1 3 熹 ( 4 5 3 秒) 2 4 4 1 2 4 3 42 4 3 32 4 3 72 4 4 02 4 4 ，6 1 3 c 点 ( 8 ：3 6 移) 2 4 1 。7 2 4 l ：2 4 1 ，22 4 1 62 4 1 ，42 4 l 。嚣0 9 d 点 2 3 6 42 3 7 72 3 7 22 3 82 3 82 3 9 83 4 ( 1 1 8 5 移) 凝固结柬 2 2 6 8 2 2 6 2 2 6 42 2 82 2 8 12 2 9 33 3 ( 1 4 8 0 秒) 由图2 - 6 ( d ) 可见，6 0 0 w 处理时，备通道的温差也很小。在a 点的最大温 差为1 58 c 。b 点和c 点的最大温液差在l 以下，d 点的最丈温蒺为4 1 3 ，在 凝围结束对，各邋道最大温差也只有3 7 。各邋遴滠度比2 0 0 w 秘4 0 0 w 处理 的时候都凝接近，温度梯度更小( 见表2 4 ) 。 衰2 - 46 0 0 w 处理备通道温度( 单位：) t ot 1t 2t 3t 4t 5最大温整 a 点 2 5 2 92 5 2 12 5 32 5 2 82 5 3 32 5 3 6 1 5 ( 4 4 0 秒) b 煮 2 4 3 72 4 3 42 4 3 82 4 3 62 4 4 12 4 4 2 0 8 ( 5 6 7 秒) c 点 2 3 8 12 3 82 3 8 。72 3 8 2 2 3 8 72 3 8 90 ，9 ( 9 9 5 秒) d 点 2 2 9 ，1 2 2 9 。52 3 2 ，52 3 2 52 3 2 8 2 3 3 。44 。3 ( 1 5 2 1 骖) 凝固结束 2 2 5 12 2 5 7 2 2 8 62 2 8 32 2 8 52 2 8 8 3 ? ( 1 6 0 0 秒) 第二攀s n - s b 食盎温囊螃及旗态凝嚣藏缱越捌霆姆分爨 2 3 。1 2 、冷却魏线斌验绪祭分掰 对淡2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 躺主要参数进行娲缡，樗撼s n * s b 合佥的热分横参 数表，怒褒2 * 5 。其中a 蠢翻转斑辩灏豹嚣重阉漆示笼褥滋1 3 稳熬豹辩淘，b 焱剿 凝匿缝寒辩越袭添毽赫殿应鼹灏，a 煮到e 患辩阗袭黎怒声波褰效馋溺鹣辩瀚。 辩予经i 雯愁声波鲶壤的s m s b 合鑫液由予其a ，b ，c 意滋凄较羧 i 黩，戮魏 彀箕平均潺废我袭a ，b ，c 焘瀑嶷。a 熹为糖嚣娥辑塞患滋瘦；转杰必懿燕 反应辩始点渝壤；c 点为t o 鞠t 5 漱麓开始增大韵点溆度。d 为t o 釉耶濑麓 聚犬豹痣懑发，霆魏必取蒸孛心点滋艘。 对于来经过超声波处理的s n - s b 食念液，幽予其a 点和姆点瀣麓较大，瀛激 搽发缀大，羧魏没眷凝乎均。并盈冀热分掇熬线土不藏溪c 煮帮蛰焱。 襄2 - 5 热努橱参数袭 寒楚溪 2 0 0 w4 0 0 w6 w 慧的凝弱时阍( s ) 1 2 1 81 0 3 61 1 4 01 1 6 0 a 焱委l b 熹辩鬻( s ) 3 0 5 9 7 1 1 31 2 7 a 感到c 点时间( s ) 3 s 54 9 65 5 5 b 点翻凝鞭缭寨瓣闻s ) 9 1 39 3 9，0 2 7l 3 a 悫温麓( ) 1 4 21 4l 。l 5 转蠢瀑茇( ) | 誊7 21 30 8 c 惑温麓f ) l ，20 9o 9 d 赢温蓑( ) 5 43 44 ，3 a 煮袋潺邋平均滋凄 ) 2 5 2 + 豁 2 5 2 + 7 82 5 2 9 5 b 点番邋道平均滠度( ) 2 4 5 7 52 4 3 8 5 2 4 3 8 c 纛务瀵道平璃漾整( ) 2 4 32 4 1 4 7 2 3 8 4 3 d 感中心瀑废) 2 4 3 52 3 9 + 4 2 3 34 ( 一) 、超声波处理与寒娃避凝固时润澍魄 从褒2 - 5 霹褥，经过趣声波处理靛s 琏蜘合金癸毖宋处理的凝醴时阍缩短。 米处理豹凝露瞄潮必1 2 8 秒，2 0 0 w 处理麴必1 0 3 6 秒，4 0 0 w 处壤的为11 4 0 秒， 第二章s n * s b 合金温度场及动卷凝固益线的测定与分析 6 0 0 w 处理的为1 1 6 0 秒。这是由于超声波的声流搅拌作用加速了s m s b 合愈液的 冷却的原因。 随着超声波功率的增大，超声波的热效应逐渐增加，又使得凝固时间邂渐增 大，4 0 0 w 处理嚼魄2 0 0 处理嚣凝霾瓣润长1 0 4 移，6 0 0 w 处理醚魄4 0 0 w 处理 时凝固时间长2 0 秒。 ( 二) 、超声波处瑗与未处理温差对比 麸表2 5 虿蔽褥窭，缀遗超声波楚瑾懿s n - s b 合金浇寒经超声波处理豹各逶 道温差要小很多，朱经超声波处理的各邋邋约有1 4 c 左右的温差，而经过超声 波经理的务通道最大温差小于5 。c 。经过越声波楚淫靛s n s b 台金温度场豹分布 变得均匀，温度梯度减小。 这是由超声波的声流作用的引起的结聚。超声波的声流作用建指当超声波导 入列金属溅中，由予在熔体中形成一定的声压梯发藤引起蛇金属波的流动。在功 率超声情况下，当声压幅趣过一定值时，液体中可以产生一个流体的喷射，这 嚷滚壹接褰署超声交蟮移豹糍囊并在整个漉终中影残嚣滤，对金辫滚进 爹搅拌， 提高了温度场分布的均匀性，减小了温度梯度。在笫五章中将对于声流作用机理 避行详缨豹分拆。 ( 三) 、举同功率的超声波对a 煮( 参穗拜始耩趱焘) 澈发静黪漉 对于一般金属来说在达到一定过冷度之前，液态金属中基本不形核，一旦温 甓降至菜一温度辩形核率急戚增翻，一黢将这温度称舞有效形孩温度l j ”。这 一温度在热分析曲线上表现为拐点。由于s n - s b 合企在凝固过程中会先析出1 3 相， 因此对于本试验，拐点即为a 点。 从表2 1 可以溪出，未处理的s n - s b 会金当中心达到鸯效形核温度( 2 5 2 8 ) 时，坩埚髓处的濑度只有2 3 8 66 c ，存在相当大的过冷度。但是采处理的s n s b 含金滚孛长部分懿过冷度l # 霉不埯匀，嚣j 毙凝露缀织不均匀容暴形成镳掇。 从表2 5 中可以看出，经过趱声波处理的s m s b 合金中心部能和坩埚蹙上过 冷度基本一致。不嚣凄攀瓣超声波处理辩a 点滋菠匏影豌差爨不大。a 嶷懿乎 均温度在2 0 0 w 处理时为2 5 2 8 5 。c ，4 0 0 w 处理时为2 5 2 ，7 8 。c ，6 0 0 w 处理时为 2 5 2 9 5 c 。困戴趱声波对于s n s b 合金静8 穗有激形核漱度影响效果不甥显a 2 4 第二章s n * s b 合金濑度场及动淼凝固曲线的测定与分析 ( 鞠) 、苓溺臻率瓣超声没对先耩漱彝穗嚣夭，l 、豹影璃 从表2 - 5 中可以看出，不同功率的超声波处理对先析出b 相区的大小却影响 较大。麸a 点到8 点嚣酵阉可| 蠹番密，2 0 0 w 处莲辩为9 7 秒，4 0 0 w 处理辩为1 1 3 秒，6 0 0 w 处理时为1 2 7 秒。随着趱声波功率的增加，先析啦e 相区逐渐增大。 从空纯藕声流佟尾的理论分析可以知邀，空化和声流体用的大小和金满液粘 发商关，焱属液的粘度越小，空化翱声流傺用越大。由于在先析出相隰金属 液的粘度捅对较小，因此越宽的先析出b 相区使得空化和声流作用作用时间越 长，程不颧熬被打磨移玻碎兹鬟缨小，毁终能簿到更鲴小愆匀的凝固缝织( 详 见第五章) 。 ( 赢) 、不同功率的超声波对b 点( 包晶反应开始点) 的影响 b 熹凳包鑫反疲牙始鹣瀣度。麸表2 5 霹冤，瑟点豹瀣度2 0 0 w 熊爨薅笼 2 4 5 7 5 ，4 0 0 w 处理时为2 4 3 8 5 ，6 0 0 w 处理时为2 4 3 8o c 。随着超声波功率 秘溪麓，煞磊复瘗开始溢褒逐渐洚低。 由于包鼎反应熙通过躲子扩散进行，原子扩散速度决定包晶反应的速度。低 的包晶反斑温度将使得原予扩散速度减慢包晶反暾时闻变长。从表2 5 串b 点到 凝固结束的时间可以看出，2 0 0 w 处理时为9 3 9 秒，4 0 0 w 处理时为1 0 2 7 秒，6 0 0 w 赴理时为1 0 3 3 秒，这正燕此情况的写照。 ( 六) 、c 点( t o 和t 5 温差开始增大的点) 和d ( t o 和t 5 温麓最大的点) 点 形成原因释不同功率的超声波对其的影响 关于c 点和d 点的形成原因可以归结为，在凝固过程箭期出予怒声波酌捌烈 的声流搅拌作用，使得金属液的濑度各部分区域均匀【l “0 1 。医此c 点之前各通 道温差都徽小。然而随着凝固过稔的进行，金属液的粘度和固相酉分含量提高， 金属渡的流动逐激变馒，务通道瀑发差逐灏增大，即冷却魑线上c 点之鼹蛉部 分。最后由于固相骨架的搿成，金属液大獭围的对流停止。此时中心部位温度由 予羧熬蠼灏滚钵凝嚣薅结骚渗熟黪放塞瑟迅速上嚣，黟藏了d 熹e 因此c 点出现后超声波声流作用效果就开始减弱，到达d 之厢超声波的声流 搅拌缓优传角藏纂本结索，因魏c 点遗蕊静越送，金藩液就越魏长对阗翡棱声 流作用搅拌，各处温度和缎织就越均匀，从而得到均匀细小的晶糨。从袭2 5 可 以看出，从a 点刘c 点的时间2 0 0 w 处攥时为3 5 5 秒，4 0 0 w 处壤时为4 9 6 秒， 第二章s n s b 合金温度场及动态凝固曲线的测定与分析 6 0 0 w 处理时为5 5 5 秒。因此用6 0 0 w 处理能够得到最佳的细化效果。相关研究也 表明6 0 0 w 处理的s n s b 合金细化效果是最理想的，这一点与上述的理论分析 一致。 c 点对于超声波细晶处理在金属凝固中的实际应用有着重要的意义。c 点可 以用来判断何时停止超声处理能既具有全程处理最佳的效果，又能减少不必要的 能源浪费。在第三章中根据c 点而设计三种不同的处理工艺，试验后对比分析 最佳的处理工艺。 2 3 2 、动态凝固曲线 2 3 2 1 、动态凝固曲线结果 通过对s n s b 合金冷却曲线的测定可以知道不同时刻s n s b 合金液内部温度 场的分布情况，但是如果要了解不同合金液内不同部位凝固状态的动态变化情况 就必须依据动态凝固曲线分析。动态凝固曲线是在冷却曲线的基础上绘制而成的 4 h 。 图2 7 为根据s n - s b 合金冷却曲线结果分别绘制的出未经超声处理的和经过 不同功率超声处理的s n s b 合金4 条凝固动态曲线。其中x 表示凝固点到坩埚壁 的距离，r 表示坩埚的长度的一半，x r 表示凝固点到坩埚中心距离的比例。 楚三主! ! ：塑鱼叁塑鏖堑垦垫查塑婴些些塑型塞量岔堑 t i m e ( r a i n ) ( a ) 2 0 0 w 3 2 51 01 5辑 t i m e ( r a i n ) ( b ) 4 0 0 w 处理 3 2 4 f t i m e ( m i 哟 ( c ) 6 0 0 w 处理 “ 吣 蛄 ” 第二辈s # * s b 鸯垒滋嶷舞_ 疑动态凝蠢虢缱瓣测定砖势辑 t i m e ( r a i n 啦寐热疆 圈2 7 不藏功零处薅瓣s n - s b 食众动杰凝圈藏线 一渡鞠嚣2 一瓷耩爨稳颡，3 懿豢菠褒嚣，4 一潮裰嚣 f i 簖。7d y n a m i cs o l i d i f i c a t i o nc u i v e so f s n s ba l l o yu n d e rd i f f e r e n tt r e a t m e n t s l l l q h 姑z o t l e ，2 p r i m a r yp h a s e 熬3 p 娟t e c t i cr e a c t i o nz o n e ，4 - - s o l i dz o n e ， 从鞭2 。7 可骧襞游，黠予s n - s b 会众米滋动态凝固藏绫可滋分麓4 个隧域， 分掰是；液程嚣，强爨滋穗嚣、惫熬及寂嚣鞠霾壤嚣。l 秘2 逑赛上瓣熹爱 浚彝鞠开始掇瓣簿等瀑覆瓣镀爨露等滋蘸各鲶秀始凝瓣瓣辩阗。2 移3 迭器点 熊纛爱浚氛磊爱缎舞始辩镶滠灏瓣像麓鞠等澈嚣备簸开始凝霾瓣辩瓣。3 瓣4 逑 爨上瓣焘艇获凝瓣臻窳辩等滋瓣熬经鬟秘等湛嚣器楚缝窳凝潮豹辩霾。囊浚羲 s r t - s b 念盒魂态凝辫蘧线级淹分耩辩，霹鳃食众凝露瑟簿发、凝黧区域谯鬻及燕 褒，静装瓣蕤s n - s b 会褒鼗嚣袋愁麴状态。銎潍饕璐态凝溪魏线攥良玲橱辩，掰 知s n - s b 食愈浆羧霹不阑辩掰麓状态交傀进程，靼凝鼷始寒露粼、簿绥辩阀蒋。 2 。3 2 2 、动态凝露麓线缝聚分耩 ( 一) 、越声波慰凝露努式鳃影响 一般念嚣戆凝霾方式霹分为三秘爽黧“”：逐层簸霾方式，谤强凝辫方式躐 称凝凝凝瓣方戏粒牵润凝瓣方式。凝潮方式取决与凝圈嚣域静瓷度，蕊凝瓣嚣皱 熬宽度淑浚二 合众瓣缝菇滠浚藏满稻冷帮强菠。 第二章s n - s b 合金温度场及动淼凝周曲线的测定与分析 恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断黼上的凝阐区域宽度为零。断 匿上的固体和液体由一条界线( 凝圜前沿) 清楚她分开。隧着湿度躲下降，固体 层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。如果合金的结晶 遗发范围缀小，或叛嚣瀑发檬度缀丈时，铸终錾嚣瓣凝露酝域赠壤窄，逡溅予逐 层凝固方式。 翔秉瓣铸 牛瑟瑟溢发场较平戆，或台金豹结鑫滠度范鬻缓宽，铸 孛凝藩静菜 一段时间内，其凝网区域几乎贯穿熬个铸件断面时，则在凝固区域鼹既有融结晶 的晶体，也有未凝函昀液体，这茅中情况为体积凝潮方式或称糊获凝固方式。 如果含金的结撼温度范围较窄，或者铸件断蘧滠度梯发较大，铸件断颟上的 凝潮区域蹴度介于前两者之间时，称中间凝固方式。 从图2 - 7 中霹以看出，来经超声波处壤豹s n - s b 台金液相线秽嚣楣线豹魁率 较小，温魔梯度较大，处于中间凝同方式。而经过超声波处理的s n s b 合众液相 线秘霾稿线瓣瓣攀较大，漩疫撵发较枣，凝霾方式篾钵黎凝嚣方式。 ( 二) 、不满功率瓣超声波蹲各凝鬻区域豹影璃 从图2 7 可以看出，随着超声波功率的增加，液相线和固相线的斜率没有太 大交亿，而先析出8 相区和包晶及应区逐渐增大。先析出0 相嚣的增大怒由于 超声波的热效应的原因，聪包晶反威区的增大是出予包晶发应温度随着功察增加 而降低的原因。 先辑惑s 楣嚣和毽鑫反应区变宽，馊趣声波敖剧烈戆声流佟鼹亵空纯终震 作用的时间更长，比重偏析易被消除，粗大的晶粒被不断的被破碎，这些破碎下 柬豹鑫粒淹着金耩液豹滚葫分毒强液薅黪嚣处形戏藜熬缝燕核心。这样薪豹晶竣 不断的形成，而晶核的长大却被超声波的作用抑制了，这一过程持续的时间越长， 最螽凝固褥到的鑫粒就越细。 第二章s n s b 台金温度场及动态凝固曲线的测定与分析 2 4 、试验小结 本章通过对s n s b 合金冷却曲线和动态凝固曲线，对未经超声波处理和不同 功率超声波处理的s n s b 合金温度场和凝固过程进行了较全面的分析。得出以下 结论： ( 1 ) 、经过超声波处理的s n s b 合金比未经超声波处理的总凝固时间缩短。 随着超声波功率的提高，超声波热效应增大，使凝固时间又逐渐增大。 ( 2 ) 、经过超声波处理的s ns b 合金比未经超声波处理的温度场更加均匀， 温度梯度变小。 ( 3 ) 、经过超声波处理的s n s b 合金冷却曲线上出现特征点c 和d 点，c 点 即超声波声流作用效果开始减弱点，d 点即超声波声流作用基本结束点。通过c 点出现的时间可以判断何时停止超声处理能既具有与全程处理相似的最佳效果， 又减少不必要的能源浪费。 ( 4 ) 、超声波对于s n s b 合金的b 相有效形核温度影响效果不明显。 ( 6 ) 、随着超声波功率的增加，包晶反应开始温度逐渐降低。 ( 7 ) 、未经超声波处理的s n s b 合金凝固方式为中间凝固方式，经过超声波 处理的s n s b 合金凝固方式趋向于体积凝固方式。 ( 8 ) 、随着超声波功率增大，先析出b 相区和包晶反应区增大，有利于s n s b 合金凝固组织的细化。 第三章功率超声细化s n - s b 台金凝固组织工艺研究 第三章功率超声细化s n s b 合金凝固组织工艺研究 3 1 、概述 凌率越声其毫特殊戆声学和力学效应。鏊内乡 许多磺究表骥袭鑫藩静凝固过 程中导入超声波能显著的细化金属凝固组织。目前的超声波处理工教都是襁金属 的熬个凝羽过程串不闯断的加入越声波，鄄全程怒理。这种处理方式虽然禽够得 到很好的处理效果，但是由于超声波在整个凝固过程中作用效果不一样，对于凝 固时闻较长的金属材料，这种处理方式会对能源造成大量的浪费，不利于超声波 处爨在工渡上的大援模应用。