超声波对金属凝固的影响

在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细的等轴晶，金属的宏观和微观偏析得到改善。图7-4所示为金属熔体中超声波的两种导入方式[2]。

图7-4　金属熔体中超声波的两种导入方式

（a）从顶部导入；（b）从底部导入

1.超声波对金属凝固组织的影响(www.xing528.com)

Abramov[28]用超声波处理碳钢细化了晶粒，超声波振动使铸态下的U8（0.8%C）和U10（1.0%C）钢的晶粒尺寸从200μm减小到25～50μm；使铸态亚共析碳钢强度提高20%～30%，塑性提高30%～40%。在Sh Kh15（1%C，1.5%Cr）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变小。Irsid[29]将超声波振动施加于连续铸造过程中，发现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，这种方法能使铸件晶粒细化，而且减轻了Al-Cu合金连续铸造铸件的表面偏析。李英龙等[30]研究了Al-Si共晶和过共晶（20%Si）合金在熔体直至合金凝固全过程和共晶转变前进行超声处理对铸态组织和性能的影响。研究表明：适宜的超声参数对初晶Si和共晶Si组织具有双重细化作用，使Si破碎成颗粒状，合金的强度和塑性明显提高。赵忠兴等[31，32]采用20kHz、0.25kW和20kHz，1kW的超声波发生器处理Al-Si-Cu-Mg合金、ZL102、HT100和ZCuPb30合金，经超声波处理的合金试样均为等轴晶组织，且明显细化均匀，合金的宏观及微观偏析均得到改善。

2.超声波对金属凝固组织的作用机制

国外众多学者对超声细化的机制进行了探讨，提出了空化理论、破碎理论、生核理论和过冷理论等[33，34]。

超声波在液体中传导时，将会产生周期性的应力和声压变化，在声波的波面处形成很强的压强梯度，产生局部的高温高压效应，这种效应导致瞬间的正压、负压变化，致使结晶过程中固/液界面正在形核、长大的晶胚脱落下来，漂移到熔体的各个部位，从而改变了固/液界面的结晶方式。液体中产生的空化和搅动作用使合金液整体的温度和化学成分均匀化，细化了合金显微组织，减轻了合金的宏观偏析倾向，提高了铸态组织均匀性[2]。