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超声波技术在金属凝固中的应用与发展

摘要：本文简要介绍了超声波及其基本特性， 综述了高能超声对金属凝固过程作用的研究和应用状况，提出超声处理是改善金属凝固组织、提高力学性能的有效方法，并对21世纪超声凝固细晶技术的前景进行了展望。

关键词：超声波 金属 凝固

高能超声具有独特的声学效应。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等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善[1]。目前国外这方面的一些研究成果已经应用于生产中[ ]，而国内相关研究报道很少。

1 超声波及其特性

超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。在强度较低时，超声波可以作为探测负载信息的载体与媒介，称为检测超声。当其强度超过一定值，则与传声媒质相互作用，可以改变以至破坏传声媒质的状态、性质及结构，称为高能超声或功率超声。本文涉及的主要是高能超声。

超声波具有以下四个基本特性：

(1) 束射特性。超声波波长短，可以集中成一束射线。

(2) 吸收特性。超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气中的吸收最强烈，固体中的吸收最微弱。

(3) 高功率。由于频率高，超声波的功率比声波大得多，它不仅能使所作用的介质产生急速运动，甚至会破坏其分子结构。

(4) 声压作用。声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压作用。

上述四个基本特性使超声波在媒体中4.试样置于实验机后导致如下五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应[4]。

2.2超声波对金属凝固组织的作用

2.2.1超声波对纯金属凝固组织的作用

Eskin用超声波处理高纯铝，处理后使晶粒度从3.1增加到37.5，拉伸强度从54MPa提高到70MPa，硬度从HB17.2提高到HB钢珠19.7，同时延伸率也得到了改善[10]。Abramov和Gurevich使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属[11]，结果表明超声处理能使具有不同点阵结构的金属晶粒细化，力学性能提高。

2.2.2超声振动对低熔点合金凝固组织的作用

Eskin等人采用10kW的超声波对铝合金的凝固过程进行了较为深入的研究[5,12]。试验表明，纯铝经过超声处理，拉伸强度可以提高6－10％，而含有微量元素的铝经过超声处理拉伸强度却可以提高20－25％。在连续铸造中，用超声波处理Al-Si合金，也取得了良好的效果，对初生Si相的细化作用十分显著(见图1) [13]。

李英龙等人研究了全过程和结晶前超声处理对Al-Si合金组织和性能的影响 [14]。实验结果表明，声强为3.5W/㎝2的全过程超声处理使共晶Si相显著细化，断裂并呈粒状分布，断裂处有局部熔化现象，棱角变钝。而以同样的声强结晶前超声处理虽然也能使共晶硅细化，但其仍呈针片状分布，晶粒没有断裂现象。

赵忠兴等人采用底部导入方式对铝合金进行超声处理[薯类制品15]。经超声处理的合金组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶或粒状晶组织。

(a) 原始铝合金 (b) 经过超声处理的铝合金

图1 过共晶硅(36%Si)的微观组织[13]

赵忠兴等人采用底部导入方式对铝合金进行超声处理[15]。经超声处理的合金组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶或粒状晶组织。

2.2.3超声振动对钢和铁凝固组织的作用

超声处理对钢和铸铁的细化效果也是十分明显的。研究表明，普通碳钢中含碳量越高，超声处理的效果就越明显。对st40钢进行变质和超声振动的联合处理试验[16]，不仅得到了晶粒细化的珠光体组织，而且铁素体也被打碎。超声处理使W18工具钢中碳化物偏析明显减轻，微观组织得到细化，共晶体碳化物也得到细化[17]。

Abramov研究了超声处理对钢力学性能的影响[18]。对于铸态亚共析碳钢，超声处理后强度提高20－30％，塑性提高了30－40％；而过共析钢经超声处理后，屈服强度提高了75%，同时塑性也有增加。经过超声处理的铁素体和奥氏体钢无论是在室温还是在工作温度下，强度和塑性同时得到了改善。

赵忠兴探讨了超声波对HT100灰铸铁凝固组织的影响[15]，结果表明，超声处理使灰铁共晶石墨片变短、变粗。

2.3 超声细化的应用研究

Taha对影响超声细化的参数进行了研究[2]。研究表明，细化程度和超声波的输入能量、合金成分和铸件厚度有关。随着超声输入金属熔液中能量的增加，冷却速度被减缓，当冷却速度慢到一定程度时，凝固组织粗化。对Pb-Sb合金，当Sb的含量为0.5%wt时，超声处理的作用并不显著。而当Sb的含量大于2%wt时，超声处理的细化作用就非常显著。对于厚度是10mm的Pb-4wt%Sb铸件，超声振动并不使整个铸件均匀细化。在离振动源较远处，树枝状组织仍然出现。而对于4mm的铸件，在超声振动作用下，整个铸件得到了均匀细化。Abdel－Rehim[3]在不同形状的铸件凝固过程中应用超声波，证明超声波对复杂件组织同样有细化作用。

2.4超声细化的机理研究

国外众多学者对超声细化的机理进行了探讨，提出了破碎理论和过冷生核理论[1,19,20]，这些理论的核心主要是声空化现象。

(1)超声破碎理论。该理论认为高能超声形成的大量空化气泡在超过一定阈值的声压下发生崩溃并产生激波，将已结晶长大的晶粒打碎，使晶粒得到细化[1,19,20]。

(2)过冷生核理论。还有一些学者认为[1,20 ]，超声波产生的空化泡的增大和内部液体的蒸发会降低空化泡的温度，这将导致空化泡表面的金属熔液温度降低，因此在空化泡的附近就可能形成晶核。

Abdel－Rehim根据前人的工作，超声处理的细晶作用归纳为以下四方面[19]：(1)空化现象引起的空冷；(2)振荡器的冷却和搅拌；(3)坩埚壁的冷却；(4)脉冲超声的时间延迟。

3 超声凝固细晶技术的前景

关于超声波对金属凝固过程作用的研究始于20世纪30年代，60年代出现了高潮，而70至90年代却无太大的进展。这一方面是由于材料领域的孕育处理、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。另一方面对变幅杆耐高温性能和对超声波大功率的要求制约了该技术的应用。值得注意的是，人类进入21世纪后，一方面，环保意识的提高呼唤着绿色材料的诞生。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，即减少元素的含量，提高材料的可回用性。无污染的物理细晶技术无疑将在新世纪备受关注。另一方面，物理、材料和电子等领域科学技术的飞速发展使大功率超声设备和耐高温变幅杆的生产成为可能，特别是非接触式电磁超声波的诞生为以后是美国、日本和韩国该超声技术在金属制备中的应用开辟了更广阔的空间。因此，我们相信超声凝固细晶技术将会再度成为材料领域的研究热点，而输出峰值高、负荷小的电磁脉冲超声波将会成为超声凝固细晶技术的新亮点。

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