（l. 辽宁工业大学材料与化学工程学院，辽宁锦州121001；2. 国立室兰工业大学材料物性工学科，日本北海道室兰市050－8585）

　　摘要：研究了超声波熔体处理方法对纯铝铸锭凝固组织的影响，分析了没有添加除气剂不进行超声波处理、只添加除气剂不进行超声波处理、既添加除气剂又进行超声波处理的情况，以及超声波对纯铝凝固组织影响的原因。研究结果表明，采用合适的超声波振动处理时间，可以提高铸锭晶粒的细化率。

　　关键词：超声波；熔体处理；纯铝；铸锭；凝固

　　超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来说，正常人听觉的频率在16 kHz～20kHz之间。人们习惯上常把以工程应用为目的，而不是以听觉为目的的某些可听声的应用也列入超声技术的研究范围[1—2]。因此，在实际应用中，有些超声技术使用的频率可能在16 kHz以下。

　　高能超声波具有独特的声学效果，在金属凝固过程中，如果施加超声波振动，铸锭的凝固组织就会从粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，同时铸锭的宏观及微观偏析也得到了改善［3－7]。可是，对于超声波处理的铸锭，在获得全部等轴晶的同时，在铸锭内部还存在气孔，这就使材料的力学性能大为降低。目前，在超声波振动处理的铸锭中，如何减少和防止气孔的形成的研究还比较少[8—12]　。

　　对于铝合金来说，传统的除气方法有真空处理法、吹入惰性气体法、除气剂添加法、稀土除气法等。

　　超声波处理法作为环保经济的方法，前苏联曾经报道过有关超声波除气的方法[13—14]；最近，加拿大以及美国的橡树岭国家实验室，也就大气湿度、金属熔体温度和熔体体积对超声波除气的影响进行了研究[15—16]。

　　因此，本试验研究了超声波熔体处理方法对纯铝铸锭凝固组织的影响[17—18]，分析了没有添加除气剂和超声波处理、只添加除气剂不进行超声波处理、既添加除气剂又进行超声波处理的情况。

　　1 试验方法

　　1.1 超声波振动处理装置

　　超声波振动处理装置与以前报道的相同[19—20]。该装置由超声波发生器（最大输出功率150 W、频率27.5kHz）、镍磁致伸缩换能器、45号钢变幅杆、金属陶瓷质探针（Probe）、石墨坩埚、自动测温装置、探针移动机构等组成。图1为超声波场铸锭凝固装置的示意图。

1.2 试验程序

　　试验使用w（Al）＝99.7％的工业纯铝，熔化采用角型电阻炉，熔化过程中进行两次充分的搅拌。浇注前用C2Cl6系除气剂（w（C2Cl6）＝1％）进行初级除气，然后浇入石墨坩埚。

　　超声波处理时，先让未预热的传振杆振动，然后从纯铝熔体的上方浸人液面下10mm，对纯铝熔体施加一定时间的超声处理。利用阿基米得法分别测出各铸锭的密度值，并把试验后的纯铝铸锭，沿着纵向一分为二，研磨并抛光，分别观察宏观组织和微观组织。

　　本试验中超声波功率采用75 W，频率27.5 kHz。浇注温度为730℃，超声波开始加入时的熔体温度为液相线以上（TL＋40）℃，即700℃；石墨坩埚的预热温度为500℃，超声波探针的温度为室温，超声波处理时间分别为60 s，120 s，180 s，240 s。

　　2 试验结果与讨论

　　2.1 宏观组织的观察

　　为了研究超声波熔体处理方法对纯铝铸锭凝固组织的影响，分别对纯铝熔体进行了如下的处理：（1）没有添加除气剂；（2）添加除气剂；（3）既添加除气剂又进行超声波处理。处理时间分别为60 s，120s，180 s，240 s。

　　由图2可以看到，除气剂的添加与否对纯铝铸锭组织的细化没有影响，铸锭完全由粗大的柱状品组织构成。相反添加除气剂后，反而使纯铝铸锭的宏观组织粗化。这是由于添加过程中，强烈的搅拌作用使近程有序排列的结晶核心重熔，而致使凝固后的组织变得粗大。另一方面，由于是纯金属的凝固，在铸锭最后凝固的部位形成较大的集中缩孔。

　　当采用超声波处理时，在铸锭内部开始出现细小的等轴晶区，随着超声波处理时间的延长，铸锭断面上的等轴晶区扩大，当超声波处理时间达到240s时，在铸锭内部形成内部缩孔，并有柱状晶出现在上端。这是由于过长时间的超声波处理、在纯铝熔体内产生较多的热量，使得已经结晶的核心再度重熔，而使等轴晶减少，柱状晶增加。过剩的超声波振动又使空化气泡在金属凝固末期逃离熔体内部变得困难。又因为是纯金属的凝固，凝固界面为平面，所以这些气泡不像合金结晶那样被树枝晶所捕获，而是集中于铸锭的上部，被顶面的先结晶的柱状晶所封住，因此，留下较大的内部缩孔。

　　2.2 对铸锭晶粒细化率的影响

　　把铸锭细等轴晶区的面积与铸锭断面面积的比值，规定作为铸锭的晶粒细化率。

　　通过以上对铸锭的宏观组织的观察，可以求出超声波熔体处理方法与纯铝铸锭晶粒细化率之间的关系，如图3所示。由图3可以看出，没有添加除气剂和不进行超声波处理和只添加除气剂不进行超声波处理这两种情况的铸锭晶粒细化率为0％，铸锭的切断面上由粗大的柱状晶组织所构成，说明该除气剂对纯铝晶粒没有细化效果。

　　当对纯铝熔体开始施加超声波后，纯铝熔体的细化效果明显增加。超声波处理时间为60s时，铸锭晶粒细化率达到41％左右；进一步增加超声波的处理时间达120s时，铸锭晶粒细化率达到87％。当超声波处理时间为180s时，铸锭品粒细化率达到最大值100％但再增加超声波的处理时间，可以看到铸锭晶粒的细化率反而下降。

　从以上结果可以分析超声波对于金属铸锭的细化机制。一般认为超声波振动的细化效果是来自于超声波的搅拌作用与动态形核机制两方面。由于在本试验中使用的是纯金属，所以认为超声波的搅拌效果并不起主要作用，而起主要作用的是超声波的动态形核机制：也就是说超声波以纵波传播，在波的前进方向上引起周期性的交替压力变化，在金属熔体中产生如图4所示的高压区和低压区。空化气泡在负的压力区产生，伴随着压力的变化，气泡长大到一定的程度就会被突然压破。在超声波频率的几个周期内，空化气泡的半径发生很大的变化，直至稳定在一个平均半径水平。在空化气泡所发生的长大、压破期间，在熔体内可形成几千度、几千气压的高温、高压的反应场，因而会大大刺激熔体内的动态形核率。
　3 结论

　　关于超声波熔体处理方法对纯铝铸锭凝固组织的影响，可得到如下结论：

　　（l）除气剂的添加与否对纯铝铸锭组织的细化没有影响，铸锭完全由粗大的柱状晶组织构成。

　　（2）采用超声波方法处理纯铝熔体后，铸锭晶粒的细化率大幅度提高，可使整个铸锭断面均为细化的等轴品组织。

　　（3）过剩的超声波振动会导致铸锭晶粒细化率下降。