D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.11.015 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2008 施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 蒋日鹏李晓谦张立华胡仕成刘荣光 中南大学机电工程学院，长沙410083 摘要在工业纯铝的凝固过程中引入超声场，探讨了超声细化晶粒的机理，并具体研究了超声功率、导入声波的熔体温度 区间对铸锭凝固组织的影响规律。实验结果表明：铝熔体经超声处理后，凝固组织均得到显著细化，这主要取决于超声的空化 效应和声流效应：超声功率增大时，组织细化程度提高，功率达到170W时细化效果最好，继续增大功率则细化作用减弱；施 振温度区间对凝固组织的影响也有相似的规律，在合理的温度导入声波，品粒能细化到最佳程度 关键词工业纯铝：熔体温度：凝固组织；空化效应：声流效应：晶粒尺寸：超声功率 分类号TG249.9 Effects of ultrasonic power and temperature subjected to vibration on the solidifi- cation structure of industrial pure aluminum JIA NG Ripeng.LI Xiaoqian,ZHA NG Lihua.HU Shicheng.LIU Rongguang College of Mechanical and Electrical Engineering:Central South University.Changsha 410083.China ABSTRACT Ultrasonic field was introduced into the solidification process of industrial pure aluminum.The mechanism of grain re- finement by ultrasonic was discussed.The effects of ultrasonic power and melt temperature range subjected to ultrasonic vibration on the solidification structure of casting ingots were studied.The experiment results showed that the solidification structures of aluminum melt were all refined remarkably by ultrasonic treatment due to ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect.The structure refinement was improved when the ultrasonic power increased,the refining effect was the best at the ultrasonic power of 170 W,but it would be decreased if the ultrasonic power continuously increased.The similar law was found in investigating the influence of tem- perature range applying vibration on the solidification structure,and the grain refinement can reach an optimum degree at a reasonable temperature applying ultrasonic. KEY WORDS industrial pure aluminum:melt temperature:solidification structure:cavitation effect:acoustic streaming effect: grain size:ultrasonic power 铝材的制备都必须经过坯料铸造的过程，均质 细化铸钢晶粒以改善铸锭的质量)].20世纪三四 无裂纹的铸锭是生产合格铝材的前提条件，各种裂 十年代，以Eskin、Abramov和Sokolov为代表掀起 纹的形成及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切 了研究振动效应对凝固组织影响的热潮，但此后的 的关系，如何细化晶粒，获得细小均匀的等轴晶组 一段时间由于材料及技术问题的制约，同时人们找 织，减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学者所 到了变质处理、孕育处理等有效细化晶粒的方法，导 关注的问题，在合金熔体中引入超声波将产生一系 致这方面的研究处于停滞状态，20世纪80年代伴 列储如空化、声流、机械、辐射压力等非线性效 随新材料的诞生，技术瓶颈获得突破，使得这一领域 应山，通过这些效应可以改善组织，减少偏析，改变 的研究再度活跃起来，在超声处理铝合金方面，前 二次相的形成及分布，将振动应用于冶金领域可追 苏联、俄罗斯、美国和日本等国家的科研院所进行了 潮到l878年，Chernov第一次成功运用摇晃俦模法 广泛的探索性研究，积累了很多成果[3)]，我国在 收稿日期：2007-09-10修回日期：2007-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。,2005CB23707) 作者简介：蒋日鹏(1983一)，男，项士研究生，E-mail:jiangripeng@163.com；李晓谦(1958一)，男，教授，博士施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 蒋日鹏 李晓谦 张立华 胡仕成 刘荣光 中南大学机电工程学院‚长沙410083 摘 要 在工业纯铝的凝固过程中引入超声场‚探讨了超声细化晶粒的机理‚并具体研究了超声功率、导入声波的熔体温度 区间对铸锭凝固组织的影响规律．实验结果表明：铝熔体经超声处理后‚凝固组织均得到显著细化‚这主要取决于超声的空化 效应和声流效应；超声功率增大时‚组织细化程度提高‚功率达到170W 时细化效果最好‚继续增大功率则细化作用减弱；施 振温度区间对凝固组织的影响也有相似的规律‚在合理的温度导入声波‚晶粒能细化到最佳程度． 关键词 工业纯铝；熔体温度；凝固组织；空化效应；声流效应；晶粒尺寸；超声功率 分类号 TG249∙9 Effects of ultrasonic power and temperature subjected to vibration on the solidifi￾cation structure of industrial pure aluminum JIA NG Ripeng‚LI Xiaoqian‚ZHA NG Lihua‚HU Shicheng‚LIU Rongguang College of Mechanical and Electrical Engineering‚Central South University‚Changsha410083‚China ABSTRACT Ultrasonic field was introduced into the solidification process of industrial pure aluminum．T he mechanism of grain re￾finement by ultrasonic was discussed．T he effects of ultrasonic power and melt temperature range subjected to ultrasonic vibration on the solidification structure of casting ingots were studied．T he experiment results showed that the solidification structures of aluminum melt were all refined remarkably by ultrasonic treatment due to ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect．T he structure refinement was improved when the ultrasonic power increased‚the refining effect was the best at the ultrasonic power of 170W‚but it would be decreased if the ultrasonic power continuously increased．T he similar law was found in investigating the influence of tem￾perature range applying vibration on the solidification structure‚and the grain refinement can reach an optimum degree at a reasonable temperature applying ultrasonic． KEY WORDS industrial pure aluminum；melt temperature；solidification structure；cavitation effect；acoustic streaming effect； grain size；ultrasonic power 收稿日期：2007-09-10 修回日期：2007-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2005CB23707） 作者简介：蒋日鹏（1983—）‚男‚硕士研究生‚E-mail：jiangripeng＠163．com；李晓谦（1958—）‚男‚教授‚博士 铝材的制备都必须经过坯料铸造的过程‚均质 无裂纹的铸锭是生产合格铝材的前提条件．各种裂 纹的形成及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切 的关系．如何细化晶粒‚获得细小均匀的等轴晶组 织‚减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学者所 关注的问题．在合金熔体中引入超声波将产生一系 列诸如空化、声流、机械、辐射压力等非线性效 应［1］‚通过这些效应可以改善组织‚减少偏析‚改变 二次相的形成及分布．将振动应用于冶金领域可追 溯到1878年‚Chernov 第一次成功运用摇晃铸模法 细化铸钢晶粒以改善铸锭的质量［2］．20世纪三四 十年代‚以 Eskin、Abramov 和 Sokolov 为代表掀起 了研究振动效应对凝固组织影响的热潮‚但此后的 一段时间由于材料及技术问题的制约‚同时人们找 到了变质处理、孕育处理等有效细化晶粒的方法‚导 致这方面的研究处于停滞状态．20世纪80年代伴 随新材料的诞生‚技术瓶颈获得突破‚使得这一领域 的研究再度活跃起来．在超声处理铝合金方面‚前 苏联、俄罗斯、美国和日本等国家的科研院所进行了 广泛的探索性研究‚积累了很多成果［3—7］．我国在 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．015