CN113278809B - 一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法 - Google Patents

一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：将铝合金加热使其熔化；提供一超声发生装置，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的铝合金内；提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的铝合金内；同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理。本发明的方法，在超声处理的同时通入气体，通入的气体气泡在超声作用下会分裂为多个气泡，并且快速成长为超声空化泡，使铝合金熔体内的超声空化泡数量大大增加，弥补了单纯超声处理时空化泡较少的缺陷，从而增大超声空化的范围和强度，实现大容量、大范围的铝合金熔体的超声处理。

Description

一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料处理技术领域，尤其涉及一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法。
背景技术
目前，在铝及铝合金加工工业生产中，主要通过化学处理来细化铝合金晶粒，比如添加变质剂，从而提高铝合金产品的各方面性能，然而，变质剂的添加会带来金属污染，不利于环保，并且废弃的铝合金产品由于含有杂质金属，难以回收利用，浪费资源。利用物理方法处理铝合金熔体也能够起到细化晶粒的效果，例如超声处理。超声处理铝合金熔体时，通过浸入熔体内的超声辐射杆将功率超声作用于铝合金熔体，此时铝合金熔体内会发生超声空化效应和声流效应，这些效应会破碎枝晶，并使枝晶球化且均匀分布，从而使铝合金晶粒细化，提高产品性能。相比化学处理，超声处理不会引入杂质，提高铝合金的回收利用率，节约资源，经济环保。但是，在利用功率超声处理较大容积内的铝合金熔体时，由于熔体存在阻抗，并且功率超声传播过程中逐渐衰减，当超声辐射杆数量较少时，难以使较大范围内全部的合金熔体得到有效处理。此外，在铝合金压铸生产中，模具的浇注温度较高，导致模具寿命缩短，因此需要降低浇注温度来提高模具寿命，然而，当铝熔体的温度较低时，铝合金熔体的粘度增加，超声的衰减更加严重，因此在工业生产中，超声处理铝合金熔体技术的发展受到极大限制。
基于此有必要对现有的超声处理铝合金熔体的技术方案进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
将铝合金加热使其熔化；
提供一超声发生装置，所述超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的铝合金内；
提供一储气装置，所述储气装置连通一导气管，所述导气管伸入熔化的铝合金内；
同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，所述超声发生装置产生的功率为1500～2500W，超声频率为20～25KHz。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，所述储气装置存储有氮气或惰性气体。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，所述导气管的内径为4～6mm。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，所述导气管内气体的流速为1～2L/min。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，将铝合金加热使其熔化具体为：将铝合金加热至690～710℃，然后降温至595～610℃内并保温。
优选的是，所述的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理，处理时间为4～12s。
本发明的一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，在超声的同时通入气体，通入的气体气泡一部分会逸出铝合金熔体，另一部分则在超声作用下成长为超声空化泡；这些超声空化泡会在周期性的超声波的作用下不断经历膨胀、收缩，当收缩到足够小时，空化泡会发生溃灭，在一瞬间产生300Mpa的高压和8000K以上的高温，发生超声瞬态空化效应，这些局部高压和高温的出现会使铝合金熔体内已经成长的枝晶破碎、重融，在超声声流效应作用下，熔体产生对流，从而将破碎的枝晶的四周修整圆滑并使其分布均匀，改善了铝合金熔体在模具较窄部分因枝晶较多而形成的阻塞，使其能够顺利充型，完成生产；同时，超声空化泡在膨胀过程中会从周围铝合金熔体处吸收热量，从而使得气泡壁四周的铝合金熔体内产生局部过冷，而铝合金熔体过冷会使铝合金熔体的结晶驱动力和形核速率增强，从而在气泡四周产生大量形核核心，这些形核核心也会在超声声流效应下均匀分布到铝合金熔体内，由于形核核心的增加，其它枝晶的成长会受到抑制，同样能够起到缩小铝合金熔体中枝晶的效果，最终使铝合金等轴化，提升铝合金产品的性能；通入的气体气泡在超声作用下会分裂为多个气泡，并且快速成长为超声空化泡，使铝合金熔体内的超声空化泡数量大大增加，弥补了单纯超声处理时空化泡较少的缺陷，从而增大超声空化的范围和强度，实现大容量、大范围的铝合金熔体的超声处理；本申请的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，在利用超声波处理铝合金熔体的同时，向铝合金熔体内通入气体，以增强超声波的作用范围和强度，满足对大范围铝合金熔体处理的需求；
(2)本发明的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，由于铝合金熔体内的枝晶已被破碎并球化，当铝合金熔体被浇注到模具中较窄的成型位置时，不会因为枝晶较多而产生阻塞，从而使得铝合金熔体能够顺利被充填到模具中，同时可以降低模具浇注温度，从而提高模具寿命，节约能源，节省生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例中气体辅助超声处理装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1～4以及对比例1中的方法处理铝合金熔体经自然冷却成型后的组织形貌图；
图3为本发明实施例1～4以及对比例1中的方法处理铝合金熔体经自然冷却成型后的晶粒尺寸图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
S1、将铝合金加热使其熔化；
S2、提供一超声发生装置，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的铝合金内；
S3、提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的铝合金内；
S4、同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理。
需要说明的是，本申请实施例超声发生装置以及储气装置均为常规技术，储气装置内存储有气体，显然只要不与铝合金发生反应、不溶于铝合金熔体的气体均可，超声发生装置包括超声辐射杆，在对熔化的铝合金进行处理时，同时开启超声发生装置以及储气装置，超声发生装置产生的超声波经超声辐射杆作用至熔化的铝合金内，同时，储气装置内的气体经导气管输送至熔化的铝合金内，在超声处理熔化的铝合金时产生超声空化效应和声流效应，同时通入气体，通入的气体气泡一部分会逸出铝合金熔体，另一部分则在超声作用下成长为超声空化泡；这些超声空化泡会在周期性的超声波的作用下不断经历膨胀、收缩，当收缩到足够小时，空化泡会发生溃灭，在一瞬间产生300Mpa的高压和8000K以上的高温，发生超声瞬态空化效应，这些局部高压和高温的出现会使铝合金熔体内已经成长的枝晶破碎、重融，在超声声流效应作用下，熔体产生对流，从而将破碎的枝晶的四周修整圆滑并使其分布均匀，改善了铝合金熔体在模具较窄部分因枝晶较多而形成的阻塞，使其能够顺利充填，完成生产；同时，超声空化泡在膨胀过程中会从周围铝合金熔体处吸收热量，从而使得气泡壁四周的铝合金熔体内产生局部过冷，而铝合金熔体过冷会使铝合金熔体的结晶驱动力和形核速率增强，从而在气泡四周产生大量形核核心，这些形核核心也会在超声声流效应下均匀分布到铝合金熔体内，由于形核核心的增加，其它枝晶的成长会受到抑制，同样能够起到缩小铝合金熔体中枝晶的效果，最终使铝合金等轴化，也能够加强铝合金产品的性能；通入的气体气泡在超声作用下会分裂为多个气泡，并且快速成长为超声空化泡，使铝合金熔体内的超声空化泡数量大大增加，弥补了单纯超声处理时空化泡较少的缺陷，从而增大超声空化的范围和强度，实现大容量、大范围的铝合金熔体的超声处理；本申请的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，在利用超声波处理铝合金熔体的同时，向铝合金熔体内通入气体，以增强超声波的作用范围和强度，满足对大范围铝合金熔体处理的需求。
在一些实施例中，超声发生装置产生的功率为1500～2500W，超声频率为20～25KHz。
在一些实施例中，对熔化的铝合金进行处理是在气体辅助超声处理装置中进行的，该装置的结构如图1所示，其包括电阻炉1、石墨坩埚2、超声发生装置、储气装置7和导气管8，其中，超声发生装置为常规现有的装置，其具体包括超声发生器5、超声控制器4以及超声辐射杆3，其中导气管8和超声辐射杆3均伸入熔化的铝合金9内，超声控制器4控制超声发生器5产生超声波并通过超声辐射杆3作用于熔化的铝合金9；具体的，其操作方法为，先将铝合金加入至石墨坩埚2内，启动电阻炉1并对石墨坩埚2内的铝合金加热使其熔化，待铝合金完全熔化后，同时开启超声发生装置以及储气装置7，如此超声发生装置产生的超声波通过超声辐射杆3作用于熔化的铝合金9，储气装置7中的气体经过导气管8进入熔化的铝合金9内对其进行处理。
在一些实施例中，超声发生装置还包括伸缩杆6，伸缩杆6与超声辐射杆3连接，伸缩杆6可以伸缩，具体的可为电动伸缩杆，通过伸缩杆6的伸缩可以控制超声辐射杆3的熔化的铝合金内的深度。
在一些实施例中，储气装置7存储有氮气或惰性气体，具体的惰性气体为氩气、氦气、氖气等中的一种，储气装置7内优选存储氮气，氮气化学性质稳定，不溶于铝合金熔体，广泛应用与工业生产中，并且氮气价格低，经济环保，使用方便。
在一些实施例中，导气管的内径为4～6mm。
在一些实施例中，将铝合金加热使其熔化具体为：将铝合金加热至690～710℃，然后降温至595～610℃内并保温。
需要说明的是，本申请实施例中对熔化的铝合金进行处理时，铝合金的温度为593～621℃，处理完成后进行浇注时，由于铝合金熔体内的枝晶已被破碎并球化，当铝合金熔体被浇注到模具中较窄的成型位置时，不会因为枝晶较多而产生阻塞，能够顺利的完成充型，保证产品的质量。以A380铝合金为例，未经过本申请的超声以及气体同时处理，在成型时的模具浇注温度为650～680℃，而经过本申请的超声辅助气体处理的A380铝合金熔体在610℃左右依然有很好的流动性，能够顺利完成充型，因此，通过本申请的气体辅助超声处理铝合金熔体可以有效降低模具的浇注温度，提高模具寿命，节约能源，有更好的经济效益。
在一些实施例中，同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理，处理时间为4～12s。
在一些实施例中，同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理过程中，开启储气装置使得导气管中气体的流速为1～2L/min。
以下进一步以具体实施例说明本申请的气体辅助超声处理铝合金熔体的方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
S1、将A380铝合金加热至700℃使其完全熔化，然后降温至609..8℃并保温；
S2、提供一超声发生装置，其型号为JY99-2D，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的A380铝合金内；
S3、提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的A380铝合金内；
S4、同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的A380铝合金进行处理，处理时间为4s；
其中，超声发生装置产生的功率为2000W，超声频率为20KHz；
储气装置内存储有氮气，导气管内径为6mm，开启储气装置后导气管内氮气的流速为：1L/min。
实施例2
本申请实施例提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
S1、将A380铝合金加热至700℃使其完全熔化，然后降温至601.7℃并保温；
S2、提供一超声发生装置，其型号为JY99-2D，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的A380铝合金内；
S3、提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的A380铝合金内；
S4、同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的A380铝合金进行处理，处理时间为8s；
其中，超声发生装置产生的功率为2000W，超声频率为20KHz；
储气装置内存储有氮气，导气管内径为6mm，开启储气装置后导气管内氮气的流速为：1L/min。
实施例3
本申请实施例提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
S1、将A380铝合金加热至700℃使其完全熔化，然后降温至596.3℃并保温；
S2、提供一超声发生装置，其型号为JY99-2D，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的A380铝合金内；
S3、提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的A380铝合金内；
S4、同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的A380铝合金进行处理，处理时间为12s；
其中，超声发生装置产生的功率为2000W，超声频率为20KHz；
储气装置内存储有氮气，导气管内径为6mm，开启储气装置后导气管内氮气的流速为：1L/min。
实施例4
本对比例提供了一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，包括以下步骤：
S1、将A380铝合金加热至700℃使其完全熔化，然后降温至593.8℃并保温；
S2、提供一超声发生装置，其型号为JY99-2D，超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的A380铝合金内；
S3、提供一储气装置，储气装置连通一导气管，导气管伸入熔化的A380铝合金内；
S4、同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的A380铝合金进行处理，处理时间为14s；
其中，超声发生装置产生的功率为2000W，超声频率为20KHz；
储气装置内存储有氮气，导气管内径为6mm，开启储气装置后导气管内氮气的流速为：1L/min。
对比例1
本对比例提供了未经气体辅助超声处理的铝合金熔体的方法，包括以下步骤：将A380铝合金加热至700℃使其完全熔化，然后降温至621.1℃并保温4s。
分别按照上述实施例1～4以及对比例1中的方法处理铝合金熔体，自然冷却成型后对其进行显微观察，结果如图2所示。图2中编号(2)为实施例1中的方法处理后冷却成型的组织形态图，图2中编号(3)为实施例2中的方法处理后冷却成型的组织形态图，图2中编号(4)为实施例3中的方法处理后冷却成型的组织形态图，图2中编号(5)为实施例4中的方法处理后冷却成型的组织形态图，图2中编号(1)为对比例1中的方法处理后冷却成型的组织形态图。
从图2中可以看出实施例1～4中的处理后微观组织的枝晶已减小很多，晶粒也更加圆整，说明本申请通过气体辅助超声处理大容量、大范围的铝合金熔体时作用明显，能够破碎枝晶并球化，并且细化晶粒，从而使得铝合金熔体能够顺利被充填到模具中，同时可以降低模具浇注温度，可以从650-680℃下降到595～610℃左右，从而提高模具寿命，节约能源，节省生产成本；进一步的，图2中经过实施例1中的方法处理后冷却得到的铝合金，相比对比例1中的方法处理后冷却得到的铝合金枝晶数量已有下降，图2中经过实施例4中的方法处理后冷却得到的铝合金，相比对比例1中的方法处理后冷却得到的铝合金枝晶数量下降更加明显，而实施例1中的方法的铝合金熔体的处理温度为609.8℃，实施例4中的方法的铝合金熔体的处理温度为593.8℃，考虑到实际生产中温度波动，在实际处理时，在温度区间为595～610℃内进行气体辅助超声处理可以获得较好的处理效果。
分别按照上述实施例1～4以及对比例1中的方法处理铝合金熔体，自然冷却成型后，根据平均晶粒度标准测试方法(ASTM E112-96)测试其平均晶粒尺寸。经过测量，对比例1中A380铝合金的平均晶粒尺寸为105.5μm，所测得的实施例1～4的平均晶粒尺寸如图3所示。图3中横坐标为实施例1～4中对铝合金进行处理时铝合金的温度。
由图3可以看出，实施例1～4的A380铝合金平均晶粒尺寸均小于对比例1中A380铝合金晶粒尺寸，说明在温度区间595～610℃之间，气体辅助超声处理能够有效减小铝合金平均晶粒尺寸，并且在600℃左右的铝合金平均晶粒尺寸减小程度最大，说明在600℃左右，气体辅助超声处理对铝合金熔体的处理效果最好，枝晶的破碎效果最好。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种气体辅助超声处理铝合金熔体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将铝合金加热使其熔化；
提供一超声发生装置，所述超声发生装置的超声辐射杆伸入熔化的铝合金内；
提供一储气装置，所述储气装置连通一导气管，所述导气管伸入熔化的铝合金内；
同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理；
所述超声发生装置产生的功率为1500～2500W，超声频率为20～25KHz；
所述储气装置存储有氮气或惰性气体；
所述导气管的内径为4～6mm；
所述导气管内气体的流速为1～2L/min；
将铝合金加热使其熔化具体为：将铝合金加热至690～710℃，然后降温至595～610℃内并保温；
同时开启超声发生装置以及储气装置对熔化的铝合金进行处理，处理时间为4～12s。
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