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超声波对某冶炼铸铁熔体的作用2018/7/21 19:47:40

1试验方法及过程。

  1.1试验材料及装置。

  灰铸铁的设计成分为:w(C)3.85%;w(Si)

  1.3%;w(Mn)<0.3%;w(S)<0.03%;w(P)<0.07%. CE为4.307%,属共晶灰铸铁。

  主要试验设备是100kW可控硅控制的感应熔炼炉和超声波振动装置。其中,超声波振动处理装置包括超声波发生器(PZT方式,最大输出功率1500W,频率20kHz),换能器,变幅杆,钛合金超声波探头及其移动机构等组成,试验装置。

  1.2试验过程采用感应炉熔化,铁液温度达到1500℃时倾倒至中间包,降温至1420℃,对中间包中的铁液施加1500W超声波振动,每次处理的灰铁液约为1.15×10^(6)mm3,质量约8.0kg,超声处理施振时间分别为10s,15s,然后将处理后的铁液浇注到粘土砂型中。

  为了进行对比试验,在同样条件下浇注未经超声波处理的铸锭。

  将试验制得的铸锭沿纵向切割,一部分用作灰铁共晶团的观察,共晶团尺寸的测量采用截线法,每组照片中取5条不同方向的线段,数出线段上共晶团的数目,最后取其平均值;另一部分用作显微组织观察和制取冲击试样,冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm,同时在冲击试样的两端进行硬度的测定,铸铁的硬度通常采用布氏硬度(HB),但是由于本试验的试样尺寸较小,所以选用洛氏硬度计(HRB)进行测定。

  2试验结果及分析2.1共晶团中黑色基底为金属基体和石墨片,白色网络为共晶团边界。从(a)测量可知,共晶团的平均直径为310μm;而经过超声处理后,如(b),(c)所示,共晶团的平均直径分别为254μm(为处理前的81.9%,缩小18%)和296μm(为处理前的95.5%,缩小4.5%)。由此可知,经过超声波处理之后的灰铁液,其凝固后组织中的共晶团数量有所增加,对石墨片的分离程度较好。

  这是空化效应的作用结果,当超声波通过熔体时,产生了许多小空化气泡,在闭合时有很大的作用力产生,瞬时压力能达到几万个大气压,这个巨大的压力能够破坏它附近固体的表面。因此,它能够把刚刚形成的初生石墨破碎成许多小尺寸的碎片,增加了灰铸铁熔体中的核心,提高了形核率,使灰铁中共晶团数量增加。

  2.2石墨形态未经超声波处理的凝固组织中,其初生石墨呈常规典型的粗大块状和长片状,共晶石墨也呈典型的长片状。

  经1500W超声波处理10s后,初生石墨片长度变短,尖端变得圆钝,有类似蠕虫状石墨的外貌特征,另外共晶石墨的长度也变短,呈细丝状分布,且石墨数量明显增加,甚至出现了球形石墨。当超声波处理时间达到15s时,初生石墨变为近球形,圆整度明显增加,尖角减少,然而共晶石墨形态由长直的片状变成大量卷曲的细丝状,尖角倾向增大,这是正常的片状石墨和蠕虫状石墨之间一种过渡态片状石墨。

  发生这种变化的原因主要有:(1)声流效应。

  在超声波探针的端面,由于声波和金属熔体之间粘性力的交互作用,会形成声压梯度,而形成超声波声流,声流能够击碎厚的石墨片,抑制石墨的生长,并可以使石墨细化和均匀化。(2)熔体质点的巨大加速度。在超声波振动的作用下,金属熔体质点的加速度可达到重力加速度的几十万倍甚至几百万倍,这样巨大的加速度会把金属熔体中质点的力学结构破坏。由于金属熔体中析出的石墨强度较低,很容易被这种来自超声波振动所产生的巨大加速度而破碎。

  从可以看出,中所示随着超声波处理时间从10s延长至15s,组织中开始出现大量的卷曲状石墨,这种组织变化可以认为是与超声波的空化效应和声流效应有关。空化效应有利于形成更多的石墨核心,使石墨优先沿着a轴方向生长,同时又由熔体中存在着很强的声流搅拌作用,则使刚刚形成的石墨片发生卷曲,形成示的形态。

  2.3力学性能对试样的冲击韧度和硬度分别进行了测定。

  当超声波处理时间为10s时,两种力学性能均有显着的提高,而当超声波施加时间达到15s时,灰铸铁的冲击韧度和硬度又呈现明显的下降趋势,但还是比未施加超声波时要高。

  超声波处理10s的力学性能表现最好。主要原因有:第一,随着结晶过程中石墨形核能力的提高,石墨细化,石墨片的蜷曲程度也相对减小,这有利于提高铸铁的强度。第二,石墨长度对铸件性能具有重要的影响,因为石墨在铸件中相当于裂纹缺陷,裂纹越长,铸件的性能越差。第三,共晶石墨片长度变短,尖端变得圆钝,这对于提高灰铸铁的性能,特别是强度非常有利。第四,铸铁的强度除了受石墨形态影响外,还与石墨的数量(占体积百分比)有关,如(b)所示。

  另外,中超声波处理15s的力学性能有所下降,这主要是由于施加较长时间的超声波会导致超声热效应,加之在共晶转变中释放出的结晶潜热向周围散出,所以石墨生长速率延缓,热流的方向性对石墨晶体成长的影响不明显,使石墨呈蜷曲状,无一定的方向性;同时,石墨的分枝多而密。片端尖锐的卷曲形石墨对基体的削弱作用大于A型石墨,但由于其中存在近球形石墨,所以,近球形石墨和蜷曲石墨综合作用的结果,使力学性能下降但是又略高于没有施加超声波振动的情况。

  2.4冲击试棒断口扫描由(a)可以看出,未经超声处理的断口呈灰白色,放大1000倍后可以观察到断口上有明显的石墨晶体的自由结晶表面,显示的六方形亚结构特征为块状石墨剥离痕迹,如图中白色点划线方框所示。

  由(b)所示的低倍扫描图像中可以看到其断口大部分呈黑色(即A处,为石墨),白色处为基体,如图中B处所示。对A处石墨进行局部放大,可以看出该石墨为解理块状石墨,表面有类似河流花样状解理阶,解理阶因滑移而近似长条形。

  从(c)的低倍扫描可以看出,断口上的石墨尺寸大小不一,这种石墨片呈卷曲状,有的呈圆筒状,石墨片的端部尖锐。从放大图像可以看出,该情况下石墨仍为解理块状石墨。

  从的断口观察可知,超声波改变了石墨与基体的润湿性。有资料认为:施加超声波可以减小Al2O3球与Wood's合金的接触角,全面增强Al2O3球与Wood's合金的附着作用。尽管灰铸铁中的片状石墨的(0001)基面与铁液之间的接触角θ>90°,但是,可以推知在超声波作用下,在铸铁体系中,石墨与基体金属之间同样具有这种效果,它增强了石墨与基体金属的亲和力,因而在断裂时,沿(0001)基面呈现出解理断口,而非石墨剥离。

  试验中出现的片状石墨尖端钝化及近球形石墨的生成,文献认为与球状石墨形成的"气泡说"有关,该理论认为球状石墨可以在熔液中悬浮的小气泡中结晶而成。另一方面,超声波在灰铁熔液中传播时,会产生空化效应而生成小气泡,在小气泡的内壁石墨结晶析出并沿着气泡内壁生长,最终长大成为球形。这是一个有趣的机理问题,今后尚需对此作进一步的调查。

  3结论

  (1)随着超声波处理时间的延长,灰铁凝固组织中的石墨共晶团得到细化。

  (2)超声波处理可以快速,有效地改变灰铸铁熔液凝固组织中的石墨形态,使石墨由细长弯曲的片状向尖端圆钝及近球形转变。

  (3)适当的超声波处理可以提高灰铸铁的硬度和冲击韧度等力学性能。

  (4)超声波处理可以提高石墨与基体金属的润湿性,增强石墨与基体金属之间的亲和力。


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