超聲熔體處理技術(shù)對6063鋁合金鑄態(tài)組織及性能的影響

孟憲林

摘 要：通過對鋁合金6063進(jìn)行熔體處理后發(fā)現(xiàn)，處理后的鑄件試樣較未進(jìn)行處理的試樣有明顯的晶粒細(xì)化，分布均勻程度提高，合金元素Mg、Si在合金晶粒內(nèi)的析出被抑制，Mg2Si第二相的析出主要集中在晶界位置，力學(xué)性能及硬度均勻不同程度的提高，并且通過試驗(yàn)確定了優(yōu)選的超聲處理介入熔體內(nèi)溫度，為超聲波在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;熔體;超聲處理;晶粒細(xì)化

Abstract： Compared to the sample without ultrasonic treatment， it was found that， for 6063 aluminium melt alloy treated by ultrasonic， the grain refined obviously and distribution uniformly. The precipitation inside the matrix of element Mg and Si was inhibited. The Mg2Si precipitates distributed mainly along the grain boundary. The hardness and mechanical property was improved remarkedly. Moreover， the optimal temperature in the melt was determined by the experiment， which provided the basis for the application of ultrasonic wave in casting production.

Key words：Aluminium alloy; Melting; Ultrasonic treatment; Grain refinement

鋁是最活潑的工業(yè)金屬之一，純鋁的密度是2.71g/cm3，僅為鐵的1/3左右，由于表面上極易形成致密連續(xù)牢固的氧化膜（Al2O3），在許多弱酸與強(qiáng)氧化性介質(zhì)中，有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。根據(jù)添加合金元素及強(qiáng)化相的不同，形成常用的1xxx系至7xxx系鋁合金，廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、機(jī)械、包裝、電氣與電力等行業(yè)[1，2]。

鋁合金晶粒的大小直接影響其力學(xué)性能[3]，細(xì)晶強(qiáng)化可以提高鋁合金的力學(xué)性能和改善鋁合金變形的均勻性[4]。鋁合金細(xì)晶強(qiáng)化的方法有技術(shù)主要有熔體過熱法、變質(zhì)處理法、合金元素添加法和熔體攪拌法等[5-7]。超聲（Ultrasonic）細(xì)化屬于合金熔體攪拌法的一種方式，其原理是利用超聲場在熔體中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)達(dá)到除氣和細(xì)化組織的目的。

合金熔體在凝固過程中進(jìn)行超聲處理會使晶粒變細(xì)，改變其中一些物理機(jī)械性質(zhì)，如延伸率，強(qiáng)度和變形特性等等[8]。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1試驗(yàn)合金

以建筑行業(yè)常用的6063鋁合金為研究對象，分別研究了單純的重力鑄造（無超聲）和超聲鑄造的鑄棒，通過對金相和力學(xué)性能的檢測，定性研究超聲對6063鋁合金鑄棒的影響，具體試驗(yàn)條件如表1所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如下圖1所示，采用井式坩堝爐將鋁合金原料加熱至熔融狀態(tài)，采用沈陽遠(yuǎn)大裝備科技有限公司自主研發(fā)的超聲輔助鑄造設(shè)備，將超聲振動引入到熔融鋁合金熔體當(dāng)中。

在鑄造時，超聲波通過工具頭引入到鋁合金熔體中，此次試驗(yàn)分別針對兩種合金，在不同溫度，進(jìn)行超聲輔助除氣和細(xì)化晶粒處理，對比鋁合金試樣在不同試驗(yàn)條件下的組織和機(jī)械性能。

超聲波輔助鑄造設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器（超聲電源）、超聲波換能器、變幅桿、工具頭、不銹鋼坩堝及電阻爐等組成。

超聲裝置的功率為3kW，工作主頻率為20kHz，并且具有連續(xù)可調(diào)節(jié)、頻率可跟蹤的特點(diǎn)，用于實(shí)驗(yàn)過程中對熔體的超聲處理。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)樣品用水磨金相砂紙打磨至鏡面，表面粗糙度約為Ra0.4，使用硝酸酒精溶液對合金表面進(jìn)行腐蝕，以觀察其金相組織，? 使用蔡司熱場Gemini SEM 300掃描電鏡觀測晶相尺寸及微觀結(jié)構(gòu)成分分析。

2.1金相分析

由圖3可以看出，6063鋁合金在未經(jīng)超聲處理處理?xiàng)l件下，最大晶粒尺寸約120μm，平均晶粒尺寸約為100μm，最小晶粒尺寸為60μm。從金相組織可以看出，未處理試樣在晶體內(nèi)部有一定數(shù)量的孔洞，如圖中方框內(nèi)所示。

由圖4可以看出，6063鋁合金在680℃下，經(jīng)過超聲處理，最大晶粒尺寸約90μm，平均晶粒尺寸約為40μm，最小晶粒尺寸為15μm。從能譜分析可以看出，合金元素Si在晶界處發(fā)生了一定的富集，且析出了明顯的第二相組織。

由圖5可以看出，7075鋁合金在700℃下，經(jīng)過超聲處理，最大晶粒尺寸約50μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為20μm，金屬內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯的元素富集組織。

2.2力學(xué)性能分析

鋁合金鑄錠根據(jù)國標(biāo)要求，加工成如圖6所示試樣，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，將相同鑄造條件鑄錠分為鑄態(tài)和熱處理態(tài)進(jìn)行對比分析，均質(zhì)化時效熱處理制度為550℃×1h+175℃×17h，所得力學(xué)性能對比如下圖7所示。

（NC-未進(jìn)行超聲處理 Y6-在680℃條件下進(jìn)行超聲處理 Y7-在700℃條件下進(jìn)行超聲處理 TS-抗拉強(qiáng)度 YS-屈服強(qiáng)度 TS2-未經(jīng)熱處理試樣的抗拉強(qiáng)度 YS2-未經(jīng)熱處理試樣的屈服強(qiáng)度）

對比圖7中力學(xué)性能可以看出，在相同熱處理狀態(tài)下，經(jīng)超聲處理的鋁合金性能明顯優(yōu)于未熱處理鋁合金，性能提升效果可以達(dá)到22%左右;熱處理過程可以繼承超聲波處理對鋁合金性能的提升效果，而且，超聲波處理對熱處理過程有良性影響，即可以提高熱處理過程對材料性能提升的幅度。

表2顯示了不同處理狀態(tài)試驗(yàn)樣件的硬度值，試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過超聲處理的樣品具有更高的硬度。

2.3 理論分析

將大功率超聲設(shè)備輸出的超聲振動引入到鋁合金熔體過程當(dāng)中，熔體內(nèi)部產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡迅速發(fā)生崩潰，產(chǎn)生高能沖擊波，將結(jié)晶長大的晶粒打碎，抑制了晶粒的長大，被破碎的晶體結(jié)構(gòu)在聲流的攪拌作用下，彌散地分布在熔體里，提高了形核率，所以凝固后的基體晶粒變成細(xì)小、均勻的等軸晶。超聲波的攪拌作用，可以明顯提高溫度和化學(xué)成分的均勻性，抑制柱狀晶的產(chǎn)生，減少偏析現(xiàn)象。

由于超聲波的晶粒細(xì)化作用，晶粒的數(shù)量迅速增加，從而使材料內(nèi)部晶界數(shù)量顯著增加，晶界數(shù)量的增加阻止了位錯運(yùn)動的產(chǎn)生，提升了材料的塑性變形抗力，即增加了材料的硬度。

本次試驗(yàn)過程中，在680℃進(jìn)行超聲處理的試樣性能優(yōu)于在700℃進(jìn)行處理的試樣，這是由于在較低溫度下處理試樣，在澆鑄凝固過程當(dāng)中冷卻形核長大時間更短，更利于細(xì)晶效果保存在鑄態(tài)金屬當(dāng)中。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過超聲處理后的6063鋁合金有效的促進(jìn)了其晶粒細(xì)化程度，抑制了第二相Mg2Si在晶粒內(nèi)的析出，并促進(jìn)其在晶界處的均勻分布。

（2）6063鋁合金經(jīng)過超聲處理后，硬度值和力學(xué)性能均得到了明顯的提高，并且這種增幅可以伴隨熱處理工藝而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超聲波處理所產(chǎn)生的空化效應(yīng)、破碎效應(yīng)和聲流攪拌效應(yīng)，是促進(jìn)合金晶粒細(xì)化和第二相析出的主要原因。

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