超聲波在金屬熔體處理中的優(yōu)勢

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲金屬熔體設備已經(jīng)被廣泛用于現代工業(yè)中。它是一種利用超聲空化現象產(chǎn)生的高溫高壓氣泡，在熔體中加速物理化學(xué)反應，從而達到高效能的新型熔體處理設備。　

超聲金屬熔體設備通過(guò)超聲波的作用，可以有效地改善金屬的熔化、混合、分散等過(guò)程，使之達到更高的效率。在金屬熔體成形(鑄造)中引入超聲場(chǎng)，伴隨著(zhù)聲空化和聲流等多種作用和相關(guān)反應，使得晶粒細化、組織均勻化、除氣除雜，獲得最佳組織和良好性能；在焊接成形過(guò)程中施加超聲，可以細化焊縫金屬晶粒，去除焊縫氣孔，強化焊縫，減弱殘余應力。

液態(tài)金屬在超聲作用下，能滲入顆粒預制件中或與顆粒均勻混合，超聲浸鍍可以實(shí)現鋼絲鍍鋅、鍍鋁。

該設備分為垂直式和組合式兩種形式，其中組合式設備具有時(shí)間控制、溫度控制、溫度報警等功能，操作簡(jiǎn)單。

一、超聲金屬處理原理

高能超聲具有獨特的聲學(xué)效應。在金屬凝固過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，凝固組織從粗大的柱狀晶變?yōu)榫鶆蚣毜容S晶，金屬的宏觀(guān)及微觀(guān)偏析均得到改善。普遍認為，高能超聲波在超聲波處理、超聲波金屬處理、超聲波晶粒細化、超聲波金屬凝固、超聲波熔體消泡、超聲波結晶、超聲波聲空化、超聲波鑄造、超聲波凝固組織、超聲波金屬連鑄等方面都有用武之地。

超聲波對金屬熔體的氣泡消除也很有效，在超聲波的作用下氣泡的排出速度大大加快，能顯著(zhù)提高金屬的品質(zhì)。

被處理熔體盛在特定的容器中，如坩堝、熔煉爐、結晶爐，把超聲波能量發(fā)射到金屬熔體中有許多種方法。這其中，將超聲波工具頭插入熔體中，直接向熔融金屬液體發(fā)射超聲波，無(wú)疑是最有效的一種。熔體在冷卻結晶的同時(shí)也被強烈的超聲波作用，材料特性隨之發(fā)生改變。對特定熔體而言，熔體量越少，超聲波發(fā)生器的輸出功率越大，超聲波作用的時(shí)間越長(cháng)，則超聲波綜合作用強度就越高。也就是說(shuō)，我們也可通過(guò)控制金屬熔體量的多少、超聲波發(fā)生器輸出功率的大小、以及超聲波作用的時(shí)間，來(lái)控制超聲波作用的效果，找到超聲波作用和實(shí)際效果的最佳平衡點(diǎn)。

在需要特別大的超聲波功率的情況下，可以將多個(gè)超聲波單元組合使用，使超聲波功率得到成倍增加。

國內外眾多的專(zhuān)家學(xué)者、生產(chǎn)技術(shù)人員已經(jīng)做過(guò)各種研究試驗，證明超聲波在處理金屬熔體過(guò)程中的顯著(zhù)功效。

   二、超聲金屬處理設備組成

超聲波金屬熔體處理設備主要由超聲波驅動(dòng)電源和超聲波振動(dòng)設備兩部分組成，并通過(guò)專(zhuān)用電纜連接。

超聲波驅動(dòng)電源起著(zhù)將50Hz-60Hz的市電（交流220V）轉化為高功率、高頻率的電信號并輸出給超聲波振動(dòng)部件的作用。超聲波振動(dòng)設備主要包括大功率超聲波換能器、變幅桿、焊接法蘭、工具頭，用于產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，并向工藝對象中發(fā)射此振動(dòng)能量。換能器在縱向做來(lái)回伸縮運動(dòng)，從而將輸入的電能轉換成機械能（即超聲波），變幅桿依據設計需求來(lái)放大振幅，隔離反應溶液和換能器，一般情況下，變幅桿與發(fā)射頭之間連接有焊接法蘭，焊接法蘭起到固定整個(gè)超聲波振動(dòng)系統的作用。變幅桿與工具頭相連，變幅桿將從換能器傳遞過(guò)來(lái)的超聲波振動(dòng)能量傳遞給工具頭，最后通過(guò)工具頭將超聲波振動(dòng)能量發(fā)射到工藝對象中。

圖1 金屬處理設備發(fā)射頭參考結構圖

圖中所示的是超聲波金屬熔體處理器的典型結構。根據實(shí)際生產(chǎn)設備的不同要求，超聲波處理器的結構形式和尺寸可以作相應的變動(dòng)。

    三、超聲金屬熔體主要作用

去除雜質(zhì)

鋼液中微小的夾雜物上浮是非常困難的，只有當它們聚集起來(lái)才會(huì )使上浮更加容易。使用超聲波金屬熔體在溶液中加入超聲波，超聲波駐波可以使溶液中夾雜物 粉末成功分層、集聚。

超聲波除氣

超聲波對熔融金屬中排除氣體的作用很大，超聲彈性振動(dòng)在幾分鐘內可以使合金*除氣。超聲波振動(dòng)導入熔融金屬中時(shí)，發(fā)現有空化現象產(chǎn)生，這是由于液相的連續性受到破裂后而產(chǎn)生了空洞，于是溶解在液態(tài)金屬中的氣體便向其中集中。超聲波的彈性振動(dòng)促使氣泡核心的產(chǎn)生，并使它不斷長(cháng)大，直至長(cháng)大到能順利地從熔融金屬中排出的尺寸。

超聲波輔助靜態(tài)鑄造

提升鑄坯質(zhì)量

超聲波金屬溶體設備可以作用于結晶器，以改善鑄坯的表面質(zhì)量。超聲波對結晶器的振動(dòng)可用于小方坯、大方坯和板坯，用超聲波振動(dòng)時(shí)不用負滑動(dòng)。在澆鑄小方坯和大方坯時(shí)，對結晶器施加超聲振動(dòng)后可以得到很平滑的鑄坯表面。

細化晶粒

超聲振動(dòng)凝固法生產(chǎn)鑄件時(shí)，超聲波在傳播時(shí)會(huì )產(chǎn)生正負交變的聲壓，形成射流，同時(shí)由于非線(xiàn)性效應會(huì )產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會(huì )產(chǎn)生高速的微射流。超聲波液體中的空化效應，能夠削斷破壞枝晶，沖擊凝固前沿，增加攪拌擴散作用，可達到凈化組織、細化晶粒，使組織均勻化等作用。除振動(dòng)引起的機械作用破壞枝晶外，超聲振動(dòng)凝固的另一重要作用是提高了金屬液的有效過(guò)冷度，減小了臨界晶核半徑，從而增加了形核率，細化了晶粒。

使用超聲波對鋁溶液晶粒細化

鋁硅合金的連鑄過(guò)程中，進(jìn)行超聲處理可以細化鑄坯的晶粒，進(jìn)而改善這些合金的塑性和延展性，使其更好地應用到建材和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機活塞上。對鋁合金液施加超聲波，可避免氧化夾雜的生成，可使其顯微組織明顯細化。

    四、設備技術(shù)參數指標

  五、超聲金屬熔體產(chǎn)品特點(diǎn)

• 耐高溫：高承受溫度1300℃。

• 耐腐蝕：使用高強度鈦合金工具頭。

• 微分子間作用，效果直接、明顯。

• 安裝簡(jiǎn)便：通過(guò)標準法蘭盤(pán)對接安裝，無(wú)需改變客戶(hù)現有的生產(chǎn)設備和工藝流程

   六、超聲金屬熔體應用領(lǐng)域

1.      高強度鋁合金、鎂合金鑄造

2.      鋁、鎂合金棒料、板料生產(chǎn)

3.      各種合金材料、電動(dòng)機轉子等結晶除氣

4.      各種金屬基復合材料、高強度鋁合金活塞鑄造