超聲波在金屬熔體處理中的優(yōu)勢

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

超聲金屬熔體設(shè)備通過超聲波的作用，可以有效地改善金屬的熔化、混合、分散等過程，使之達到更高的效率。在金屬熔體成形(鑄造)中引入超聲場，伴隨著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，獲得組織和良好性能；在焊接成形過程中施加超聲，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，超聲浸鍍可以實現(xiàn)鋼絲鍍鋅、鍍鋁。

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

一、超聲金屬處理原理

高能超聲具有的聲學效應。在金屬凝固過程中引入超聲振動，凝固組織從粗大的柱狀晶變?yōu)榫鶆蚣毜容S晶，金屬的宏觀及微觀偏析均得到改善。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(jié)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(jié)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，無疑是的一種。熔體在冷卻結(jié)晶的同時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，超聲波作用的時間越長，則超聲波綜合作用強度就越高。也就是說，我們也可通過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間，來控制超聲波作用的效果，找到超聲波作用和實際效果的平衡點。

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

國內(nèi)外眾多的專家學者、生產(chǎn)技術(shù)人員已經(jīng)做過各種研究試驗，證明超聲波在處理金屬熔體過程中的顯著功效。

   二、超聲金屬處理設(shè)備組成

超聲波金屬熔體處理設(shè)備主要由超聲波驅(qū)動電源和超聲波振動設(shè)備兩部分組成，并通過專用電纜連接。

超聲波驅(qū)動電源起著將50Hz-60Hz的市電（交流220V）轉(zhuǎn)化為高功率、高頻率的電信號并輸出給超聲波振動部件的作用。超聲波振動設(shè)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，并向工藝對象中發(fā)射此振動能量。換能器在縱向做來回伸縮運動，從而將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機械能（即超聲波），變幅桿依據(jù)設(shè)計需求來放大振幅，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超聲波振動系統(tǒng)的作用。變幅桿與工具頭相連，變幅桿將從換能器傳遞過來的超聲波振動能量傳遞給工具頭，最后通過工具頭將超聲波振動能量發(fā)射到工藝對象中。

圖1 金屬處理設(shè)備發(fā)射頭參考結(jié)構(gòu)圖

圖中所示的是超聲波金屬熔體處理器的典型結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)備的不同要求，超聲波處理器的結(jié)構(gòu)形式和尺寸可以作相應的變動。

    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才會使上浮更加容易。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，超聲彈性振動在幾分鐘內(nèi)可以使合金*除氣。超聲波振動導入熔融金屬中時，發(fā)現(xiàn)有空化現(xiàn)象產(chǎn)生，這是由于液相的連續(xù)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。超聲波的彈性振動促使氣泡核心的產(chǎn)生，并使它不斷長大，直至長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(shè)備可以作用于結(jié)晶器，以改善鑄坯的表面質(zhì)量。超聲波對結(jié)晶器的振動可用于小方坯、大方坯和板坯，用超聲波振動時不用負滑動。在澆鑄小方坯和大方坯時，對結(jié)晶器施加超聲振動后可以得到很平滑的鑄坯表面。

細化晶粒

超聲振動凝固法生產(chǎn)鑄件時，超聲波在傳播時會產(chǎn)生正負交變的聲壓，形成射流，同時由于非線性效應會產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會產(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。除振動引起的機械作用破壞枝晶外，超聲振動凝固的另一重要作用是提高了金屬液的有效過冷度，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

鋁硅合金的連鑄過程中，進行超聲處理可以細化鑄坯的晶粒，進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發(fā)動機活塞上。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(shè)備技術(shù)參數(shù)指標

  五、超聲金屬熔體產(chǎn)品特點

• 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。

• 安裝簡便：通過標準法蘭盤對接安裝，無需改變客戶現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)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、電動機轉(zhuǎn)子等結(jié)晶除氣

4.      各種金屬基復合材料、高強度鋁合金活塞鑄造