超聲振動(dòng)對(duì)5356鋁合金組織及力學(xué)性能的影響研究

袁亦凱

摘 要：本文研究了超聲振動(dòng)對(duì)5356鋁合金組織以及力學(xué)性能的影響，在實(shí)際操作中，改變了變幅桿的實(shí)際插入深度，通過先進(jìn)的超聲處理技術(shù)研制出了5356鋁合金，對(duì)鋁合金的斷口形態(tài)以及細(xì)小的鋁合金組織進(jìn)行詳細(xì)的觀察，結(jié)合5356鋁合金自身的密度以及力學(xué)性能分析出超聲振動(dòng)對(duì)5356鋁合金組織以及力學(xué)性能的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：沒有經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定涵蓋了許多的樹枝晶，同時(shí)也有許多的雜質(zhì)，主要指的是氧化物，經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金包含的晶粒體分布相對(duì)均勻，組織中的氧化物雜質(zhì)含量較少。如果鋁合金熔體的表面溫度為720℃，經(jīng)過測(cè)定，超聲的處理時(shí)間為2到5分鐘，插入深度為30毫米，鋁合金的抗拉強(qiáng)度最高，力學(xué)性能處于最佳狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)，經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金試樣與沒有經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金試樣進(jìn)行比較，前者無論是伸長(zhǎng)率還是鋁合金自身的密度都有了很大程度上的提高。本文重點(diǎn)論述了超聲振動(dòng)對(duì)5356鋁合金組織及力學(xué)性能的影響。

關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng);5356鋁合金組織;力學(xué)性能

5356鋁合金憑借質(zhì)量輕便、抗拉強(qiáng)度高以及耐酸性的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)的汽車生產(chǎn)制造、兵工制造、航空航天等工業(yè)品制造領(lǐng)域得到了使用。大多數(shù)鋁合金材料是5356鋁合金，也會(huì)經(jīng)過特殊的拉拔制造工藝將5356鋁合金進(jìn)行深入的加工，將大塊的5356鋁合金材料加工成細(xì)絲，對(duì)5356鋁合金對(duì)質(zhì)量的監(jiān)管要求特別嚴(yán)格，此外，鋁合金材料自身的構(gòu)成組織、晶粒體以及氧化物雜質(zhì)的含量直接影響了5356鋁合金的質(zhì)量。在5356鋁合金的研究實(shí)驗(yàn)中，可以通過鋁合金的凈化處理來提升5356鋁合金的質(zhì)量，然而，依然是存在一些質(zhì)量問題。假設(shè)熔煉鋁合金過程中使用過濾等生產(chǎn)工友去除鋁合金當(dāng)中的氧化物雜質(zhì)，往往會(huì)產(chǎn)生一些有害其他導(dǎo)致空氣污染等。當(dāng)前階段，人們關(guān)注的重點(diǎn)為新型的熔體處理技術(shù)，指的是超聲處理金屬熔體技術(shù)，通過超聲處理5356鋁合金的熔體可以研究分析超聲處理對(duì)于鋁合金熔體細(xì)化的影響，并且得出超聲處理5356鋁合金的最優(yōu)設(shè)置參數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 合金成分

535鋁合金是依照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行配料的，Mg、Ti元素取上限，按照8%計(jì)算Mg元素的燒損量，其他控制元素取中間值。試驗(yàn)的原料主要是采取純鋁（99.97%）、純鎂（99.99%）、純鈦粉、Mn、Cr元素的添加選用AL-10Mn、AL-10Gr中間合金，細(xì)化劑選取AL-5Ti-1B中間合金。

1.2 合金熔煉

試驗(yàn)用電阻爐，在石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行熔煉，爐內(nèi)溫度是850±10℃熔煉純鋁，熔體溫度上升到850℃左右時(shí)，將覆蓋劑撒到溶體表面。其一，覆蓋劑可以避免溶體吸氣以及表面被氧化，同時(shí)還可以有效吸附溶體表面的氧化物夾雜。在爐溫上升以后靜置10分鐘左右再進(jìn)行攪拌，900℃的時(shí)候添加鋁箔紙包裝好的純鈦粉，900℃以上靜置15分鐘左右，等到溫度下降到740℃以后，添加中間合金，720℃的情況下添加純鎂，等待五分鐘或者是十分鐘以后，加入細(xì)化劑，靜置五分鐘。然后使用陶瓷泡沫網(wǎng)過濾溶體，澆鑄溫度是720℃，金屬模具溫度是200℃。模具是依照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)形成的，其中單鑄毛坯試樣是獲取的金屬試樣。

當(dāng)前階段，超聲處理頻率是20kHz，功率是1kW，為了避免振動(dòng)期間高溫鋁熔體粘附在變幅桿中，在處理的前期階段中，需要做好變幅桿的涂料涂抹工作，提前進(jìn)行預(yù)處理，在溶體表面中心將變幅桿插進(jìn)去，實(shí)施溶體等溫超聲處理，靜置坩堝，使溶體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到澆鑄溫度。在超聲波處理期間，一旦溶體溫度是720℃以后，可以適當(dāng)?shù)母淖兎鶙U插入深度，控制好超聲波處理時(shí)間，加強(qiáng)熔體超聲處理力度。

在澆鑄試樣內(nèi)，需要截取長(zhǎng)度是15mm以及直徑為18mm的圓柱試樣，經(jīng)過研磨和拋光以后，使用4XC類型的光學(xué)金相顯微鏡來分析以及調(diào)查顯微組織，使用WDW-100D型號(hào)的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)鑄試樣的力學(xué)性能，其中，將拉伸速度控制為0.5mm/min，在顯微硬度儀中測(cè)試硬度，載荷為0.98N，使用比重瓶檢測(cè)合金的實(shí)際密度，利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)拉伸試樣的斷口情況，確保X射線熒光儀測(cè)試獲取的試樣成分都處于標(biāo)準(zhǔn)范圍中。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 分析鋁合金組織中的金相組織

圖a展示的是沒有經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金組織圖，在圖b中展示的是5356鋁合金熔體的溫度已經(jīng)到達(dá)了720℃，5356鋁合金組織圖。實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)5356鋁合金金屬熔體的熔煉過程以及熔煉的手藝相同，僅僅是確保超聲處理方式區(qū)別。在以下的兩個(gè)圖片當(dāng)中，A為樹枝晶體，而B為鋁合金組織中的雜質(zhì)，C為組織中的氧化物。經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出，在圖a中，由于沒有經(jīng)過超聲處理，因此5356鋁合金組織中含有許多的樹枝晶體，同時(shí)存有許多的雜質(zhì)，通過觀察，樹枝晶的形狀為長(zhǎng)條狀態(tài)。在圖b當(dāng)中，通過觀察，發(fā)現(xiàn)其中所包含的樹枝晶體相對(duì)較少，氧化雜質(zhì)的含量也偏低，鋁合金組織中的樹晶體排布相對(duì)均勻，呈現(xiàn)出短條狀態(tài)。通過比較兩者樹晶體的尺寸發(fā)現(xiàn)，兩者的尺寸差距變化不明顯，經(jīng)過超聲處理以后，晶體的尺寸有一些增大。

超聲超聲振動(dòng)加入5356鋁合金熔體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)以后，在鋁合金熔體的表面出現(xiàn)許多的氣泡，稱之為空化泡。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，如果在液體中傳播超聲波，往往會(huì)因?yàn)橐后w聲音場(chǎng)的作用受其影響，在超聲波的作用下，形成大量的空化泡出現(xiàn)臨時(shí)的高壓區(qū)，空化泡破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊對(duì)5356鋁合金組織中的樹晶體產(chǎn)生影響，改變?cè)鹊木w排布。依據(jù)空化泡浮游的基本原理，在進(jìn)行上升時(shí)，氣泡中會(huì)摻雜鋁合金熔體中的氣體，在空化泡表面帶有其他的雜質(zhì)，伴隨著空化泡到鋁合金熔體，可以去除鋁合金熔體中的雜質(zhì)。

2.2 鋁合金組織的力學(xué)性能

2.2.1 變幅桿的插入深度對(duì)于鋁合金力學(xué)性能的影響

5356鋁合金熔體超聲處理以后，變幅桿的插入深度增加，鋁合金自身的抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率都會(huì)發(fā)生很大的變化。其中需要注意的是，當(dāng)溫度在700℃以上的時(shí)候，氣體的去除效果非常好，隨著變幅桿深度的變化空化氣泡增多，氣泡擴(kuò)散，在進(jìn)行上浮中則會(huì)將氣體以及雜質(zhì)去除，5356鋁合金的力學(xué)性能發(fā)生變化。

2.2.2 超聲處理的時(shí)間對(duì)于力學(xué)性能造成的影響

影響鋁合金組織力學(xué)性能的因素包含了超聲處理的時(shí)間，可以改變超聲處理鋁合金熔體的時(shí)間，通過這種方式研究超聲處理時(shí)間對(duì)于鋁合力學(xué)性能的影響，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在超聲處理時(shí)間為2分鐘時(shí)，鋁合金組織的密度較小，在超聲處理到5分鐘時(shí)，硬度達(dá)到峰值。5356鋁合金經(jīng)過超聲處理后，自身的抗拉強(qiáng)度發(fā)生很大的改變，隨著超聲處理時(shí)間的增長(zhǎng)，鋁合金的伸長(zhǎng)率變化，所以超聲處理的時(shí)間在2分鐘時(shí)，5356鋁合金的力學(xué)性能處于最佳狀態(tài)。

3 結(jié)語

5356鋁合金經(jīng)過熔煉澆筑處理以后，在鋁合金組織內(nèi)往往也會(huì)村早許多的分布不合理的樹枝晶，同時(shí)存在大量的氧化物雜質(zhì)，將5356鋁合金組織經(jīng)過超聲處理，可以看出5356鋁合金組織中的晶體呈現(xiàn)出均勻分布的情況，包含的氧化物雜質(zhì)逐漸變少，5356鋁合金熔體經(jīng)過超聲處理以后，變桿的插入深度發(fā)生了改變，這些情況都會(huì)直接影響5356鋁合金的力學(xué)性能。5356鋁合金熔體的表面溫度已經(jīng)達(dá)到了720℃時(shí)時(shí)，5356鋁合金的力學(xué)性能最佳，經(jīng)過測(cè)定超聲的處理時(shí)間在2分鐘，變幅桿的插入深度為30毫米，鋁合金自身的抗拉強(qiáng)度最大，與未經(jīng)過超聲處理的5356鋁合金進(jìn)行比較，5356鋁合金的伸長(zhǎng)率、鋁合金的密度、維氏硬度都得到了很大的提高。

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