專利名稱：用于金屬及合金凝固的高聲強超聲處理裝置及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高聲強超聲處理裝置及其處理方法，尤其涉及在金 屬及合金凝固時可實現(xiàn)晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化的高聲強超聲處理 裝置及其處理方法。
背景技術(shù)：
在金屬及合金凝固時，如何有效地實現(xiàn)晶粒的不斷細(xì)化、除氣更徹 底且成分更均勻， 一直是人們研究的熱點課題。這是因為，對于各種金 屬及合金的凝固而言，盡管分別有各自適用的晶粒細(xì)化劑及各自的除氣 方法和成分均勻化方法，但是仍然不同程度地存在細(xì)化效果不夠理想、 除氣不徹底、成分不均勻等問題。
例如，對鋁及鋁合金而言，盡管目前有像鋁鈦硼這樣的商用中間合 金晶粒細(xì)化劑，但至少還存在如下兩方面的問題， 一是這些中間合金晶 粒細(xì)化劑不能用于高純鋁的晶粒細(xì)化，二是這些中間合金晶粒細(xì)化劑不 能完全有效地抑制一些合金的凝固偏析。
再如，對鎂及鎂合金而言，人們一直沒有找到一種效果顯著又沒有 各種局限性的中間合金來適應(yīng)各種凝固晶粒的細(xì)化要求。例如，有些鎂 合金凝固晶粒細(xì)化時對成分有嚴(yán)格的要求，因而使一些中間合金晶粒細(xì)
化劑的應(yīng)用受到限制(如含鈣或鍶的鎂鋁系合金)；有些鎂合金(如鎂 錳系合金)本來就不能使用或沒有中間合金來細(xì)化凝固晶粒；有些鎂合 金(如鎂鋅系合金)，雖然存在有效的中間合金細(xì)化方法，但成本較高。
因此，尋求使用中間合金晶粒細(xì)化劑以外的方法來有效或顯著地細(xì) 化全屬及合金的凝固晶粒，就顯得尤為迫切與重要。
同樣，對這些合金的除氣或成分均勻化問題而言，也有必要尋求傳
統(tǒng):技術(shù)以外的手段加以 一并解決。
在現(xiàn)有技術(shù)中，針對上述問題，國內(nèi)外采取的主要對策是運用物理 場來細(xì)化凝固晶粒和均勻化成分。這里的物理場主要是指電場、磁場和超聲場。但是電、磁場細(xì)化法投資相對較大，操作復(fù)雜，靈活性欠佳， 效果有限。另外，在熔體中的作用面積或范圍也有相對局限性。超聲場 作為一種新型的物理手段，可以細(xì)化金屬及合金的凝固晶粒，進行除氣 及均勻化合金成分，但是利用這種技術(shù)對金屬及合金進行處理的研究還 不十分發(fā)達(dá)。究其原因，主要是由于工業(yè)生產(chǎn)實際中長時間的連續(xù)凝固 模式與實驗室里的短時間凝固模式有較大差別。當(dāng)超聲耦合頭長時間處 于高溫熔體中時，其共振頻率會發(fā)生顯箸的漂移，進而導(dǎo)致阻抗與頻率 不匹配，最后使得超聲處理效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種在金屬 及合金凝固時可實現(xiàn)晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化的高聲強超聲處理裝 置及其處理方法。
本發(fā)明提供的 一種高聲強超聲處理裝置，用于金屬及合金凝固時的 晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化，其包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿 和耦合頭，其中，所述超聲波發(fā)生器包括頻率鎖相跟蹤模塊，對所述超 聲波發(fā)生器的工作頻率自動進行跟蹤、檢測及調(diào)節(jié)匹配頻率。
本發(fā)明提供的一種高聲強超聲處理方法，利用上述的高聲強超聲處 理裝置對金屬及合金進行凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化，其中，
所述超聲波發(fā)生器的有效輸出功率為iooow以下。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成，通過采用頻率鎖相跟蹤模塊，解決了頻率下降 漂移問題，即使在不同的高溫熔體中，也能獲得與在額定頻率處開機時 相同的超聲效果，從而實現(xiàn)金屬及合金凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分 均勻化。


圖1是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置處理凝固熔體時 的工作狀態(tài)的示意圖。
圖2a、 2b是表示在本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置中使用的直線 型耦合頭和彎曲型耦合頭的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3是表示在本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置中使用的具有水冷或氣冷結(jié)構(gòu)的耦合頭的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4a、 4b是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置對A356合 金進行細(xì)化處理前和處理后的合金凝固晶粒大小的顯微對比圖。
圖5a、 5b是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置對AZ31合 金進行細(xì)化處理前和處理后的合金凝固晶粒大小的顯微對比圖。
圖6a 6f是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置對幾種鋁合 金進行除氣處理前(圖6a、 6c、 6d)和處理后(圖6b、 6d、 6f)的合金 宏觀形貌對比圖。
圖7a 7d是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置對Al-14Si 合金進行均勻化處理前(圖7a、 7c)和處理后(圖7b、 7d)的合金顯微 纟且織對比圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的較佳實施方式。
圖1是表示利用本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置處理凝固熔體時 的工作狀態(tài)的示意圖。如該圖所示，高聲強超聲處理裝置主要包括超聲 波發(fā)生器l、換能器2、變幅桿4和耦合頭5。此外，還具有用于供給冷 卻水的冷卻水出入口 3,在容器6中裝有金屬及合金熔體7，通過插入在 熔體7中的熱電偶8可以測量作為處理對象的熔體的溫度。該容器6被 設(shè)置在容器支承構(gòu)件10上，并且支架9用于支承高聲強超聲處理裝置。
以往的超聲波發(fā)生器只能在常溫下及一個額定頻率處獲得最佳的超 聲效果，但在高溫熔體中由于溫度升高、聲阻增大并導(dǎo)致頻率發(fā)生大幅 度下降漂移時，此時就不能獲得理想的處理效果。因此，在本發(fā)明的超 聲波發(fā)生器l中采用了頻率鎖相跟蹤技術(shù)，保證了高頻發(fā)生器與換能器 的高頻共振。作為超聲波發(fā)生器中使用的鎖相技術(shù)，例如可以采用利用 相位差反饋實現(xiàn)鎖相的技術(shù)、或者利用電流反饋實現(xiàn)鎖相的技術(shù)等。
本發(fā)明通過采用對超聲波發(fā)生器1的工作頻率自動進行檢測、跟蹤 及調(diào)節(jié)匹配頻率的電路，解決了頻率下降漂移問題后，即使在不同的高 溫熔體中，當(dāng)頻率在很寬的范圍內(nèi)漂移(如從設(shè)計的額定頻率20 kHz 漂移到15kHz)時，也能通過頻率跟蹤電路進行調(diào)節(jié)，并且與耦合頭5 在熔體7中的實際阻抗相匹配，從而獲得與在額定頻率處開;t幾時相同的超聲效果。
再者，以往的超聲波發(fā)生器一般設(shè)計成連續(xù)工作，但本發(fā)明中的超 聲波發(fā)生器1則根據(jù)熔體溫度的不同和晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化的 難易，而設(shè)計為連續(xù)與間斷工作兩種模式。以往的換能器往往轉(zhuǎn)換效率 不高，雖然設(shè)計的額定功率很大，但實際轉(zhuǎn)換效率較低。再者，設(shè)計功 率過大也非常不利于換能器的壽命。
本發(fā)明中采用的的換能器，經(jīng)過力學(xué)計算優(yōu)化了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可獲得 接近理想值的轉(zhuǎn)換效率，因此，當(dāng)在工業(yè)規(guī)模下使用時，超聲波發(fā)生器
的有效輸出功率僅1000W以下即可滿足要求。
對于在本發(fā)明的高聲強超聲處理裝置中的變幅桿4而言，通常采用 實心結(jié)構(gòu)。但在本實施方式中，根據(jù)處理的熔體不同，變幅桿4既可采 用以往的實心結(jié)構(gòu)，也可以采用空心結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)時，其中 可以通入水或壓縮氣體進行冷卻，用來降低變幅桿4的溫度及聲阻效應(yīng)。
如圖2a所示，在超聲波裝置中使用的耦合頭一般設(shè)計為直桿狀，這 有利于加工及節(jié)約材料成本。但在本發(fā)明的高聲強超聲處理裝置中使用 的耦合頭5，可以根據(jù)結(jié)晶器或鑄軋輥的具體情況而設(shè)計為直桿狀或彎 曲狀(包含彎折狀)。圖2b示出了一種彎曲型耦合頭5，該耦合頭5的 下部朝某一方向彎曲而形成下部彎曲部，從而使整個耦合頭形成彎曲型 耦合頭。在該彎曲型耦合頭5中，上部的鉛直部分的中心軸線與下部彎 曲部的中心軸線所成的夾角(即彎曲角)可以是在5。 60。的范圍中適當(dāng) 選取，較佳的是5°~45°的范圍。通過采用如上所述的彎曲型耦合頭5, 能夠進一步發(fā)揮本發(fā)明的高聲強超聲處理裝置的聲流效應(yīng)(即在超聲場
中形成宏觀和微觀上穩(wěn)定均勻的液體流動)，能夠防止進行超聲波處理 時出現(xiàn)的超聲"死角"。
圖3是表示在本發(fā)明涉及的高聲強超聲處理裝置中使用的具有水冷 或氣冷結(jié)構(gòu)的耦合頭5的結(jié)構(gòu)示意圖。以往的耦合頭一般是實心結(jié)構(gòu)， 但本發(fā)明中使用的耦合頭5可根據(jù)處理的熔體不同而設(shè)計為中空結(jié)構(gòu)， 復(fù)雜形狀的金屬中空結(jié)構(gòu)可通過電子束技術(shù)加工，其中流過冷卻水或冷 卻氣體，進行水冷或氣冷，降低耦合頭5的溫度，從而降低其聲阻。例 如，對于鋁及鋁合金熔體，耦合頭可設(shè)計為空心的水冷或氣冷結(jié)構(gòu)。此 外，本發(fā)明中的耦合頭5的材料，可根據(jù)不同熔體情況選用鈦合金、鈮合金、氮化硅、金屬陶瓷等材質(zhì)中的一種。
為了盡量減少耦合頭5在熔體中的數(shù)量，以利于在實際生產(chǎn)中進行 操作，本發(fā)明將根據(jù)金屬及合金鑄錠或鑄坯尺寸設(shè)計耦合頭數(shù)量及尺寸，
但即使對于目前工業(yè)上尺寸較大的半連鑄坯料(如直徑為1200mm的圓 錠、1200mmx400mm的扁錠)，耦合頭數(shù)量也僅需要3 4個即可。
當(dāng)在工業(yè)生產(chǎn)實際中使用時，只要將耦合頭直接插入金屬及合金熔 體以下一定深度并打開超聲波發(fā)生器及水冷或氣冷系統(tǒng)即可。耦合頭的 具體插入位置及深度要根據(jù)半連鑄時實際結(jié)晶器大小或連續(xù)鑄軋時的容 器(例如前箱)位置及大小而確定，但須保證超聲波能輻射到正在凝固 的固液界面上。
在利用本發(fā)明中記載的高聲強超聲處理裝置對金屬及合金的凝固過 程進行處理時，還可以同時利用例如中間合金晶粒細(xì)化法。這樣，當(dāng)疊 加使用這兩種不同的方法時，能進一步加強凝固晶粒的細(xì)化效果。這是 因為在本發(fā)明的高聲強超聲處理裝置所產(chǎn)生的高聲強超聲場作用下，通 過中間合金晶粒細(xì)化劑加入到熔體中的異質(zhì)核心，獲得了更多的形核機 會。
作為利用上述高聲強超聲處理裝置對金屬及合金的凝固過程進行處 理的高聲強超聲處理方法，可以有如下具體實施例。
(實施例1)當(dāng)直接用于金屬及合金熔體砂型凝固情形時，彎曲的 耦合頭5直接插在澆冒口處， 一個澆冒口處安置一個耦合頭5,耦合頭 內(nèi)部為實心結(jié)構(gòu)即可，如附圖l所示，此時容器1所在的位置相當(dāng)于砂型。
(實施例2)當(dāng)直接用于金屬及合金熔體半連鑄時，其耦合頭數(shù)量 依結(jié)晶器尺寸不同而不同；當(dāng)為圓形結(jié)晶器且直徑小于300mm時，可用 一個耦合頭；當(dāng)直徑大于300mm、 ^f旦小于1200mm時，用2~4個耦合頭 即可，耦合頭可在橫斷面上均勻分布；如直徑再增大，可依實際情況適 當(dāng)增加耦合頭數(shù)量；當(dāng)為金屬及合金方錠或扁錠時，若橫截面長度方向 尺寸在300 500mm之間時，選用彎曲的耦合頭。
(實施例3)當(dāng)直接用于金屬及合金連續(xù)鑄軋時，其耦合頭數(shù)量可 依前箱尺寸及軋輥尺寸而定， 一般在前箱中設(shè)置1~3個彎曲的耦合頭。
(實施例4)當(dāng)直接用于鋁及鋁合金熔體半連鑄時，耦合頭5可選用鈮合金或氮化硅材質(zhì)，其形狀可為直桿狀，也可為彎曲狀(彎曲角從
5°~60°的范圍中適當(dāng)選取，較佳的是5° 45°的范圍)；其內(nèi)部可為實心 結(jié)構(gòu)，也可為空心結(jié)構(gòu)；頭部可以是平的，也可以是圓的。
(實施例5)當(dāng)直接用于鎂及鎂合金半連鑄時，耦合頭5可選用鈦 合金、鈮合金或氮化硅中的一種材質(zhì)，其形狀可以是直桿狀，也可以是 彎曲狀，頭部可為平的，也可為圓的，但內(nèi)部僅為實心結(jié)構(gòu)。
(實施例6 )當(dāng)直接用于鋁及鋁合金連續(xù)鑄軋時，耦合頭5可選用 鈮合金或氮化硅材質(zhì)，其形狀可為直桿狀，也可為彎曲狀(彎曲角從 5°~60°的范圍中適當(dāng)選取，較佳的是5。 45。的范圍)，內(nèi)部可為實心的， 也可為空心的。
(實施例7)當(dāng)直接用于鎂及鎂合金連續(xù)鑄軋時，耦合頭5可選用 鈦合金、鈮合金或氮化硅材質(zhì)，其形狀可為直桿狀，也可為彎曲型(彎 曲角從5。 60。的范圍中適當(dāng)選取，較佳的是5。 45。的范圍)，但內(nèi)部僅 為實心結(jié)構(gòu)。
(實施例8)當(dāng)用于鋼鐵熔體時，所述耦合頭的材質(zhì)為金屬陶f:， 但內(nèi)部^f又為實心結(jié)構(gòu)。
(實施例9)當(dāng)直接用于其它金屬及合金熔體(如銅合金、鋅合金、 鐵合金等)時，可參考上述的各個實施例進行。
將本發(fā)明的高聲強超聲處理裝置直接用于鋁及鋁合金晶粒細(xì)化時， 其效果如圖4a、 4b所示；當(dāng)直接用于鎂及鎂合金晶粒細(xì)化時，其效果如 附圖5a、 5b所示；當(dāng)直接用于除去鋁與鋁合金熔體中的氣體時，其效果 如附圖6a 6f所示；當(dāng)直接用于均勻化鋁合金成分、減少偏析時，其效 果如附圖7a 7d所示。從以上各圖中可以看到，采用本發(fā)明的高聲強超 聲處理裝置之后，晶粒細(xì)化效果、除氣效果及均勾化效果非常明顯。其 中，如圖7a 7d所示，在利用本發(fā)明進行處理前(圖7-a、 7c),在鑄錠 的上下部位初生Si相發(fā)生了嚴(yán)重的凝固偏析，利用本發(fā)明進行處理后 (圖7-b、 7d)，鑄錠上下部位初生Si相未發(fā)生凝固偏析。
雖然上面針對高聲強超聲處理裝置及處理方法描述了本發(fā)明的原理 以及具體實施方式
，但是，在本發(fā)明的上述引導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以在上述實施例的基礎(chǔ)上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，上面的具體描述只 是為了解釋本發(fā)明的目的，并非用于限制本發(fā)明。因此，本發(fā)明的思想
并不限定于以上說明的實施例，本發(fā)明的思想范疇不僅包括權(quán)利要求書 記載的范圍，還包括與權(quán)利要求等同或者等價的變形。
權(quán)利要求
1. 一種高聲強超聲處理裝置，用于金屬及合金凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化，其包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和耦合頭，其特征在于，所述超聲波發(fā)生器包括頻率鎖相跟蹤模塊，對所述超聲波發(fā)生器的工作頻率自動進行跟蹤、檢測及調(diào)節(jié)匹配頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高聲強超聲處理裝置，其特征在于，所述耦合頭包括直桿狀的上部和彎曲或彎折的彎曲部，所述直桿狀的上部的中心軸線與所述彎曲部的中心軸線間的夾角為5° 60°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高聲強超聲處理裝置，其特征在于，所述耦合頭包括直桿狀的上部和彎曲或彎折的彎曲部，所述直桿狀 的上部的中心軸線與所述彎曲部的中心軸線間的夾角為5°~45°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高聲強超聲處理裝置，其特征在于， 所述變幅桿為空心結(jié)構(gòu)，其中通入冷卻水或壓縮空氣進行冷卻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的高聲強超聲處理裝置，其特征 在于，所述的耦合頭為空心結(jié)構(gòu)，其中通入冷卻水或壓縮空氣進行冷卻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的高聲強超聲處理裝置，其特征 在于，所述的耦合頭的材料根據(jù)熔體不同，選用鈦合金、鈮合金、氮化硅、金屬陶瓷中的某一種。
7. —種高聲強超聲處理方法，利用如權(quán)利要求1 6所述的高聲強超 聲處理裝置對金屬及合金進行凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化， 其特征在于，所述超聲波發(fā)生器的有效輸出功率為1000W以下。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于，當(dāng)用于金屬及合金熔體砂型凝固情形時，使彎曲的耦合頭直接插在 洗冒口處， 一個澆冒口處安置一個耦合頭，耦合頭為實心結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于金屬及合金熔體半連鑄時，所述耦合頭數(shù)量依結(jié)晶器尺寸不同而不同；當(dāng)為圓形結(jié)晶器且直徑小于300mm時，采用 一個所述耦合頭； 當(dāng)直徑大于300mm、但小于1200mm時，采用2 4個所述耦合頭；耦合 頭在橫斷面上均勻分布。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于金屬及合金方錠或扁錠半連鑄時，若橫截面長度方向尺寸在300 500mm之間時，選用彎曲的耦合頭。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于金屬及合金連續(xù)鑄軋時，在前箱中設(shè)置1~3個彎曲的耦合頭。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于鋁及鋁合金熔體時，耦合頭的材質(zhì)為鈮合金或氮化硅。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于鎂及鎂合金熔體時，耦合頭的材質(zhì)選用鈦合金、鈮合金或氮化硅中的某一種，其內(nèi)部僅為實心結(jié)構(gòu)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高聲強超聲處理方法，其特征在于， 當(dāng)用于鋼鐵熔體時，所述耦合頭的材質(zhì)為金屬陶瓷，但內(nèi)部僅為實心結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高聲強超聲處理裝置，用于金屬及合金凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化，其包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和耦合頭，其中，所述超聲波發(fā)生器包括頻率鎖相跟蹤模塊，對所述超聲波發(fā)生器的工作頻率自動進行跟蹤、檢測及調(diào)節(jié)匹配頻率。通過采用頻率鎖相跟蹤模塊，解決了頻率下降漂移問題，即使在不同的高溫熔體中，也能獲得與在額定頻率處開機時相同的超聲效果，從而實現(xiàn)金屬及合金凝固時的晶粒細(xì)化、除氣及成分均勻化。
文檔編號B22D27/00GK101435064SQ20081018245
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者何北星, 李建國 申請人:清華大學(xué)