超声波熔体处理对铸造35CrMo钢铸锭显微疏松的影响.pdf

垂篙帅嚣 Sep．2016VOI．65 NO．9超声波熔体处理对铸造35CrMo钢铸锭显微疏松的影响梁根L2，石琛L2，周亚军12-，毛大恒L2，肖常安s(1．中南大学机电工程学院，湖南长沙410083；2．中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙410083；3．湖南长高新材料股份有限公司，湖南株洲412000)摘要：利用光学显微镜(oM)分析测试方法研究了超声波熔体处理(usT)对铸造35crMo钢铸锭显微疏松缺陷的影响。结果表明，超声波处理能显著减少铸锭中的显微疏松，疏松百分比明显减少；铸锭不同部位显微疏松减少程度不同，超声波对靠近工具头熔体区域显微疏松减少效果更明显。关键词：超声波处理；铸造；35CrMo钢；显微疏松中图分类号：TG261 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)09—0886—04The Effect of Ultrasonic Melt Treatment on Microporosity in35CrMo Steel Casti ng I ngotLIANG Genl一，SHI Chenl一，ZHOU Ya-junl一，MAO Da—hen91一，XIAO Chang—an3(t．School ofMechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China；2．State KeyLaboratory ofHigh Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China；3．Hunan Changgao New Materials Co．，Ltd．，Zhuzhou 412000，Hunan，China)Absa．aet：The effect ofultrasonic melt treatment(USl)on microporosity defects of35CrMo steel ingot castingwas studied by optical microscope(OM)．The experimental results show that ultrasonic treatment cansignificantly reduce the microporosities in ingot casting．The reduction degree of microporosities at differentpositions is different．Microporosities at the center part ofthe ingot were obviously reduced．Key words：ultrasonic treatment；casting；35CrMo steel；microporosities在钢锭或铸件的凝固过程中，钢锭或铸件表层凝固速度较快，而在钢锭中心轴线部位或铸件厚大部位的钢液凝固较慢。由于逐层凝固收缩，钢锭的中心轴线部位最后凝固，导致在钢锭轴线部位产生缩孑L疏松。在这些疏松区域，钢锭的塑性、韧性、强度等力学性能将会有很大起伏，导致此处的力学性能的连续性被中断，从而严重影响钢的质量和使用性能。超声波处理作为～种新的改善材料性能的技术，被广泛应用于金属凝固成形过程中。诸多研究发现，超声波处理具有细化晶粒组织、减少疏松、除气等【l-习作用，从而增强材料力学性能。然而，关于超声波处理技术的研究大多集中于有色金属中睁101，在高温合金钢中的应用较少，一个主要原因是超声波在高温熔体中易腐蚀，超声波导人困难。Liu等…1从侧面将超声波导入熔体，研究了不同超声波功率对T10钢凝固组织、宏观偏析、力学性能及抗腐蚀性能的影响。虽然这种导人方法避免了超声波工具头的腐蚀，但是超声波能量传输较低。李杰等【12】研究了适合在高温合金中的超声波工具头材料，得出Mo—A1：O，一ZrO：金属陶瓷管既能承受较强的超声振动，又能抵抗高温钢液的熔蚀，可以作为处理高温钢液的工具头材料。然而，这种方法仍然存在处理时间较短和材料制备困难的问题。Kang等【”]采用一种单元块方法实现超声波处理304不锈钢，研究了超声波处理对304不锈钢凝固组织的影响。尽管这种方法能够避免超声波工具头的熔蚀和超声波的能量衰减，但是由于试样较小，只能进行小规模试验。作者采用一种T型超声波导人方式，一种能够耐高温腐蚀的超声波工具头材料，研究了超声波处理对35CrMo钢铸造显微疏松缺陷的影响。结合35CrMo钢砂型铸造试验，研究了有无超声波处理时铸锭中显微疏松缺陷的情况。研究可为超声波在高温熔体处理应用提供参考，尤其对超声波在大尺寸钢锭中的应用。基金项目：国家重点基础研究计划发展凇tJ(973)基金资助项目(2014CB046702)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016zzts293)。收稿日期：2016--06-26收到初稿，2016-07—25收到修订稿。作者简介：梁根(1990-)，男，硕士生，从事超声波铸造方面应用的研究。E-mail：lianggen@csu．edtLcn通讯作者：石琛，男，副教授。E—mail：shichen@CSU．edu．cn万方数据铸造 梁根等：超声波熔体处理对铸造35CrMo钢铸锭显微疏松的影响 ·887·1试验材料及方法1．1试验材料及设备试验所用的材料为35CrMo钢，其化学成分如表1所示。超声波试验方法及设备如图l所示。超声波处理设备主要包括超声波发生器l台，超声波换能器1台，T形超声波导入杆l副，铂铑热电偶1支，砂型铸型二其中，超声波发生器功率在0～400 W间可调，频率为21 kHz，超声波变幅杆放大后最大振幅为10¨m、．T形导人杆由两级相互垂直的钛合金变幅杆和氮化硅陶瓷工具头连接而成，该结构有效避免了变幅杆直接受到热辐射而影响超声波施振n,／IN：砂型铸型内部有效尺寸为多200 mmx300 mm。表1试验中35CrMo钢的化学成分Table 1 Chemical compositions of test 35CrMo steel ∥H％C Mn Si P S Cr Mo Fe．34 0．2l O．56 0．019 0．005 0．95 0．19 其他I ， J皿L，，77恻I ] -／2_ r-'- '|、、、、 变幅朴I 、一。、 l Jj0头支架 发乍器＼ l、熔体 、、砂型模 ，一 ．墼器导线【j J1 r巡J：t，幔i 7rI矗【J；、”小一』4‘：Fig．1 Schematic diagram of ultrasonic casting experiment1．2试验方法将35CrMo钢在中频炉中加热至熔融状态，保温一段时间使熔体温度和成分均匀，然后扒渣、脱氧后浇入砂型铸型中，并用保温材料覆盖其表面。将事先预热处理的超声波工具头插入熔体中，插入深度为50 mm。试验过程中采用温度采集系统实时测温，待凝固后停止超声波处理，在室温下待35CrMo钢熔体冷却。试验过程中通氩气进行保护：在相同条件下，浇注钢液至同样大小的砂型，但不进行超声波处理：从铸锭不同部位取样，样品尺寸为20 mm x20 mm x20 mm，进行研磨、抛光、清洗等处理，在OLYMPUS—DSX光学显微镜下观察样品的疏松缺陷。试验中将有超声波处理和无超声波处理的铸锭作为一组试验结果，为增加试验结果的可重复性，在相同试验工艺和参数下进行了3组试验，并对其中一组试验样品进行分析。2结果及讨论图2显示了沿超声波工具头端面径向不同部位疏松形态变化，可以看到经过超声波处理的样品其疏松缺陷形态明显减小。图3显示了有无超声波处理时径向不同部位疏松百分比情况。试验结果表明，当未施加超声波时，铸锭样品从中心区域到边部区域疏松百分比分别为6．26％、3．64％和1．59％，中心疏松显著存在；而经过超声波处理的铸锭在不同径向处的疏松百分比比未施加超声波的铸锭有不同程度的降低，其中边部区域百分比基本没有降低，R／2处降低为2．63％，疏松百分比减少了27．7％，中心区域的疏松有明显的减少，百分比为1．71％，疏松减少了72．7％=这说明超声波处理能明显消除疏松缺陷，且对中心疏松缺陷抑制效果最佳。· ，i 一 『。 ， ’～．+|怿麓I-3叮，蹲．|、·1卜：!二：釜I二：。： 量(c】Ih■九UST (f)中心有USTH2沿I+j}头端Ⅲ径阳部位疏松形态变化对比Fig 2 Morphology comparison ofporosity at different radiadirection of the radiator tip似捌：f．rf警{3沿工具头端而径向部位疏松百分比Fig 3 Porosity percentage at different radial direction ofthe radiator tip万方数据·888· FOUNDRYSep．2016VOI．65 NO．9图4显示了沿超声波『：具头端面轴向不同部位疏松形态变化，不难发现距离超声波工具头端面越近的区域，疏松缺陷明显增加，超声波处理后，疏松缺陷有显著减少。图5显示了有无超声波处理时轴向不同部位疏松百分比情况。从图中口r以看到，常规铸造中，距离工具头端面25 mm处疏松白‘分比为6．89％，距离工具头100 mm处疏松百分比为1．81％j经超声波处理的铸锭，沿着工具头端面轴向距离增加，疏松缺陷有不同程度的减少，距离工具头25 mm处疏松缺陷百分比为1．94％，疏松缺陷明显减少；距离T具头100 mm处疏松缺陷百分比为1．82％，缺陷基本没有变化。随着沿超声波工具头轴向距离的增加，超声波呈衰减趋势，超声波的作用减弱÷【l‘’一： ／．二’ ： ／、 ，， 叫卜奄o≥JI一·略· ]· ‘、 -j(g)距端面轴向100 toni处)t：UST(h)距端㈨轴『uJ 100 mm9．￡4j‘UST罔4滑。¨0火轴…部位疏松形忿变化对比Fig 4 Morphology comparison ofporosity at different axialdirection of the radiator tip超声波熔体处理能够抑带035CrMo钢铸锭显微疏松缺陷，一方面，超声波在熔体中传播产生的空化效应产生大量空化泡，空化泡在经历长大、膨胀、爆破的过程后，能够使熔体局部产生压力达到5 GPa[14]的瞬时压力，此压力能够促进金属液补缩行为。此外，气泡在长大和崩溃蒸发过程中，空化泡会从其周围的熔体吸收大量热量，形成局部深度过冷，因而在空化泡附近形成了大量晶核，增加了形核率，提高了组织致密度，从而抑制了显微疏松的形成。同时，学者R．C．Y．Chow等Ⅲ】认为空化泡的崩溃，能产生高温、高压冲击波，强烈冲击波会击断或熔断正在长大的枝晶，这也有利于液体补缩，减少显微疏松的形成。另一方面，超声波在熔体中产生的声流效应，能够加速熔体流动，将还未凝固的高温液相带到已经凝固或固液共存的区域，能够改变熔体的凝固方式，从而抑制疏松缺陷的形成．H 5 浦I H_、二嵩[(!i 4itl¨iWf、，费i协E'1分比Fig．5 Porosity percentage at different axial direction ofthe radiator tip3结论(1)超声波熔体处理能抑制铸造35CrMo钢铸锭显微疏松缺陷，显微疏松百分比得到减小。(2)铸锭不同部位显微疏松减少程度不同，且对中心显微疏松减少效果更明显，中心显微疏松减少了5 1．6％～72．7％。参考文献：[1]Jian X，Xu H，Meek T T，et a1．Effect of power ultrasound onsolidification of aluminum A356 alloy[J]Materials Leaer，2005．59(2—3)：190一193．【2] Ramirez A，Ma Q，Davis B，et 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