一種 A231鎂合金熔體超聲凈化處理新方法
作者：鄭曉敏
隨著鎂合金使用量的增加，鎂合金廢料的回收再利用成為其應用發(fā)展的一個重要問題。研究其回收再利用對節(jié)約資源、降低鎂合金單位能耗和減少環(huán)境污染具有重要意義。但鎂合金廢料中含有大量的夾雜物，這些夾雜物一方面降低鑄件的成形性，限制其應用范圍，另一方面嚴重損害了合金的強度、韌性、疲勞抗力、流動性、鑄造性能以及耐蝕性能等。因此，純凈化是鎂合金擴大應用范圍的關鍵之一 。目前鎂合金熔體的凈化方法主要有熔劑凈化法、非熔劑凈化法、稀土除雜法和復合凈化法等。超聲波作為外場對金屬的除氣、凝固組織晶粒的細化以及防止宏觀偏析等方面的作用已經得到證實，但熔體超聲凈化處理的研究還比較少，并且在很大程度上集中于數(shù)學模型的建立與理論計算分析。本課題以A231鎂合金為研究對象，采用超聲處理凈化鎂合金熔體，研究了超聲功率及處理后靜置時間對熔體凈化效果的影響，并利用電導率表征熔體的凈化程度。
1 試驗方法
材料選擇A231鎂合金，其化學成分見表1。超聲處理裝置與裝置相同。使用的設備包括超聲處理系統(tǒng)、電阻爐和不銹鋼坩堝。超聲系統(tǒng)是由頻率為(15±2)kHz的超聲發(fā)生器、磁致伸縮換能器和工具頭組成。超聲功率為0～2 kW連續(xù)可調。在試驗過程中，鎂熔體的溫度、工具頭的預熱溫度和超聲處理時間被精確控制。
將A231合金放入鐵制坩堝中熔煉，鐵坩堝為圓臺狀，高120 mm，底部內徑為50 mm，頂部內徑為70mm，在電阻爐中熔煉時通入C02 +0. 5%的SF6混合氣體保護。合金加熱到700℃至完全熔化，攪拌均勻后待溫度穩(wěn)定為700℃后保溫10 min，隨后將預熱的超聲發(fā)射器（預熱至處理溫度）從坩堝的頂部導入，發(fā)射器由上部浸入合金液面下20 mm。為研究超聲處理對A231合金熔體凈化效果的影響，選定的超聲功率為0、35、95、120和135 W，熔煉時合金液高度約為110 mm，超聲體積功率密度分別為0. 11、0.30、0．38和0．43W／cm3，靜置時間為30 s。隨后將不同條件處理的熔體連同坩堝立即水冷，沿鑄錠縱向鋸開，縱截面經打磨和拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕。為了考察夾雜物在鑄錠中不同位置的含量、分布和凈化效果，將鑄錠從上到下分為頂層、第2層、第3層和底層，并采用體式顯微鏡、光學顯微鏡和圖像分析軟件對鑄錠縱截面的夾雜物分布和含量進行統(tǒng)計分析。由于鑄錠的總夾雜物含量一定，而每一層的夾雜物含量各不相同，因此，采用如下公式來統(tǒng)計夾雜物的相對面積分數(shù)。
式中，Ai為第i層夾雜物的相對面積分數(shù)；Si為第i層的夾雜物面積；S0為鑄錠縱斷面的夾雜物總面積。
采用SIGMASCOPE SMP10金屬電導率測試儀對鑄錠電導率進行測量。具體方法是將試樣粗磨后在截面平均分成4行再分成3列，分別測量12格的電導率，然后各列取平均值進行比較。
2 結果與分析
2.1 超聲功率對熔體凈化效果的影響
圖1為700℃條件下，不同超聲輸出功率(0、35、95 和135 W)對A231鎂合金熔體處理30 s，靜置30 s后夾雜物相對面積分數(shù)與輸出功率的關系曲線。由圖1可知，隨著超聲功率的變化，夾雜物在鑄錠各層的分布發(fā)生了明顯的改變。無超聲處理時鑄錠頂部夾雜相對面積分數(shù)最大、其次是底部，第2層和第3層夾雜分布極少；而施加超聲處理的鑄錠夾雜物主要分布在鑄錠的底部，底部夾雜占鑄錠截面上總夾雜物的相對面積分數(shù)均超過80%�？梢哉J為，對A231鎂合金熔體進行超聲處理有利于夾雜物在鑄錠底部的沉降，且95 W與135W功率條件下鑄錠底部的夾雜物相對面積分數(shù)接近85%，說明該功率的超聲波對于夾雜的分布作用效果相對較好。
圖2為700℃時A231合金熔體經不同功率超聲處理后，鑄錠截面上各層夾雜物的實際面積分數(shù)與各層平均電導率變化曲線�？梢钥闯觯S著夾雜物面積分數(shù)的增大，電導率減�。粖A雜面積分數(shù)越大，電導率越小。無超聲處理條件下鑄錠的電導率最低，施加95 W超聲處理條件的鑄錠電導率最高，其次是35 W和135 W,再次證明了施加超聲可以實現(xiàn)鎂合金熔體的凈化，并且700℃時A231合金熔體的最優(yōu)凈化功率為95 W。
2.2 靜置時間對熔體凈化效果的影響
圖3為700℃時A231鎂合金經120 W超聲處理30 s后，靜置不同時間對鑄錠各層夾雜物相對面積分數(shù)的影響�？梢钥闯觯o置30 s時鑄錠底部夾雜物的相對面積分數(shù)比未靜置鑄錠底部夾雜相對面積分數(shù)高，凈化效果較理想。可見靜置時間對熔體的凈化效果有明顯影響。
圖4為700 0C時對A231鎂合金進行120 W超聲處理30 s后，靜置不同時間后鑄錠截面上各層夾雜物的實際面積分數(shù)與各層平均電導率變化圖�？梢钥闯�，夾雜物實際面積分數(shù)增大導致電導率值降低；靜置30 s后鑄錠電導率值高于靜置Os的鑄錠電導率值。靜置時間影響鑄錠各層夾雜物實際面積分數(shù)，進而影響電導率。因此，可以用電導率表征A231鎂合金熔體的凈化程度。
2.3超聲凝聚熔體夾雜原理
超聲波在容器中形成駐波場，微粒或者氣泡等在聲輻射力的作用下，向垂直于聲傳播方向的聲壓節(jié)或聲壓腹平面運動，非金屬夾雜物在聲交互作用力( AcousticForce)以及旁力(Lateral Force)的作用下形成凝聚物。當停止超聲導入之后，凝聚物會因重力和浮力迅速地下沉和上升從而達到分離的目的。對于鎂合金熔體，主要夾雜物為Mg0，其密度為3.58×103 kg／m3，大于鎂合金熔體的密度，主要是利用沉降使之與熔體分離。
在超聲波駐波場下，只要懸浮液中液體和微粒的聲比因數(shù)不為0，微粒就會在聲輻射力的作用下向聲壓節(jié)或聲壓腹運動，見圖5。在超聲波駐波場下懸浮液中的微粒運動主要受到聲輻射力，Stokes拖力和有效浮升力的影響。
微粒的運動方程為：
式中，
、V p分別是微粒的密度和體積；M'為附加質量；x為微粒距聲壓節(jié)或腹的距離；t為時間；f a為聲輻射力；f b為有效浮升力；f d為Stokes拖力，各項的表達式為：
式中，u為粘度；c為聲波的傳播速度；d p為微粒的直徑；k為波數(shù)；E為平均聲能密度；G為懸浮液的聲比因數(shù)，G>0時，微粒向最近的聲壓節(jié)處運動；G<0時，微粒向最近的聲壓腹處運動。在此過程中，微粒碰撞凝聚，最終達到凝聚平衡狀態(tài)。含有非金屬夾雜物的金屬液可以視為懸浮液，在一定頻率超聲波的作用下，夾雜物同樣會發(fā)生凝聚效應。
通過超聲對A231鎂合金的處理，得出超聲作用對合金中雜質的去除有促進作用。當熔體超聲處理時，超聲波在坩堝中形成駐波場，夾雜物微粒在聲輻射力作用下，向垂直于傳播方向的聲壓節(jié)或聲壓腹平面運動，在聲交互作用力以及旁力的作用下形成凝聚物，在隨后的
靜置時間內凝聚后的夾雜物會因重力迅速下降，從而達到去除夾雜物的目的。夾雜物的團聚在一定程度上依賴于聲流的機械攪拌作用，而聲壓梯度導致的閉合環(huán)流（聲流）又取決于超聲波的功率，因此超聲波功率必須達到一定大小，才能起到充分的攪拌作用，促進夾雜物的凝聚，同時在機械攪拌力的作用下，又可以使夾雜物破碎分散。任何熔體都有空化閾值，即當功率達到一定值，空化泡才能夠在熔體中形成和發(fā)展。其能夠促進夾雜物的聚合，但空化崩潰的瞬間產生強烈的沖擊波，反而會使夾雜物破裂而分散。功率過低，聲流作用距離較短，起不到很好的攪拌作用，聚合效應較弱，同時可能達不到空化閾值，空化程度較低，同樣不利于夾雜物的聚合和沉降；功率過高，聲流較強，空化崩潰加強，會使夾雜物破碎分散。所以在聲流和空化促進以及抑制夾雜物的沉降作用下，當合適的超聲功率作用于合金熔體時才會產生最佳的凈化效果，因此出現(xiàn)了最佳凈化效果的功率或功率范圍。
3 結 論
(1)利用功率超聲處理可以實現(xiàn)鎂合金熔體中夾雜物的快速分離，證實功率超聲可以實現(xiàn)鎂合金熔體的快速凈化。
(2)超聲熔體凈化程度與超聲施加功率及處理后靜置時間有關。在試驗條件下，A231鎂合金熔體超聲處理的最佳體積功率密度為0. 30 W／cm3，適當延長靜置時間對凈化有利。
(3)用電導率來表征鑄錠的凈化程度是可行的，鑄錠中夾雜物越多電導率越小。
4摘要利用超聲處理A231鎂合金熔體，考察了超聲功率及靜置時間對凈化效果的影響，分析了超聲熔體凈化的機理。結果表明，超聲處理可以加速熔體中夾雜物的凝聚，實現(xiàn)A231鎂合金熔體的凈化。A231鎂合金熔體超聲處理的最佳超聲體積功率密度為0．30 W／cm3，適當延長靜置時間對凈化有利。鑄錠中夾雜物越多，電導率越小，電導率可以表征鑄錠的凈化程度。
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