一种 A231镁合金熔体超声净化处理新方法

作者：郑晓敏

  随着镁合金使用量的增加，镁合金废料的回收再利用成为其应用发展的一个重要问题。研究其回收再利用对节约资源、降低镁合金单位能耗和减少环境污染具有重要意义。但镁合金废料中含有大量的夹杂物，这些夹杂物一方面降低铸件的成形性，限制其应用范围，另一方面严重损害了合金的强度、韧性、疲劳抗力、流动性、铸造性能以及耐蚀性能等。因此，纯净化是镁合金扩大应用范围的关键之一 。目前镁合金熔体的净化方法主要有熔剂净化法、非熔剂净化法、稀土除杂法和复合净化法等。超声波作为外场对金属的除气、凝固组织晶粒的细化以及防止宏观偏析等方面的作用已经得到证实，但熔体超声净化处理的研究还比较少，并且在很大程度上集中于数学模型的建立与理论计算分析。本课题以A231镁合金为研究对象，采用超声处理净化镁合金熔体，研究了超声功率及处理后静置时间对熔体净化效果的影响，并利用电导率表征熔体的净化程度。

1  试验方法

    材料选择A231镁合金，其化学成分见表1。超声处理装置与装置相同。使用的设备包括超声处理系统、电阻炉和不锈钢坩埚。超声系统是由频率为(15±2)kHz的超声发生器、磁致伸缩换能器和工具头组成。超声功率为0～2 kW连续可调。在试验过程中，镁熔体的温度、工具头的预热温度和超声处理时间被精确控制。

    将A231合金放入铁制坩埚中熔炼，铁坩埚为圆台状，高120 mm，底部内径为50 mm，顶部内径为70mm，在电阻炉中熔炼时通入C02 +0. 5%的SF6混合气体保护。合金加热到700℃至完全熔化，搅拌均匀后待温度稳定为700℃后保温10 min，随后将预热的超声发射器（预热至处理温度）从坩埚的顶部导入，发射器由上部浸入合金液面下20 mm。为研究超声处理对A231合金熔体净化效果的影响，选定的超声功率为0、35、95、120和135 W，熔炼时合金液高度约为110 mm，超声体积功率密度分别为0. 11、0.30、0．38和0．43W／cm3，静置时间为30 s。随后将不同条件处理的熔体连同坩埚立即水冷，沿铸锭纵向锯开，纵截面经打磨和抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀。为了考察夹杂物在铸锭中不同位置的含量、分布和净化效果，将铸锭从上到下分为顶层、第2层、第3层和底层，并采用体式显微镜、光学显微镜和图像分析软件对铸锭纵截面的夹杂物分布和含量进行统计分析。由于铸锭的总夹杂物含量一定，而每一层的夹杂物含量各不相同，因此，采用如下公式来统计夹杂物的相对面积分数。

式中，Ai为第i层夹杂物的相对面积分数；Si为第i层的夹杂物面积；S0为铸锭纵断面的夹杂物总面积。

    采用SIGMASCOPE SMP10金属电导率测试仪对铸锭电导率进行测量。具体方法是将试样粗磨后在截面平均分成4行再分成3列，分别测量12格的电导率，然后各列取平均值进行比较。

  2  结果与分析

  2.1  超声功率对熔体净化效果的影响

    图1为700℃条件下，不同超声输出功率(0、35、95 和135 W)对A231镁合金熔体处理30 s，静置30 s后夹杂物相对面积分数与输出功率的关系曲线。由图1可知，随着超声功率的变化，夹杂物在铸锭各层的分布发生了明显的改变。无超声处理时铸锭顶部夹杂相对面积分数最大、其次是底部，第2层和第3层夹杂分布极少；而施加超声处理的铸锭夹杂物主要分布在铸锭的底部，底部夹杂占铸锭截面上总夹杂物的相对面积分数均超过80%。可以认为，对A231镁合金熔体进行超声处理有利于夹杂物在铸锭底部的沉降，且95 W与135W功率条件下铸锭底部的夹杂物相对面积分数接近85%，说明该功率的超声波对于夹杂的分布作用效果相对较好。

    图2为700℃时A231合金熔体经不同功率超声处理后，铸锭截面上各层夹杂物的实际面积分数与各层平均电导率变化曲线。可以看出，随着夹杂物面积分数的增大，电导率减小；夹杂面积分数越大，电导率越小。无超声处理条件下铸锭的电导率最低，施加95 W超声处理条件的铸锭电导率最高，其次是35 W和135 W,再次证明了施加超声可以实现镁合金熔体的净化，并且700℃时A231合金熔体的最优净化功率为95 W。

2.2  静置时间对熔体净化效果的影响

    图3为700℃时A231镁合金经120 W超声处理30 s后，静置不同时间对铸锭各层夹杂物相对面积分数的影响。可以看出，静置30 s时铸锭底部夹杂物的相对面积分数比未静置铸锭底部夹杂相对面积分数高，净化效果较理想。可见静置时间对熔体的净化效果有明显影响。

    图4为700 0C时对A231镁合金进行120 W超声处理30 s后，静置不同时间后铸锭截面上各层夹杂物的实际面积分数与各层平均电导率变化图。可以看出，夹杂物实际面积分数增大导致电导率值降低；静置30 s后铸锭电导率值高于静置Os的铸锭电导率值。静置时间影响铸锭各层夹杂物实际面积分数，进而影响电导率。因此，可以用电导率表征A231镁合金熔体的净化程度。

2.3超声凝聚熔体夹杂原理

    超声波在容器中形成驻波场，微粒或者气泡等在声辐射力的作用下，向垂直于声传播方向的声压节或声压腹平面运动，非金属夹杂物在声交互作用力( AcousticForce)以及旁力(Lateral Force)的作用下形成凝聚物。当停止超声导入之后，凝聚物会因重力和浮力迅速地下沉和上升从而达到分离的目的。对于镁合金熔体，主要夹杂物为Mg0，其密度为3.58×103 kg／m3，大于镁合金熔体的密度，主要是利用沉降使之与熔体分离。

    在超声波驻波场下，只要悬浮液中液体和微粒的声比因数不为0，微粒就会在声辐射力的作用下向声压节或声压腹运动，见图5。在超声波驻波场下悬浮液中的微粒运动主要受到声辐射力，Stokes拖力和有效浮升力的影响。

微粒的运动方程为：

式中，、V p分别是微粒的密度和体积；M'为附加质量；x为微粒距声压节或腹的距离；t为时间；f a为声辐射力；f b为有效浮升力；f d为Stokes拖力，各项的表达式为：

式中，u为粘度；c为声波的传播速度；d p为微粒的直径；k为波数；E为平均声能密度；G为悬浮液的声比因数，G>0时，微粒向最近的声压节处运动；G<0时，微粒向最近的声压腹处运动。在此过程中，微粒碰撞凝聚，最终达到凝聚平衡状态。含有非金属夹杂物的金属液可以视为悬浮液，在一定频率超声波的作用下，夹杂物同样会发生凝聚效应。

    通过超声对A231镁合金的处理，得出超声作用对合金中杂质的去除有促进作用。当熔体超声处理时，超声波在坩埚中形成驻波场，夹杂物微粒在声辐射力作用下，向垂直于传播方向的声压节或声压腹平面运动，在声交互作用力以及旁力的作用下形成凝聚物，在随后的

静置时间内凝聚后的夹杂物会因重力迅速下降，从而达到去除夹杂物的目的。夹杂物的团聚在一定程度上依赖于声流的机械搅拌作用，而声压梯度导致的闭合环流（声流）又取决于超声波的功率，因此超声波功率必须达到一定大小，才能起到充分的搅拌作用，促进夹杂物的凝聚，同时在机械搅拌力的作用下，又可以使夹杂物破碎分散。任何熔体都有空化阈值，即当功率达到一定值，空化泡才能够在熔体中形成和发展。其能够促进夹杂物的聚合，但空化崩溃的瞬间产生强烈的冲击波，反而会使夹杂物破裂而分散。功率过低，声流作用距离较短，起不到很好的搅拌作用，聚合效应较弱，同时可能达不到空化阈值，空化程度较低，同样不利于夹杂物的聚合和沉降；功率过高，声流较强，空化崩溃加强，会使夹杂物破碎分散。所以在声流和空化促进以及抑制夹杂物的沉降作用下，当合适的超声功率作用于合金熔体时才会产生最佳的净化效果，因此出现了最佳净化效果的功率或功率范围。

  3  结  论

    (1)利用功率超声处理可以实现镁合金熔体中夹杂物的快速分离，证实功率超声可以实现镁合金熔体的快速净化。

    (2)超声熔体净化程度与超声施加功率及处理后静置时间有关。在试验条件下，A231镁合金熔体超声处理的最佳体积功率密度为0. 30 W／cm3，适当延长静置时间对净化有利。

(3)用电导率来表征铸锭的净化程度是可行的，铸锭中夹杂物越多电导率越小。

4摘要利用超声处理A231镁合金熔体，考察了超声功率及静置时间对净化效果的影响，分析了超声熔体净化的机理。结果表明，超声处理可以加速熔体中夹杂物的凝聚，实现A231镁合金熔体的净化。A231镁合金熔体超声处理的最佳超声体积功率密度为0．30 W／cm3，适当延长静置时间对净化有利。铸锭中夹杂物越多，电导率越小，电导率可以表征铸锭的净化程度。