超声熔体处理技术对6063铝合金铸态组织及性能的影响

孟宪林

摘 要：通过对铝合金6063进行熔体处理后发现，处理后的铸件试样较未进行处理的试样有明显的晶粒细化，分布均匀程度提高，合金元素Mg、Si在合金晶粒内的析出被抑制，Mg2Si第二相的析出主要集中在晶界位置，力学性能及硬度均匀不同程度的提高，并且通过试验确定了优选的超声处理介入熔体内温度，为超声波在铸造生产中的应用提供了依据。

关键词：铝合金;熔体;超声处理;晶粒细化

Abstract： Compared to the sample without ultrasonic treatment， it was found that， for 6063 aluminium melt alloy treated by ultrasonic， the grain refined obviously and distribution uniformly. The precipitation inside the matrix of element Mg and Si was inhibited. The Mg2Si precipitates distributed mainly along the grain boundary. The hardness and mechanical property was improved remarkedly. Moreover， the optimal temperature in the melt was determined by the experiment， which provided the basis for the application of ultrasonic wave in casting production.

Key words：Aluminium alloy; Melting; Ultrasonic treatment; Grain refinement

铝是最活泼的工业金属之一，纯铝的密度是2.71g/cm3，仅为铁的1/3左右，由于表面上极易形成致密连续牢固的氧化膜（Al2O3），在许多弱酸与强氧化性介质中，有相当高的稳定性。根据添加合金元素及强化相的不同，形成常用的1xxx系至7xxx系铝合金，广泛应用于建筑、交通运输、机械、包装、电气与电力等行业[1，2]。

铝合金晶粒的大小直接影响其力学性能[3]，细晶强化可以提高铝合金的力学性能和改善铝合金变形的均匀性[4]。铝合金细晶强化的方法有技术主要有熔体过热法、变质处理法、合金元素添加法和熔体搅拌法等[5-7]。超声（Ultrasonic）细化属于合金熔体搅拌法的一种方式，其原理是利用超声场在熔体中产生的声空化和声流效应达到除气和细化组织的目的。

合金熔体在凝固过程中进行超声处理会使晶粒变细，改变其中一些物理机械性质，如延伸率，强度和变形特性等等[8]。

1.实验设备及方法

1.1试验合金

以建筑行业常用的6063铝合金为研究对象，分别研究了单纯的重力铸造（无超声）和超声铸造的铸棒，通过对金相和力学性能的检测，定性研究超声对6063铝合金铸棒的影响，具体试验条件如表1所示。

1.2试验设备

试验设备如下图1所示，采用井式坩埚炉将铝合金原料加热至熔融状态，采用沈阳远大装备科技有限公司自主研发的超声辅助铸造设备，将超声振动引入到熔融铝合金熔体当中。

在铸造时，超声波通过工具头引入到铝合金熔体中，此次试验分别针对两种合金，在不同温度，进行超声辅助除气和细化晶粒处理，对比铝合金试样在不同试验条件下的组织和机械性能。

超声波辅助铸造设备主要由超声波发生器（超声电源）、超声波换能器、变幅杆、工具头、不锈钢坩埚及电阻炉等组成。

超声装置的功率为3kW，工作主频率为20kHz，并且具有连续可调节、频率可跟踪的特点，用于实验过程中对熔体的超声处理。

2.实验结果与分析

实验样品用水磨金相砂纸打磨至镜面，表面粗糙度约为Ra0.4，使用硝酸酒精溶液对合金表面进行腐蚀，以观察其金相组织，  使用蔡司热场Gemini SEM 300扫描电镜观测晶相尺寸及微观结构成分分析。

2.1金相分析

由图3可以看出，6063铝合金在未经超声处理处理条件下，最大晶粒尺寸约120μm，平均晶粒尺寸约为100μm，最小晶粒尺寸为60μm。从金相组织可以看出，未处理试样在晶体内部有一定数量的孔洞，如图中方框内所示。

由图4可以看出，6063铝合金在680℃下，经过超声处理，最大晶粒尺寸约90μm，平均晶粒尺寸约为40μm，最小晶粒尺寸为15μm。从能谱分析可以看出，合金元素Si在晶界处发生了一定的富集，且析出了明显的第二相组织。

由图5可以看出，7075铝合金在700℃下，经过超声处理，最大晶粒尺寸约50μm，平均晶粒尺寸约为30μm，最小晶粒尺寸为20μm，金属内部没有出现明显的元素富集组织。

2.2力学性能分析

铝合金铸锭根据國标要求，加工成如图6所示试样，进行力学拉伸试验，将相同铸造条件铸锭分为铸态和热处理态进行对比分析，均质化时效热处理制度为550℃×1h+175℃×17h，所得力学性能对比如下图7所示。

（NC-未进行超声处理 Y6-在680℃条件下进行超声处理 Y7-在700℃条件下进行超声处理 TS-抗拉强度 YS-屈服强度 TS2-未经热处理试样的抗拉强度 YS2-未经热处理试样的屈服强度）

对比图7中力学性能可以看出，在相同热处理状态下，经超声处理的铝合金性能明显优于未热处理铝合金，性能提升效果可以达到22%左右;热处理过程可以继承超声波处理对铝合金性能的提升效果，而且，超声波处理对热处理过程有良性影响，即可以提高热处理过程对材料性能提升的幅度。

表2显示了不同处理状态试验样件的硬度值，试验结果表明，经过超声处理的样品具有更高的硬度。

2.3 理论分析

将大功率超声设备输出的超声振动引入到鋁合金熔体过程当中，熔体内部产生大量的空化泡，空化泡迅速发生崩溃，产生高能冲击波，将结晶长大的晶粒打碎，抑制了晶粒的长大，被破碎的晶体结构在声流的搅拌作用下，弥散地分布在熔体里，提高了形核率，所以凝固后的基体晶粒变成细小、均匀的等轴晶。超声波的搅拌作用，可以明显提高温度和化学成分的均匀性，抑制柱状晶的产生，减少偏析现象。

由于超声波的晶粒细化作用，晶粒的数量迅速增加，从而使材料内部晶界数量显著增加，晶界数量的增加阻止了位错运动的产生，提升了材料的塑性变形抗力，即增加了材料的硬度。

本次试验过程中，在680℃进行超声处理的试样性能优于在700℃进行处理的试样，这是由于在较低温度下处理试样，在浇铸凝固过程当中冷却形核长大时间更短，更利于细晶效果保存在铸态金属当中。

3 结论

（1）经过超声处理后的6063铝合金有效的促进了其晶粒细化程度，抑制了第二相Mg2Si在晶粒内的析出，并促进其在晶界处的均匀分布。

（2）6063铝合金经过超声处理后，硬度值和力学性能均得到了明显的提高，并且这种增幅可以伴随热处理工艺而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超声波处理所产生的空化效应、破碎效应和声流搅拌效应，是促进合金晶粒细化和第二相析出的主要原因。

参考文献：

[1] 尚俊玲， 陈维平， 李元元. 中国铸造行业发展战略分析[J]. 铸造技术， 2007， 28（10）： 386-1389.

[2] 方华婵， 陈康华， 巢 宏， 等. Al-Zn-Mg-Cu 系超强铝合金的研究现状与展望[J]. 粉末冶金材料科学与工程， 2009， 14（6）：351-358.

[3]李晓谦， 李开晔， 陈铭，等. 超声振动对7050铝合金熔体冷却时间及凝固组织的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程， 2011（02）：249-254.

[4]乔新辉. 合金元素及均匀化工艺对Al-5Mg合金力学性能的影响[J]. 金属材料与冶金工程， 2013， 41（003）：10-14.

[5]戴光星. 熔体等温处理法制备AlSi7Mg合金半固态坯料的研究[D]. 合肥工业大学， 2006.

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[7] 肖志玲， 程和法， 杨俊，等. 机械搅拌添加硅颗粒法制备高硅铝合金的研究[J]. 铸造技术， 2010（04）：454-457.

[8] J. Barbosa， H. Puga， J. Oliveira a， S. Ribeiro b， M. Prokic. Physical modification of intermetallic phases in Al-Si-Cu alloys[J]. Materials Chemistry and Physics，2014，148：1163-1170.

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