超声振动对5356铝合金组织及力学性能的影响研究

    袁亦凯

    

    摘 要：本文研究了超声振动对5356铝合金组织以及力学性能的影响，在实际操作中，改变了变幅杆的实际插入深度，通过先进的超声处理技术研制出了5356铝合金，对铝合金的断口形态以及细小的铝合金组织进行详细的观察，结合5356铝合金自身的密度以及力学性能分析出超声振动对5356铝合金组织以及力学性能的影响，根据实验证实：没有经过超声处理的5356铝合金，经过实验测定涵盖了许多的树枝晶，同时也有许多的杂质，主要指的是氧化物，经过超声处理的5356铝合金包含的晶粒体分布相对均匀，组织中的氧化物杂质含量较少。如果铝合金熔体的表面温度为720℃，经过测定，超声的处理时间为2到5分钟，插入深度为30毫米，铝合金的抗拉强度最高，力学性能处于最佳状态，通过实验比对，经过超声处理的5356铝合金试样与没有经过超声处理的5356铝合金试样进行比较，前者无论是伸长率还是铝合金自身的密度都有了很大程度上的提高。本文重點论述了超声振动对5356铝合金组织及力学性能的影响。

    关键词：超声振动;5356铝合金组织;力学性能

    5356铝合金凭借质量轻便、抗拉强度高以及耐酸性的优点，在我国的汽车生产制造、兵工制造、航空航天等工业品制造领域得到了使用。大多数铝合金材料是5356铝合金，也会经过特殊的拉拔制造工艺将5356铝合金进行深入的加工，将大块的5356铝合金材料加工成细丝，对5356铝合金对质量的监管要求特别严格，此外，铝合金材料自身的构成组织、晶粒体以及氧化物杂质的含量直接影响了5356铝合金的质量。在5356铝合金的研究实验中，可以通过铝合金的净化处理来提升5356铝合金的质量，然而，依然是存在一些质量问题。假设熔炼铝合金过程中使用过滤等生产工友去除铝合金当中的氧化物杂质，往往会产生一些有害其他导致空气污染等。当前阶段，人们关注的重点为新型的熔体处理技术，指的是超声处理金属熔体技术，通过超声处理5356铝合金的熔体可以研究分析超声处理对于铝合金熔体细化的影响，并且得出超声处理5356铝合金的最优设置参数。

    1 试验

    1.1 合金成分

    535铝合金是依照我国标准要求进行配料的，Mg、Ti元素取上限，按照8%计算Mg元素的烧损量，其他控制元素取中间值。试验的原料主要是采取纯铝（99.97%）、纯镁（99.99%）、纯钛粉、Mn、Cr元素的添加选用AL-10Mn、AL-10Gr中间合金，细化剂选取AL-5Ti-1B中间合金。

    1.2 合金熔炼

    试验用电阻炉，在石墨坩埚内进行熔炼，炉内温度是850±10℃熔炼纯铝，熔体温度上升到850℃左右时，将覆盖剂撒到溶体表面。其一，覆盖剂可以避免溶体吸气以及表面被氧化，同时还可以有效吸附溶体表面的氧化物夹杂。在炉温上升以后静置10分钟左右再进行搅拌，900℃的时候添加铝箔纸包装好的纯钛粉，900℃以上静置15分钟左右，等到温度下降到740℃以后，添加中间合金，720℃的情况下添加纯镁，等待五分钟或者是十分钟以后，加入细化剂，静置五分钟。然后使用陶瓷泡沫网过滤溶体，浇铸温度是720℃，金属模具温度是200℃。模具是依照我国标准设计形成的，其中单铸毛坯试样是获取的金属试样。

    当前阶段，超声处理频率是20kHz，功率是1kW，为了避免振动期间高温铝熔体粘附在变幅杆中，在处理的前期阶段中，需要做好变幅杆的涂料涂抹工作，提前进行预处理，在溶体表面中心将变幅杆插进去，实施溶体等温超声处理，静置坩埚，使溶体温度远远达到浇铸温度。在超声波处理期间，一旦溶体温度是720℃以后，可以适当的改变幅杆插入深度，控制好超声波处理时间，加强熔体超声处理力度。

    在浇铸试样内，需要截取长度是15mm以及直径为18mm的圆柱试样，经过研磨和抛光以后，使用4XC类型的光学金相显微镜来分析以及调查显微组织，使用WDW-100D型号的电子万能材料试验机检验铸试样的力学性能，其中，将拉伸速度控制为0.5mm/min，在显微硬度仪中测试硬度，载荷为0.98N，使用比重瓶检测合金的实际密度，利用扫描电子显微镜观测拉伸试样的断口情况，确保X射线荧光仪测试获取的试样成分都处于标准范围中。

    2 实验分析

    2.1 分析铝合金组织中的金相组织

    图a展示的是没有经过超声处理的5356铝合金组织图，在图b中展示的是5356铝合金熔体的温度已经到达了720℃，5356铝合金组织图。实验中的两个5356铝合金金属熔体的熔炼过程以及熔炼的手艺相同，仅仅是确保超声处理方式区别。在以下的两个图片当中，A为树枝晶体，而B为铝合金组织中的杂质，C为组织中的氧化物。经过详细的实验对比可以看出，在图a中，由于没有经过超声处理，因此5356铝合金组织中含有许多的树枝晶体，同时存有许多的杂质，通过观察，树枝晶的形状为长条状态。在图b当中，通过观察，发现其中所包含的树枝晶体相对较少，氧化杂质的含量也偏低，铝合金组织中的树晶体排布相对均匀，呈现出短条状态。通过比较两者树晶体的尺寸发现，两者的尺寸差距变化不明显，经过超声处理以后，晶体的尺寸有一些增大。

    超声超声振动加入5356铝合金熔体产生化学反应以后，在铝合金熔体的表面出现许多的气泡，称之为空化泡。经过研究发现，如果在液体中传播超声波，往往会因为液体声音场的作用受其影响，在超声波的作用下，形成大量的空化泡出现临时的高压区，空化泡破裂时产生的冲击对5356铝合金组织中的树晶体产生影响，改变原先的晶体排布。依据空化泡浮游的基本原理，在进行上升时，气泡中会掺杂铝合金熔体中的气体，在空化泡表面带有其他的杂质，伴随着空化泡到铝合金熔体，可以去除铝合金熔体中的杂质。

    2.2 铝合金组织的力学性能

    2.2.1 变幅杆的插入深度对于铝合金力学性能的影响

    5356铝合金熔体超声处理以后，变幅杆的插入深度增加，铝合金自身的抗拉强度以及伸长率都会发生很大的变化。其中需要注意的是，当温度在700℃以上的时候，气体的去除效果非常好，随着变幅杆深度的变化空化气泡增多，气泡扩散，在进行上浮中则会将气体以及杂质去除，5356铝合金的力学性能发生变化。

    2.2.2 超聲处理的时间对于力学性能造成的影响

    影响铝合金组织力学性能的因素包含了超声处理的时间，可以改变超声处理铝合金熔体的时间，通过这种方式研究超声处理时间对于铝合力学性能的影响，经过研究发现，在超声处理时间为2分钟时，铝合金组织的密度较小，在超声处理到5分钟时，硬度达到峰值。5356铝合金经过超声处理后，自身的抗拉强度发生很大的改变，随着超声处理时间的增长，铝合金的伸长率变化，所以超声处理的时间在2分钟时，5356铝合金的力学性能处于最佳状态。

    3 结语

    5356铝合金经过熔炼浇筑处理以后，在铝合金组织内往往也会村早许多的分布不合理的树枝晶，同时存在大量的氧化物杂质，将5356铝合金组织经过超声处理，可以看出5356铝合金组织中的晶体呈现出均匀分布的情况，包含的氧化物杂质逐渐变少，5356铝合金熔体经过超声处理以后，变杆的插入深度发生了改变，这些情况都会直接影响5356铝合金的力学性能。5356铝合金熔体的表面温度已经达到了720℃时时，5356铝合金的力学性能最佳，经过测定超声的处理时间在2分钟，变幅杆的插入深度为30毫米，铝合金自身的抗拉强度最大，与未经过超声处理的5356铝合金进行比较，5356铝合金的伸长率、铝合金的密度、维氏硬度都得到了很大的提高。

    参考文献：

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