超声波功率对铸轧5182铝合金带坯组织性能的影响

郝建飞+李润霞+王顺成+李继林+甘春雷+宋东福

摘要： 采用超声波连续铸轧工艺制备5182铝合金带坯，研究了超声波功率对5182铝合金带坯组织性能的影响.结果表明：施加超声波振动可细化5182铝合金带坯的晶粒组织，减轻元素的偏析程度.超声波的功率越大，5182铝合金带坯的晶粒越细小，元素偏析程度越小，拉伸力学性能越高.当超声波功率为800 W时，5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa，伸长率为18.4%，与未施加超声波振动相比，此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%，伸长率提高了26.0%.

关键词： 5182铝合金； 连续铸轧； 超声振动； 超声波功率

中图分类号： TG 146.21

文献标志码： A

连续铸轧工艺具有工艺流程短、投资规模小和高效节能等优点，在铝合金带坯生产中得到广泛应用[1-2].但常规的连续铸轧工艺目前只能生产1xxx系、3xxx系和8xxx系等低合金化的铝合金带坯，尚不能生产5xxx系和6xxx系等合金化程度较高的铝合金板带坯，原因是铝合金板带坯容易出现元素偏析、晶粒粗大等问题[3].为了解决上述问题，Mao等[4]研究了超声波振动对铸轧1235铝合金带坯显微组织的影响，夏晨希等[5]研究了超声波处理对铸轧3003铝合金带坯组织性能的影响.研究结果表明，在连续铸轧过程中施加超声波振动可以细化铝合金板带坯的晶粒组织，减轻元素微观偏析程度，进而提高铝合金带坯的塑性和强度.5182铝合金具有良好的抗腐蚀性能、加工性能和焊接性能，广泛应用于汽车、船舶、电子电器和航空航天等领域[6]，但5182铝合金带坯目前主要采用热轧工艺生产，尚未见到采用连续铸轧工艺生产[7-8].因此，本文采用超声波连续铸轧工艺生产5182铝合金带坯，研究超声波功率对5182铝合金带坯组织性能的影响.

1 试验材料与方法

试验材料为5182铝合金，采用工业纯铝（99.7%，质量分数，下同）、工业纯镁（99.8%）、速溶硅和Al10Mn合金熔炼配制，熔炼设备为100 kg铝合金熔炼炉，经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定，其化学成分为：Mg 4.62%，Mn 0.46%，Si 0.16%，Fe 0.14%，Cu 0.1%，余量为Al.

试验设备为辊径400 mm的水平式双辊铸轧机、电磁感应加热炉和超声波发生器.其中，铸轧机的铸嘴宽为200 mm，铸嘴型腔高为18 mm，铸轧区长度为50 mm.超声波发生器的频率为20 kHz，最大功率为1 kW，且功率可调.压电陶瓷式换能器的直径为50 mm，导入杆材料为合金钢.图1为超声波连续铸轧装置示意图.

在电磁感应加热炉内于740 ℃加热熔化5182铝合金，进行精炼、扒渣后，将5182铝合金液导入铸轧机前箱，保持前箱内5182铝合金液的温度为690 ℃，将超声波导入杆插入液面下10 mm，分别在超声波功率为300，500和800 W的条件下，将5182铝合金液连续铸轧成宽为220 mm、厚为6.2 mm的5182铝合金带坯，铸轧速度为1.2 m/min.

试验完成后，在5182铝合金带坯上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICADMI3000M金相显微镜上对带坯横截面（显微照片即为横截面照片）组织进行观察，在Nova NanoSEM 430扫描电子显微镜上观察试样的第二相粒子大小、形貌及其分布，并对第二相粒子进行能谱分析.将铝合金板带坯加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2 mm/min.

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

图2为超声波功率对铸轧5182铝合金带坯显微组织的影响.从图2（a）可看到，未施加超声波振动时，5182铝合金带坯中的显微组织均为粗大的αAl枝晶，在αAl枝晶的晶界处存在大量的共晶相，对带坯的共晶相进行能谱分析.根据析出相的各元素含量可知，晶界处的共晶相是由浅灰色骨骼状的β（Al8Mg5）相和灰色块状的Al6Mn相组成.如图3所示，在晶界处偏聚的共晶相是由于铝合金液体在凝固过程中，Mg原子在合金液体中来不及扩散发生非平衡结晶形成的Al8Mg5相，以及Mn原子在Al基体中固溶度较低而偏聚于晶界形成的Al6Mn相[9-11].表明5182铝合金带坯存在Mg，Mn合金元素的微观偏析.从图2（b）～（d）可看到，当施加超声波振动后，随着超声波功率的增大，5182铝合金带坯的αAl枝晶晶粒逐渐得到细化，αAl枝晶晶间的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量越少，带坯中的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量趋于更加均匀，表明施加超声波振動可细化5182铝合金带坯的晶粒组织，减轻Mg，Mn合金元素的微观偏析程度.

对于超声波振动细化合金的晶粒，国内外学者提出了众多理论，目前被大多数学者所接受的是超声空化效应和声流效应[12-13].在超声波负压下，液体分子被拉裂产生空化泡，空化泡破裂时会从周围的液体中吸收热量，造成局部过冷，因而在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加，组织得到细化.在空化泡崩溃过程中，强烈的冲击波将击碎初生晶体和正在长大的晶体，而破碎的晶体在声流的搅拌作用下，再次分布到熔体中，提高了生核率.合金的显微偏析程度与熔体的冷却速率、杂质元素的扩散程度、凝固前沿熔体的热对流程度以及溶质的分配系数有关.而超声波能够减轻元素偏析是因为，在铝熔体中施加超声波后，在交变声场的作用下产生的空化泡在经过周期性振荡下长大并瞬间崩溃，在晶核簇附近产生剧烈振荡，使晶核脱落，分散开来，经过超声声流的搅拌作用，晶核均匀地分布到熔体中的各个部位，促进了溶质元素和一些微细颗粒的均匀弥散，减小了溶质富集层的厚度，同时在施加超声振动过程中晶粒得到细化.晶粒越小，晶粒之间相互接触的生长过程就越短，晶粒内的溶质在晶粒间的累积时间就越短，显微偏析出现的几率就越减小.endprint

在5182铝合金带坯铸轧成形过程中，由于水冷轧辊的冷却作用，会在熔体内产生较大的过冷度，该过冷度会促使晶核在结晶区内形成.由于表层熔体散热方式是单向散热，使得结晶区的晶核会逆着热流方向择优生长，导致在常规铸轧工艺下的5182铝合金带坯以粗大的αAl枝晶为主.同时由于5182铝合金的合金化程度较高，因此在铸轧成带坯时，容易产生较为严重的Mg，Mn合金元素偏析[14-15].在铸轧过程中施加超声波振动之后，一方面，超声波产生的空化效应可以使铝熔体产生强烈的振荡，加剧熔体的结构起伏和能量起伏，使生长中的或已经长大的αAl枝晶熔断、脱落，弥散分布在亚稳态溶体中，促进金属的非均质形核，提高形核率，使晶粒细化 [16-18]；另一方面，超声波产生的声流效应，对铝熔体具有搅拌作用，溶质元素Mg，Mn随铝熔体不断翻滚、扩散，在凝固过程中呈弥散分布，使得溶质元素Mg，Mn在晶内和晶界上分布更加均匀，从而使5182铝合金带坯晶界处的Al8Mg5，Al6Mn共晶相富集量减少，分布更均匀[19-20].

2.2 力学性能

图4为超声波功率对5182铝合金带坯拉伸力学性能的影响.从图4中可以看出，5182铝合金带坯的拉伸力学性能随着超声波功率的增大而逐渐提高.当未施加超声波振动时，5182铝合金带坯的抗拉强度为182.6 MPa，伸长率为14.6%.当超声波功率达到800 W时，5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa，伸长率为18.4%，与未施加超声波振动相比，此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%，伸长率提高了26%.

3 结 论

（1） 在连续铸轧过程中施加超声波振动，可细化5182铝合金带坯的晶粒组织，减轻元素偏析.超声波的功率越大，5182铝合金带坯的晶粒越细小，元素偏析程度越小，拉伸力学性能越高.

（2） 当超声波功率为800 W时，5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa，伸长率为18.4%，与未施加超声波振动相比，此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%，伸长率提高了26%.

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