（东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室）
摘要：利用超声处理 AZ31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 AZ31镁合金熔体的净化。 AZ31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。
镁合金具有密度底 ， 比刚度和比强度高 ， 导热性能 、 电磁屏蔽性能 、 阻尼性能 、 切削加工性和减震性能优良 ， 同时具有尺寸稳定 、 易回收等优点 ， 使其在汽车 、 航空航 天及 ３C产品等中得到广泛的应用 。
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 AZ31镁合金为研究对象 航空航 天及 3C产品等中得到广泛的应用 。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 AZ31镁合金 ， 其化学成分见表１。超声处理装置与文献装置相同 。 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0~2KW 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AZ31 合金放入铁制坩埚中熔炼 ， 铁坩埚为圆台状 ， 高120ｍｍ，底部内径为50 ｍｍ，顶 部 内 径 为70ｍｍ，在电阻炉中熔炼时CO₂＋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10min，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20ｍｍ。为研究超声处理对AZ31合金熔体净化效果的影响 ， 选定的超声功率为0、35、95、120 和135Ｗ，熔炼时合金液高度约为110ｍｍ， 超声体积功率密度分别 为0.11、0.30、0.380.43W/cm³， 静置时间为30ｓ。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 。
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 AZ31 镁合金熔体处理30ｓ，静置30ｓ 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 AZ31 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95Ｗ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1 700 ℃时 功率对 AZ31 夹杂物分布的影响
图2为700 ℃ 时 AZ31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95W超声处理条件的铸锭电导率最高 ， 其次是35W和135W, 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 AZ31合金熔体的最优净化功率为95Ｗ。
2.2 静置时间对熔体净化效果的影响
图3为700 ℃ 时 AZ31 镁合金经120W 超声处理30ｓ 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30s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℃ 时对AZ31 镁合金进行120W超声处理30S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30S后铸锭电导率值高于静置30S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AZ31 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 （Acoustic Force）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 MgO,其 密度为3.58*103kg/ 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，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 。
图5 超声作用杂质的原理示意图
微粒的运动方程为 ：
式中 ， μ 为粘度 ；c为声波的传播速度 ；dｐ 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 AZ31 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 ，AZ31镁合金熔体超声 处理的最佳体积功率密度为0.30W/ 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 。
