專利名稱：一種真空下處理高溫金屬熔體的功率超聲裝置及方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料制備領域，特別涉及到一種高溫下使用可以處理熔體金屬的耐高溫金屬腐蝕的功率超聲裝置。
背景技術：
功率超聲是利用超聲振動形式的能量使物質發生物理、化學和生物特性或狀態發生改變，或者使這種改變的過程加快的一門技術手段。功率超聲在金屬加工領域有著廣泛應用對金屬熔體進行功率超聲處理，可以將粗大的柱狀晶轉變為細小的等軸晶，使凝固組織致密，抑制宏觀偏析，并有很好的除氣、除雜效果；在連鑄過程中施加功率超聲能改善鑄坯質量。一方面，功率超聲空化作用在合金液相線溫度以上就可以促進熔體爆發生核，這些初生晶核被超聲聲流效應產生的強制對流傳遞到整個熔體，從而得到更細小的凝固組織；另一方面，由于超聲場和電磁場引起的熔體的溫度場和濃度場的起伏也有助于枝晶臂的斷裂或枝晶根部的重熔，從而導致合金凝固組織大大細化。目前功率超聲在冶金及材料加工領域得到了一定的研究及應用，為制備潔凈、高性能合金提供了良好的基礎和契機。在使用功率超聲處理合金過程中，超聲工具頭起到將超聲波發射到液態金屬中的作用。為有效將功率超聲導入金屬液，超聲工具頭要有很好的高溫聲學特性和熱穩定性，工具頭材料的選擇是決定功率超聲應用的關鍵。在目前的實驗生產中，不銹鋼是應用最為廣泛的超聲工具頭，不銹鋼具有良好的超聲波傳遞效果和穩定性，且價格便宜，但在處理鋁合金的過程中，超聲工具頭會受到高溫鋁液和超聲波空化腐蝕的雙重影響，高溫下不銹鋼易于鋁液發生反應，另一方面，超聲波的空化作用加速工具頭端面原子活動，加速與鋁液反應，會造成不銹鋼工具頭傳遞失效并污染鋁液。而且使用不銹鋼工具頭不能處理與其熔點相似或更高的鋼或銅熔體。為了解決工具頭的防腐蝕問題，杭州成功超聲設備有限公司的陳元平設計了鍍陶瓷層的合金鋼工具頭(專利號CN201305623Y)和包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭(專利號CN2. 1713563U)；遼寧工業大學的李文軍使用直形氮化硅(Si3N4)材料制作工具頭；前蘇聯的Merritt A和0. V. Abramov分別使用鎳基合金工具頭和水冷鋼工具頭處理鋁合金，以上實驗均取得了很好的效果。但是由于成本、傳遞效率或者加工難度等原因，以上方法并沒有得到廣泛的應用。使用不銹鋼工具頭處理鋁合金熔體，目前的方法大多是延緩工具頭的腐蝕，而很少改變工具頭材料以解決腐蝕問題。本發明采用金屬鉭作為工具頭材料。鉭的熔點高達^96°C，在金屬中其熔點僅次于鎢、錸、鋨，可以用來處理鋁、鋼、銅及其合金熔體。鉭的質地十分堅硬，且富有延展性，聲音在其中的傳播速率為3400m/s，熱膨脹系數很小，這些優良的物理性能使鉭具有優秀的超聲傳導性。最為重要的是，鉭有非常穩定的化學性質，具有極高的抗腐蝕性，在冷和熱的條件下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應，鉭是極少數不與鋁反應的金屬之一
發明內容
本裝置主要解決原有的不銹鋼工具頭在超聲傳導過程中被高溫金屬熔體腐蝕，導致工具頭傳遞超聲失效，污染金屬液以及不能處理高溫銅合金及鋼熔體的技術問題；提供一種在高溫金屬熔體中使用不被腐蝕，保證超聲波穩定傳遞，并可以持續在金屬熔體中加載超聲波的工具頭。本裝置的上述技術問題是通過以下技術方案得以解決一種真空下處理高溫金屬熔體的功率超聲裝置，包括超聲波換能器、變幅桿、不銹鋼連接桿、工具頭、超聲電源、保溫加熱裝置、真空罩、測溫裝置和真空控制器。其特征在，由超聲波換能器、變幅桿、不銹鋼連接桿、工具頭和超聲電源組成功率超聲裝置，不銹鋼連接桿、工具頭、變幅桿之間分段式連接，工具頭本體與不銹鋼連接桿之間，不銹鋼連接桿與超聲變幅桿之間均使用螺栓連接。使用不銹鋼連接桿將鉭工具頭與變幅桿相連，一方面確保超聲傳導穩定，避免因導熱過快、溫度過高致使超聲換能器中的壓電陶瓷失效，另一方面減少鉭的使用量，降低成本。其中，真空罩內放置合金熔體及保溫加熱裝置。作為一種改進，本發明將超聲換能器、待處理合金以及保溫裝置置于真空裝置中保護起來，一方面真空條件可以確保鉭工具頭高溫下不被氧化變質，另一方面，真空條件有助于提高功率超聲對金屬熔體的除氣效果。本發明工具頭可以采用純度為99. 98%的鉭，使其在高溫下不與活潑的鋁或其他金屬熔體發生反應，從而保證裝置可以通過工具頭將超聲波穩定、持續的傳導作用在鋁、銅及鋼等金屬或合金熔體中。鑄造過程中，開啟保溫加熱裝置，并通過測溫裝置控制金屬熔體的溫度，使用真空控制器對真空罩內做抽氣真空處理，待達到所要求真空度后，使用功率超聲裝置對金屬熔體進行超聲處理，處理過程中通過調節保溫加熱裝置選擇不同的冷卻方式，直至達到所需的超聲處理時間，即獲得凝固組織細小均勻，具有良好力學性能的金屬合金鑄錠。鑄造過程中，真空罩內真空度可以為Kr1-KT2Patj —方面真空條件可以確保鉭工具頭高溫下不被氧化變質，另一方面，真空條件有助于提高超聲處理對金屬熔體的除氣效
: O本發明的有益效果是與鍍膜的不銹鋼工具頭相比，鉭工具頭從根本上改變工具頭的保護方式，在使用時間和使用溫度上都有了很大的提高。與陶瓷工具頭相比，鉭工具頭具有更好的超聲波傳遞性和更高的傳遞效率，而且更易于加工制作。與不銹鋼工具頭相比，鉭工具頭具有更高的工作溫度和更穩定的性能，可以用于處理活潑的鋁合金熔體以及熔點更高的銅合金或鋼熔體，即增強了工具頭的抗腐蝕性能和硬度，又確保其振動頻率穩定，延長了超聲波在金屬熔體的作用時間，也延長了工具頭的使用壽命。
附圖1是真空超聲處理金屬熔體的裝置示意圖。附圖2是鉭工具頭本體、不銹鋼連接桿和超聲變幅桿的連接示意圖。圖中1超聲波換能器，2變幅桿，3不銹鋼連接桿，4工具頭，5待處理金屬熔體，6保溫加熱裝置，7超聲電源，8真空罩，9測溫裝置，10真空控制器。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。如圖1、圖2所示，采用鉭工具頭的真空超聲處理金屬熔體的裝置示意圖。該功率超聲裝置，包括超聲波換能器1、變幅桿2、不銹鋼連接桿3、工具頭4、超聲電源7、保溫加熱裝置6、真空罩8、測溫裝置9和真空控制器10 ；超聲波換能器、變幅桿、不銹鋼連接桿、工具頭和超聲電源組成功率超聲裝置，不銹鋼連接桿3、工具頭4、變幅桿2之間分段式連接，工具頭本體與不銹鋼連接桿之間，不銹鋼連接桿與超聲變幅桿之間均使用螺栓連接；真空罩8內放置合金熔體5及保溫加熱裝置6。采用純度為99. 98%的鉭做為工具頭4，鉭工具頭4長為80mm，確保鉭工具頭滿足不同處理金屬熔體時不同浸入深度的要求。將錫黃銅合金HSn90-l熔體5放入保溫加熱裝置6中保溫加熱，通過測溫裝置9控制銅合金熔體5的溫度，使用真空控制器10對真空罩8內做抽氣真空處理，待達到所要求真空度10-1-10-2 后，使用超聲裝置1-4，7對金屬熔體進行超聲處理，處理過程中可通過調節保溫加熱裝置6選擇不同的冷卻方式，待達到超聲處理的時間之后，關閉電源，停止加載超聲，待銅合金熔體5冷卻后，打開真空罩8，關閉電源，所獲得的錫黃銅試樣內部組織均勻致密，晶粒細化，有很好的凈化效果，因此具有良好的力學性能。
權利要求
1.一種真空下處理高溫金屬熔體的功率超聲裝置，包括超聲波換能器(1)、變幅桿(2)、不銹鋼連接桿(3)、工具頭(4)、超聲電源(7)、保溫加熱裝置(6)、真空罩(8)、測溫裝置(9)和真空控制器(10)；其特征在，由超聲波換能器、變幅桿、不銹鋼連接桿、工具頭和超聲電源組成功率超聲裝置，不銹鋼連接桿(3)、工具頭G)、變幅桿( 之間分段式連接，工具頭本體與不銹鋼連接桿之間，不銹鋼連接桿與超聲變幅桿之間均使用螺栓連接；真空罩(8)內放置合金熔體( 及保溫加熱裝置(6)。
2.根據權利要求1所述的功率超聲裝置，其特征在于采用純度為99.98%的鉭做為工具頭⑷。
3.根據權利要求2所述的功率超聲裝置，其特征在于分段式連接的工具頭，鉭工具頭(4)長為 80mm。
4.使用權利要求1-3中任一所述裝置的方法，其特征在于，鑄造過程中，開啟保溫加熱裝置(6)，并通過測溫裝置(9)控制金屬熔體(5)的溫度，使用真空控制器(10)對真空罩(8)內做抽氣真空處理，待達到所要求真空度后，使用功率超聲裝置對金屬熔體進行超聲處理，處理過程中通過調節保溫加熱裝置(6)選擇不同的冷卻方式，直至達到所需的超聲處理時間，即獲得凝固組織細小均勻，具有良好力學性能的金屬合金鑄錠。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于鑄造過程中，真空罩(8)內的真空度為KT1-KT2Pa0
全文摘要
一種真空下處理高溫金屬熔體的功率超聲裝置及方法，屬于金屬材料制備領域。本發明技術特征是使用功率超聲裝置在真空下處理高溫金屬熔體，裝置特征是，采用純度為99.98％的鉭做為工具頭材料，保證穩定持續的傳導超聲波，并且不被高溫金屬液腐蝕。鑄造過程中采用真空裝置將超聲換能器、待處理合金液以及保溫裝置保護起來，一方面真空條件可以確保鉭工具頭高溫下不被氧化變質，另一方面，真空條件有助于提高超聲處理對金屬熔體的除氣效果。生產出的合金材料，凝固組織細小致密，分布均勻，凈化效果良好，因此力學性能有了很大提高。本發明為超聲處理高溫熔體在工業生產中的應用提供了一種新的技術手段。
文檔編號C22B9/22GK102554195SQ20111046020
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者盧一平, 張宇博, 曹志強, 李廷舉, 王同敏 申請人:大連理工大學