超聲處理對Pb-Sn合金熔體電阻的影響.pdf

1、大量研究已經(jīng)表明，超聲處理鎂合金、鋁合金以及Pb-Sn等低熔點(diǎn)金屬合金均可以顯著細(xì)化凝固組織，但因超聲桿對金屬熔體可能存在的污染而嚴(yán)重制約了超聲熔體處理的工業(yè)應(yīng)用。但是，鎂合金因其具有很低的Fe溶解度而使得鐵質(zhì)超聲桿在鎂合金熔體中具有優(yōu)良的耐久性，因此，鎂合金熔體超聲處理是具有十分光明的工業(yè)應(yīng)用前景。雖然國內(nèi)外學(xué)者就有關(guān)超聲波對金屬凝固并在超聲凝固理論研究中取得許多成果。但是目前的相關(guān)研究主要集中在對凝固組織的影響，未能就超聲空化等非線

2、性效應(yīng)如何影響熔體的形核與長大的凝固行為作出回答。熔體電阻是表征金屬熔體結(jié)構(gòu)變化的十分重要的物性參數(shù)，對金屬熔體施加超聲過程中以及之后對熔體電阻的影響研究將可以很好反映超聲對熔體結(jié)構(gòu)的改變，從而可從更深入的角度理解超聲對凝固行為影響的機(jī)理，同時(shí)也將對凝固組織的超聲控制提供更具體可靠的理論基礎(chǔ)。
　　本文作為國家自然基金項(xiàng)目“超聲致鎂合金熔體凝固行為與熔體電阻率變化的相關(guān)性研究”的一部分，采用四電極法并通過專門設(shè)計(jì)的可以施加超聲場的

3、金屬熔體電阻測量單元，系統(tǒng)測量了超聲處理對Pb-20％Sn、Pb-10％Sn和Al-12％Si等幾種合金的電阻的影響規(guī)律，研究了連續(xù)超聲處理功率與時(shí)間、處理溫度以及超聲處理后的保溫時(shí)間;合金熔體升溫和降溫過程間隙施加連續(xù)超聲對電阻的影響;以及脈沖超聲的脈寬與脈沖頻率對熔體電阻的影響規(guī)律。研究取得了以下主要成果:
　　(1)所設(shè)計(jì)的金屬熔體電阻測量單元具有良好的穩(wěn)定性，可以精確測量金屬熔體電阻的細(xì)微變化，測量精度達(dá)到0.001mΩ，

4、并實(shí)現(xiàn)了電阻值與金屬熔體溫度的同步采樣。采用該裝置可以實(shí)現(xiàn)施加超聲場條件下的金屬熔體電阻的準(zhǔn)確測量;
　　(2)通過研究表明，采用四電極電阻測量法可以精確反映超聲處理對熔體電阻的影響，表明超聲處理對熔體結(jié)構(gòu)的影響完全可以通過熔體電阻測量來表征。首次發(fā)現(xiàn)超聲對金屬熔體電阻的改變存在瞬時(shí)變化與持久性變化，指出瞬時(shí)電阻變化量主要與超聲空化對有序結(jié)構(gòu)的周期性振動的影響有關(guān)，而電阻的持久變化量反映了超聲空化對微結(jié)構(gòu)有序性影響的程度，是與凝固

5、行為直接相關(guān)的重要物理量。對這一物理量的準(zhǔn)確測量將為深入理解超聲處理對金屬熔體凝固行為的影響以及優(yōu)化超聲處理工藝提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);首次發(fā)生超聲對熔體電阻的持久變化量;
　　(3)通過對Al-12％Si、Pb-20％Sn和Pb-10％Sn合金的研究表明，超聲處理使Al基合金熔體的電阻顯著增加，但使Pb-Sn基合金的電阻減小，表明超聲對Al基合金和Pb-Sn基合金熔體微結(jié)構(gòu)的有序性影響可能具有不同的方向;同時(shí)表明，Pb-Sn合金的

6、Sn含量對電阻的變化量影響顯著，高Sn含量時(shí)超聲對熔體電阻的改變更顯著;
　　(4)精確測量了超聲處理?xiàng)l件對Pb-20％Sn合金熔體電阻的瞬態(tài)電阻變化量ΔR和持久變化量Δr的影響規(guī)律，表明提高超聲功率和處理溫度，熔體電阻的瞬時(shí)電阻變化量ΔR和電阻持久變化量Δr均顯著增加，而延長處理時(shí)間對ΔR影響很小，但適當(dāng)延長處理時(shí)間(3min延長為5min)可顯著提高Δr值，處理時(shí)間太長則不再有明顯變化。這表明提高超聲功率和處理溫度以及適當(dāng)延長

7、處理時(shí)間可顯著增加熔體微結(jié)構(gòu)的有序性變化程度，這與超聲處理金屬合金熔體對凝固組織影響的事實(shí)相吻合，進(jìn)一步說明了Δr與凝固行為的相關(guān)性;而熔體微結(jié)構(gòu)周期性振動主要受超聲功率和處理溫度影響，與處理時(shí)間無關(guān);
　　(5)研究了超聲處理Pb-20％Sn的時(shí)效性發(fā)現(xiàn)，時(shí)效性Δt和超聲處理狀態(tài)保持時(shí)間Δt1與超聲工藝條件處理功率、處理溫度和處理時(shí)間有關(guān)。Δt和Δt1隨處理功率的增加而延長。Δt隨處理溫度的增加呈先增加后降低趨勢;
　　(

8、6)通過對Pb-20％熔體升溫與降溫過程間隙施加超聲的電阻變化研究表明，與液相時(shí)完全不同，超聲對電阻持久變化量的影響在兩相區(qū)時(shí)為零，而瞬時(shí)電阻變化量隨固相率減小先增加后減小，表明超聲處理不能改變兩相區(qū)熔體結(jié)構(gòu)的有序化程度，同時(shí)表明高固相率時(shí)，固相率降低將使超聲對初生固相顆粒的擾動增加從而增加顆粒碰撞機(jī)會使電阻瞬時(shí)變化量增加，但低固相率時(shí)，固相率降低盡管將使超聲對初生固相顆粒的擾動進(jìn)一步增加，但固相間碰撞機(jī)會逐漸降低，對電阻瞬時(shí)變化量增加