CN110512070A - 一种非接触式超声振动细化晶粒的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式超声振动细化晶粒的设备及方法，超声振头的下端穿过箱盖并顶在振动板上，振动板连接有振动板连接件，振动板连接件穿过固定板并下端连接有陶瓷，振动板和固定板之间的振动板连接件套有弹簧，固定板是通过多个固定板连接杆连接在箱盖上的，箱体内设有一个坩埚，坩埚的周圈设有感应线圈，陶瓷位于坩埚的内部。方法步骤如下：①将金属在坩埚内熔化后并保温；②将金属熔体冷却降到糊状区后，将陶瓷浸入到熔融金属中，施加超声波振动；③振动一段时间后把陶瓷从金属内移除；④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温。本发明能够实现连续的超声振动，能够细化晶粒。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，涉及合金晶粒细化和强化领域，尤其涉及一种非接触式超声振动细化晶粒的设备及方法。
背景技术
晶粒细化（即减小初晶α-Al晶粒尺寸）是获得优质金属锭、减少偏析、改善冶金质量的重要途径。也有助于改善合金的加工性能，同时其也是工业上提高铸造合金力学性能的必要手段之一。超声作用对多种合金都有晶粒细化的效果，超声是通过空化、声流效应和辐射压力等物理作用对熔体微观结构带来影响，能够有效地改善材料的组织和性能，是制备超级金属的一种发展方向。同电磁搅拌相比，超声搅拌具有作用范围广、搅拌均匀和除气效果好的优点。超声搅拌在除气、减少夹杂以及减少宏观偏析方面有很大作用。但是由于超声发生器的压电陶瓷材料最高发声使用温度为120℃，传统的将超声振头伸入到熔体中施加振动的方式，由于熔体温度高，超声振头容易损坏从而影响分散效果。
发明内容
发明目的
本发明的目的是为了解决金属及其合金晶粒细化的问题。提供一种非接触式超声振动细化晶粒的方法，可使超声振头长时间连续工作，细化作用范围大。
技术方案
一种非接触式超声振动细化晶粒的设备,其特征在于：箱体的上端设有箱盖，超声振头的上端固定在超声振头支撑夹具上，超声振头的下端穿过箱盖并顶在振动板上，振动板连接有多个振动板连接件，振动板连接件穿过固定板并下端连接有陶瓷，陶瓷为陶瓷片或陶瓷柱，振动板和固定板之间的振动板连接件套有具有预紧力的弹簧，固定板是通过多个固定板连接杆连接在箱盖上的，所述箱体内设有一个坩埚，坩埚的周圈设有用于加热坩埚的感应线圈，陶瓷位于坩埚的内部。
所述超声振头支撑夹具的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座上，超声振头支撑夹具用于夹持超声振头的一端两侧为弧形夹具片，弧形夹具片的一侧设有两个控制弧形夹具片开合的合页，另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。
优选的一种情况是所述振动板连接件为上侧有螺纹、下侧有螺纹并且中间侧无螺纹的耐火陶瓷钉，振动板通过螺纹连接有多个振动板连接件，振动板连接件穿过固定板并下端通过螺纹连接有陶瓷，陶瓷为具有多竖直通孔的陶瓷，陶瓷的直径为100-10000mm，孔的数量为100-5000个，孔径为3~50㎜。
优选的另一种情况是所述振动板连接件为90°弯折的丝杆，振动板连接有多个振动板连接件，振动板连接件竖直穿过固定板并且下部弯折的端部皆连接在固定环上，固定环周圈设有顶丝，固定环内通过顶丝固定有陶瓷，陶瓷为陶瓷棒，陶瓷的直径为2~100mm。
所述超声振头与箱盖之间设有直线轴承a，振动板连接件与固定板之间设有直线轴承b。
所述直线轴承a的上下端设有骨架油封。
一种使用所述的设备制备超声振动细化晶粒的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将待细化金属在坩埚内熔化后并保温一段时间；
②将金属熔体冷却一段时间，直到熔体温度降到糊状区后，将预热处理后的陶瓷浸入到熔融金属中，在振动板的上方施加超声波振动，进而传导给陶瓷；
③振动一段时间后把陶瓷从金属内移除；
④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温，得到细化晶粒的材料。
所述步骤②中金属熔体的温度降到该金属的糊状区后，陶瓷在糊状区中振动0.5-20min。
所述步骤②中的预热处理，预热的温度为金属熔体的温度，在此温度下保温20-60min，预热过程的升温速率为5-50℃/min。
所述步骤①中金属熔体在液相线以上5-50℃保温0.5-3h。
优点及效果
本发明采用非接触式超声振动的方式，可有效防止超声发生器温度过高不工作或者衰减严重导致晶粒细化范围有限的问题，能够实现连续的超声振动，有利于金属熔体晶粒的细化有利于金属及其合金性能的提升。
附图说明
图1 为本发明设备实施例1的结构示意图；
图2为本发明设备实施例1的箱体及其内部俯视结构示意图；
图3为本发明设备实施例2的结构示意图；
图4为本发明设备实施例2的箱体及其内部俯视结构示意图；
图5为本发明设备实施例2的固定环处结构示意图；
图6为具有多竖直通孔的陶瓷结构示意图；
图7为超声振头支撑夹具夹持超声振头处的结构示意图；
图8为直线轴承结构示意图；
图9为Al、Cr、Fe和Ni系高熵合金在使用本设备和方法细化之前的晶粒图；
图10为Al、Cr、Fe和Ni系高熵合金在使用本设备和方法细化之后的晶粒图；
图11为金属铝在使用本设备和方法细化之前的晶粒图；
图12为金属铝在使用本设备和方法细化之后的晶粒图。
附图标记说明：
1.超声振头、2.箱体、3.箱盖、4.固定板连接杆、5.固定板、6.振动板、7.振动板连接件、8.弹簧、9.直线轴承a、10.直线轴承b、11.坩埚、12.感应线圈、13.陶瓷、14.固定环、15.金属熔体、16.超声振头支撑夹具、17.支撑夹具底座、18.电源a、19.电源b、20.弧形夹具片、21.合页、22.骨架油封、23.顶丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
设备实施例1
如图1、图2、图6、图7和图8所示，一种非接触式超声振动细化晶粒的设备,箱体2的上端设有箱盖3，超声振头1的上端固定在超声振头支撑夹具16上，超声振头支撑夹具16的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座17上，支撑夹具底座17具有一定的重量，防止超声振头1工作时候发生掉落危险。超声振头支撑夹具16用于夹持超声振头1的一端两侧为弧形夹具片20，弧形夹具片20的一侧设有两个控制弧形夹具片20开合的合页21，另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。超声振头1的下端穿过箱盖3并顶在振动板6上，超声振头1与箱盖3之间设有直线轴承a 9，直线轴承a 9的上下端设有骨架油封22，振动板6连接有多个振动板连接件7，振动板连接件7穿过固定板5并下端连接有陶瓷13，振动板连接件7与固定板5之间设有直线轴承b 10，陶瓷13为陶瓷片或陶瓷柱，振动板6和固定板5之间的振动板连接件7套有压缩的具有预紧力的弹簧8，固定板5是通过多个固定板连接杆4连接在箱盖3上的，所述箱体2内设有一个坩埚11，坩埚11的周圈设有用于加热坩埚的感应线圈12，陶瓷13位于坩埚11的内部。感应线圈12通过电源线连接在电源a 18上，超声振头1通过电源线连接在电源b 19上。优选的，箱体2一侧设有开启门，以便实验观察和维修。振动板连接件7为上侧有螺纹、下侧有螺纹并且中间侧无螺纹的耐火陶瓷钉，振动板6通过螺纹连接有多个振动板连接件7，振动板连接件7穿过固定板5并下端通过螺纹连接有陶瓷13，陶瓷13为具有多竖直通孔的陶瓷，陶瓷13的直径为100-10000mm，孔的数量为100-5000个，孔径为3~50㎜。
设备实施例2
如图3、图4、图5、图7和图8所示，一种非接触式超声振动细化晶粒的设备,箱体2的上端设有箱盖3，超声振头1的上端固定在超声振头支撑夹具16上，超声振头支撑夹具16的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座17上，支撑夹具底座17具有一定的重量，防止超声振头1工作时候发生掉落危险。超声振头支撑夹具16用于夹持超声振头1的一端两侧为弧形夹具片20，弧形夹具片20的一侧设有两个控制弧形夹具片20开合的合页21，另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。超声振头1的下端穿过箱盖3并顶在振动板6上，超声振头1与箱盖3之间设有直线轴承a 9，直线轴承a 9的上下端设有骨架油封22，振动板6连接有多个振动板连接件7，振动板连接件7穿过固定板5并下端连接有陶瓷13，振动板连接件7与固定板5之间设有直线轴承b 10，陶瓷13为陶瓷片或陶瓷柱，振动板6和固定板5之间的振动板连接件7套有压缩的具有预紧力的弹簧8，固定板5是通过多个固定板连接杆4连接在箱盖3上的，所述箱体2内设有一个坩埚11，坩埚11的周圈设有用于加热坩埚的感应线圈12，陶瓷13位于坩埚11的内部。感应线圈12通过电源线连接在电源a 18上，超声振头1通过电源线连接在电源b 19上。优选的，箱体2一侧设有开启门，以便实验观察和维修。振动板连接件7为90°弯折的丝杆，振动板6通过螺母连接有多个振动板连接件7，振动板连接件7竖直穿过固定板5并且下部弯折的端部皆焊接的方式连接在固定环14上，固定环14周圈设有顶丝23，固定环14内通过顶丝23固定有陶瓷13，陶瓷13为陶瓷棒，陶瓷的直径为2~100mm。
方法实施例1
一种使用如上述设备实施例1或设备实施例2的设备制备超声振动细化晶粒的方法，包括以下步骤：
①将待细化金属铝在坩埚11内熔化成金属熔体15后并在金属熔体15液相线以上5℃保温3h；
②将金属熔体15冷却一段时间，直到金属熔体温度降到该金属的糊状区后， 温度为金属熔体的温度预热处理陶瓷13，在此温度下保温20 min，预热过程的升温速率为5℃/min。将预热处理后的陶瓷13固定于固定环14并盖上箱盖3将陶瓷13，浸入到熔融金属中，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给陶瓷13，陶瓷13在糊状区中振动20min；
③振动一段时间后将超声振头支撑夹具16松开，并同时将箱盖3打开，进而把陶瓷13从金属内移除；
④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温，得到细化晶粒的材料。
如图11和图12所示，金属铝在使用本设备和方法细化前后的晶粒对比图。在金属凝固过程中施加超声振动，由于功率超声的高能量，很容易将生长的晶粒振碎，从而能够显著抑制晶粒的生长，并且可以提供较多的异质形核质点，从而达到晶粒细化的目的，实现复合材料性能的提升。
方法实施例2
一种使用如上述设备实施例1或设备实施例2的设备制备超声振动细化晶粒的方法，包括以下步骤：
①将待细化金属铝在坩埚11内熔化成金属熔体15后并在金属熔体15液相线以上50℃保温0.5h；
②将金属熔体15冷却一段时间，直到金属熔体温度降到该金属的糊状区后， 温度为金属熔体的温度预热处理陶瓷13，在此温度下保温60min，预热过程的升温速率为50℃/min。将预热处理后的陶瓷13固定于固定环14并盖上箱盖3将陶瓷13，浸入到熔融金属中，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给陶瓷13，陶瓷13在糊状区中振动0.5min；
③振动一段时间后将超声振头支撑夹具16松开，并同时将箱盖3打开，进而把陶瓷13从金属内移除；
④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温，得到细化晶粒的材料。
在金属凝固过程中施加超声振动，由于功率超声的高能量，很容易将生长的晶粒振碎，从而能够显著抑制晶粒的生长，并且可以提供较多的异质形核质点，从而达到晶粒细化的目的，实现复合材料性能的提升。
方法实施例3
一种使用如上述设备实施例1或设备实施例2的设备制备超声振动细化晶粒的方法，包括以下步骤：
①将待细化Al、Cr、Fe和Ni系高熵合金在坩埚11内熔化成金属熔体15后并在金属熔体15液相线以上25℃保温0.5-3h；
②将金属熔体15冷却一段时间，直到金属熔体温度降到该金属的糊状区后， 温度为金属熔体的温度预热处理陶瓷13，在此温度下保温40 min，预热过程的升温速率为30℃/min。将预热处理后的陶瓷13固定于固定环14并盖上箱盖3将陶瓷13，浸入到熔融金属中，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给陶瓷13，陶瓷13在糊状区中振动10min；
③振动一段时间后将超声振头支撑夹具16松开，并同时将箱盖3打开，进而把陶瓷13从金属内移除；
④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温，得到细化晶粒的材料。
如图9和图10所示，Al、Cr、Fe和Ni系高熵合金在使用本设备和方法细化前后的晶粒对比图。由图可以看出功率超声的声流和空化效应有利于合金相在熔体内部的均匀分布，因此有利于bcc相分布更加均匀，bcc强度较高，所以均匀分布的bcc相能够提升材料的整体的抗压缩强度。
Claims (10)
1.一种非接触式超声振动细化晶粒的设备,其特征在于：箱体（2）的上端设有箱盖（3），超声振头（1）的上端固定在超声振头支撑夹具（16）上，超声振头（1）的下端穿过箱盖（3）并顶在振动板（6）上，振动板（6）连接有多个振动板连接件（7），振动板连接件（7）穿过固定板（5）并下端连接有陶瓷（13），陶瓷（13）为陶瓷片或陶瓷柱，振动板（6）和固定板（5）之间的振动板连接件（7）套有具有预紧力的弹簧（8），固定板（5）是通过多个固定板连接杆（4）连接在箱盖（3）上的，所述箱体（2）内设有一个坩埚（11），坩埚（11）的周圈设有用于加热坩埚的感应线圈（12），陶瓷（13）位于坩埚（11）的内部。
2.根据权利要求1所述的非接触式超声振动细化晶粒的设备，其特征在于：所述超声振头支撑夹具（16）的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座（17）上，超声振头支撑夹具（16）用于夹持超声振头（1）的一端两侧为弧形夹具片（20），弧形夹具片（20）的一侧设有两个控制弧形夹具片（20）开合的合页（21），另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。
3.根据权利要求1所述的非接触式超声振动细化晶粒的设备，其特征在于：所述振动板连接件（7）为上侧有螺纹、下侧有螺纹并且中间侧无螺纹的耐火陶瓷钉，振动板（6）通过螺纹连接有多个振动板连接件（7），振动板连接件（7）穿过固定板（5）并下端通过螺纹连接有陶瓷（13），陶瓷（13）为具有多竖直通孔的陶瓷，陶瓷（13）的直径为100-10000mm，孔的数量为100-5000个，孔径为3~50㎜。
4.根据权利要求1所述的非接触式超声振动细化晶粒的设备，其特征在于：所述振动板连接件（7）为90°弯折的丝杆，振动板（6）连接有多个振动板连接件（7），振动板连接件（7）竖直穿过固定板（5）并且下部弯折的端部皆连接在固定环（14）上，固定环（14）周圈设有顶丝（23），固定环（14）内通过顶丝（23）固定有陶瓷（13），陶瓷（13）为陶瓷棒，陶瓷的直径为2~100mm。
5.根据权利要求1所述的非接触式超声振动细化晶粒的设备，其特征在于：所述超声振头（1）与箱盖（3）之间设有直线轴承a（9），振动板连接件（7）与固定板（5）之间设有直线轴承b（10）。
6.根据权利要求5所述的非接触式超声振动细化晶粒的设备，其特征在于：所述直线轴承a（9）的上下端设有骨架油封（22）。
7.一种使用如权利要求1所述的设备制备超声振动细化晶粒的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将待细化金属在坩埚（11）内熔化后并保温一段时间；
②将金属熔体（15）冷却一段时间，直到熔体温度降到糊状区后，将预热处理后的陶瓷（13）浸入到熔融金属中，在振动板（6）的上方施加超声波振动，进而传导给陶瓷（13）；
③振动一段时间后把陶瓷（13）从金属内移除；
④将细化后的金属移出坩锅并冷却到室温，得到细化晶粒的材料。
8.根据权利要求7所述的制备超声振动细化晶粒的方法，其特征在于：所述步骤②中金属熔体（15）的温度降到该金属的糊状区后，陶瓷（13）在糊状区中振动0.5-20min。
9. 根据权利要求7所述的制备超声振动细化晶粒的方法，其特征在于：所述步骤②中的预热处理，预热的温度为金属熔体（15）的温度，在此温度下保温20-60 min，预热过程的升温速率为5-50℃/ min。
10.根据权利要求7所述的制备超声振动细化晶粒的方法，其特征在于：所述步骤①中金属熔体（15）在液相线以上5-50℃保温0.5-3h。
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