一种合金钢的超声波模铸方法与流程

本发明涉及超声波和金属凝固领域，具体是提供一种合金钢的超声波模铸方法。

背景技术：

早在20世纪30年代就有学者研究了超声波振动对金属和有机物凝固过程的影响。近年来，随着超声波技术的发展，超声波处理逐渐作为一种改善材料性能的新技术，被应用于金属凝固成型过程中。诸多研究发现，超声波在熔体中产生的一系列线性和非线性的影响具有细化晶粒组织、减少疏松、除气等作用，从而增强材料力学性能。

然而，关于超声波金属熔体处理技术的研究大多集中于铝及铝合金、镁及镁合金等中低温合金凝固成形领域，在高温合金钢中的应用较少，少量研究也只是在实验室将超声波应用于处理尺寸较小的钢样，离工业化应用还有很大距离。这其中的主要原因是若要将超声波引入高温熔体，则超声波导波装置的导波杆必须与高温熔体直接接触，而超声波导波杆在高温熔体中极易被溶蚀，目前比较常用的钛合金导波杆可以基本满足超声波在铝合金、镁合金等中低温合金熔体的凝固成形过程中的应用，但其使用寿命仍无法实现超声波的长时间作用，更不用说在温度为铝合金熔体2倍多的钢液中。陶瓷材料是目前常用的耐高温材料，连续铸钢中用的浸入式浇注水口就是采用耐高温陶瓷材料制成，因此利用陶瓷材料制成的耐高温超声波导波杆可以在一定程度防止高温对导波杆的熔蚀作用，但是导波杆在接触高温钢水的同时还需要传导超声波，传统的耐高温陶瓷一般由大颗粒的粉末烧结而成，其材质比较松散，存在大量空隙，超声波的高频振动极易对陶瓷材料产生破坏作用，导致陶瓷导波杆被震裂，也就无法实现将超声波导入高温钢熔体中。

技术实现要素：

本发明提供一种适用于高温合金钢的超声波模铸方法，为实现超声波铸造的工业应用奠定基础。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1将超声波发生器安装在支架上，调节支架的高度使耐高温陶瓷工具头浸入铸型中的高温钢熔体中，然后开启超声波电源，超声波换能器产生高频振动，形成超声波，并经过T形变幅杆和耐高温陶瓷工具头传入高温钢熔体中。

2超声波发生器中的耐高温陶瓷工具头在高温钢熔体中的插入位置为熔池中心部位，插入深度20mm—50mm。

3超声波发生器的耐高温陶瓷工具头的长度为180mm—190mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为40mm—20mm。耐高温陶瓷工具头和T形变幅杆的连接端面的表面粗糙度≤0.8μm，耐高温陶瓷工具头的轴线相对于连接端面的垂直度公差≤0.05μm。耐高温陶瓷工具头通过高温热压烧结而成，其成分含量为：纳米氮化硅55％-65％，纳米氮化硼15％-20％，纳米氮化钛8％-13％，聚乙烯醇树脂7％-12％，所用纳米粉体的粒径为50nm-200nm。

4超声波模铸过程中的超声波输出频率为25KHz±600Hz，，超声波输出功率为500W—1500W。

优点及效果：

(1)它是一种绿色无污染的环保型熔体处理方法。

(2)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头采用截顶圆锥体的形状可有效扩大超声波在钢液中的作用区域：常规超声波导波杆的工具头为圆柱形状，该形状将超声波能量集中于工具头端面，从而使得超声波能够有效传输到工具头下方区域，但是，在模铸过程中，钢水主要通过其四周及底部的冷却作用来实现凝固的，其凝固前沿呈现V字形，圆柱形工具头在径向的超声波传导作用弱，也就对其四周的凝固前沿无法实现有效的超声波作用，而截顶圆锥体形状的工具头，其圆锥形的超声波传导面与V字形凝固前沿类似，这样超声波可以有效作用到凝固前沿，其作用区域得到扩大，也有利于铸锭晶粒的整体均匀细化。

(3)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头与变幅杆之间的高精度连接可有效减少超声波传递过程中在连接面处的衰减。

(4)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头采用多种耐高温纳米粉体材料合理配比后经高温热压烧结而成，纳米粉体经有效配比后在高温高压作用下形成致密的工具头材质，既可有效防止钢液对工具头的溶蚀，又能防止超声波在工具头中传播时其高频振动对工具头材质的震裂现象，从而实现在钢液凝固过程中长时间进行超声波作用。

(5)采用本发明方法获得的合金钢锭，其凝固组织由粗大的柱状晶向细小的等轴晶转化，组织明显细化，显微疏松缺陷得到明显减少，有利于提高合金钢锭的综合性能。

附图说明

图1为超声波模铸的示意图；

图2为传统模铸钢锭的晶粒组织图；

图3为超声波模铸钢锭的晶粒组织图；

图4为传统模铸钢锭的微观缺陷图；

图5为超声波模铸钢锭的微观缺陷图。

具体实施方式

以下实施例旨在对本发明做进一步的说明，这将有利于对本发明及其优点进一步理解。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例1

将经除渣、脱氧处理后保温一段时间的35CrMo钢水倒入铸型6中，并用保温材料覆盖钢液表面，然后开启超声波电源1，调节超声波装置的支架2的高度，将事先预热的超声波工具头5插入钢液7中进行超声波处理。超声波工具头插入熔池中心部位的深度为20mm。调节超声波发生器功率，采用频率25.5KHz和功率500W的超声波进行处理。待钢液完全凝固前停止超声波处理，将铸锭静置、空冷后获得超声波模铸钢锭。所用超声波发生器的耐高温陶瓷工具头5的长度为190mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为20mm。耐高温陶瓷工具头5和T形变幅杆4的连接端面的表面粗糙度为0.8μm，耐高温陶瓷工具头5的轴线相对于连接端面的垂直度公差为0.05μm，耐高温陶瓷工具头5的成分含量为：纳米氮化硅65％，纳米氮化硼18％，纳米氮化钛10％，聚乙烯醇树脂7％。

实施例2

将经除渣、脱氧处理后保温一段时间的35CrMo钢水倒入铸型6中，并用保温材料覆盖钢液表面，然后开启超声波电源1，调节超声波装置的支架2的高度，将事先预热的超声波工具头5插入钢液7中进行超声波处理。超声波工具头插入熔池中心部位的深度为50mm。调节超声波发生器功率，采用频率25KHz和功率1000W的超声波进行处理。待钢液完全凝固前停止超声波处理，将铸锭静置、空冷后获得超声波模铸钢锭。所用超声波发生器的耐高温陶瓷工具头5的长度为185mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为40mm。耐高温陶瓷工具头5和T形变幅杆4的连接端面的表面粗糙度为0.8μm，耐高温陶瓷工具头5的轴线相对于连接端面的垂直度公差为0.05μm，耐高温陶瓷工具头5的成分含量为：纳米氮化硅60％，纳米氮化硼20％，纳米氮化钛10％，聚乙烯醇树脂10％。

以上实施例中所用的合金钢的化学组分及重量百分含量为：C 0.32-0.40％，Si 0.17-0.37％，Mn 0.40-0.70％，Cr 0.80-1.10％，Mo 0.15-0.25％，S≤0.035％，P≤0.035％，Ni+Cu≤0.06％，Fe余量。