超聲凝固技術(shù)是在液態(tài)金屬凝固過程中通過對金屬熔體施加超聲波來細(xì)化凝固組織、改善產(chǎn)品性能的一種新方法。傳統(tǒng)的超聲波導(dǎo)入方式是將超聲波導(dǎo)波桿直接插入液態(tài)金屬中。但是對于鋼鐵材料,處理溫度一般都在1600℃以上,很難找到合適的導(dǎo)波材料。這就影響了超聲波在鋼鐵材料中的應(yīng)用。為了解決這一難題,本文設(shè)計(jì)了“非接觸”超聲波導(dǎo)入裝置,即在鋼錠模側(cè)部或底部引入超聲波,觀察其對鋼錠凝固質(zhì)量的影響。本文首先采用水模擬實(shí)驗(yàn)的方式,研究了超聲波側(cè)部引入對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn),并以GCr15軸承鋼、9Cr2Mo合金工具鋼為研究對象,探討了從鋼錠模側(cè)部、底部引入超聲波對鋼凝固組織和元素偏析的影響,并得到了以下研究結(jié)果。(1)水模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):未加超聲處理時,結(jié)晶器流場在橫向以及縱向上的均勻度都較差,隨著功率的增加,流場逐漸向模型的橫向及縱向穩(wěn)步擴(kuò)散,流場中心相對深度先增加后降低。超聲功率400W時的流場較300W時有顯著改善,超聲處理功率500W時,流場相對深度為0.56,且流場無論在縱向還是橫向上分布都較為均勻。超聲功率700W、1000W時,流場中心相對深度分別為0.46、0.45,流場深度較淺,結(jié)晶器中的夾雜物沒有足夠的時間上浮去除,同時還會造成液面波動,甚至引起卷渣。(2)在GCr15鋼凝固過程中從鑄模側(cè)壁引入超聲波處理,研究發(fā)現(xiàn):超聲波能顯著改善鋼錠的凝固組織,消除粗大的柱狀晶,細(xì)化晶粒,均勻組織。施加不同功率超聲波,其超聲處理效果不同,隨著超聲功率的增加,對晶粒、組織的優(yōu)化效果越明顯,超聲波功率300~500 W時,其對鋼液的處理效果最優(yōu),超聲功率大于500 W后,超聲處理效果變差。超聲波處理能夠有效抑制GCr15軸承鋼C、Si、Mn在鋼中的偏析,對Cr元素的偏析抑制作用不明顯。鋼液經(jīng)超聲處理后,在超聲非線性效應(yīng)作用下,可顯著細(xì)化GCr15鋼中的碳化物尺寸,并使碳化物均勻分布。超聲功率300 W時,鋼中碳化物分布均勻,碳化物尺寸為2.96μm。(3)針對9Cr2Mo鋼,分別設(shè)計(jì)了電渣重熔過程中從結(jié)晶器側(cè)部及底部導(dǎo)入超聲波的方式。側(cè)部導(dǎo)入方法發(fā)現(xiàn):經(jīng)超聲波處理后,鋼中各個元素偏析度減小,均勻度增大,同時致密度升高,相同功率下各個元素分布的改善效果不同,即不同元素對超聲波功率的敏感度不同,C、Si元素在超聲500W的時候偏析度較小且均勻度較大,而Mn元素在超聲300W時偏析度較小且均勻度較大,Cr元素在700W時偏析度較小且均勻度較大。結(jié)合致密度分析,超聲波功率在500W時,各個元素分布相對均勻,偏析度相對較小,且均勻度較大,致密度最高。(4)在電渣重熔過程采用底部引入不同功率超聲波處理9Cr2Mo合金工具鋼,合適的超聲波功率下,鋼中C、Si、Mn、Cr元素偏析度減小,均勻度和致密度增大,元素的分布趨于均勻。500W時,各個元素偏析度最小,均勻度和致密度最大,凝固組織中各個元素分布最為均勻,此功率下C、Si、Mn、Cr最小偏析度分別為0.0596、0.025、0.0464和0.0373,均勻度分別為0.9261、0.9793、0.9173和0.6334,最大的致密為0.968。相對于側(cè)部導(dǎo)入方式,500W時,底部導(dǎo)入時元素分布更趨于均勻,致密度也較大。(5)研究成果證實(shí),采用超聲波“非接觸式”導(dǎo)入方式處理鋼液,合適的超聲功率作用下能有效改善鋼錠的凝固組織,使得鋼錠的晶粒得以細(xì)化,同時鋼中主要元素偏析度減小,溶質(zhì)元素分布變得均勻。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF777
【部分圖文】：

圖 1-1 不同功率處理后高碳鋼中的總氧含量；otal oxygen content in high carbon steel after different processing p圖 1-2 不同超聲波功率處理后高碳鋼中夾雜物的數(shù)量和尺寸 in high carbon steel after different ultrasonic power to deal with thsize

圖 1-2 不同超聲波功率處理后高碳鋼中夾雜物的數(shù)量和尺寸n in high carbon steel after different ultrasonic power to deal with the nusize人在實(shí)驗(yàn)室中采用高密度聚乙烯模擬夾雜物，用水模擬鋼液，的熔體，實(shí)驗(yàn)對經(jīng)超聲波處理后熔體中夾雜進(jìn)行定量分析，研中的夾雜物，并認(rèn)為對于含氣量較低熔體，夾雜物去除的主要作用加速了夾雜物粒子的碰撞機(jī)率，最終團(tuán)聚上浮得以去除；，超聲空化泡生產(chǎn)-長大-崩潰的過程實(shí)現(xiàn)了對夾雜物的捕捉是人在超聲波處理高溫鋼液過程進(jìn)行吹氬處理，超聲波從頂部直為超聲波處理前輔助吹氬處理能有效的去除鋼中的 Al2O3夾雜時 T[O]降低。人研究了超聲波作用下鋼錠內(nèi) Al2O3夾雜物的分布，實(shí)驗(yàn)在電

從頂部引入超聲波，研究證實(shí)，合適的超聲波處理后鋼中氧化鋁夾雜物尺寸減小，經(jīng)超聲波處理后，鋼中 Al2O3夾雜物的分布變得均勻，但如果超聲波功率過大，物的尺寸反而變大，同時在夾雜物在邊部凝集嚴(yán)重。4.2 超聲波去除鋼中的氣體大連理工大學(xué)石婷[18]等人使用 600W 功率超聲波處理 A356 合金，超聲波采用頂入的導(dǎo)入方式，超聲工具頭材質(zhì)為不銹鋼，研究了不同超聲波處理時間下合金中氣去除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波處理后，合金內(nèi)部氣孔明顯減少，超聲處理 ，熔體內(nèi)部基本上沒有針孔缺陷存在。實(shí)驗(yàn)還對試樣的致密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出隨著波處理時間的增加，試樣的致密度隨之增加，120s 的超聲波處理后，試樣致密度8，相比未施加超聲波處理時致密度 2.02，除氣率達(dá)到 73.33%；增加超聲處理時間至 240s 時，試樣致密度略有增加，但增幅不明顯。石婷等人認(rèn)為超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)是熔體內(nèi)部氣體得以去除的主要原因。
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本文編號：2867379