一種處理高溫熔體的超聲波導(dǎo)入裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種對高溫金屬熔體進(jìn)行超聲波連續(xù)處理的超聲波導(dǎo)入裝置，主要由換能器（1）、T形組合式變幅桿（2）和直立式陶瓷工具頭（3）組成，T形組合式變幅桿由第一級水平方向變幅桿和第二級豎直方向變幅桿組成，第一級變幅桿為傳播縱向機(jī)械振動的直棒，第二級變幅桿為傳播橫向機(jī)械振動的雙頭直棒，第一級變幅桿與第二級變幅桿之間，直立式陶瓷工具頭、換能器與T形組合式變幅桿之間均采用絲桿相連接。該裝置克服了高溫金屬熔體對換能器與變幅桿的直接熱輻射，合理規(guī)避高溫金屬熔體對換能器的熱沖擊，并能顯著降低金屬熔體對工具頭的熔蝕，從而實(shí)現(xiàn)超聲波在高溫金屬熔體中的長期高效傳遞。
【專利說明】一種處理高溫熔體的超聲波導(dǎo)入裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫金屬熔體凝固成形領(lǐng)域，具體地說是一種大功率超聲波在高溫金 屬熔體中的能量傳輸裝置，可用于超聲波鑄造的工業(yè)化生產(chǎn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波按其使用功能可分為檢驗(yàn)超聲和功率超聲，在冶金過程中常使用的為低 頻、高功率的超聲波，又被稱之為功率超聲，超聲波在金屬熔體中傳遞時(shí)，使金屬熔體內(nèi)部 產(chǎn)生交變振動，形成一定的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，從而去除金屬熔體中的氧化夾雜物和有 害氣體，細(xì)化晶粒，減小成分偏析等。
[0003] 雖然國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬的超聲處理進(jìn)行了較多的研究， 但到目前為止尚未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，而對于熔化溫度更高的鋼鐵進(jìn)行超聲處理則研究更 少，僅個別學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室的小型平臺上從事了簡單的實(shí)驗(yàn)研究，離工程化應(yīng)用還有很大的 差距。
[0004] 目前，超聲波在金屬熔體凝固成形領(lǐng)域的工程化應(yīng)用存在的主要瓶頸問題是如何 有效且穩(wěn)定地將超聲波能量導(dǎo)入金屬熔體。在目前常用的直桿式導(dǎo)入裝置中，超聲波換能 器、變幅桿與工具頭為同一軸線的直線連接，其能量密度最大面為與軸線垂直的端面，超聲 波在金屬熔體中的作用面積有限，處理高溫金屬熔體時(shí)，高溫熔體會對其上方的超聲波換 能器、變幅桿與工具頭產(chǎn)生很強(qiáng)的直接熱輻射，導(dǎo)致超聲波換能器在短時(shí)間內(nèi)就無法工作， 而且目前工具頭常用的材質(zhì)為不銹鋼或者鈦合金，這兩種材質(zhì)雖然傳導(dǎo)超聲的效率高，但 其在高溫金屬熔體中極易與熔體形成合金而被熔蝕，在鋁熔體中可連續(xù)工作2- 3小時(shí)，在 鋼鐵中僅1一2分鐘，服役壽命短，從而滿足不了工程化應(yīng)用的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決超聲波導(dǎo)入桿在處理高溫金屬熔體時(shí)服役壽命短的問題， 提供一種能實(shí)現(xiàn)對高溫金屬熔體進(jìn)行超聲波連續(xù)處理的超聲波導(dǎo)入裝置。該超聲波導(dǎo)入裝 置可用來處理溫度高達(dá)1600°C的金屬熔體，且服役壽命長。
[0006] -種處理高溫熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，其特征在于由換能器、T形組合式變幅桿和 直立式陶瓷工具頭組成。
[0007] T形組合式變幅桿由第一級水平方向變幅桿和第二級堅(jiān)直方向變幅桿組成，第一 級變幅桿為傳播縱向機(jī)械振動的直棒，第二級變幅桿為傳播橫向機(jī)械振動的雙頭直棒。
[0008] T形組合式變幅桿的第一級變幅桿為直徑50mm-55mm，長度260mm- 270mm的圓棒， 第二級變幅桿為中間直徑60mm-65mm，兩端直徑50mm_ 55mm，長度130mm-135mm的圓棒，第 一級變幅桿與第二級變幅桿采用絲桿相連接。換能器與T形組合式變幅桿采用絲桿相連 接。
[0009] 超聲波導(dǎo)入裝置包括2個直立式陶瓷工具頭，工作時(shí)可交替變換使用，每個工具 頭為直徑50mm-60mm，長度130mm-135mm的圓棒，陶瓷工具頭與T形組合式變幅桿采用絲桿 相連接。
[0010] T形組合式變幅桿所用材料為TC4鈦合金，工具頭材料為氮化硅（Si3N4)陶瓷。 [0011] 本發(fā)明具有如下特點(diǎn)： 1)本發(fā)明中一級、二級鈦合金變幅桿以T形組合而成，這可將縱向傳遞的正弦波變換 成橫向傳遞的畸變波，使插入金屬熔體的工具頭在端面和圓柱面上都有強(qiáng)超聲波傳導(dǎo)出 來，從而強(qiáng)化超聲波在熔體中的機(jī)械振動和聲流效應(yīng)。此外，每一級變幅桿的尺寸以及陶 瓷工具頭的尺寸設(shè)計(jì)符合超聲波在固體中傳播時(shí)的半波長設(shè)計(jì)要求，使得超聲波的輸出最 大。
[0012] 2)本發(fā)明中變幅桿由一級、二級鈦合金變幅桿以T形組合而成，使得工作時(shí)超聲 波換能器不處于高溫金屬熔體的上方，可有效避免高溫?zé)崃鲗Q能器的直接熱輻射，從而 延長超聲換能器的壽命，使得超聲波能量能源源不斷地輸入金屬熔體中。
[0013] 3)本發(fā)明中變幅桿的輸出端同時(shí)連接2個陶瓷工具頭，工作時(shí)可交替使用，該工 具頭采用氮化硅（Si3N4)陶瓷材料經(jīng)過熱壓燒結(jié)而成，Si3N4的熔點(diǎn)高達(dá)1900°C，在1200°C 以下不被氧化，在1200°C - 1600°C間生成的保護(hù)膜可阻止進(jìn)一步氧化；Si3N4的抗冷熱沖 擊性好，在空氣中加熱到l〇〇〇°C以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂；而且Si3N4不會 與金屬熔體形成合金，使得Si3N4陶瓷工具頭能長期浸沒在高溫金屬熔體中，因而本發(fā)明 所提供的超聲波導(dǎo)入裝置可實(shí)現(xiàn)對高溫金屬熔體進(jìn)行長時(shí)間超聲波連續(xù)處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為超聲波導(dǎo)入裝置的二維CAD圖； 圖2為超聲波導(dǎo)入裝置的實(shí)物照片。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明，這將有助于對本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理 解，這些實(shí)例不作為對本發(fā)明的限定，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書來決定。
[0016] 實(shí)施例1 : 將超聲波導(dǎo)入裝置用于鋁合金連續(xù)鑄軋的超聲波處理：將超聲波導(dǎo)入裝置安裝在水平 式鑄軋機(jī)鑄嘴前部流槽旁邊，讓氮化硅工具頭（3)插入流槽中鋁熔體(約700°C )中，超聲波 導(dǎo)入裝置中T形組合式變幅桿（2)的第一級變幅桿為直徑50mm，長度260mm，第二級變幅桿 為中間直徑60mm，兩端直徑50mm，長度130mm ;氮化娃工具頭（3)為直徑50mm，長度130mm。 開啟超聲波控制器，逐步增大功率到超聲波發(fā)生器允許的最大輸出值，然后連續(xù)工作24小 時(shí)。24小時(shí)后，超聲波導(dǎo)入裝置中換能器（1)仍然正常工作，而T形變幅桿輸出端的氮化硅 工具頭未出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象。表1為超聲鑄軋24小時(shí)后獲得的鋁合金板帶與常規(guī)鑄軋板帶的 力學(xué)性能比較，由表可知，超聲波的施加能顯著提升鑄軋板帶的力學(xué)性能，這也說明超聲波 導(dǎo)入裝置有效地將超聲波能量導(dǎo)入進(jìn)了鋁合金熔體中。
[0017] 表1鋁合金鑄軋板帶的力學(xué)性能比較

【權(quán)利要求】
1. 一種處理高溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，其特征在于：由換能器、T形組合式變幅 桿和直立式陶瓷工具頭組成，T形組合式變幅桿由第一級水平方向變幅桿和第二級堅(jiān)直方 向變幅桿組成，第一級變幅桿為傳播縱向機(jī)械振動的直棒，第二級變幅桿為傳播橫向機(jī)械 振動的雙頭直棒，第一級變幅桿與第二級變幅桿采用絲桿相連接；直立式陶瓷工具頭與T 形組合式變幅桿采用絲桿相連接，換能器與T形組合式變幅桿采用絲桿相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理高溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，T形組合式變幅桿 的第一級變幅桿為直徑50mm-55mm，長度260mm-270mm的圓棒，第二級變幅桿為中間直徑 60mm-65mm,兩端官徑 50mm-60mm，長度 130mm-135mm 的圓棒。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理高溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，其特征在于：直立式 陶瓷工具頭為直徑50mm-60mm，長度130mm-135mm的圓棒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理高溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，其特征在于：T形組合 式變幅桿所用材料為TC4鈦合金，陶瓷工具頭所用材料為氮化硅陶瓷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理高溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置，其特征在于：處理高 溫金屬熔體的超聲波導(dǎo)入裝置的工作溫度范圍是室溫至1600°C。
【文檔編號】C22F3/02GK104384483SQ201410704213
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月30日
【發(fā)明者】石琛, 毛大恒, 毛向輝 申請人:中南大學(xué)