本發明涉及超聲波和金屬凝固領域，具體是提供一種合金鋼的超聲波模鑄方法。

背景技術：

早在20世紀30年代就有學者研究了超聲波振動對金屬和有機物凝固過程的影響。近年來，隨著超聲波技術的發展，超聲波處理逐漸作為一種改善材料性能的新技術，被應用于金屬凝固成型過程中。諸多研究發現，超聲波在熔體中產生的一系列線性和非線性的影響具有細化晶粒組織、減少疏松、除氣等作用，從而增強材料力學性能。

然而，關于超聲波金屬熔體處理技術的研究大多集中于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金等中低溫合金凝固成形領域，在高溫合金鋼中的應用較少，少量研究也只是在實驗室將超聲波應用于處理尺寸較小的鋼樣，離工業化應用還有很大距離。這其中的主要原因是若要將超聲波引入高溫熔體，則超聲波導波裝置的導波桿必須與高溫熔體直接接觸，而超聲波導波桿在高溫熔體中極易被溶蝕，目前比較常用的鈦合金導波桿可以基本滿足超聲波在鋁合金、鎂合金等中低溫合金熔體的凝固成形過程中的應用，但其使用壽命仍無法實現超聲波的長時間作用，更不用說在溫度為鋁合金熔體2倍多的鋼液中。陶瓷材料是目前常用的耐高溫材料，連續鑄鋼中用的浸入式澆注水口就是采用耐高溫陶瓷材料制成，因此利用陶瓷材料制成的耐高溫超聲波導波桿可以在一定程度防止高溫對導波桿的熔蝕作用，但是導波桿在接觸高溫鋼水的同時還需要傳導超聲波，傳統的耐高溫陶瓷一般由大顆粒的粉末燒結而成，其材質比較松散，存在大量空隙，超聲波的高頻振動極易對陶瓷材料產生破壞作用，導致陶瓷導波桿被震裂，也就無法實現將超聲波導入高溫鋼熔體中。

技術實現要素：

本發明提供一種適用于高溫合金鋼的超聲波模鑄方法，為實現超聲波鑄造的工業應用奠定基礎。

本發明的技術方案包括以下步驟：

1將超聲波發生器安裝在支架上，調節支架的高度使耐高溫陶瓷工具頭浸入鑄型中的高溫鋼熔體中，然后開啟超聲波電源，超聲波換能器產生高頻振動，形成超聲波，并經過T形變幅桿和耐高溫陶瓷工具頭傳入高溫鋼熔體中。

2超聲波發生器中的耐高溫陶瓷工具頭在高溫鋼熔體中的插入位置為熔池中心部位，插入深度20mm—50mm。

3超聲波發生器的耐高溫陶瓷工具頭的長度為180mm—190mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為40mm—20mm。耐高溫陶瓷工具頭和T形變幅桿的連接端面的表面粗糙度≤0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭的軸線相對于連接端面的垂直度公差≤0.05μm。耐高溫陶瓷工具頭通過高溫熱壓燒結而成，其成分含量為：納米氮化硅55％-65％，納米氮化硼15％-20％，納米氮化鈦8％-13％，聚乙烯醇樹脂7％-12％，所用納米粉體的粒徑為50nm-200nm。

4超聲波模鑄過程中的超聲波輸出頻率為25KHz±600Hz，，超聲波輸出功率為500W—1500W。

優點及效果：

(1)它是一種綠色無污染的環保型熔體處理方法。

(2)超聲波發生器中耐高溫陶瓷工具頭采用截頂圓錐體的形狀可有效擴大超聲波在鋼液中的作用區域：常規超聲波導波桿的工具頭為圓柱形狀，該形狀將超聲波能量集中于工具頭端面，從而使得超聲波能夠有效傳輸到工具頭下方區域，但是，在模鑄過程中，鋼水主要通過其四周及底部的冷卻作用來實現凝固的，其凝固前沿呈現V字形，圓柱形工具頭在徑向的超聲波傳導作用弱，也就對其四周的凝固前沿無法實現有效的超聲波作用，而截頂圓錐體形狀的工具頭，其圓錐形的超聲波傳導面與V字形凝固前沿類似，這樣超聲波可以有效作用到凝固前沿，其作用區域得到擴大，也有利于鑄錠晶粒的整體均勻細化。

(3)超聲波發生器中耐高溫陶瓷工具頭與變幅桿之間的高精度連接可有效減少超聲波傳遞過程中在連接面處的衰減。

(4)超聲波發生器中耐高溫陶瓷工具頭采用多種耐高溫納米粉體材料合理配比后經高溫熱壓燒結而成，納米粉體經有效配比后在高溫高壓作用下形成致密的工具頭材質，既可有效防止鋼液對工具頭的溶蝕，又能防止超聲波在工具頭中傳播時其高頻振動對工具頭材質的震裂現象，從而實現在鋼液凝固過程中長時間進行超聲波作用。

(5)采用本發明方法獲得的合金鋼錠，其凝固組織由粗大的柱狀晶向細小的等軸晶轉化，組織明顯細化，顯微疏松缺陷得到明顯減少，有利于提高合金鋼錠的綜合性能。

附圖說明

圖1為超聲波模鑄的示意圖；

圖2為傳統模鑄鋼錠的晶粒組織圖；

圖3為超聲波模鑄鋼錠的晶粒組織圖；

圖4為傳統模鑄鋼錠的微觀缺陷圖；

圖5為超聲波模鑄鋼錠的微觀缺陷圖。

具體實施方式

以下實施例旨在對本發明做進一步的說明，這將有利于對本發明及其優點進一步理解。實施例僅用于說明本發明，而不是以任何方式來限制本發明。

實施例1

將經除渣、脫氧處理后保溫一段時間的35CrMo鋼水倒入鑄型6中，并用保溫材料覆蓋鋼液表面，然后開啟超聲波電源1，調節超聲波裝置的支架2的高度，將事先預熱的超聲波工具頭5插入鋼液7中進行超聲波處理。超聲波工具頭插入熔池中心部位的深度為20mm。調節超聲波發生器功率，采用頻率25.5KHz和功率500W的超聲波進行處理。待鋼液完全凝固前停止超聲波處理，將鑄錠靜置、空冷后獲得超聲波模鑄鋼錠。所用超聲波發生器的耐高溫陶瓷工具頭5的長度為190mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為20mm。耐高溫陶瓷工具頭5和T形變幅桿4的連接端面的表面粗糙度為0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭5的軸線相對于連接端面的垂直度公差為0.05μm，耐高溫陶瓷工具頭5的成分含量為：納米氮化硅65％，納米氮化硼18％，納米氮化鈦10％，聚乙烯醇樹脂7％。

實施例2

將經除渣、脫氧處理后保溫一段時間的35CrMo鋼水倒入鑄型6中，并用保溫材料覆蓋鋼液表面，然后開啟超聲波電源1，調節超聲波裝置的支架2的高度，將事先預熱的超聲波工具頭5插入鋼液7中進行超聲波處理。超聲波工具頭插入熔池中心部位的深度為50mm。調節超聲波發生器功率，采用頻率25KHz和功率1000W的超聲波進行處理。待鋼液完全凝固前停止超聲波處理，將鑄錠靜置、空冷后獲得超聲波模鑄鋼錠。所用超聲波發生器的耐高溫陶瓷工具頭5的長度為185mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為40mm。耐高溫陶瓷工具頭5和T形變幅桿4的連接端面的表面粗糙度為0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭5的軸線相對于連接端面的垂直度公差為0.05μm，耐高溫陶瓷工具頭5的成分含量為：納米氮化硅60％，納米氮化硼20％，納米氮化鈦10％，聚乙烯醇樹脂10％。

以上實施例中所用的合金鋼的化學組分及重量百分含量為：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。