李 旋，李增民，李立新

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

在消失模鑄造過(guò)程中，采用三維振動(dòng)臺(tái)緊實(shí)，并將該機(jī)械振動(dòng)應(yīng)用到金屬液的凝固過(guò)程中，在AZ91D鎂合金消失模鑄造凝固過(guò)程中應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)，對(duì)細(xì)化組織有顯著作用[1-2]。凝固過(guò)程中對(duì)金屬液施加一段時(shí)間振動(dòng)，借助液相和固相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)破碎枝晶，顯著增加液相內(nèi)結(jié)晶核心，使鑄件最終凝固組織細(xì)化和力學(xué)性能提高，是一種操作簡(jiǎn)便、成本低廉、無(wú)環(huán)境污染的物理變質(zhì)方法[3-4]。同樣的方法應(yīng)用在鋁合金消失模鑄造生產(chǎn)過(guò)程中也能有明顯的細(xì)化組織的作用。

振動(dòng)能夠?qū)︿X合金的a相組織進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)振動(dòng)還可以大大提高金屬液的充型能力。機(jī)械振動(dòng)細(xì)化a晶粒的原因主要是，振動(dòng)使金屬液的各部分之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，各部分之間的速度差產(chǎn)生了“黏性剪切”，使得浮游在液體中的a樹(shù)枝晶和共晶體被剪切折斷、破碎而形成新晶核，振動(dòng)抑制了a樹(shù)枝晶和共晶組織的自由長(zhǎng)大，和無(wú)振動(dòng)相比，整個(gè)組織得到了細(xì)化[5-6]。在鋁合金消失模鑄造的凝固過(guò)程中施加機(jī)械振動(dòng)還能夠減少氣孔缺陷，振動(dòng)凝固有利于氣體的聚集、長(zhǎng)大以及析出，從而減少氣孔[7-9]。這是由于振動(dòng)能夠增加鋁合金熔液中的氫氣的擴(kuò)散速率，從而可以有利于氫氣的析出以及氣泡的聚集長(zhǎng)大。

本文具體研究了不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)鋁合金消失模鑄造過(guò)程充型能力的影響；不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響，本次試驗(yàn)主要研究的是振動(dòng)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。

1 鋁合金消失模鑄造振動(dòng)凝固試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的是鋁-硅系鑄造鋁合金ZAlSi9Mg，合金代號(hào)ZL-104，ZL-104的成分組成如表1所示。該合金的強(qiáng)度高于ZL101、ZL102等合金，鑄造性能也比較的好，沒(méi)有熱裂傾向，氣密性比較高，耐蝕性較好，并且線收縮率比較小，但是該合金形成針孔的可能性較大，熔煉工藝比較復(fù)雜，切削性能以及焊接性能一般。

將鋁合金按操作規(guī)范在電爐中進(jìn)行熔煉，待溫度達(dá)到730℃時(shí)開(kāi)始變質(zhì)處理，實(shí)驗(yàn)采用的是三元變質(zhì)劑（kCl15%，NaCl40%，NaF45%），變質(zhì) 3 min后進(jìn)行精煉處理，六氯乙烷作為精煉劑，其加入量為合金的0.75%，在熔體底部緩慢地?cái)嚢? min，之后靜置，待金屬液的溫度穩(wěn)定在750℃時(shí)打開(kāi)真空閥抽真空，合砂箱后進(jìn)行振動(dòng)澆注，

試驗(yàn)采用0.020 g/cm3的可發(fā)性聚苯乙烯EPS作為模樣的原材料，用專門(mén)的消失模涂料將制得的模樣刷涂?jī)杀?，待模樣完全烘干后放入砂箱中，用線切割機(jī)制備試驗(yàn)?zāi)?，模樣的尺寸?6 mm×26 mm×150 mm，直澆道的尺寸是40 mm×40 mm×220 mm，橫澆道的尺寸是30 mm×30 mm×100 mm，三維試樣模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。砂箱用干燥的石英砂振動(dòng)緊實(shí)，并用塑料薄膜覆蓋。制得的試樣經(jīng)研磨，拋光后進(jìn)行顯微組織觀察，室溫棒材拉伸試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以加工成φ10 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖2所示，將標(biāo)準(zhǔn)試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取每組多次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值。

表1 ZL104的成分組成表 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 三維試樣模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

具體操作步驟如下：

1）制做模樣并粘接試樣、澆注系統(tǒng)采用同一規(guī)格的熱膠，刷涂料3遍，將制作完畢的模型在50℃的烘箱內(nèi)烘干12 h.

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用同一干燥的石英砂，將真空度控制在-0.04 MPa，采用樹(shù)脂砂造型澆口杯，鋁合金在5kW的電阻爐中加熱熔化，在720℃～740℃內(nèi)進(jìn)行變質(zhì)、精煉，之后靜置15 min后，在750℃時(shí)進(jìn)行澆注。

3）振動(dòng)試驗(yàn)：在澆注之前就開(kāi)始進(jìn)行振動(dòng)，起振時(shí)先選擇小的頻率，待振動(dòng)穩(wěn)定后再采用預(yù)定的頻率值，改變振動(dòng)參數(shù)得到不同的試樣。

4）將成型的φ10 mm的標(biāo)準(zhǔn)鑄造試棒，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試室溫力學(xué)性能，拉伸速率為2 mm/min，每組測(cè)試的多根試棒取抗拉強(qiáng)度的平均值，最后所得的結(jié)果進(jìn)行比較，從而獲得最佳的振動(dòng)工藝參數(shù)，最后觀察金相組織研究振動(dòng)對(duì)組織的影響。

1.1 不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)鑄件性能的影響

1.1.1 常規(guī)試樣的獲得

在進(jìn)行振動(dòng)凝固試驗(yàn)之前需要做一組對(duì)比試驗(yàn)，在不加振動(dòng)的情況下，采用常規(guī)鋁合金消失模鑄造方法制備5個(gè)試棒，測(cè)出這5個(gè)試棒的抗拉強(qiáng)度后求得平均值得不振動(dòng)的ZL104鑄件的抗拉強(qiáng)度是77.5 MPa.

1.1.2 振動(dòng)試樣的獲得

試驗(yàn)對(duì)ZL104合金在凝固過(guò)程中統(tǒng)一采用垂直振動(dòng)方式。

表2 試驗(yàn)方案

為了研究振動(dòng)參數(shù)對(duì)試樣性能的影響，采取如表2所示試驗(yàn)方案。每組固定振幅，通過(guò)改變振動(dòng)頻率來(lái)研究振動(dòng)頻率對(duì)鑄件抗拉強(qiáng)度的影響，每個(gè)參數(shù)組合做5個(gè)試樣，取其平均值。最終得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可以看出，當(dāng)振幅固定時(shí)，振動(dòng)頻率在0 HZ～50 HZ范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著頻率的增大抗拉強(qiáng)度增大，50 HZ以后抗拉強(qiáng)度值增長(zhǎng)的緩慢。

試驗(yàn)結(jié)果證明：隨著振動(dòng)頻率的增加，鑄件的力學(xué)性能逐漸提高，但是不會(huì)一直提高，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，該對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明當(dāng)其它振動(dòng)參數(shù)不變時(shí)，振動(dòng)頻率選擇在50 HZ時(shí)鋁合金鑄件的抗拉強(qiáng)度值最高,抗拉強(qiáng)度值由77.5 MPa提高到125.5 MPa，鑄件的力學(xué)性能得到了很好地提高。

表3 ZL104的抗拉強(qiáng)度值列表

1.2 振動(dòng)頻率對(duì)金相組織的影響

拉伸試驗(yàn)后經(jīng)過(guò)研磨、拋光、腐蝕、清洗等一系列的工作后觀察試樣的金相組織得到圖3的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖3可以看出隨著振動(dòng)頻率的增大，組織中晶粒的尺寸有了明顯的變化，在0 HZ～50 HZ的圖片可以看出，組織中晶粒的尺寸逐漸減小，70 HZ～120 HZ的圖片可以看出，組織中晶粒的尺寸又開(kāi)始粗化。結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)頻率是50 HZ時(shí)，鋁合金消失模鑄件的組織最好，晶粒尺寸最小。

圖3 不同頻率下的組織

表4 ZL104的充型長(zhǎng)度表

圖4 澆注后的試樣

1.3 機(jī)械振動(dòng)對(duì)充型能力的影響

研究振動(dòng)對(duì)充型能力的影響時(shí)，可以通過(guò)觀察振動(dòng)前后澆注的試樣的長(zhǎng)度來(lái)比較，振動(dòng)方向統(tǒng)一采用的是垂直振動(dòng)，澆注溫度是750℃，振動(dòng)頻率選擇的是50 HZ，真空度是-0.03 MPa，通過(guò)改變振幅觀察澆注后試樣的長(zhǎng)度。

在研究機(jī)械振動(dòng)對(duì)充型能力的影響時(shí)，首先做一組參考對(duì)比試驗(yàn)，在不振動(dòng)的情況下測(cè)得澆注后試樣的長(zhǎng)度，在這組試驗(yàn)中共有5個(gè)試樣，最后澆注后試樣的長(zhǎng)度是5個(gè)試棒澆注完畢后試樣的平均長(zhǎng)度，本次試驗(yàn)得到的不振動(dòng)試樣的平均長(zhǎng)度是68 mm.最終測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，鋁合金ZL104消失模鑄造結(jié)束后試樣的尺寸外形圖如圖4所示。

通過(guò)表3可以看出，振動(dòng)幅度對(duì)充型能力有影響，在其他振動(dòng)參數(shù)一定的情況下，隨著振動(dòng)的振幅的逐漸增加，澆注后試樣的長(zhǎng)度也在逐漸增加，但是并不會(huì)無(wú)限制的增加，如果振幅太大，超過(guò)4.5 mm后試樣的長(zhǎng)度會(huì)縮短，說(shuō)明振幅過(guò)大鋁合金消失模鑄件的充型能力會(huì)下降，造成這種現(xiàn)象的原因是：由于振幅過(guò)大，金屬液在凝固過(guò)程中不能再按照順序凝固的方式進(jìn)行，過(guò)大的振幅甚至?xí)?dǎo)致金屬液的紊流，最終大大影響了鑄件的質(zhì)量。

2 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用機(jī)械振動(dòng)的方法可以細(xì)化鋁合金消失模鑄件晶粒組織；提高鑄件抗拉強(qiáng)度；提高鑄造充型能力。

在振幅一定的條件下，隨著振動(dòng)頻率的增大試樣的力學(xué)性能增加，晶粒細(xì)化，但有一個(gè)最佳頻率值。

［1］李繼強(qiáng)，樊自田，王元慶，等.振動(dòng)和合金化對(duì)消失模鑄造AZ91D組織及性能的影響［J］.中國(guó)有色合金學(xué)報(bào)，2007，17（7）：1047-1052.

［2］田學(xué)峰，樊自田，黃乃瑜.機(jī)械振動(dòng)對(duì)消失模鑄造鎂合金組織及力學(xué)性能的影響［J］.中國(guó)有色合金學(xué)報(bào)，2006，16（11）：1838-1844.

［3］KOCATEPE，BURDETT C F.Effect of low frequency vibration on macro and microstructures of LM6 alloys［J］.Journal of Materials Science，2000，35：3327-3335.

［4］潘迪，樊自田，趙忠,等.機(jī)械振動(dòng)對(duì)ZL101消失模鑄造組織及性能的影響.特種鑄造及有色合金，2009，29（3）：290-292.

［5］侯文生.振動(dòng)對(duì)Al-Si合金凝固結(jié)晶的影響［J］.鑄造設(shè)備研究，2001（1）：16-18.

［6］宋立波，曹迎文，李秋書(shū)，等.機(jī)械振動(dòng)對(duì)鑄造鎂合金組織和力學(xué)性能的影響［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（3）：33-34.

［7］LIU X B，YOSHIAKI，SUSUMU T.Grain refinement of AZ91 alloy by introducing ultrasonic vibration during solidification of low frequency vibrations［J］.Materials Letters，2008，62：2872-287.

［8］YOSHIKI M，TAKUYA T，KENJI M.Microstructural refinement process of pure magnesium by electromagnetic vibrations［J］.Materials Science and Engineering，2005，A413-414：205-210.

［9］吳國(guó)華.消失模鑄造鋁合金針孔研究［M］.武漢：華中科技大學(xué)，2000.