二維振動(dòng)參數(shù)對(duì)半固態(tài)ZL104合金微觀組織的影響

譚建波，張海英，李增民，李立新

(1.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，鄭州 450121)

作為一種新型的半固態(tài)合金制備技術(shù)——傾斜冷卻法首先在日本提出[1]，其原理是將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在傾斜板上，利用傾斜板的激冷、合金熔體的沖擊和重力作用，細(xì)化晶粒，獲得理想半固態(tài)合金[2?3]。目前，傾斜冷卻剪切流變技術(shù)已經(jīng)在半固態(tài)合金坯料制備[4]、合金組織細(xì)化[5]、半固態(tài)擠壓鑄造[6]、半固態(tài)軋制[7]及半固態(tài)連鑄[8?9]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)在光滑傾斜板的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一些新的研究方法，如波浪法[10]、剪切振動(dòng)法[11]、斜管法[12]、阻尼冷卻管法[13]、蛇形通道法[14]、正弦波通道法[15]、擾流柱法[16]等。本文作者利用自制的可實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)的傾斜剪切流變裝置，并在傾斜板內(nèi)放置擾流柱，研究了二維振動(dòng)參數(shù)對(duì)半固態(tài)ZL104合金組織的影響，研究結(jié)果對(duì)傾斜板法快速半固態(tài)合金有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為 ZL104合金，名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：9%Si，0.4%Mn，0.25%Mg，余量為 Al。實(shí)際測(cè)得合金的固相線為555℃，液相線為595℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)、振動(dòng)頻率可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)的半固態(tài)合金制備裝置，如圖1所示。

圖1 傾斜冷卻剪切裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sloping experimental facility with cooling and shearing function

實(shí)驗(yàn)條件均為：傾斜板傾斜角度為 45°，傾斜板預(yù)熱溫度為125 ℃，澆注長(zhǎng)度為400 mm，澆注溫度為600 ℃，傾斜板內(nèi)安放水滴形擾流柱，可以破碎枝晶，合金液繞行擾流柱時(shí)，可以增加晶核數(shù)量，擾流柱為叉排，如圖2所示，圖中S=15 mm，L=40 mm。

振動(dòng)方向分別為XY、YZ和XZ方向，相同振動(dòng)方向下，通過(guò)改變振動(dòng)頻率制備半固態(tài)ZL104合金漿料，

圖2 擾流柱安置示意圖Fig.2 Schematic diagram of disturbing pillars

振動(dòng)方向示意圖如圖3所示，圖中X方向與傾斜板中心線在水平面中的投影平行，Y方向與水平面中的 X方向垂直，Z方向垂直于水平面，振動(dòng)頻率分別為30、40和50 Hz。在傾斜板下端，用取樣器接取少量不同制備參數(shù)下的半固態(tài)ZL104合金漿料并立即水淬，制取金相試樣，試樣用4%的NaOH溶液侵蝕。利用圖像分析技術(shù)測(cè)定水淬組織中初生固相的平均周長(zhǎng)、平均尺寸，計(jì)算初生固相晶粒的尺寸和形狀因子[11]。為了減小誤差，對(duì)每個(gè)試樣的6～8個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，然后取其平均值作為該試樣初生固相的組織特征。

圖3 X、Y、Z方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of X, Y and Z direction

2 結(jié)果與討論

2.1 XY方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織

振動(dòng)方向?yàn)閄Y方向時(shí)，不同振動(dòng)頻率下ZL104水淬組織的微觀組織特征如圖4所示，組織特征參數(shù)見(jiàn)表1。

由圖4和表1可以看出，振動(dòng)方向?yàn)閄Y方向時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由15.23 μm減小到6.75 μm；形狀因子逐漸增大，由0.41增加到0.58，初生固相率變化不大。振動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)，組織呈魚(yú)骨狀，振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整，沒(méi)有枝晶。

合金液沿傾斜板向下流動(dòng)時(shí)同時(shí)受到X和Y方向振動(dòng)的干擾，X方向振動(dòng)對(duì)合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板，另一個(gè)方向平行于傾斜板，如圖3所示。合金液受到垂直于傾斜板方向上的振動(dòng)時(shí)，首先，可使合金液中已生長(zhǎng)的枝晶和未凝固的液體發(fā)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使晶粒之間發(fā)生碰撞和摩擦，造成枝晶最脆弱的部位(枝晶臂等)被剪切而折斷、破碎，形成了許多細(xì)小晶粒，細(xì)化枝晶；第二，由于振動(dòng)所產(chǎn)生的攪動(dòng)，使在長(zhǎng)大過(guò)程中初生枝晶周圍的液體造成了局部的溫度起伏，從而有利于枝晶的熔斷，導(dǎo)致新晶核的產(chǎn)生，使晶粒不斷細(xì)化；第三，增加了合金熔體與冷卻板的熱交換，冷卻速度加快，可抑制晶粒的長(zhǎng)大；第四，可避免在傾斜板上凝固結(jié)殼。平行于傾斜板方向的振動(dòng)激振力可增加合金液向下流動(dòng)的速度；由于Y方向的振動(dòng)是垂直于傾斜板的中心線方向，因此，對(duì)晶核形成和長(zhǎng)大的影響主要體現(xiàn)在：合金熔體在向下流動(dòng)的過(guò)程中，初生固相由于受到平行于傾斜板表面的Y方向的振動(dòng)，加劇了晶粒之間的摩擦、碰撞的幾率，使得枝晶更易破碎。由于Y方向和X方向同時(shí)振動(dòng)，因此，晶粒在受到垂直于傾斜板振動(dòng)以及向下流動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)受到Y(jié)方向的激振作用，使得枝晶和未凝固的液體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增大，晶粒之間碰撞和摩擦加劇，晶粒進(jìn)一步細(xì)化。

圖4 XY方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織Fig.4 Microstructures of ZL104 under XY vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表1 XY方向振動(dòng)時(shí)ZL104組織特征Table 1 Microstructure features of ZL104 under XY vibration direction

隨著振動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)強(qiáng)度增大，對(duì)組織的影響表現(xiàn)為：1)晶粒之間的位移增大，晶粒之間的碰撞和摩擦加劇，枝晶臂等被剪切而折斷、破碎的幾率增加；2)增強(qiáng)了合金熔體與冷卻板的熱交換，冷卻速度加快，抑制晶粒的長(zhǎng)大，因此，隨著振動(dòng)頻率的增加，晶粒尺寸減小，形狀因子增大。

另外，由于在傾斜板內(nèi)安放了擾流柱，XY方向振動(dòng)時(shí)，擾流柱的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，增強(qiáng)了對(duì)金屬液的攪拌、散熱和破碎枝晶作用。

圖5 XY振動(dòng)時(shí)，擾流柱的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Movement track of disturbing pillars under XY vibration direction

2.2 YZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織

振動(dòng)方向?yàn)?YZ方向時(shí)，不同振動(dòng)頻率下水淬組織的微觀組織特征如圖6所示，組織特征參數(shù)見(jiàn)表2。

由圖6和表2可以看出，振動(dòng)方向?yàn)閅Z時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由12.32 μm減小到7.13 μm；形狀因子逐漸增大，由0.46增加到0.54，振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整。

圖6 YZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織Fig.6 Microstructures of ZL104 under YZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表2 YZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104組織特征Table 2 Microstructure features of ZL104 under YZ vibration direction

YZ方向振動(dòng)時(shí)，合金液沿傾斜板向下流動(dòng)時(shí)，同時(shí)受到Y(jié)和Z方向振動(dòng)的干擾，Z方向振動(dòng)對(duì)合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向上。垂直于傾斜板方向上的振動(dòng)對(duì)合金液的影響和X方向垂直分力的影響相同，在此不再贅述。YZ方向振動(dòng)和XY方向振動(dòng)對(duì)組織的影響主要體現(xiàn)在Z方向和X方向沿傾斜板內(nèi)表面分力方向的不同，一個(gè)向上，一個(gè)向下。YZ方向振動(dòng)時(shí)，合金液由于受到一個(gè)向上的分力的影響，合金液在傾斜板上滯留的時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)，初生固相率較高。

振動(dòng)頻率的影響主要體現(xiàn)在晶粒受到振動(dòng)次數(shù)和強(qiáng)度的影響，隨著振動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)次數(shù)和強(qiáng)度增大，晶粒細(xì)化。

2.3 XZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織

振動(dòng)方向?yàn)?XZ方向時(shí)，不同振動(dòng)頻率下水淬組織的微觀組織特征如圖7所示，組織特征參數(shù)見(jiàn)表3。

由圖7和表3可以看出，振動(dòng)方向?yàn)閄Z時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由11.19 μm減小到6.53 μm；形狀因子逐漸增大，由0.42增加到0.57，振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整。

圖7 XZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104的組織Fig.7 Microstructures of ZL104 under XZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表3 XZ方向振動(dòng)時(shí)ZL104組織特征Table 3 Microstructure features of ZL104 under XZ vibration direction

XZ方向振動(dòng)時(shí)，合金液沿傾斜板向下流動(dòng)時(shí)，同時(shí)受到X和Z方向振動(dòng)的干擾，X方向振動(dòng)對(duì)合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向下，Z方向振動(dòng)對(duì)合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向上，因此，合金液受到的垂直于傾斜板方向上的振動(dòng)是兩個(gè)分力的疊加，合金液中已生長(zhǎng)的枝晶和未凝固的液體之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大，晶粒之間發(fā)生碰撞和摩擦的機(jī)會(huì)最多，枝晶更容易被剪切而折斷、破碎，因此，晶粒更細(xì)化。另外，由于疊加振動(dòng)所造成的初生枝晶長(zhǎng)大過(guò)程中周圍液體局部的溫度起伏更大，更有利于枝晶的熔斷，導(dǎo)致新晶核的產(chǎn)生。

由于 X方向和 Z方向在沿傾斜板方向的分力抵消，因此，合金液在傾斜板上滯留的時(shí)間最長(zhǎng)，初生固相率也最高。

3 結(jié)論

1)二維振動(dòng)方向?qū)A斜板法制備半固態(tài)合金的微觀組織特征有較大影響，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，形狀因子逐漸增大。

2)振動(dòng)方向?yàn)閄Y方向，振動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)，組織呈魚(yú)骨狀，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸由15.23 μm減小到6.75 μm，形狀因子由0.41增加到0.58。

3)振動(dòng)方向?yàn)閅Z時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸由12.32 μm減小到7.13 μm，形狀因子由0.46增加到0.54。

4)振動(dòng)方向?yàn)閄Z時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，初生相晶粒尺寸由11.19 μm減小到6.53 μm，形狀因子由0.42增加到0.57，振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，形狀圓整，晶粒尺寸最為細(xì)小。

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