振動(dòng)頻率對(duì)消失模鑄造AlSi9Mg組織及性能影響

馮清梅 譚建波 孫高鋼

(1.臺(tái)州第一技師學(xué)院(籌)，浙江 溫嶺317500；2.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊050018)

消失模鑄造是一種近凈成形技術(shù)，因其鑄造精度高、靈活度高及成本低等優(yōu)點(diǎn)被稱為“21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”及“鑄造中的綠色工程”[1].隨著技術(shù)的更新，消失模鑄造技術(shù)在鑄造業(yè)所占比例逐步增加，已廣泛投入生產(chǎn).但是鋁合金消失模鑄造因其充型能力差，容易產(chǎn)生氣孔，澆不足、冷隔、綜合力學(xué)性能較差等缺陷，限制了其發(fā)展.研究結(jié)果表明，振動(dòng)可以改變鋁合金初生相形核及長(zhǎng)大過程，細(xì)化組織，改善其金相組織及力學(xué)性能[2-6]，在振動(dòng)凝固領(lǐng)域中，機(jī)械振動(dòng)具有成本優(yōu)勢(shì)，從而得到廣大國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞[7-17].本課題采用自制且振動(dòng)頻率可調(diào)的機(jī)械振動(dòng)裝置，研究振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金組織及性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為AlSi9Mg合金，其固相線溫度為555℃，液相線溫度為595℃.采用直接購買的AlSi9Mg合金錠.該合金的成分見表1.

表1 AlSi9Mg化學(xué)成分

合金元素SiMnFePbMgNiCuSnTiAl含量/%9.5600.0020.1500.0210.4000.0020.0070.0070.01689.890

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為三維振動(dòng)臺(tái)和專用砂箱.消失模鑄造由于采用無黏結(jié)劑干砂充填模型，通常只需用振動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)緊實(shí).因此將砂箱與振動(dòng)臺(tái)固定，實(shí)現(xiàn)共振，如圖1所示.

圖1 振動(dòng)臺(tái)與砂箱

實(shí)驗(yàn)所用模型是密度為0.022 g/cm3的EPS泡沫板材，使用電阻絲切割裝置方法制成20 mm×20 mm×170 mm的長(zhǎng)方形模型，20 mm×16 mm×120 mm的橫澆道，20 mm×20 mm×300 mm的直澆道，25 mm×25 mm×30 mm的冒口.然后組合成形，其形狀尺寸如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)所用模型三維圖

實(shí)驗(yàn)條件均為澆注溫度為750℃，負(fù)壓度為0.015 MPa，模樣密度為22 g/cm3，振幅0.11 mm，振動(dòng)方向?yàn)閆向.通過改變振動(dòng)頻率制備AlSi9Mg合金試棒，測(cè)定力學(xué)性能，而后取同一高度制備金相試樣.試樣用4%的NaOH溶液腐蝕，利用圖像分析技術(shù)計(jì)算初生固相晶粒的尺寸，為了減小誤差，對(duì)每個(gè)試樣取8～10個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然后取平均值作為該試樣初生固相的組織特征.

2 結(jié)果與討論

2.1 振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金組織的影響

本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)消失模鑄造工藝的基礎(chǔ)上施加振動(dòng)，改變其合金晶體的結(jié)晶方式，研究振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金組織的影響，故需要固定其他參數(shù)，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).一維Z向分別選取振動(dòng)頻率為0 Hz，12 Hz，24 Hz，36 Hz，48 Hz進(jìn)行實(shí)驗(yàn).得到組織如圖3所示.

(a) 0 Hz

(b) 12 Hz

(c) 24 Hz

(d) 36 Hz

(e) 48 Hz圖3 不同振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金組織的影響

觀察圖3可以看出：未施加振動(dòng)時(shí)合金凝固后組織粗大，多為α-Al樹枝晶，且粗大的樹枝晶分散于整個(gè)機(jī)體組織.而對(duì)合金液施加振動(dòng)后，合金組織較無振動(dòng)凝固明顯細(xì)小，均勻，樹枝晶減少，初生相趨于薔薇狀或球形.這是因?yàn)楹辖鹨涸谄胀虠l件下結(jié)晶分為兩個(gè)過程，α固溶體形核，生長(zhǎng)成樹枝晶.因此形核速率及樹枝晶的生長(zhǎng)直接影響晶粒的尺寸，機(jī)械振動(dòng)可以使鑄件組織細(xì)化的原因?yàn)椋?/p>

1)機(jī)械振動(dòng)使合金熔體產(chǎn)生對(duì)流，對(duì)流的產(chǎn)生會(huì)使界面凝固前沿形成溫度起伏，產(chǎn)生過冷度，形核速率增加，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的.另一方面機(jī)械振動(dòng)會(huì)加速溶質(zhì)成分的擴(kuò)散，從而減小了濃度梯度，使成分過冷區(qū)域變窄，抑制樹枝晶的增長(zhǎng)，另一方面機(jī)械振動(dòng)的加入，使合金熔體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇，破碎不穩(wěn)定的二次枝晶，達(dá)到二次形核的目的.在不斷振動(dòng)過程中，顆粒之間的碰撞及流體的沖刷，使晶粒愈發(fā)均勻，光滑.

2)在合金過冷期間，機(jī)械振動(dòng)使熔體在凝固過程中形成空穴，當(dāng)空穴崩潰，流體充填其間時(shí)，流動(dòng)的動(dòng)量將會(huì)產(chǎn)生很高的壓力，而這種壓力的增加就會(huì)使合金的熔點(diǎn)溫度提高.由Clausius-Clapeyron公式[18]計(jì)算：

(1)

式(1)中：Tm為105Pa壓力下的熔點(diǎn)溫度；

Δp為壓力的改變值；

ΔTp為熔點(diǎn)溫度的改變；

ΔHm為結(jié)晶潛熱；

V1為固態(tài)體積；

V2為液態(tài)體積.

AlSi9Mg合金在凝固過程中體積減少，由公式(1)可知，合金液熔點(diǎn)溫度隨之增加.在合金熔體溫度一定的情況下，由于振動(dòng)施加使金屬的熔點(diǎn)溫度提高，即提高了液相線平均溫度，而達(dá)到提高過冷度的目的，這樣有助于自發(fā)核心數(shù)目的增加，使晶粒細(xì)化.

分別比較圖3 a、b、c、d、e可以發(fā)現(xiàn)隨著振動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)強(qiáng)度增加，初生相發(fā)達(dá)α樹枝晶組織明顯減少，同時(shí)存在于晶界上的共晶組織變得均勻細(xì)小.當(dāng)振動(dòng)頻率較低時(shí)，由于共晶組成相以較小的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)，向液相排出的溶質(zhì)原子增多，加快了界面前的橫向擴(kuò)散，同時(shí)也增加了橫向擴(kuò)散所能利用的時(shí)間，從而使層間距變大，共晶硅粗化；當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)，由于合金熔體劇烈運(yùn)動(dòng)，樹枝晶易被折斷，生成大量晶核，生長(zhǎng)速度加快，雖然界面向前的橫向擴(kuò)散有所加快，但由于向液相排出的溶質(zhì)原子減少，同時(shí)，橫向擴(kuò)散所能利用的時(shí)間減少，從而使層間距變小，層片增多，金相細(xì)化[19].

由圖4可以直觀的看出當(dāng)振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)，晶粒細(xì)小均勻.原因?yàn)榘殡S著振動(dòng)頻率的增大，晶粒間的相互作用力增大，破碎較容易，早期形核，由于合金液未凝固，給了形核足夠多的時(shí)間長(zhǎng)大，故晶粒又有一定程度的增大.再者隨著振動(dòng)頻率的增加，性能試棒外觀質(zhì)量有所降低，黏砂現(xiàn)象顯現(xiàn).故本次試驗(yàn)驗(yàn)證：當(dāng)一維振動(dòng)頻率為36 Hz、振動(dòng)方向?yàn)閆向時(shí)可獲得最佳組織的性能試樣.

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金性能的影響

研究垂直振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)AlSi9Mg合金試樣性能的影響.本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件為：澆注溫度為750℃，負(fù)壓度為0.015 MPa，模樣密度為22 g/cm3.振幅大小為0.11 mm.

一維振動(dòng)，方向?yàn)閆向時(shí)，分別選用振動(dòng)頻率為0 Hz，12 Hz，24 Hz，36 Hz，48 Hz進(jìn)行實(shí)驗(yàn).得到5組消失模鑄造性能試棒，取試樣進(jìn)行加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及布氏硬度.不同振動(dòng)頻率對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、布氏硬度的影響如圖5～圖7所示.

振動(dòng)頻率對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大，隨振動(dòng)頻率的增大，抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均先增大后減小，對(duì)布氏硬度影響較小，變化不是很明顯.再者，隨振動(dòng)頻率增大，振動(dòng)強(qiáng)度增大，鑄件黏砂現(xiàn)象逐漸明顯.通過曲線圖可以直觀地看出，當(dāng)振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)抗拉強(qiáng)度、布氏硬度、伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大.與無振動(dòng)性能試棒相比，抗拉強(qiáng)度提高16.5%，布氏硬度提高23%，伸長(zhǎng)率提高35%.

振動(dòng)頻率/Hz圖5 振動(dòng)頻率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

振動(dòng)頻率/Hz圖6 振動(dòng)頻率對(duì)布氏硬度的影響

振動(dòng)頻率/Hz圖7 振動(dòng)頻率對(duì)伸長(zhǎng)率的影響

鑄件的綜合性能與其內(nèi)部組織有直接關(guān)系，由圖3可以看出.當(dāng)振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)，合金組織多為等軸細(xì)晶粒，均勻，細(xì)小，而且固相率高，合金液黏度高，內(nèi)部缺陷降低，故其綜合力學(xué)性能良好.

3 結(jié)論

在消失模鑄造性能試樣凝固過程中施加振動(dòng)能有效地改善其金相組織及力學(xué)性能，具體研究結(jié)果如下：

(1)機(jī)械振動(dòng)的添加可以增加形核速率，使晶粒細(xì)小、均勻，樹枝晶減少，初生相趨于薔薇狀或球形.隨振動(dòng)頻率的增加，晶粒尺寸先減小后增加，一維振動(dòng)Z向，振幅為0.11 mm，振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)，晶粒尺寸最小，為80 μm.

(2)一維Z向，振幅為0.11 mm時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大，隨著振動(dòng)頻率的增大抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均先增大后減小，對(duì)布氏硬度影響較低，變化不是很明顯.當(dāng)振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)抗拉強(qiáng)度、布氏硬度、伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大.與無振動(dòng)性能試棒相比，抗拉強(qiáng)度提高16.5%，布氏硬度提高23%，伸長(zhǎng)率提高35%.

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