金屬材料鑄造成型中的振動(dòng)技術(shù)

徐立華

(唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299)

在對金屬進(jìn)行鑄造時(shí)，因?yàn)槭┘拥臈l件有所不同，最終得到的金屬鑄件的晶粒細(xì)化程度也存在一定的差別，鑄件成型后的使用性能也千差萬別，比如，如果在鑄件成型的過程中，適當(dāng)?shù)募哟笳駝?dòng)，那么就會得到晶粒細(xì)化的鋼錠鑄件。隨著科技的不斷發(fā)展，振動(dòng)技術(shù)開始被廣泛的應(yīng)用到金屬材料鑄造成型的各個(gè)環(huán)節(jié)。隨著不斷的研究、實(shí)踐和總結(jié)，振動(dòng)技術(shù)也取得了飛快的進(jìn)步和發(fā)展，但是目前該技術(shù)本身及其應(yīng)用仍然存在一定的不足。

1 振動(dòng)方式與設(shè)備振動(dòng)

應(yīng)用到鑄造工藝中的振動(dòng)方式有很多，總的來講，這些振動(dòng)方式被分為兩種類型：機(jī)械振動(dòng)與超聲波振動(dòng)，鑄造過程中需要應(yīng)用到鑄造振動(dòng)臺，如圖1 所示。 按照維數(shù)，機(jī)械振動(dòng)又可以分為一維振動(dòng)與多維振動(dòng)；按照引入方向感的不同，超聲振動(dòng)可以分為兩種：水平引入與下方引入，另外，按照振動(dòng)方向的不同，機(jī)械振動(dòng)又被分為三種：垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。鑄造過程中經(jīng)常應(yīng)用到的振動(dòng)設(shè)備被分為兩大類：低頻振動(dòng)臺和高頻振動(dòng)臺，在我國范圍內(nèi)，最近十年才涉及到低頻振動(dòng)臺的應(yīng)用。國內(nèi)當(dāng)前所擁有的振動(dòng)設(shè)備普遍具有振動(dòng)頻率低、作用距離近、振動(dòng)能量有限的特點(diǎn)，另外，這類設(shè)備振動(dòng)的過程不容易被控制[1]。

圖1 鑄造振動(dòng)臺

2 作用機(jī)理

在某種條件下，金屬熔體屬于典型的粘性流體，其流動(dòng)的方式主要有兩種，層流式和紊流式。一般來說，金屬充型結(jié)束時(shí)，才會出現(xiàn)層流，因此，金屬鑄造行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)定金屬充型為紊流狀態(tài)。在成型過程中，如果適當(dāng)?shù)脑黾诱駝?dòng)的頻率，紊流程度也會有所增加；隨著振動(dòng)周期的延長，紊流速度也會有所增加，可以說，隨著振動(dòng)強(qiáng)度的不斷增加，金屬流體的流動(dòng)性也會有所增加。但是在這個(gè)過程中，隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增加，垂直度振動(dòng)方向的紊流附加阻力會持續(xù)增大，產(chǎn)生的能量損失也會增加，如果能量損失達(dá)到一定程度，流體的流動(dòng)性會有所減弱。在對金屬進(jìn)行鑄造凝固的過程中，振動(dòng)頻率的增加可以破碎已經(jīng)成型的晶粒，從而獲得粒度更小的等軸晶[2]。

3 振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造成型中的具體應(yīng)用

3.1 金屬液處理中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用超聲波以不同的振動(dòng)頻率作用到合金液體上，完成鑄造后，觀察鑄件樣本，觀察結(jié)果證明：當(dāng)超聲波的頻率為17.5 kHz 時(shí)，振動(dòng)細(xì)化后的晶粒的尺寸較原來縮小50um，屈服應(yīng)力值增加了502NMP，孔隙率降低5%，伸長率提高了18%，之所以出現(xiàn)這樣的效果，主要是因?yàn)檎駝?dòng)作用增強(qiáng)了排氣效果。

（2）合金液體經(jīng)過超聲波處理后，對其進(jìn)行弛豫時(shí)間的檢測，檢測結(jié)果證明：晶粒尺寸增加了12um，并且可以持續(xù)保持穩(wěn)定，這個(gè)現(xiàn)象足以說明，超聲波具有非常好的金屬液體的處理效果，值得持續(xù)推廣和使用。將功率為1.8 kW、20 kHz 的超聲波振動(dòng)器伸入金屬液液面以下，保持90 s，得到狀態(tài)為半固態(tài)的漿料，經(jīng)過適當(dāng)?shù)牧髯償D壓鑄造，最終獲得鑄件。

（3）觀察鑄件微觀組織得到以下結(jié)論：鑄件的微觀組織主要包含三種微觀顆粒：初晶Si 顆粒、α-Al+β-Si 共晶顆粒，非平衡α-Al 顆粒。超聲振動(dòng)作用增加了Si 原子的固溶度，同時(shí)降低了Si 顆粒的形成溫度范圍，初生Si 顆粒體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到11.1%，證明超聲振動(dòng)擠壓鑄造所得到的合金性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)擠壓鑄造所得到的合金性能[3]。

3.2 鑄造充型過程中的應(yīng)用

（1）以不同的振動(dòng)頻率、不同的振動(dòng)幅度，對鎂合金的充型能力進(jìn)行研究。對合金施加垂直方向的機(jī)械振動(dòng)作用，結(jié)果表明：如果澆筑問題為690 ℃，合金的充型面積和充型長度都得到明顯的提高。持續(xù)增加振動(dòng)頻率，當(dāng)充型面積達(dá)到相對完整的狀態(tài)時(shí)，如果繼續(xù)加大振動(dòng)頻率，充型能力就會發(fā)生下降的趨勢。

（2）研究機(jī)械振動(dòng)對鋁合金的充型能力的影響。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)的頻率為20 Hz 時(shí)，隨著機(jī)械振動(dòng)振幅的不斷增加，充型能力也會逐漸增大。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)的幅度為0.25 mm 時(shí)，鑄件試樣長度達(dá)到275 mm，較未施加任何振動(dòng)試樣的長度長86mm，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)的振幅為0.1mm 時(shí)，振動(dòng)頻率增加，合金的充型能力變化一般是先增加后減小。理論分析表明：機(jī)械振動(dòng)的作用，提高了合金熔體的流動(dòng)性能，進(jìn)而提高了充型能力[4-7]。

（3）研究振動(dòng)時(shí)機(jī)對鑄件充型過程的具體影響。在對金屬進(jìn)行鑄造成型的過程中，如果不應(yīng)用砂芯，澆筑系統(tǒng)充滿后，型腔內(nèi)開始有金屬液體的液面上升，才能施加振動(dòng)作用，當(dāng)金屬液面達(dá)到冒口位置的時(shí)候，及時(shí)停止振動(dòng)。振動(dòng)時(shí)間過早可能會導(dǎo)致澆口振壞，最終導(dǎo)致沖砂現(xiàn)象的發(fā)生。利用砂型開展鑄造的過層中，當(dāng)金屬液面開始從冒口的位置上升，就可以施加振動(dòng)作用，如果提前振動(dòng)，可能會導(dǎo)致砂芯的損壞。振動(dòng)鑄造試驗(yàn)證明：選擇最佳的振動(dòng)形式，在合適的振動(dòng)時(shí)機(jī)，可以有效的促進(jìn)排氣除渣，減少充型缺陷，提高鑄件性能。

3.3 鑄造凝固過程中的應(yīng)用

（1）低頻機(jī)械振動(dòng)可能會給鑄件的性能造成影響。應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)方式作用于再生鋁合金的凝固過程，研究機(jī)械振動(dòng)方式的具體影響，試驗(yàn)結(jié)果證明，振動(dòng)作用可以有效地的細(xì)化合金內(nèi)部的顆粒，改善富鐵相的形貌，轉(zhuǎn)變富鐵的形狀和分布狀態(tài)，確保富鐵可以以球狀或者短棒狀的狀態(tài)均勻的分布到晶界處，當(dāng)振動(dòng)頻率為40 Hz 時(shí)，一般會達(dá)到最佳的振動(dòng)效果，晶粒尺寸也會適當(dāng)?shù)臏p小。同時(shí)，振動(dòng)作用可以極大程度的優(yōu)化鋁合金的力學(xué)性能，使得鋁合金的伸長效率可以達(dá)到4.74%。 還有學(xué)者經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)作用雖然可以降低裂紋缺陷的產(chǎn)生，但是合金的力學(xué)性能卻未得到有效的改善[8]。

（2）應(yīng)用不同頻率的超聲振動(dòng)作用在Mg-8Li-3Al 合金熔體的凝固過程， 將超聲波探頭插入到金屬頂部。經(jīng)過鑄造得到鑄件，對其力學(xué)性能、顯微組織以及耐腐蝕性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：合金的α 相轉(zhuǎn)變?yōu)榱饲驙罱Y(jié)構(gòu)，如果適當(dāng)增加功率，可以有效提高球狀結(jié)構(gòu)的精細(xì)化程度，同時(shí)，隨著超聲振動(dòng)處理時(shí)間的不斷延長，獲得的球化效果也就越好。與未經(jīng)振動(dòng)處理的合金相比，經(jīng)過處理的合金的抗腐蝕性能得到了明顯的提高。

（3）應(yīng)用激振頻率與鑄型系統(tǒng)的低階固有頻率作用于鑄件振動(dòng)凝固的過程中，結(jié)果證明，在較低的固有頻率下，鑄型系統(tǒng)各部位振動(dòng)位移幅值到達(dá)最大值時(shí)，鑄件的殘余應(yīng)力會發(fā)生一定程度的降低，如果降低到某一個(gè)水平，可以省去時(shí)效處理。這樣一來，鑄造成型效率得到有效的提升，鑄造成本也被控制在了一定的范圍內(nèi)[9，10]。

（4）不同澆筑溫度和不同振動(dòng)方向?qū)︿X合金性能的具體影響。經(jīng)過研究證明，隨著澆筑溫度的不斷升高，鋁合金的硬度以及拉伸強(qiáng)度會呈現(xiàn)先增大后減小的變化，一般來說，澆筑溫度為760 ℃，試樣的力學(xué)性能達(dá)到最佳。

3.4 鑄件時(shí)效處理中的應(yīng)用

（1）對薄壁鑄件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。經(jīng)過不斷研究和優(yōu)化，確定最佳的振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)。通過對薄壁鋁合金鑄件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)研究，研究結(jié)果證明，鑄件殘余應(yīng)力水平和峰值應(yīng)力水平明顯降低，分布狀態(tài)也較為均勻。通過對比，應(yīng)用時(shí)效處理的處理時(shí)間和處理成本都得到了明顯的降低。

（2）應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)對機(jī)床鑄件進(jìn)行時(shí)效處理，經(jīng)過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：經(jīng)過振動(dòng)處理后，磨床臺面的平均應(yīng)力消除率升高至56.8%；平均應(yīng)力消除率升高1.6%。應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效對鑄件進(jìn)行處理，不僅可以提高處理效率，還可以降低殘余應(yīng)力，縮短工期，符合綠色鑄造相關(guān)理念。

（3）超聲波振動(dòng)作用給薄零件和小零件所造成的殘余應(yīng)力的影響。應(yīng)用頻率為24.5 kHz 的超聲波進(jìn)行時(shí)效處理，試驗(yàn)結(jié)果證明，殘余應(yīng)力消除率高達(dá)36 %，隨著振幅的增加，試樣的殘余應(yīng)力不斷減小；從處理時(shí)間角度研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波處理時(shí)間為2min 和8min 時(shí)，應(yīng)力降低至4 Mpa 和75 MPa。

（4）研究振動(dòng)時(shí)效對冷扎鑄鋼殘余應(yīng)力的影響，試驗(yàn)結(jié)果證明，振動(dòng)時(shí)效的處理有效降低了冷扎鑄鋼殘余應(yīng)力。

（5）試驗(yàn)研究證明，振動(dòng)處理可以延長鑄件的使用壽命，而時(shí)效處理卻會縮短鑄件的使用壽命[11]。

4 建議

（1）振動(dòng)鑄造的過程中，開展?jié)仓ぷ髑?，為了增?qiáng)金屬的排氣效果，必須對金屬液體進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)處理，促進(jìn)金屬內(nèi)晶粒均勻分布，進(jìn)而提高鑄件的力學(xué)性能水平。（2）在金屬液充型中，為了提高金屬液體的充型能力，減少鑄造缺陷的發(fā)生，進(jìn)一步提高鑄件力學(xué)性能水平，不僅要選擇合理的振動(dòng)鑄造方法，還要選擇適宜的振動(dòng)時(shí)機(jī)。（3）在金屬振動(dòng)凝固的過程中，機(jī)械振動(dòng)的效果往往和振動(dòng)幅度、振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率等參數(shù)有關(guān)。超聲波振動(dòng)的應(yīng)用可以改善機(jī)械振動(dòng)能量不足的問題，但是超聲波振動(dòng)方式應(yīng)用成本相對較高。（4）振動(dòng)時(shí)效處理可以提高應(yīng)力分布的均勻程度，同時(shí)降低鑄件殘余應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約成本，降低處理時(shí)間等目的，另外，振動(dòng)時(shí)效處理對設(shè)備應(yīng)用要求較低，可以有效保證金屬鑄造過程的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

5 結(jié)語

總而言之，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，振動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用范圍也會持續(xù)拓展，在國內(nèi)，關(guān)于振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造過程中的應(yīng)用的研究非常熱門，越來越多的行業(yè)和學(xué)者紛紛投身于這項(xiàng)研究中。研究結(jié)果顯示應(yīng)用振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造過程中，不僅可以提高鑄造效率、鑄件性能，還能降低金屬廢品的生成率，符合綠色鑄造理念。但是在應(yīng)用振動(dòng)技術(shù)的過程中，注意合理控制振動(dòng)機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度，避免出現(xiàn)鑄件開裂問題的發(fā)生。