振動對ZL205A合金偏析組織及硬度的影響

賈麗敏 張雅晴 譚建波 劉小麗 張雙杰

摘 要：為了解決ZL205A合金鑄件產(chǎn)生偏析缺陷等問題，進(jìn)一步明確振動對偏析組織及硬度的影響規(guī)律，采用電磁式振動臺作為振動源，探究了振動頻率、振幅、振動時(shí)間對合金偏析組織占比及硬度的影響情況。結(jié)果表明，振動頻率在25～55 Hz內(nèi)變化時(shí)，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢，硬度呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢;振幅由1 mm增加到4 mm的過程中，偏析組織占比逐漸減少并趨于穩(wěn)定，硬度呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢;振動時(shí)間由30 s增加至75 s時(shí)，偏析組織占比呈現(xiàn)增加趨勢并最終趨于穩(wěn)定，硬度呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢。振動頻率對合金偏析組織和硬度的影響最為顯著，振動時(shí)間和振幅的影響次之，此外，偏析組織的析出也會影響合金硬度。研究結(jié)果為明確ZL205A合金在振動條件下凝固組織的變化規(guī)律、提高鑄件質(zhì)量提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：有色金屬及其合金;振動;ZL205A合金;偏析組織;硬度

中圖分類號：TG292 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? doi：10.7535/hbkd.2020yx05010

Abstract：In order to solve the problems of segregation defects in ZL205A alloy castings and clarify the influence of vibration on segregation structure and hardness， the electromagnetic vibration table was adopted as the vibration source to study the effects of vibration frequency， amplitude and time on segregation structure proportion and hardness of the alloy. The results show that the proportion of segregation structures decreases first and then increases， and the hardness increases first and then decreases with the increase of vibration frequency from 25 Hz to 55 Hz. When the vibration amplitude increases from 1 mm to 4 mm， the proportion of segregation structures decreases gradually and tends to be stable， and the hardness decreases first and then increases. With the increase of vibration time from 30 s to 75 s， the proportion of segregation structures increases and finally tends to be stable， and the hardness decreases first and then increases. Therefore， the vibration frequency has the most significant effect on segregation structure and hardness of the alloy， followed by time and amplitude. In addition， the precipitation of segregation structures also affects the hardness of the alloy. The results provide a theoretical reference for studying the change rule of solidification structure of ZL205Aalloy under vibration condition and for improving casting quality.

Keywords：non-ferrous metal and its alloy; vibration; ZL205A alloy; segregation structure; hardness

ZL205A合金是目前世界上抗拉強(qiáng)度最高的一種鑄造鋁合金，延展性好，具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和武器裝備等重要領(lǐng)域[1]。但由于合金元素較多，ZL205A合金存在鑄造性能差、鑄件易產(chǎn)生偏析等缺陷，這些已成為影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。ZL205A合金凝固過程中的偏析問題一直是鑄造行業(yè)比較關(guān)注的[2-3]。已有研究發(fā)現(xiàn)，凝固條件不同時(shí)，ZL205A合金偏析類型呈現(xiàn)多樣性，包括由Al2Cu相組成的樹枝狀偏析，由Al3Ti，Al3V和Al3Zr混合組織形成的塊狀偏析，由α-Al基體中存在的片狀偏析，灰白Al3Ti物質(zhì)形成的流線偏析，以及由Ti和Zr等原子團(tuán)簇聚集而形成的點(diǎn)狀偏析等[4-6]，這些偏析組織的存在不同程度地影響了鑄件的力學(xué)性能。一些研究者對ZL205A 鑄件中各種偏析的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并在鑄造工藝方面采取各種措施，盡量避免在鑄件中產(chǎn)生偏析缺陷。但目前來看，ZL205A合金鑄件偏析缺陷仍然是影響鑄件質(zhì)量的主要因素之一[7]。

振動可使合金凝固過程發(fā)生改變，從而改變鑄件凝固組織，提高鑄件質(zhì)量[8-10]。目前，國內(nèi)外針對振動凝固技術(shù)的研究多偏向于鑄造過程中振動對晶粒組織尺寸及形態(tài)的影響，而對合金凝固過程，尤其是對寬結(jié)晶合金（如ZL205A合金）元素偏析的研究甚少[11-12]。因此，本文通過研究振動對ZL205A合金鑄件偏析組織及硬度的影響規(guī)律，分析振動頻率、振動幅度、振動時(shí)間對砂型鑄造ZL205A合金偏析組織占比及合金硬度的影響機(jī)理，為ZL205A合金在振動條件下凝固組織的研究提供理論參考。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用ZL205A合金錠，重熔后進(jìn)行澆注。圖1為ZL205A合金澆注系統(tǒng)及取樣位置示意圖，試樣取自直徑為25 mm、長度為80 mm的圓柱形鑄件中間。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)澆注2個(gè)形狀、尺寸及在澆注系統(tǒng)中位置一樣的鑄件，組織觀察及硬度分析試樣分別在2個(gè)鑄件相同的位置處截取。為了增大砂型的透氣性以及提高造型效率，將橫澆道設(shè)計(jì)成開放狀態(tài)。采用砂型鑄造，將合金鑄錠在SG-5-12型坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔化溫度為720 ℃。合金全部融化后，向坩堝內(nèi)加入鋁液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為015%的ZnCl2精煉劑，精煉5 min，進(jìn)行精煉除氣和打渣。將砂鑄型固定在振動臺上，金屬液凝固過程中采用調(diào)頻調(diào)幅掃頻電磁式振動臺進(jìn)行振動處理，澆注過程中通過控制振動臺的振動參數(shù)改變合金的凝固組織。取樣后，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕后制得組織觀察和硬度分析所用試樣，并在每個(gè)試樣上隨機(jī)選取3個(gè)位置進(jìn)行組織觀察和硬度分析， 取3組數(shù)據(jù)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在蔡司金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察，在維氏硬度計(jì)上測量試樣硬度。

本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了振動頻率、振幅以及振動時(shí)間等振動參數(shù)對鑄件偏析組織及硬度的影響，因此設(shè)計(jì)了三因素四水平的正交試驗(yàn)，因素水平表如表1所示，共進(jìn)行了16組鋁合金澆注實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果及分析

2.1 ZL205A合金組織形態(tài)及分布

圖2所示為不同振動條件（時(shí)間t，頻率f，振幅h）下ZL205A合金典型的金相組織圖。通過與已有研究得到的ZL205A金相組織圖進(jìn)行對比[13-15]可知，本研究中鑄態(tài)ZL205A合金的基體相為淺灰色的α（Al）固溶體，深灰色部位為偏析組織。枝晶間和晶界上有α（Al）相、θ（Al2Cu）相和Cd相的共晶組織，以及少量的灰色塊狀ZrAl3相，條狀A(yù)l3Ti（B）相分布在α固溶體上[16]。在該研究中，大多數(shù)偏析組織為帶狀、樹枝狀偏析，少數(shù)為塊狀偏析。

運(yùn)用圖像分析軟件Image-ProPlus對各試樣金相圖中的偏析組織進(jìn)行提取，并對其含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，偏析組織統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。在金相照片中，將所有偏析組織面積之和與圖片總面積的比值作為本研究中偏析組織占比，對每個(gè)試樣的3張金相圖進(jìn)行分析，并對3組數(shù)據(jù)求平均值（偏析組織占比統(tǒng)計(jì)時(shí)，其相對誤差約為3.83%）。運(yùn)用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件對所得偏析組織占比進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

2.2 振動參數(shù)對ZL205A合金偏析組織形成的影響

由表2數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，在振動頻率、振動時(shí)間、振幅3個(gè)因素中，振動頻率因素下偏析組織所占比例的極差數(shù)值最大，由此推斷，振動頻率對偏析組織形成的影響最大，其次為振動時(shí)間和振幅。圖4更為直觀地給出了偏析組織占比與振動頻率、振幅和振動時(shí)間的關(guān)系。

由圖4可以看出，振動參數(shù)對偏析組織的影響規(guī)律如下：頻率在25～55 Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比先減小后增加，在45 Hz時(shí)偏析組織所占比例減至最小;隨著振幅的增加，偏析組織占比呈現(xiàn)減小趨勢并逐漸趨于穩(wěn)定;隨著振動時(shí)間的延長，偏析組織所占比例逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。

振動參數(shù)對偏析組織的影響之所以會出現(xiàn)如圖4所示的結(jié)果，主要原因分析如下。ZL205A合金晶粒細(xì)化可有效減少鑄件的凝固偏析缺陷[17]，振動頻率較小時(shí)，隨著振動頻率的增加，合金熔體振動劇烈，樹枝晶會發(fā)生破碎產(chǎn)生大量晶核，合金組織得到細(xì)化。但過大的振動頻率會使得晶粒間的相互作用增加，且枝晶破碎更為容易，給形核提供了較長時(shí)間，晶粒尺寸有所增加[18-19]。因此，本研究中，隨著振動頻率的增加，偏析組織所占比例呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢。當(dāng)振幅增加時(shí)，振擊力加強(qiáng)，液體攪拌作用加強(qiáng)，金屬液內(nèi)對流加劇，為ZL205A合金凝固時(shí)枝晶折斷、破碎、增殖及游離提供了有利條件，從而使晶粒細(xì)化[20]。因此，隨著振幅的增加，偏析組織占比呈現(xiàn)減小的趨勢。在振動作用下，金屬液表面及鑄型壁產(chǎn)生的晶核脫落，會游離到未凝固的金屬液中。隨著振動時(shí)間的延長，晶核脫落越來越多。與不施加振動時(shí)相比，金屬液的溫度和濃度會變得更加均勻，同時(shí)金屬液中固相率的提高使晶粒之間的碰撞更加頻繁，此條件下各個(gè)晶粒會進(jìn)行融合，更大量的晶粒聚集在一起，在某個(gè)振動頻率參數(shù)條件下，晶粒尺寸會隨著振動時(shí)間的增加而增大[21]，因而偏析組織占比也會呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢直至穩(wěn)定。

圖5所示為與圖2相對應(yīng)試樣的晶粒組織照片。對比圖5與圖2可以看出，當(dāng)晶粒尺寸較小時(shí)，偏析組織析出明顯減少。由此可以推斷，本實(shí)驗(yàn)條件下晶粒尺寸仍是影響偏析組織析出的重要因素。

2.3 振動對ZL205A合金硬度的影響

用相同的取樣方法測量每個(gè)試樣的維氏硬度（硬度值測定時(shí)，其相對誤差約為2.52%），正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。圖6給出了合金硬度與振動頻率、振幅和振動時(shí)間的關(guān)系。

由表3正交試驗(yàn)硬度數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，在影響ZL205A合金硬度的3個(gè)因素中，振動頻率的影響最為顯著，其次為振動時(shí)間和振幅。由圖6可以看出，在本研究范圍內(nèi)，隨著振幅和振動時(shí)間的增加，合金的硬度值呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢;而隨著振動頻率的增加，合金的硬度值呈現(xiàn)先增大、后減小的變化趨勢。

振動對鑄件硬度的影響分析如下：振動會影響鑄件的晶粒尺寸，一般情況下，晶粒越細(xì)小，偏析組織占比越少，試樣的硬度就越大。圖7所示為本實(shí)驗(yàn)中不同振動時(shí)間所對應(yīng)的合金偏析組織占比與硬度的關(guān)系，可以看出，隨著偏析組織占比增大，硬度基本上呈現(xiàn)減小的趨勢。但同時(shí)，偏析組織的析出也會影響合金的表面硬度，在ZL205A合金凝固組織中，某些偏析組織具有較高的硬度，如塊狀偏析組織中的Al3Ti，Al3V和Al3Zr等金屬間化合物具有十分高的硬度，此類偏析組織表面硬度要顯著高于基體組織α固溶體[4]。本研究中，晶粒尺寸與偏析組織的共同作用，使得振動參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，合金硬度呈現(xiàn)如圖6所示的變化趨勢，硬度并未完全隨偏析組織占比的改變而發(fā)生變化。由此可以推斷，偏析組織的析出也會影響合金硬度。

3 結(jié) 語

1）研究了振動對砂型鑄造ZL205A合金偏析組織及硬度的影響，分析了振動頻率、振幅、振動時(shí)間對合金偏析組織占比及硬度的影響規(guī)律。在3個(gè)振動參數(shù)中，振動頻率對合金偏析組織和硬度的影響最為顯著，其次為振動時(shí)間和振幅。

2）振動頻率在25～55 Hz內(nèi)變化時(shí)，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢，硬度呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢;振幅由1 mm增加到4 mm的過程中，偏析組織占比逐漸減少并趨于穩(wěn)定，硬度呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢;振動時(shí)間由30 s增加至75 s時(shí)，偏析組織占比呈現(xiàn)增加趨勢并最終趨于穩(wěn)定，硬度呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢。

3）除了晶粒尺寸，偏析組織的析出也會影響合金的硬度，其影響機(jī)制還有待作進(jìn)一步的研究。

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