振動對鋁合金消失模鑄造的影響

李 旋，李增民，李立新

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018）

在消失模鑄造過程中，采用三維振動臺緊實，并將該機械振動應用到金屬液的凝固過程中，在AZ91D鎂合金消失模鑄造凝固過程中應用機械振動，對細化組織有顯著作用[1-2]。凝固過程中對金屬液施加一段時間振動，借助液相和固相間的相對運動破碎枝晶，顯著增加液相內結晶核心，使鑄件最終凝固組織細化和力學性能提高，是一種操作簡便、成本低廉、無環境污染的物理變質方法[3-4]。同樣的方法應用在鋁合金消失模鑄造生產過程中也能有明顯的細化組織的作用。

振動能夠對鋁合金的a相組織進行細化，同時振動還可以大大提高金屬液的充型能力。機械振動細化a晶粒的原因主要是，振動使金屬液的各部分之間產生相對滑移，各部分之間的速度差產生了“黏性剪切”，使得浮游在液體中的a樹枝晶和共晶體被剪切折斷、破碎而形成新晶核，振動抑制了a樹枝晶和共晶組織的自由長大，和無振動相比，整個組織得到了細化[5-6]。在鋁合金消失模鑄造的凝固過程中施加機械振動還能夠減少氣孔缺陷，振動凝固有利于氣體的聚集、長大以及析出，從而減少氣孔[7-9]。這是由于振動能夠增加鋁合金熔液中的氫氣的擴散速率，從而可以有利于氫氣的析出以及氣泡的聚集長大。

本文具體研究了不同振動參數對鋁合金消失模鑄造過程充型能力的影響；不同振動參數對鑄件力學性能的影響，本次試驗主要研究的是振動對抗拉強度的影響。

1 鋁合金消失模鑄造振動凝固試驗

實驗采用的是鋁-硅系鑄造鋁合金ZAlSi9Mg，合金代號ZL-104，ZL-104的成分組成如表1所示。該合金的強度高于ZL101、ZL102等合金，鑄造性能也比較的好，沒有熱裂傾向，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，熔煉工藝比較復雜，切削性能以及焊接性能一般。

將鋁合金按操作規范在電爐中進行熔煉，待溫度達到730℃時開始變質處理，實驗采用的是三元變質劑（kCl15%，NaCl40%，NaF45%），變質 3 min后進行精煉處理，六氯乙烷作為精煉劑，其加入量為合金的0.75%，在熔體底部緩慢地攪拌2 min，之后靜置，待金屬液的溫度穩定在750℃時打開真空閥抽真空，合砂箱后進行振動澆注，

試驗采用0.020 g/cm3的可發性聚苯乙烯EPS作為模樣的原材料，用專門的消失模涂料將制得的模樣刷涂兩遍，待模樣完全烘干后放入砂箱中，用線切割機制備試驗模樣，模樣的尺寸是26 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，三維試樣模型結構如圖1所示。砂箱用干燥的石英砂振動緊實，并用塑料薄膜覆蓋。制得的試樣經研磨，拋光后進行顯微組織觀察，室溫棒材拉伸試樣根據標準可以加工成φ10 mm的標準拉伸試樣，如圖2所示，將標準試樣在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，取每組多次測量的平均值作為測量值。

表1 ZL104的成分組成表 （質量分數，%）

圖1 三維試樣模型

圖2 標準拉伸試樣

具體操作步驟如下：

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

2）實驗過程中，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℃內進行變質、精煉，之后靜置15 min后，在750℃時進行澆注。

3）振動試驗：在澆注之前就開始進行振動，起振時先選擇小的頻率，待振動穩定后再采用預定的頻率值，改變振動參數得到不同的試樣。

4）將成型的φ10 mm的標準鑄造試棒，在萬能試驗機上測試室溫力學性能，拉伸速率為2 mm/min，每組測試的多根試棒取抗拉強度的平均值，最后所得的結果進行比較，從而獲得最佳的振動工藝參數，最后觀察金相組織研究振動對組織的影響。

1.1 不同振動參數對鑄件性能的影響

1.1.1 常規試樣的獲得

在進行振動凝固試驗之前需要做一組對比試驗，在不加振動的情況下，采用常規鋁合金消失模鑄造方法制備5個試棒，測出這5個試棒的抗拉強度后求得平均值得不振動的ZL104鑄件的抗拉強度是77.5 MPa.

1.1.2 振動試樣的獲得

試驗對ZL104合金在凝固過程中統一采用垂直振動方式。

表2 試驗方案

為了研究振動參數對試樣性能的影響，采取如表2所示試驗方案。每組固定振幅，通過改變振動頻率來研究振動頻率對鑄件抗拉強度的影響，每個參數組合做5個試樣，取其平均值。最終得到的試驗結果見表3.

1.1.3 試驗結果分析

從表3可以看出，當振幅固定時，振動頻率在0 HZ～50 HZ范圍內變化時，隨著頻率的增大抗拉強度增大，50 HZ以后抗拉強度值增長的緩慢。

試驗結果證明：隨著振動頻率的增加，鑄件的力學性能逐漸提高，但是不會一直提高，最終達到一個相對穩定的水平，該對比試驗的結果表明當其它振動參數不變時，振動頻率選擇在50 HZ時鋁合金鑄件的抗拉強度值最高,抗拉強度值由77.5 MPa提高到125.5 MPa，鑄件的力學性能得到了很好地提高。

表3 ZL104的抗拉強度值列表

1.2 振動頻率對金相組織的影響

拉伸試驗后經過研磨、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的試驗結果。

由圖3可以看出隨著振動頻率的增大，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始粗化。結果表明，當振動頻率是50 HZ時，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的充型長度表

圖4 澆注后的試樣

1.3 機械振動對充型能力的影響

研究振動對充型能力的影響時，可以通過觀察振動前后澆注的試樣的長度來比較，振動方向統一采用的是垂直振動，澆注溫度是750℃，振動頻率選擇的是50 HZ，真空度是-0.03 MPa，通過改變振幅觀察澆注后試樣的長度。

在研究機械振動對充型能力的影響時，首先做一組參考對比試驗，在不振動的情況下測得澆注后試樣的長度，在這組試驗中共有5個試樣，最后澆注后試樣的長度是5個試棒澆注完畢后試樣的平均長度，本次試驗得到的不振動試樣的平均長度是68 mm.最終測得試驗數據見表4，鋁合金ZL104消失模鑄造結束后試樣的尺寸外形圖如圖4所示。

通過表3可以看出，振動幅度對充型能力有影響，在其他振動參數一定的情況下，隨著振動的振幅的逐漸增加，澆注后試樣的長度也在逐漸增加，但是并不會無限制的增加，如果振幅太大，超過4.5 mm后試樣的長度會縮短，說明振幅過大鋁合金消失模鑄件的充型能力會下降，造成這種現象的原因是：由于振幅過大，金屬液在凝固過程中不能再按照順序凝固的方式進行，過大的振幅甚至會導致金屬液的紊流，最終大大影響了鑄件的質量。

2 結論

實驗結果表明，采用機械振動的方法可以細化鋁合金消失模鑄件晶粒組織；提高鑄件抗拉強度；提高鑄造充型能力。

在振幅一定的條件下，隨著振動頻率的增大試樣的力學性能增加，晶粒細化，但有一個最佳頻率值。

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