振动频率对消失模铸造AlSi9Mg组织及性能影响

冯清梅 谭建波 孙高钢

(1.台州第一技师学院(筹)，浙江 温岭317500；2.河北科技大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄050018)

消失模铸造是一种近净成形技术，因其铸造精度高、灵活度高及成本低等优点被称为“21世纪的铸造新技术”及“铸造中的绿色工程”[1].随着技术的更新，消失模铸造技术在铸造业所占比例逐步增加，已广泛投入生产.但是铝合金消失模铸造因其充型能力差，容易产生气孔，浇不足、冷隔、综合力学性能较差等缺陷，限制了其发展.研究结果表明，振动可以改变铝合金初生相形核及长大过程，细化组织，改善其金相组织及力学性能[2-6]，在振动凝固领域中，机械振动具有成本优势，从而得到广大国内外研究学者的青睐[7-17].本课题采用自制且振动频率可调的机械振动装置，研究振动频率对AlSi9Mg合金组织及性能的影响.

1 实验

实验所用材料为AlSi9Mg合金，其固相线温度为555℃，液相线温度为595℃.采用直接购买的AlSi9Mg合金锭.该合金的成分见表1.

表1 AlSi9Mg化学成分

合金元素SiMnFePbMgNiCuSnTiAl含量/%9.5600.0020.1500.0210.4000.0020.0070.0070.01689.890

实验设备为三维振动台和专用砂箱.消失模铸造由于采用无黏结剂干砂充填模型，通常只需用振动的方法来实现紧实.因此将砂箱与振动台固定，实现共振，如图1所示.

图1 振动台与砂箱

实验所用模型是密度为0.022 g/cm3的EPS泡沫板材，使用电阻丝切割装置方法制成20 mm×20 mm×170 mm的长方形模型，20 mm×16 mm×120 mm的横浇道，20 mm×20 mm×300 mm的直浇道，25 mm×25 mm×30 mm的冒口.然后组合成形，其形状尺寸如图2所示.

图2 试验所用模型三维图

实验条件均为浇注温度为750℃，负压度为0.015 MPa，模样密度为22 g/cm3，振幅0.11 mm，振动方向为Z向.通过改变振动频率制备AlSi9Mg合金试棒，测定力学性能，而后取同一高度制备金相试样.试样用4%的NaOH溶液腐蚀，利用图像分析技术计算初生固相晶粒的尺寸，为了减小误差，对每个试样取8～10个视场进行测量，然后取平均值作为该试样初生固相的组织特征.

2 结果与讨论

2.1 振动频率对AlSi9Mg合金组织的影响

本实验在传统消失模铸造工艺的基础上施加振动，改变其合金晶体的结晶方式，研究振动频率对AlSi9Mg合金组织的影响，故需要固定其他参数，进行单因素实验.一维Z向分别选取振动频率为0 Hz，12 Hz，24 Hz，36 Hz，48 Hz进行实验.得到组织如图3所示.

(a) 0 Hz

(b) 12 Hz

(c) 24 Hz

(d) 36 Hz

(e) 48 Hz图3 不同振动频率对AlSi9Mg合金组织的影响

观察图3可以看出：未施加振动时合金凝固后组织粗大，多为α-Al树枝晶，且粗大的树枝晶分散于整个机体组织.而对合金液施加振动后，合金组织较无振动凝固明显细小，均匀，树枝晶减少，初生相趋于蔷薇状或球形.这是因为合金液在普通凝固条件下结晶分为两个过程，α固溶体形核，生长成树枝晶.因此形核速率及树枝晶的生长直接影响晶粒的尺寸，机械振动可以使铸件组织细化的原因为：

1)机械振动使合金熔体产生对流，对流的产生会使界面凝固前沿形成温度起伏，产生过冷度，形核速率增加，达到细化晶粒的目的.另一方面机械振动会加速溶质成分的扩散，从而减小了浓度梯度，使成分过冷区域变窄，抑制树枝晶的增长，另一方面机械振动的加入，使合金熔体之间的相对运动加剧，破碎不稳定的二次枝晶，达到二次形核的目的.在不断振动过程中，颗粒之间的碰撞及流体的冲刷，使晶粒愈发均匀，光滑.

2)在合金过冷期间，机械振动使熔体在凝固过程中形成空穴，当空穴崩溃，流体充填其间时，流动的动量将会产生很高的压力，而这种压力的增加就会使合金的熔点温度提高.由Clausius-Clapeyron公式[18]计算：

(1)

式(1)中：Tm为105Pa压力下的熔点温度；

Δp为压力的改变值；

ΔTp为熔点温度的改变；

ΔHm为结晶潜热；

V1为固态体积；

V2为液态体积.

AlSi9Mg合金在凝固过程中体积减少，由公式(1)可知，合金液熔点温度随之增加.在合金熔体温度一定的情况下，由于振动施加使金属的熔点温度提高，即提高了液相线平均温度，而达到提高过冷度的目的，这样有助于自发核心数目的增加，使晶粒细化.

分别比较图3 a、b、c、d、e可以发现随着振动频率的增加，振动强度增加，初生相发达α树枝晶组织明显减少，同时存在于晶界上的共晶组织变得均匀细小.当振动频率较低时，由于共晶组成相以较小的生长速度生长，向液相排出的溶质原子增多，加快了界面前的横向扩散，同时也增加了横向扩散所能利用的时间，从而使层间距变大，共晶硅粗化；当振动频率较高时，由于合金熔体剧烈运动，树枝晶易被折断，生成大量晶核，生长速度加快，虽然界面向前的横向扩散有所加快，但由于向液相排出的溶质原子减少，同时，横向扩散所能利用的时间减少，从而使层间距变小，层片增多，金相细化[19].

由图4可以直观的看出当振动频率为36 Hz时，晶粒细小均匀.原因为伴随着振动频率的增大，晶粒间的相互作用力增大，破碎较容易，早期形核，由于合金液未凝固，给了形核足够多的时间长大，故晶粒又有一定程度的增大.再者随着振动频率的增加，性能试棒外观质量有所降低，黏砂现象显现.故本次试验验证：当一维振动频率为36 Hz、振动方向为Z向时可获得最佳组织的性能试样.

2.2 振动频率对AlSi9Mg合金性能的影响

研究垂直振动时，振动频率对AlSi9Mg合金试样性能的影响.本实验实验条件为：浇注温度为750℃，负压度为0.015 MPa，模样密度为22 g/cm3.振幅大小为0.11 mm.

一维振动，方向为Z向时，分别选用振动频率为0 Hz，12 Hz，24 Hz，36 Hz，48 Hz进行实验.得到5组消失模铸造性能试棒，取试样进行加工成标准试样，测试其抗拉强度、伸长率及布氏硬度.不同振动频率对试样抗拉强度、伸长率、布氏硬度的影响如图5～图7所示.

振动频率对抗拉强度影响较大，随振动频率的增大，抗拉强度及伸长率均先增大后减小，对布氏硬度影响较小，变化不是很明显.再者，随振动频率增大，振动强度增大，铸件黏砂现象逐渐明显.通过曲线图可以直观地看出，当振动频率为36 Hz时抗拉强度、布氏硬度、伸长率均达到最大.与无振动性能试棒相比，抗拉强度提高16.5%，布氏硬度提高23%，伸长率提高35%.

振动频率/Hz图5 振动频率对抗拉强度的影响

振动频率/Hz图6 振动频率对布氏硬度的影响

振动频率/Hz图7 振动频率对伸长率的影响

铸件的综合性能与其内部组织有直接关系，由图3可以看出.当振动频率为36 Hz时，合金组织多为等轴细晶粒，均匀，细小，而且固相率高，合金液黏度高，内部缺陷降低，故其综合力学性能良好.

3 结论

在消失模铸造性能试样凝固过程中施加振动能有效地改善其金相组织及力学性能，具体研究结果如下：

(1)机械振动的添加可以增加形核速率，使晶粒细小、均匀，树枝晶减少，初生相趋于蔷薇状或球形.随振动频率的增加，晶粒尺寸先减小后增加，一维振动Z向，振幅为0.11 mm，振动频率为36 Hz时，晶粒尺寸最小，为80 μm.

(2)一维Z向，振幅为0.11 mm时，振动频率对抗拉强度影响较大，随着振动频率的增大抗拉强度、伸长率均先增大后减小，对布氏硬度影响较低，变化不是很明显.当振动频率为36 Hz时抗拉强度、布氏硬度、伸长率均达到最大.与无振动性能试棒相比，抗拉强度提高16.5%，布氏硬度提高23%，伸长率提高35%.

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