（材料加工工程专业论文）机械振动对a356铝合金充型及凝固的影响研究(1).pdf

中文摘要 摘要 本文以a 3 5 6 铝合金为研究对象，对其重力充型和凝固过程施加低频机械振动 力场，研究了振动频率、振幅及振动方向对a 3 5 6 铝合金充型和凝固过程的影响。 通过自行设计的机械振动实验装置进行了充型凝固实验，测试了a 3 5 6 合金的 流动性、缩孔缩松、针孔、晶粒大小及力学性能随振动频率、振幅和振动方向的 变化规律。实验结果表明：( 1 ) 在振幅0 9 m m 垂直方向振动时，振动频率在1 5 h z 时合金流动性达到最高；振动频率5 0 h z 垂直振动时，振幅在0 3 m m 时合金流动 性最好，以后随着振动频率和振幅继续增加，流动性下降；在频率5 0 h z ，振幅0 9 m m 时，垂直方向振动( 振动方向角为9 0 。) 更有利于提高流动性，随振动方向角减 小，流动性降低。( 2 ) 振动破碎枝晶后补缩通道扩大，延缓通道封闭时间，随着 振动频率或振幅增大，合金液补缩速度增大，补缩效率提高，试样缩孔缩松减轻； 改变振动方向时，随着振动方向角增加，试样缩孔缩松减轻。( 3 ) 振动频率或振 幅或振动方向角增大，小气泡的集聚长大速度及上浮速度都提高，针孔程度随之 减轻，并逐渐向冒口区移动。( 4 ) 随着频率或振幅的增加，晶粒逐渐变得更细小， 强度和延伸率有所提高。振幅0 9 m m 垂直方向振动时，当频率增加到3 0 h z 时强 度和延伸率达到峰值；频率5 0 h z 垂直方向振动时，振幅在0 3 m m 时强度与延伸 率达到最高。随着振动频率或振幅继续增加，强度延伸率都下降；在频率5 0 h z ， 振幅0 9 m m 时，随着振动方向角的增大，晶粒变细，但强度和延伸率降低。 对振动影响金属液流动性、补缩效果、气体的析出和逸出以及晶粒细化的机 理建立了振动充型和凝固模型并进行了理论研究和推导，研究表明：垂直方向振 动时，随着振动频率或振幅的增大，合金液流动性提高；平均补缩速度提高，枝 晶破碎使补缩通道扩大，封闭时间延缓，冒口补缩能力提高；有助于小气泡及夹 杂物的碰撞、聚集，加快气泡夹杂的长大、上浮及溢出速度；增大二次枝晶最大 应力，有利于对枝晶的破碎，细化晶粒。但同时振动频率或振幅太大，振动强度 太大，导致流体紊流程度增大，流动的附加阻力增大，反而使金属液流动性降低， 并且强振使凝固组织中产生孔洞，降低了试样强度和延伸率。 通过实验和理论分析，认为在充型过程中施加垂直方向的振动，振动频率在1 0 h z - - 2 0 h z ，振幅在o 3m m , 0 6m i l l 有助于提高a 3 5 6 充型能力；凝固阶段也应选择垂 直方向的振动，振动频率选择5 0 h z ，振幅选择0 3i i 1 1 1 ，能在缩松、针孔、力学性 能等方面取得更好的综合效果。 关键词：机械振动，铝合金，充型，凝固 重庆大学硕士学位论文 i i a bs t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c v a s w e l la st h ea m p l i t u d ea n dt h eo r i e n t a t i o n so nt h ef i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e so f a 3 5 6a l u m i n u ma l l o yd u r i n gi t s g r a v i t yd i ec a s t i n gp r o c e s s t h ev i b r a t i o ne x e r t e do n t h em e t a lw a sc h o s e nt ob em e c h a n i c a lv i b r a t i o nw i t hl o w f r e q u e n c y t h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea n dv i b r a t i o nd i r e c t i o no nt h e c h a r a c t e r i s t i co fa 3 5 6a l u m i n u ma l l o y , i n c l u d i n gt h e f l u i d i t yo fm e t a l ，s h r i n k a g e p o r o s i t y , p i n h o l e ，g r a i ns i z ea n dt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，w a si n v e s t i g a t e db a s e d o n f i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o ne x p e r i m e n tw i t hv i b r a t i o ne x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t c o n c l u s i o n sc o u l db ed r a w na sf o l l o w s ： i nt h ec a s eo fv e n i c a lv i b r a t i n ga ta m p l i t u d eo f0 9 m m ，t h ef l u i d i t yo f a l l o yw a s t h eb e s tw h e nt h ev i b r a t i o n f r e q u e n c yi n c r e a s e dt o 15 h z i nt h ec a s eo fv e r t i c a l v i b r a t i o na tv i b r a t i o nf r e q u e n c yo f5 0 h z ，t h ef l u i d i t yo f a l l o yw a st h eb e s tw h e nt h e v i b r a t i o na m p l i t u d er e a c h e dt o0 3 m m i nt a n d e mt ot h a tm a x i m u m t h ef l u i d i t yo fa l l o y d e c r e a s e dw i t ht h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei n c r e a s e i nt h ec a s eo f v i b r a t i n g a tv i b r a t i o nf r e q u e n c yo f5 0 h za n da m p l i t u d eo f0 9 m m ，v e r t i c a lv i b r a t i o n ( v i b r a t i o n d i r e c t i o na n g l eo f9 0o ) w a sh e l p f u lt oi m p r o v et h ef l u i d i t yo fa l l o y , a n dt h ef l u i d i t y l o w e r e dw i t l lt h ed i r e c t i o na n g l ed e c r e a s i n g v i b r a t i o nc o u l dp u to 行t h ec h a n n e lc l o s e dt i m eb e c a u s eo fb r e a k i n gd e n d r i t e a n de x p a n d i n gf e e d i n gc h a n n e l ，s ot h ea l l o yl i q u i df e e d i n gs p e e da n df e e d i n ge f f i c i e n c y i m p r o v e dw i t ht h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ra m p l i t u d ei n c r e a s i n g ，w h i t c hl e dt os h r i n k a g e p o r o s i t yo ft h es a m p l er e l i e v i n g m o r e o v e r , t h ei n c r e a s i n go fd i r e c t i o na n g l eo f v i b r a t i o nc o u l da l s or e l i e v et h es h r i n k a g ep o r o s i t yo ft h es a m p l e t h es p e e do fs m a l lb u b b l e sg a t h e r i n ga n dg r o w i n ga n dr i s i n gi n c r e a s e dd u et o t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ra m p l i t u d eo rv i b r a t i o nd i r e c t i o n a n g l ei n c r e a s i n g t h e p i n h o l ew a sa l s or e l e a s e da n dm o v e dg r a d u a l l yt ot h er i s e rz o n e t h eg r a i nw a sf i n e db e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n d a m p l i t u d e ，w h i c hr e s u l t e di nb e r e rs t r e n g t ha n de l o n g a t i o n w i t hv e r t i c a lv i b r a t i n g ，t h e m a x i m u mo fe l o n g a t i o na n ds 仃e n g t hw e r ea c h i e v e dw h e nt h ea m p l i t u d ew a s0 9 m m a n df r e q u e n c yo fv i b r a t i o ni s30 h z t h ee l o n g a t i o na n ds t r e n g t hr e d u c e dw i t ht h e i n c r e a s eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea f t e rt h em a x i m u m w h e nv i b r a t i n ga t f r e q u e n c yo f5 0 h za n da m p l i t u d e0 9 m m t h ei n c r e a s eo fd i r e c t i o na n g l eo fv i b r a t i o n i i i 英文摘要 c o n t r i b u t e dt ot h ef i n i n gg r a i n h o w e v e r , t h ee l o n g a t i o na n ds t r e n g t hs t i l lr e d u c e d t h ee f f e c t so fv i b r a t i o no nt h ef l u i d i t ya n dt h ef e e d i n ga b i l i t yo fm o l t e nm e t a l ， e s c a p eo f t h ea i rf r o mm e t a la n dt h eg r a i nr e f i n i n gw a ss t u d i e d i tw a sr e v e a l e dt h a tt h e f l u i d i t yo ft h em e t a li n c r e a s e da l o n g 、析t ht h ee n l a r g e m e n to f t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo r a m p l i t u d e m o r e o v e r ，t h ea v e r a g ev e l o c i t yo ff e e d i n gw a si m p r o v e db yl a r g e rv i b r a t i o n f r e q u e n c yo ra m p l i t u d e t h eb r o k e no ft h ed e n d r i t i cc r y s t a l ，w h i c hc a u s e dt h ee x p a n s i o n o ft h ef e e d i n gc h a n n e l sa n dt h ed e l a yo ft h ec l o s u r et i m e ，c o u l dl e a dt ob e t t e rf e e d i n g a b i l i t yo fm o l t e nm e t a lu n d e rt h ef i e l do fv i b r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ee n l a r g e m e n to ft h e v i b r a t i o nf r e q u e n c yo r a m p l i t u d ec o u l d a l s op r o m o t et h e c r a s h i n ga n dg a t h e r i n g b e t w e e nt h es m a l lb u b b l e sa n dt h ei n c l u s i o n s ，s p e e d i n gu pt h ef o r m a t i o na n dt h e e s c a p i n go fb u b b l e sa n di n c l u s i o n s t h em a x i m u m s t r e s so fs e c o n dd e n d r i t i cc r y s t a lw a s a sw e l li n c r e a s e d ，w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h eb r o k e no fd e n d r i t i cc r y s t a la n dt h er e f i n i n g o ft h eg r a i n s h o w e v e r ，t h ef l u i d i t yo fl i q u i dm e t a la n ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f s o l i f a c a t i o nm e t a lr e d u c e db e c a u s et h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ra m p l i t u d ei st o oh i 曲， l e a d i n gt ot h ed e g r e eo ff l u i dt u r b u l e n c ea n da d d i t i o n a lf l o wr e s i s t a n c ei n c r e a s i n ga n d h o l e so fs o l i d i f i e ds t r u c t u r ee m e r g i n g b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，c o n c l u s i o nc o u l db e d r a w nt h a tt h ev e r t i c a lv i b r a t i o nc o n t r i b u t e dt h em o s tt ot h ep r o c e s so ff i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o n t h eo p t i m a lv a l u e so fv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ec h o s e nf o r f i l l i n gp r o c e s sw a s 10 h zt o2 0 h za n d0 3 m mt o 0 6 m m ，r e s p e c t i v e l y , w h i l ef o r s o l i d i f i c a t i o np r o c e s sw a s5 0 h za n do 3 m m k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，a l u m i n u ma l l o y , f i l l i n g ，s o l i d i f i c a t i o n 1 绪论 1 绪论 1 1 选题意义 1 9 0 6 年德国冶金工程师a l f r e dw i l m 发现了时效强化现象，后来硬铝材料被 研制成功，并开始用于生产制造飞机零件，在此基础上各国学者开发出了一系列 高强度铝合金材料，使材料强度提高，抗腐蚀性能和韧性也得到了较大的改善。二 战期间，随着飞机及其他军工产品等战需物资需求的增加，对铝材的需求量也大 大增加，铝加工业因此得以飞速发展，但此期间大部分的铝材都用于制造军工产 品，特别是用于制造飞机。战后，铝业公司开始寻求铝的应用新领域，极力扩大铝 的应用范围，铝在民用方面的应用开始受到重视。目前，铝合金已不仅广泛应用 于航空航天，还广泛应用于容器包装、交通运输( 汽车、摩托车、高速列车等) 、 电力和电子、机械制造以及石油化工等领域。 目前世界汽车工业的发展方向是追求安全性、环保性、节能性、高速性与轻 量化，因而在汽车制造特别是小轿车的生产制造中采用更多的高强度轻量化材料 也就成为必然趋势。铝合金重量轻、强度高，导热性能和耐腐蚀性能良好，非常符 合汽车节能、环保、安全三大发展需求，因而使铝合金在汽车工业中占有重要的 地位，拥有美好的发展前景，目前铝合金是汽车制造业中发展得最快，应用得最广 的轻金属，成为当前轿车轻量化设计的首选材料。二十世纪七十年代后，铝合金 开始陆续使用于生产制造汽车保险杠、进气歧管、发动机缸体、缸盖、活塞、散 热器、车轮以及离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、机油泵、水泵、摇 臂盖、发动机框架、制动钳、油缸、制动盘等关重零件。目前，国外一些知名汽 车制造商生产的概念车开始采用全铝车身，比如美国通用、德国奥迪等，使轿车 整体重量大大减轻。 对于铸造铝合金，其作为一种传统的金属材料，相应在航空、航天、汽车、 摩托车、机械、电子等行业也得到了广泛的应用。汽车工业用的铝合金材料中， 铸造产品占8 0 左右。随着现代工业的不断发展，对铸造铝合金在性能上也提出了 更高的要求，因此对铸造铝合金的研究及应用也必然会更加深入并将获得新的发 展，近年来铝基复合材料以及纳米材料的研究和应用就成为了广大材料研究者们 研究的热点。例如，铸造a 1 - s i 基s i c 颗粒增强复合材料，大大提高了合金刚性和 耐磨性，从而使材料综合性能得到提高，现已经应用到航空、航天、汽车等领域晗1 。 此外泡沫铝合金也是一个新的研究方向。世界各国学者在研究如何提高铸造铝合 金性能以及优化铸造铝合金的生产工艺时，对铸造铝合金的熔炼工艺及铸造工艺 研究得比较多。在熔炼工艺方面通过铝合金熔体净化、变质、细化、纯化以及合 重庆大学硕士学位论文 金化等手段来提高铸造铝合金的的工艺性能和力学性能；在铸造工艺方面，传统 的铸造方法有砂型铸造、压力铸造、金属型重力铸造、低压铸造等，可根据使用 目的、零件形状、尺寸精度、质量标准、机械性能等各方面的要求和经济效益选 择合适的铸造方法，此外各国许多学者还在铝合金铸造过程中增3 n j l 力场如电磁 场、超声波场、机械振动场等，以此来改善和提高铝合金材料的组织和力学性能， 并对其作用效果和机理作了较深入的研究。 a 3 5 6 铝合金由于具有优良的力学性能、抗腐蚀性能以及物理性能，铸造性能 也比较好，是制造轻量化汽车、摩托车车轮的理想材料，因此该合金材料在快速 发展的汽车、摩托车行业中得到了广泛的应用。 a 3 5 6 含s i 量为6 5 一7 5 ，属于亚共晶合金，凝固区间较宽，因此合金液流 动能力较差，在凝固时固一液两相区中容易形成发达的树枝晶，阻断枝晶间的补缩 通道，造成晶间缩松。合金液中的氢随着温度降低，在合金中溶解度降低，也会 在树枝晶间以缩松为气核析出，形成晶间显微气缩孔，降低铸件组织致密性，影 响铸件的力学性能。在a 3 5 6 合金的重力铸造中，特别是对于要求较高的摩托车车 轮零件，常常就会出现比较多的浇不足、缩松、针孔等铸造缺陷，严重时导致零 件报废，降低了产品合格率。因此为了使合金液达到良好的充型效果，往往需要 加强对模具温度、涂料厚度以及模具型腔排气性能进行控制，模具的排气塞、排 气线设计得比较多，从而增加了模具制作难度及模具维修清理的工作量；为了达 到良好的补缩效果，往往铸件会采用较多的补贴、较大的加工余量( 形成较大的 厚度梯度) 甚至较大的的冒口来满足补缩需求，不但降低了铸造工艺出品率，也 会造成冒口附近的晶粒粗大，给合金微观组织和力学性能带来十分不利的影响。 本课题主要研究低频机械振动对a 3 5 6 铝合金充型性能、气体析出、致密度( 冒 口补缩效果) 、晶粒组织及力学性能等方面的影响及其作用机理，为振动铸造应用 于a 3 5 6 铝合金重力铸造，以消除或减轻铸件浇不足、显微气缩孔等铸造缺陷， 减小合金晶粒度，提高力学性能，减轻冒口重量、提高工艺出品率提供理论依据。 1 2 机械振动铸造国外发展及研究现状 在1 8 6 8 年，俄国学者切尔诺夫就振动对金属凝固的影响进行了研究，并用摇 动铸型的方法获得细晶粒铸件口3 ，此后振动效应对铸件凝固组织的影响开始受到各 国学者的关注和重视。到2 0 世纪初，世界各国许多学者对振动在金属凝固领域的 应用进行了广泛的研究，研究的对象除黑色金属外，还有有色金属等众多材料， 其中对铝合金材料研究得最为深入和广泛，因此自振动凝固技术发展一百多年以 来，通过各国学者的共同努力，在振动凝固基础理论研究和实验方面做了大量工 作，取得了一定成绩h 3 。按照振动产生的方法来分类，主要有机械式振动、气动式 2 l 绪论 振动、电磁式振动及超声波式振动。机械振动为低频振动，频率一般不超过2 0 0 h z ： 电磁振动的频率由电源的频率决定，采用变频器对电源进行变频处理时，振动频 率也可达几千赫兹；气动式振动频率最高可达2 0 0 0 0 h z 。机械振动和超声振动是金 属振动凝固中最常用的振动方式，广大学者们对这两种振动凝固也研究得最多。 而按施振方向可分为：水平振动，垂直振动、平面旋转振动以及空间旋转振动； 如果按振动引入位置则可分为：上部引入，底部引入以及侧面引入；按振动的连 续性则可分为：连续振动和非连续振动( 周期振动和随机振动) 。振动可通过多种 方式作用于液态金属，其中一种是振动作用于铸型侧部或底部，通过铸型将振动 能量传给金属熔体，从而间接作用于金属液，比如直接振动铸型、浇注槽或浇口 杯：另外一种方式则是振动直接作用于金属熔体，比如将超声振动头插入金属液 对其施振。振动直接作用于熔体时能量损失少，利用率高，但金属液中的振动探 头容易腐蚀，而使熔体受到污染。 大量的研究结果显示，对凝固中的金属熔体施加机械振动、超声波振动、电 磁振动等动力学方法，将会促进金属液形核、破碎枝晶( 晶粒细化) 、减小合金偏 析( 均化组织) 、促进渣气析出和上浮( 除气除杂，净化熔体) 、增强金属液体补 缩( 密度提高) 等，同时还会影响合金中第二相的形态、大小及分布，从而使铸 件金相组织得以改善，铸件综合性能得到提高腩删。 低频机械振动具有成本低，工业生产中易于推广和应用等优点，因此早期用 于振动凝固的振动方式是低频机械振动，如由偏心凸轮产生的非线性振动。国外 很多研究者很早就对低频机械振动细化合金组织进行了研究，在2 0 世纪初期， s o k o l o v 将施加于金属凝固过程中的机械振动作为一项晶粒细化技术提出n9 l ，此后 众多研究者也就机械振动对金属凝固显微组织的影响，比如减小铸件晶粒尺寸， 减少缩孔缩松，改善合金偏析，均化凝固组织等多方面进行了广泛而深入地研究。 为了使振动能够对金属液产生作用，在进行振动凝固实验时需要设法将振动 引入到铸型中的金属液内，对凝固过程中的金属液作用一定时间或直到金属液全 部凝固为止。为了将振动源产生的振动引入到铸模内并有效地作用于金属液体， 研究者们采用过以下几种施振方式h 3 ： 铸模被固定在振动器工作台上，振动器带动工作台与铸模一起振动： 振动器安装于铸模底部，振动时与铸模底部作相对运动，从而产生冲击和 振动； 振动器安装在浇注车平板下面，通过浇注车将振动传递到铸模内的金属 液； 振动器安装在铸模侧壁上，振动通过铸模壁传递给金属液。 1 9 3 4 年，苏联学者格勒茨格在3 吨和5 吨钢锭的凝固过程的施加了频率 重庆大学硕士学位论文 3 - - 4 h z ，振幅2 2m i l l 的机械振动，实验结果表明施加机械振动后，钢锭下部组织 致密度增加，非金属夹杂物上浮，大部分集中分布于保温帽下边。1 9 3 6 1 9 3 8 年， 切勒那斯夫在频率2 5h z ，振幅0 5 3m m 的小振幅机械振动条件下进行铸件的振 动凝固实验，结果使铸件机械性能得到了显著提高。 伊藤幸良等人汹3 对s u s 4 3 0 不锈钢进行振动凝固实验时，分别采用了液面施加 振动和侧面施加机械振动两种方法进行对比实验，实验结果表明在侧壁施加振动 时，能够使合金等轴晶率提高，并有助于改善宏观偏析；在o 5 m m 和o 1 2 m m 的 振动幅度下实验，振幅0 5 m m 时凝固组织细化效果更好。 阿可西诺夫n 3 在频率2 5h z ，振幅0 8m n l 的机械振动下用生铁材料进行振动 凝固实验，结果发现振动使显微组织均匀性增加，同时机械性能也得到了提高； 在同样振动条件用铅和铝实验时，也使其树枝晶破碎，晶粒得到细化；然而当频 率高于3 5h z 时，结果却有所不同，显微组织不但没有得到改善，反而变差了。 在频率1 3h z 和振幅0 2m m 条件下对钢锭进行振动凝固时，振动使钢锭缩孔 缩松减轻，致密度增加，晶粒也变得更细小；而当频率提高到5 0h z 和振幅增加到 o 3 o 4i t u t i 时，钢锭组织被恶化，碳化物偏析严重h 1 。而对于高合金钢，当振动 频率在l 5h z 、振幅小于1n l i n 时，振动对钢锭结晶及其组织的影响非常微弱； 频率增大到1 0 2 0h z 后，断面组织中等轴晶区增大了，等轴晶晶粒减小了。然而 当频率继续增加到4 0 - - 6 0h z ，钢锭组织上产生了偏析带和比较严重的疏松缺陷h 1 。 2 0 世纪中期，日本大野笃美晗经过研究认为：振动将会产生液面扰动，从而 加快了凝固初期型壁上晶粒的游离，增加金属液中晶核数量，从而使晶粒得以细 化。因此，在凝固初期将振动施加在液面和铸型交接处会取得较好的振动效果。 w a n gfq 1 对a 1 4 5 s i 合金进行振动凝固实验时，发现施加横向振动和冲 击能使生长过程中的树枝晶得以破碎和游离。n u m a nad 乜3 1 用a 1 1 2 5 s i 合金进 行频率1 0 0 h z ，振幅1 8 1 9 9 1 x m 的机械振动凝固试验，试验结果显示随着振幅增加， 共晶s i 的层间距减小，形状呈纤维状，但振幅增大到一定值后，s i 反而粗化，并 且发现机械振动会影响合金抗拉强度和延伸率，对延伸率的影响大于对强度的影 响。 k o c a t e p e 和b u r d e t t 瞳4 3 对两组l m 6 合金进行低频机械振动凝固实验，其中一组 合金中加入钠盐变质剂，试验结果显示随着频率和振幅的增大，两组合金试样的 晶粒都减小，缩孔缩松减轻。c a m p b e l l 乜7 3 通过研究认为机械振动能提高合金的力学 性能和抗腐蚀性能，但机械振动也使合金凝固过程易产生热裂，增大合金热裂倾 向，而且熔体振动过程中会产生空穴，在空穴处易形成气孔。s h u k l adp 瞳卯等认为 合金振动凝固过程中产生的孔洞与机械振动的振幅和峰值加速度密切相关。f i s h e r tp 犯6 1 认为对凝固中的合金施加强振动将会增大合金中的孔洞。k o c a t e p e 啪1 对n a 4 1 绪论 盐变质处理的a 1 一s i 7 5 和a i s i l 2 。3 合金施加低频振动后，发现在振动频率为 1 5 4 1 7 h z 和振幅0 1 2 5 - - 0 5 m m 条件下，合金的晶粒尺寸减小了2 ，但高强度振 动会促进孔洞的产生，随着振动强度的增加，合金中孔洞的大小、数量都增加。 有学者对铸造热作模具钢进行振动凝固研究后指出啪3 ：振动频率恒定不变情 况下，振幅逐渐增大将会使合金组织逐渐从树枝晶转变为等轴晶，延迟了试样热 疲劳裂纹形成、也减缓了裂扩展纹速度。h y p a , a r i n o b 啪3 在6 0 钢和x 1 8 h 9 t 钢凝固 过程中施加机械振动后，发现机械振动使钢锭中的树枝状组织和夹杂物的弥散性 都得到了提高，金属机械性能也相应提高。 a l e x a n d r em a l t a i s 呤1 3 2 3 等利用纯镁及a z 9 1 d 镁合金进行振动凝固实验，结果 显示机械振动有助于细化金属晶粒，但必须使振动峰值加速度超过一定大小时才 会对晶粒产生细化作用。 国内对机械振动凝固研究得比较晚，其中东南大学、华中科技大学、太原理 工大学、吉林大学等在此领域研究得比较多。马霆等b 3 3 认为对z a 2 7 合金施加振动 可以使铸件晶粒细化，致密度提高，二次枝晶臂间距减小，共晶体数量增加，减 少和细化夹杂物并使之分散，提高其冲击韧性和延伸率。韩富银等n 5 3 在变质 z n 2 7 a 1 s i 合金凝固过程中施加振动，结果表明振动可使初晶硅球化良好，硅球更 圆整；共晶硅生长过程中因振动发生机械断裂，形状呈蠕点状或短棒状，减少了对 基体的割裂作用，因而提高了合金的力学性能，在其抗拉强度、伸长率和耐磨性 方面都明显提高。王红霞等们认为机械振动使纯a l 由逐层凝固方式转变为糊状凝 固方式，从而使晶粒细化，而且随着振动强度增加，柱状晶区减小，等轴晶区增 大。侯文生等5 1 通过对a 1 - s i 合金的振动凝固研究认为振动造成金属液体对树枝 晶和针状共晶硅的冲击，使枝晶折断，同时共晶硅也被破碎，折断的枝晶形成新 晶核，使合金组织晶粒得以细化；并且振动造成了合金液的温度起伏，有利于枝晶 熔断脱落。董有昌等汹1 以a z 9 1 d 和a m 5 0 镁合金为对象，研究了机械振动对凝固 过程的影响，认为机械振动能细化合金铸态组织，同时还可以下沉合金中夹杂物， 减小夹杂物的尺寸以及球化夹杂物形状，提高合金力学性能，并且随着振幅的增 大合金力学性能逐渐提高。段海平等n q 发现低频振动可以改善s n s b 合金密度偏 析。 翟利民等口7 3 利用高铬白口铸铁和灰铸铁进行振动凝固实验和研究，结果表明， 振动力场不仅破碎了奥氏体枝晶，细化了合金的铸造组织，而且改善了铸铁中的 碳化物或石墨的形态、分布，从而提高了机械性能：同时发现振动频率对晶粒细 化影响很小，而振幅的影响却很大。陕西机械学院孔令清等m 3 研究了低频振动对 铸件温度分布、凝固方式、金相组织及内在质量的影响，认为振动改善了系统的 热传导能力，使初晶析出温度降低，析出速度加快，细化了初晶组织；使共晶过 重庆大学硕士学位论文 冷度明显增大，从而可以细化共晶组织；使灰铁纵、横断面上的温度梯度变陡， 从而可使本来呈糊状凝固的合金或铸件向逐层凝固转化，提高补缩能力，减小冒 口，增大致密度。 沈阳理工大学朱丽娟等口鲫研究了振动结晶对提高铝合金铸件的致密度的影 响，结果表明当振动为纵波，振动方向平行于重力方向，并且下模的振动抛掷指 数1 时，有利于传热和补缩。 华中科技大学樊自田、李继强、赵忠等h p 4 2 3 对消失模铸造a z 9 1 d 镁合金、 z l l 0 1 、a 3 5 6 铝合金振动充型和振动凝固组织性能进行了研究，认为随着振动峰 值加速度的增加，合金充型能力逐步提高；机械振动能够细化合金组织，提高合 金抗拉强度和延伸率；试样的厚度越大，振动凝固的组织细化效果越好；振动凝 固下合金熔液中的氢扩散速率增大，有利于氢气的析出，气泡的长大和排出，因 而铝合金消失模铸件的孔洞明显减少，断面针孔率显著降低。 此外，胡在矶等人n7 4 3 1 在对金属型球铁磨球进行振动凝固研究后，认为振动 凝固的激振参数应该根据金属本身的固有振动特性来确定，振动使柱状晶生长方 向性减弱，等轴晶提前出现，晶粒得以细化，改善缩松和偏析，降低铸件残余应 力，使合金硬度提高，金属基体得到强化。陈锋、何德坪等人n 玑4 4 4 钉在共振的基 础上，还研究了振动干扰频谱和振动波形对振动凝固的影响，指出随机振动、正 弦波、三角波和方波对细化晶粒的效果依次递增，宽频冲击参振凝固对晶粒细化 的效果更为显著。 然而有些研究者也有一些不同的看法，英国b a r b u r er h 叼对a i 1 2 s i 共晶合金 施加低频振动后，发现针状共晶硅粗化，合金力学性能反而降低，因此认为低频 机械振动不能用于模具预热温度较高的金属型铸造。c o l egs 4 7 认为机械振动凝固 时虽然振动对金属液过冷有抑制作用，使金属液在接近平衡条件下凝固，从而组 织得以细化，但振动对改善金属力学性能的作用很小。 虽然很多研究者认为振动凝固能细化晶粒、提高材料机械性能、均匀净化组 织，而且很多实验结果和资料也显示机械振动对细化晶粒、脱气、补缩、增加致 密度和提高力学性能等确实有显著效果，但在一些学者的深入研究和实验中，却 也得到一些不同甚至相反的实验结果，国内学者在研究工作中也发现了这一问题 n 7 一& 4 4 ，因此认为振动凝固不一定能提高力学性能。而且，合金成分和机械振动 参数对振动凝固的效果会产生很大影响，成分或振动参数不同，振动凝固结果的 差异可能很大。因此振动凝固时对于不同的合金材料，都要制定一套与之相适应 的振动参数，参数不合理的振动不仅不能改善微观组织和提高力学性能，反而会 恶化合金性能。 目前国内外研究者关于机械振动影响凝固组织、细化晶粒的机理论说不一， 6 1 绪论 观点各不相同。在振动如何促进形核方面主要有结晶游离理论、均匀冷却理论、 增加过冷度理论、剧烈扰动理论、枝晶熔断理论、枝晶破碎理论等h 4 8 - 5 1 ，其中破 碎枝晶理论说服力较强。 结晶游离理论 机械振动破坏了金属液面的氧化膜，改善了金属液和铸型壁间浸润能力，使 二者接触得更好，从而使金属液与型壁间的导热能力提高，增强了型壁的激冷作 用，凝固初期型壁附近的金属液中将会产生更多的晶体。同时振动使液体产生波 动，增强液体对流，促进型壁上生成的激冷晶发生游离，大量的游离晶进入合金 液中成为凝固时的晶核，将会形成大量的等轴晶，从而细化晶粒组织。 均匀冷却理论 机械振动会对金属液产生搅拌作用，加速金属液散热速度，提高金属液内部 的温度均匀性，使金属液能够均匀地冷却下来，当其冷却到一定温度时，将会发 生体积凝固，金属液中瞬间产生大量晶核，大大增加了形核数量，为细化晶粒创 造了条件h 1 。 增加过冷度理论 根据c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程： 竖：鱼【堡二型 ( 11 )二= 竺- 二上( 11 ) 心 龃m 式中死为常压下的熔点温度；p 为压力改变值；乃为熔点温度的改变； 肼w 为结晶潜热，k 和k 分别为固、液态的体积 金属在凝固时，由于液体凝固收缩，体积一般是减小的。由式( 1 1 ) 可知， 随着金属液内部压力的增加( a p o ) ，金属熔点提高( a 瓦 0 ) ，对金属液施加 机械振动后由于受惯性力作用，金属液内部瞬时压力增大，从而使金属结晶温度 提高，增大了金属液凝固过程实际的过冷度，从而提高形核率，增加晶粒数量， 使晶粒得到细化。 剧烈扰动理论 合金凝固时由于溶质再分配会在凝固界面前沿产生溶质富集，降低金属液凝固 温度，机械振动引起的液体扰动，能加强液体对流搅拌程度，加快溶质成分扩散 速度，减小凝固界面前沿金属液溶质的浓度梯度，从而使接近凝固界面处溶液凝 固温度相对于无振动时有所升高，而远离凝固界面处金属液凝固温度有所降低， 成分过冷区变窄，在一定程度上减缓了晶粒长大速度，从而抑制了柱状树枝晶的 生长，起到了细化晶粒的作用，并能减轻凝固组织的枝晶偏析。 枝晶熔断理论 振动引起的液体流动使枝晶与周围的液体发生相对运动，会使枝晶或枝晶臂 重庆大学硕士学位论文 根部区域内的溶液产生浓度以及温度起伏，使枝晶或枝晶臂因根部产生颈缩而熔 断或折断d 7 5 2 3 ，特别是当溶质的偏析系数大时，这种因枝晶颈缩而使枝晶熔断的 作用更为明显。 破碎枝晶理论 一方面机械振动使凝固过程中的枝晶固体内产生了弹性应力及应变，当应力 应变值超过晶体在该温度下的临界强度时，凝固前沿枝晶便会被折断和破碎；另 一方面，机械振动使金属液内部流动加剧，促进液相和固相发生相对运动，液流 对枝晶的冲击和“粘性剪切 n5 3 5 1 作用将会导致枝晶折断破碎形成结晶核心。 综上所述，在合金凝固过程中进行机械振动，对合金组织具有细化作用，同 时振动对合金中的气体、夹杂以及合金的流动性等也有影响。采用适当合理的振 动机制来提高铸件的质量是一种简便有效的方法。 1 3 振动铸造研究工作目前存在的不足 上述资料表明，虽然机械振动铸造对细化晶粒、均匀组织、净化熔体、增强补 缩、增加致密度、提高材料力学性能等都有显著效果。但通过世界各国众多学者 一百多年的研究，结果却不尽相同，甚至出现了一些相反的实验现象，比如振动 凝固导致偏析严重、恶化凝固组织。因此在振动铸造中必须针对不同合金采用合 理的振动制度。 在机械振动铸造的作用机理方面目前也没有统一的理论，许多学者提出了各 自不同的看法，但这些理论都具有一定的局限性和片面性，只能解释某一些或某 一方面的问题，而不能适用于普遍的实验现象，也没有总结出比较合理的，对实 际生产具有帮助和指导意义的经验公式。所以直到目前为止，机械振动铸造的研 究基本上是停留在实验阶段，很少真正应用于实际生产。而且目前国内对机械振 动铸造的研究中，对于振动在金属组织和力学性能方面的影响研究得比较多，而 在充型、除气除杂、补缩方面研究得相对较少。所以，有必要在前人研究的基础 上，深入研究和探讨，结合生产实际和需求，解决传统振动铸造技术难点，根据 实际的合金成分，制定合理的振动铸造机制，使机械振动铸造技术能真正地服务 于生产实际。 1 4 本文的主要研究内容 本课题利用自行设计制造的振动装置，以a 3 5 6 铝合金为实验对象，对金属型 重力铸造过程施加机械振动力场，研究机械振动对a 3 5 6 铝合金浇注和凝固过程的 影响： 通过振动浇注螺旋试样，研究振动频率、振幅、振动方向对a 3 5 6 铝合金 l 绪论 充型能力的影响及机理： 通过浇注凝固析气试块，研究振动频率、振幅、振动方向对a 3 5 6 铝合金 中气体的析出过程和聚集上浮的影响及机理； 通过浇注补缩试块，研究振动频率、振幅、振动方向对a 3 5 6 铝合金冒口 补缩效果的影响及机理； 通过浇注拉伸试样，研究振动频率、振幅( 激振力大小) 、振动方向对a 3 5 6 铝合金晶粒大小、抗拉强度及延伸率的影响。 根据实验结果，确定一套有利于a 3 5 6 铝合金浇注充型、去气除杂、强化补缩、 细化组织及提高力学性能的合理的机械振动制度，即合理的振动频率、振幅及振 动方向，为机械振动在a 3 5 6 铝合金重力铸造中的进一步研究和应用提供理论依据 和技术参考。 9 重庆大学硕士学位论文 1 0 2 振动机械基本原理及振动铸造实验装置的设计 2 机械振动铸造原理及实验装置研制 2 1 振动机械原理概述 振动根据其振动特性，可分为有周期性振动( 简谐振动) 、随机性振动( 瞬时 值不确定振动) 和瞬间性振动( 冲击振动) 。振动机械的振动源有机械式振动源、 电磁式振动源和气冲式振动源等晦3 1 ，而机械式振动又分为惯性式振动和偏心连杆 式振动。惯性式振动在铸造行业的振动机械中用得很多。本课题设计的振动试验 装置也采用了惯性式振动源，因而本章将对惯性式振动机械基本