機械振動頻率和時間對ZL101鋁合金組織和綜合力學性能的影響

王娟

摘 要：分析機械振動頻率和時間對ZL101鋁合金組織和綜合力學性能的影響。方法：采用自制頻三維振動臺對ZL101鋁合金組織和性能進行試驗分析，并分析機械振動頻率和時間對其性能和組織的影響。試驗結果：經過對比分析發現，垂直方向振動，而且機械振動頻率為20～60Hz時，鑄，抗拉強度和伸長率可達180MPa和2.7%，同時組織效果也比較好。結論：ZL101鋁合金機械振動能夠有效降低針孔率，提高抗拉強度和伸長率。

關鍵詞：機械振動；ZL101鋁合金組織；綜合力學性能

中圖分類號：TG29 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0102-02

Abstract： The effects of mechanical vibration frequency and time on the microstructure and comprehensive mechanical properties of ZL101 aluminum alloy were analyzed. Methods： the microstructure and properties of ZL101 aluminum alloy were tested and analyzed using self-made frequency three-dimensional shaking table， and the effects of mechanical vibration frequency and time on the properties and microstructure of the alloy were analyzed. The results show that the tensile strength and elongation can reach 180MPa and 2.7% when the frequency of vertical vibration and mechanical vibration is 20～60Hz. At the same time， the effect of microstructure is better. Conclusion： the mechanical vibration of ZL101 aluminum alloy can effectively reduce the pinhole ratio and increase the tensile strength and elongation.

Keywords： mechanical vibration； microstructure of ZL101 aluminum alloy； comprehensive mechanical properties

本次研究中在總結以往研究經驗基礎之上，通過采取自制可在0～60Hz變頻的三維振動裝置，在動力學激勵作用下金屬液能夠形核，并且達到了細化組織目的。采用三維振動臺進行試驗分析，能夠對鑄件凝固過程中分析，不同振動方向及不同振動頻率針對鑄件組織及性能具體影響，以此獲取最佳振動參數。

1 試驗材料和試驗方案

本次試驗利用ZL101鋁合金錠作為實驗材料，ZL101鋁合金的主要構成是AI-7，10Si-0.32Mg-0.39Fe，試驗模型采用EPS泡沫模樣密度為0.021g/cm3，采用線切割方式制作為長方體模樣、直澆道、橫澆道，主要規格為20mm×20mm×150mm、30mm×30mm×260mm、30mm×30mm×100mm。整個模型是由試樣棒和澆冒口處理而成。模型處理方式是采用自制涂料實施烘干處理，然后將處理后的模型放入振動凝固裝置上，填充緊實后覆蓋一層薄膜，并做抽空處理。

ZL101鋁合金錠達到400-500℃時將其放入5.5kM電阻鍋爐內進行加熱，加熱溫度達到730℃時，對合金實施變質處理，變質處理的過程中采用Al-10Sr中間合金對合金液進行處理，這種處理方式比較方便，而且準確率比較高，而后在溶液內加入0.05%的Sr，繼續加熱，溫度達到730-750℃后，利用多孔處理其對裝置進行排氣處理，排氣時間維持在10-15min內，裝置內的溫度達到750℃后注意對其實施澆筑處理。

2 試驗結果分析

2.1 不同振動頻率對鑄件組織和性能的影響

ZL101鋁合金在凝固過程中垂直振動在不同頻率下的試樣金相有不同的組織變化，具體的性能組織變化見圖1。從圖1中可以看出鋁合金振率不同，其組織變化也有較大的不同。在此基礎上我們采用軟件分析的方法可以得出其初生相α平均晶粒尺寸的變化情況。所以說不同的機械振動頻率對鋁合金組織性能有不同的影響[1]。鑄件振動頻率增加，樹枝晶組織會隨之減少，而其共晶組織的變化也會隨之減小；發現某一振幅的頻率振動比較低時，共晶組織就以相對比較小的速度增長，在這個過程中排出的溶質原子會呈現顯著增加的趨勢發展。這樣就會明顯增加組織的橫向擴散能力，而且組織橫向擴散的利用時間也會明顯的增加，進而增加層間距，使鑄件的共晶硅呈現粗化狀態。振動頻率增高時，溶體會產生劇烈運動，晶核相對也會呈現增加的趨勢發展，進而界面的橫向擴散作用和開始增加，但是這個過程中液相排出的溶質原子減少，導致組織橫向擴散時間明顯縮短，進而影響組織層次的擴散，在一系列的影響下組織結果就會逐漸細化。

鋁合金在垂直振動頻率不同的情況下其伸長率和抗拉強度也會發生一定的變化，試樣的伸長率和抗拉強度隨著振動頻率的增加而不斷增大，頻率在0-20Hz范圍內時，性能明顯提高，但是頻率在20-60Hz范圍內試樣伸長率和抗壓強度增長趨勢比較緩慢。隨著振動頻率的增加，晶粒會逐漸變小，而逐漸強度會逐漸變大。綜合以上分析，逐漸的組織振動頻率在20-60Hz范圍內時，鑄件的品質相對比較好。

2.2 不同振動方向對鑄件組織和性能的影響

振動頻率一定的情況下，不同方向振動得到的試樣金相也不同，見圖2。ZL101鋁合金組織無振動凝固時，α樹枝晶比較粗大而且二次枝晶比較發達；合金經過機械振動后，α樹枝晶會破碎，并且組織會出現細化的現象；經過軟件分析后發現不同方面的振動凝固試樣晶粒有不同的規律，其中垂直振動后的試樣晶粒尺寸會變小[2]。機械振動細化α樹枝晶的原因主要是振動使金屬液各個部分之間產生相對滑移的情況，各個部分之間的速度差產生了“粘性剪切”的變化，α樹枝晶和共晶體出現破碎。而振動抑制了α樹枝晶和共晶組織的自有增長，和無振動相比，整個指得到明顯的細化。振動凝固的鑄件伸長率和抗壓強度比無振動的逐漸要大很多，主要是因為振動凝固的合金晶粒細化，而且分布比較均勻，晶粒越細說明晶界的面積越大，晶界對晶粒內位錯的阻礙作用就越大，所以這個過程中導致晶粒發生變形所需要的外力就越大，合金的抗拉強度就會逐漸的被提高。

2.3 不同時間對鑄件組織和性能的影響

此試驗在振動頻率一定的情況下，振動時間和保溫時間不同，對ZL101鋁合金組織和性能也會產生不同的影響。如果其振動頻率為25Hz，這個過程中此機械會向振動臺連接的容器中澆筑溶體溫度為630℃ZL101金融溶液，溶體的保溫溫度達到580℃后，工作人員會啟動振動臺，溫度降低到一定的程度后取出晶體溶液，這個時間可以作為系統的開始時間進行記錄，首先記為0，然后每隔5min抽樣記錄一次溫度，該組試驗的金相分析結果中可以看出，晶粒直徑隨著試樣保溫時間的增加而增大，只有當鑄件的晶粒形狀系數在0-5min范圍內時，晶粒直徑成增大趨勢發展，而在5-15min范圍內時，晶粒直徑成逐漸減少的趨勢發展。

經過對各個保溫時間下晶相的分析，發現鑄件在保溫初期由于振動作用在液面和型壁處生長的晶核脫落，而且這些脫落的晶核被帶入整個溶體中。振動可能會使溶體內的溫度和濃度變得更加均勻，在這個過程中組織晶核會不斷發生變化，使晶核的形狀逐漸變得更加圓整，而且組織溶體固相率提高后，振動情況下晶粒之間也會的發生明顯的碰撞，這種情況下晶粒之間開始聚集融合，而后多核晶粒會融合在一起。從這些方面來看，在一定的振動頻率下，時間不同其平均晶粒大小呈現也會不同，平均晶粒系數水隨著時間的增加而逐漸變小。

3 結論

（1）ZL101鋁合金鑄件在鑄造過程中實施機械振動能夠有效細化合金組織，而且能夠有效提高伸長率和抗拉輕度，經過以上綜合對比分析，發現ZL101鋁合金振動頻率為20-60Hz范圍內垂直方向振動下鑄件組織最好，可以達到180Mpa和2.7%。

（2）振動凝固狀態下，ZL101鋁合金組織空洞明顯減

小，而且空洞率也明顯降低，振動頻率一定的情況下，不同振動方向對ZL101鋁合金組織和綜合力學性能有不同的影響。

（3）在振動一定的條件下，組織保溫時間越長，其初生晶粒就越圓整、粗大；但是如果時間超出了一定的限制，其初生晶粒就開始聚集，甚至會逐漸融合，而且會使晶粒逐漸增粗、變大，在這個過程中晶粒平均系數也逐漸變小。

參考文獻：

[1]段利君，董有昌，樊自田，等.機械振動對鑄造鋁合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2014（9）：73-76.