金屬材料鑄造成型中的振動技術

徐立華

(唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299)

在對金屬進行鑄造時，因為施加的條件有所不同，最終得到的金屬鑄件的晶粒細化程度也存在一定的差別，鑄件成型后的使用性能也千差萬別，比如，如果在鑄件成型的過程中，適當的加大振動，那么就會得到晶粒細化的鋼錠鑄件。隨著科技的不斷發展，振動技術開始被廣泛的應用到金屬材料鑄造成型的各個環節。隨著不斷的研究、實踐和總結，振動技術也取得了飛快的進步和發展，但是目前該技術本身及其應用仍然存在一定的不足。

1 振動方式與設備振動

應用到鑄造工藝中的振動方式有很多，總的來講，這些振動方式被分為兩種類型：機械振動與超聲波振動，鑄造過程中需要應用到鑄造振動臺，如圖1 所示。 按照維數，機械振動又可以分為一維振動與多維振動；按照引入方向感的不同，超聲振動可以分為兩種：水平引入與下方引入，另外，按照振動方向的不同，機械振動又被分為三種：垂直振動、水平振動和旋轉振動。鑄造過程中經常應用到的振動設備被分為兩大類：低頻振動臺和高頻振動臺，在我國范圍內，最近十年才涉及到低頻振動臺的應用。國內當前所擁有的振動設備普遍具有振動頻率低、作用距離近、振動能量有限的特點，另外，這類設備振動的過程不容易被控制[1]。

圖1 鑄造振動臺

2 作用機理

在某種條件下，金屬熔體屬于典型的粘性流體，其流動的方式主要有兩種，層流式和紊流式。一般來說，金屬充型結束時，才會出現層流，因此，金屬鑄造行業內普遍認定金屬充型為紊流狀態。在成型過程中，如果適當的增加振動的頻率，紊流程度也會有所增加；隨著振動周期的延長，紊流速度也會有所增加，可以說，隨著振動強度的不斷增加，金屬流體的流動性也會有所增加。但是在這個過程中，隨著振動強度的增加，垂直度振動方向的紊流附加阻力會持續增大，產生的能量損失也會增加，如果能量損失達到一定程度，流體的流動性會有所減弱。在對金屬進行鑄造凝固的過程中，振動頻率的增加可以破碎已經成型的晶粒，從而獲得粒度更小的等軸晶[2]。

3 振動技術在金屬鑄造成型中的具體應用

3.1 金屬液處理中的應用

（1）應用超聲波以不同的振動頻率作用到合金液體上，完成鑄造后，觀察鑄件樣本，觀察結果證明：當超聲波的頻率為17.5 kHz 時，振動細化后的晶粒的尺寸較原來縮小50um，屈服應力值增加了502NMP，孔隙率降低5%，伸長率提高了18%，之所以出現這樣的效果，主要是因為振動作用增強了排氣效果。

（2）合金液體經過超聲波處理后，對其進行弛豫時間的檢測，檢測結果證明：晶粒尺寸增加了12um，并且可以持續保持穩定，這個現象足以說明，超聲波具有非常好的金屬液體的處理效果，值得持續推廣和使用。將功率為1.8 kW、20 kHz 的超聲波振動器伸入金屬液液面以下，保持90 s，得到狀態為半固態的漿料，經過適當的流變擠壓鑄造，最終獲得鑄件。

（3）觀察鑄件微觀組織得到以下結論：鑄件的微觀組織主要包含三種微觀顆粒：初晶Si 顆粒、α-Al+β-Si 共晶顆粒，非平衡α-Al 顆粒。超聲振動作用增加了Si 原子的固溶度，同時降低了Si 顆粒的形成溫度范圍，初生Si 顆粒體積分數可以達到11.1%，證明超聲振動擠壓鑄造所得到的合金性能明顯優于傳統擠壓鑄造所得到的合金性能[3]。

3.2 鑄造充型過程中的應用

（1）以不同的振動頻率、不同的振動幅度，對鎂合金的充型能力進行研究。對合金施加垂直方向的機械振動作用，結果表明：如果澆筑問題為690 ℃，合金的充型面積和充型長度都得到明顯的提高。持續增加振動頻率，當充型面積達到相對完整的狀態時，如果繼續加大振動頻率，充型能力就會發生下降的趨勢。

（2）研究機械振動對鋁合金的充型能力的影響。當機械振動的頻率為20 Hz 時，隨著機械振動振幅的不斷增加，充型能力也會逐漸增大。當機械振動的幅度為0.25 mm 時，鑄件試樣長度達到275 mm，較未施加任何振動試樣的長度長86mm，當機械振動的振幅為0.1mm 時，振動頻率增加，合金的充型能力變化一般是先增加后減小。理論分析表明：機械振動的作用，提高了合金熔體的流動性能，進而提高了充型能力[4-7]。

（3）研究振動時機對鑄件充型過程的具體影響。在對金屬進行鑄造成型的過程中，如果不應用砂芯，澆筑系統充滿后，型腔內開始有金屬液體的液面上升，才能施加振動作用，當金屬液面達到冒口位置的時候，及時停止振動。振動時間過早可能會導致澆口振壞，最終導致沖砂現象的發生。利用砂型開展鑄造的過層中，當金屬液面開始從冒口的位置上升，就可以施加振動作用，如果提前振動，可能會導致砂芯的損壞。振動鑄造試驗證明：選擇最佳的振動形式，在合適的振動時機，可以有效的促進排氣除渣，減少充型缺陷，提高鑄件性能。

3.3 鑄造凝固過程中的應用

（1）低頻機械振動可能會給鑄件的性能造成影響。應用機械振動方式作用于再生鋁合金的凝固過程，研究機械振動方式的具體影響，試驗結果證明，振動作用可以有效地的細化合金內部的顆粒，改善富鐵相的形貌，轉變富鐵的形狀和分布狀態，確保富鐵可以以球狀或者短棒狀的狀態均勻的分布到晶界處，當振動頻率為40 Hz 時，一般會達到最佳的振動效果，晶粒尺寸也會適當的減小。同時，振動作用可以極大程度的優化鋁合金的力學性能，使得鋁合金的伸長效率可以達到4.74%。 還有學者經過試驗研究發現，振動作用雖然可以降低裂紋缺陷的產生，但是合金的力學性能卻未得到有效的改善[8]。

（2）應用不同頻率的超聲振動作用在Mg-8Li-3Al 合金熔體的凝固過程， 將超聲波探頭插入到金屬頂部。經過鑄造得到鑄件，對其力學性能、顯微組織以及耐腐蝕性能進行分析，結果表明：合金的α 相轉變為了球狀結構，如果適當增加功率，可以有效提高球狀結構的精細化程度，同時，隨著超聲振動處理時間的不斷延長，獲得的球化效果也就越好。與未經振動處理的合金相比，經過處理的合金的抗腐蝕性能得到了明顯的提高。

（3）應用激振頻率與鑄型系統的低階固有頻率作用于鑄件振動凝固的過程中，結果證明，在較低的固有頻率下，鑄型系統各部位振動位移幅值到達最大值時，鑄件的殘余應力會發生一定程度的降低，如果降低到某一個水平，可以省去時效處理。這樣一來，鑄造成型效率得到有效的提升，鑄造成本也被控制在了一定的范圍內[9，10]。

（4）不同澆筑溫度和不同振動方向對鋁合金性能的具體影響。經過研究證明，隨著澆筑溫度的不斷升高，鋁合金的硬度以及拉伸強度會呈現先增大后減小的變化，一般來說，澆筑溫度為760 ℃，試樣的力學性能達到最佳。

3.4 鑄件時效處理中的應用

（1）對薄壁鑄件進行振動時效處理。經過不斷研究和優化，確定最佳的振動時效工藝參數。通過對薄壁鋁合金鑄件進行振動時效試驗研究，研究結果證明，鑄件殘余應力水平和峰值應力水平明顯降低，分布狀態也較為均勻。通過對比，應用時效處理的處理時間和處理成本都得到了明顯的降低。

（2）應用機械振動對機床鑄件進行時效處理，經過試驗得出以下結論：經過振動處理后，磨床臺面的平均應力消除率升高至56.8%；平均應力消除率升高1.6%。應用振動時效對鑄件進行處理，不僅可以提高處理效率，還可以降低殘余應力，縮短工期，符合綠色鑄造相關理念。

（3）超聲波振動作用給薄零件和小零件所造成的殘余應力的影響。應用頻率為24.5 kHz 的超聲波進行時效處理，試驗結果證明，殘余應力消除率高達36 %，隨著振幅的增加，試樣的殘余應力不斷減小；從處理時間角度研究發現，當超聲波處理時間為2min 和8min 時，應力降低至4 Mpa 和75 MPa。

（4）研究振動時效對冷扎鑄鋼殘余應力的影響，試驗結果證明，振動時效的處理有效降低了冷扎鑄鋼殘余應力。

（5）試驗研究證明，振動處理可以延長鑄件的使用壽命，而時效處理卻會縮短鑄件的使用壽命[11]。

4 建議

（1）振動鑄造的過程中，開展澆筑工作前，為了增強金屬的排氣效果，必須對金屬液體進行適當的振動處理，促進金屬內晶粒均勻分布，進而提高鑄件的力學性能水平。（2）在金屬液充型中，為了提高金屬液體的充型能力，減少鑄造缺陷的發生，進一步提高鑄件力學性能水平，不僅要選擇合理的振動鑄造方法，還要選擇適宜的振動時機。（3）在金屬振動凝固的過程中，機械振動的效果往往和振動幅度、振動方向、振動頻率等參數有關。超聲波振動的應用可以改善機械振動能量不足的問題，但是超聲波振動方式應用成本相對較高。（4）振動時效處理可以提高應力分布的均勻程度，同時降低鑄件殘余應力，進而達到節約成本，降低處理時間等目的，另外，振動時效處理對設備應用要求較低，可以有效保證金屬鑄造過程的經濟效益[12]。

5 結語

總而言之，隨著社會經濟的快速發展，振動技術的應用范圍也會持續拓展，在國內，關于振動技術在金屬鑄造過程中的應用的研究非常熱門，越來越多的行業和學者紛紛投身于這項研究中。研究結果顯示應用振動技術在金屬鑄造過程中，不僅可以提高鑄造效率、鑄件性能，還能降低金屬廢品的生成率，符合綠色鑄造理念。但是在應用振動技術的過程中，注意合理控制振動機的振動強度，避免出現鑄件開裂問題的發生。