振動對ZL205A合金偏析組織及硬度的影響

賈麗敏 張雅晴 譚建波 劉小麗 張雙杰

摘 要：為了解決ZL205A合金鑄件產生偏析缺陷等問題，進一步明確振動對偏析組織及硬度的影響規律，采用電磁式振動臺作為振動源，探究了振動頻率、振幅、振動時間對合金偏析組織占比及硬度的影響情況。結果表明，振動頻率在25～55 Hz內變化時，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比呈現先減小、后增加的趨勢，硬度呈現先增大、后減小的趨勢;振幅由1 mm增加到4 mm的過程中，偏析組織占比逐漸減少并趨于穩定，硬度呈現先減小、后增大的趨勢;振動時間由30 s增加至75 s時，偏析組織占比呈現增加趨勢并最終趨于穩定，硬度呈現先減小、后增大的趨勢。振動頻率對合金偏析組織和硬度的影響最為顯著，振動時間和振幅的影響次之，此外，偏析組織的析出也會影響合金硬度。研究結果為明確ZL205A合金在振動條件下凝固組織的變化規律、提高鑄件質量提供了理論參考。

關鍵詞：有色金屬及其合金;振動;ZL205A合金;偏析組織;硬度

中圖分類號：TG292 ? 文獻標識碼：A ? doi：10.7535/hbkd.2020yx05010

Abstract：In order to solve the problems of segregation defects in ZL205A alloy castings and clarify the influence of vibration on segregation structure and hardness， the electromagnetic vibration table was adopted as the vibration source to study the effects of vibration frequency， amplitude and time on segregation structure proportion and hardness of the alloy. The results show that the proportion of segregation structures decreases first and then increases， and the hardness increases first and then decreases with the increase of vibration frequency from 25 Hz to 55 Hz. When the vibration amplitude increases from 1 mm to 4 mm， the proportion of segregation structures decreases gradually and tends to be stable， and the hardness decreases first and then increases. With the increase of vibration time from 30 s to 75 s， the proportion of segregation structures increases and finally tends to be stable， and the hardness decreases first and then increases. Therefore， the vibration frequency has the most significant effect on segregation structure and hardness of the alloy， followed by time and amplitude. In addition， the precipitation of segregation structures also affects the hardness of the alloy. The results provide a theoretical reference for studying the change rule of solidification structure of ZL205Aalloy under vibration condition and for improving casting quality.

Keywords：non-ferrous metal and its alloy; vibration; ZL205A alloy; segregation structure; hardness

ZL205A合金是目前世界上抗拉強度最高的一種鑄造鋁合金，延展性好，具有良好的綜合力學性能，廣泛應用于航空航天、船舶和武器裝備等重要領域[1]。但由于合金元素較多，ZL205A合金存在鑄造性能差、鑄件易產生偏析等缺陷，這些已成為影響鑄件質量的關鍵因素。ZL205A合金凝固過程中的偏析問題一直是鑄造行業比較關注的[2-3]。已有研究發現，凝固條件不同時，ZL205A合金偏析類型呈現多樣性，包括由Al2Cu相組成的樹枝狀偏析，由Al3Ti，Al3V和Al3Zr混合組織形成的塊狀偏析，由α-Al基體中存在的片狀偏析，灰白Al3Ti物質形成的流線偏析，以及由Ti和Zr等原子團簇聚集而形成的點狀偏析等[4-6]，這些偏析組織的存在不同程度地影響了鑄件的力學性能。一些研究者對ZL205A 鑄件中各種偏析的形成機理進行了研究，并在鑄造工藝方面采取各種措施，盡量避免在鑄件中產生偏析缺陷。但目前來看，ZL205A合金鑄件偏析缺陷仍然是影響鑄件質量的主要因素之一[7]。

振動可使合金凝固過程發生改變，從而改變鑄件凝固組織，提高鑄件質量[8-10]。目前，國內外針對振動凝固技術的研究多偏向于鑄造過程中振動對晶粒組織尺寸及形態的影響，而對合金凝固過程，尤其是對寬結晶合金（如ZL205A合金）元素偏析的研究甚少[11-12]。因此，本文通過研究振動對ZL205A合金鑄件偏析組織及硬度的影響規律，分析振動頻率、振動幅度、振動時間對砂型鑄造ZL205A合金偏析組織占比及合金硬度的影響機理，為ZL205A合金在振動條件下凝固組織的研究提供理論參考。

1 材料與方法

實驗采用ZL205A合金錠，重熔后進行澆注。圖1為ZL205A合金澆注系統及取樣位置示意圖，試樣取自直徑為25 mm、長度為80 mm的圓柱形鑄件中間。為了保證數據的有效性，同時澆注2個形狀、尺寸及在澆注系統中位置一樣的鑄件，組織觀察及硬度分析試樣分別在2個鑄件相同的位置處截取。為了增大砂型的透氣性以及提高造型效率，將橫澆道設計成開放狀態。采用砂型鑄造，將合金鑄錠在SG-5-12型坩堝電阻爐中進行熔煉，熔化溫度為720 ℃。合金全部融化后，向坩堝內加入鋁液質量分數為015%的ZnCl2精煉劑，精煉5 min，進行精煉除氣和打渣。將砂鑄型固定在振動臺上，金屬液凝固過程中采用調頻調幅掃頻電磁式振動臺進行振動處理，澆注過程中通過控制振動臺的振動參數改變合金的凝固組織。取樣后，經粗磨、細磨、機械拋光和化學腐蝕后制得組織觀察和硬度分析所用試樣，并在每個試樣上隨機選取3個位置進行組織觀察和硬度分析， 取3組數據的平均值作為實驗結果。在蔡司金相顯微鏡上進行組織觀察，在維氏硬度計上測量試樣硬度。

本實驗方案設計時，主要考慮了振動頻率、振幅以及振動時間等振動參數對鑄件偏析組織及硬度的影響，因此設計了三因素四水平的正交試驗，因素水平表如表1所示，共進行了16組鋁合金澆注實驗。

2 結果及分析

2.1 ZL205A合金組織形態及分布

圖2所示為不同振動條件（時間t，頻率f，振幅h）下ZL205A合金典型的金相組織圖。通過與已有研究得到的ZL205A金相組織圖進行對比[13-15]可知，本研究中鑄態ZL205A合金的基體相為淺灰色的α（Al）固溶體，深灰色部位為偏析組織。枝晶間和晶界上有α（Al）相、θ（Al2Cu）相和Cd相的共晶組織，以及少量的灰色塊狀ZrAl3相，條狀Al3Ti（B）相分布在α固溶體上[16]。在該研究中，大多數偏析組織為帶狀、樹枝狀偏析，少數為塊狀偏析。

運用圖像分析軟件Image-ProPlus對各試樣金相圖中的偏析組織進行提取，并對其含量進行統計計算，偏析組織統計圖如圖3所示。在金相照片中，將所有偏析組織面積之和與圖片總面積的比值作為本研究中偏析組織占比，對每個試樣的3張金相圖進行分析，并對3組數據求平均值（偏析組織占比統計時，其相對誤差約為3.83%）。運用正交試驗數據分析軟件對所得偏析組織占比進行分析，結果如表2所示。

2.2 振動參數對ZL205A合金偏析組織形成的影響

由表2數據分析結果可以看出，在振動頻率、振動時間、振幅3個因素中，振動頻率因素下偏析組織所占比例的極差數值最大，由此推斷，振動頻率對偏析組織形成的影響最大，其次為振動時間和振幅。圖4更為直觀地給出了偏析組織占比與振動頻率、振幅和振動時間的關系。

由圖4可以看出，振動參數對偏析組織的影響規律如下：頻率在25～55 Hz范圍內變化時，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比先減小后增加，在45 Hz時偏析組織所占比例減至最小;隨著振幅的增加，偏析組織占比呈現減小趨勢并逐漸趨于穩定;隨著振動時間的延長，偏析組織所占比例逐漸增加并最終趨于穩定。

振動參數對偏析組織的影響之所以會出現如圖4所示的結果，主要原因分析如下。ZL205A合金晶粒細化可有效減少鑄件的凝固偏析缺陷[17]，振動頻率較小時，隨著振動頻率的增加，合金熔體振動劇烈，樹枝晶會發生破碎產生大量晶核，合金組織得到細化。但過大的振動頻率會使得晶粒間的相互作用增加，且枝晶破碎更為容易，給形核提供了較長時間，晶粒尺寸有所增加[18-19]。因此，本研究中，隨著振動頻率的增加，偏析組織所占比例呈現先減小、后增加的趨勢。當振幅增加時，振擊力加強，液體攪拌作用加強，金屬液內對流加劇，為ZL205A合金凝固時枝晶折斷、破碎、增殖及游離提供了有利條件，從而使晶粒細化[20]。因此，隨著振幅的增加，偏析組織占比呈現減小的趨勢。在振動作用下，金屬液表面及鑄型壁產生的晶核脫落，會游離到未凝固的金屬液中。隨著振動時間的延長，晶核脫落越來越多。與不施加振動時相比，金屬液的溫度和濃度會變得更加均勻，同時金屬液中固相率的提高使晶粒之間的碰撞更加頻繁，此條件下各個晶粒會進行融合，更大量的晶粒聚集在一起，在某個振動頻率參數條件下，晶粒尺寸會隨著振動時間的增加而增大[21]，因而偏析組織占比也會呈現逐漸增加的趨勢直至穩定。

圖5所示為與圖2相對應試樣的晶粒組織照片。對比圖5與圖2可以看出，當晶粒尺寸較小時，偏析組織析出明顯減少。由此可以推斷，本實驗條件下晶粒尺寸仍是影響偏析組織析出的重要因素。

2.3 振動對ZL205A合金硬度的影響

用相同的取樣方法測量每個試樣的維氏硬度（硬度值測定時，其相對誤差約為2.52%），正交試驗數據分析結果如表3所示。圖6給出了合金硬度與振動頻率、振幅和振動時間的關系。

由表3正交試驗硬度數據分析結果可知，在影響ZL205A合金硬度的3個因素中，振動頻率的影響最為顯著，其次為振動時間和振幅。由圖6可以看出，在本研究范圍內，隨著振幅和振動時間的增加，合金的硬度值呈現先減小、后增大的趨勢;而隨著振動頻率的增加，合金的硬度值呈現先增大、后減小的變化趨勢。

振動對鑄件硬度的影響分析如下：振動會影響鑄件的晶粒尺寸，一般情況下，晶粒越細小，偏析組織占比越少，試樣的硬度就越大。圖7所示為本實驗中不同振動時間所對應的合金偏析組織占比與硬度的關系，可以看出，隨著偏析組織占比增大，硬度基本上呈現減小的趨勢。但同時，偏析組織的析出也會影響合金的表面硬度，在ZL205A合金凝固組織中，某些偏析組織具有較高的硬度，如塊狀偏析組織中的Al3Ti，Al3V和Al3Zr等金屬間化合物具有十分高的硬度，此類偏析組織表面硬度要顯著高于基體組織α固溶體[4]。本研究中，晶粒尺寸與偏析組織的共同作用，使得振動參數發生變化時，合金硬度呈現如圖6所示的變化趨勢，硬度并未完全隨偏析組織占比的改變而發生變化。由此可以推斷，偏析組織的析出也會影響合金硬度。

3 結 語

1）研究了振動對砂型鑄造ZL205A合金偏析組織及硬度的影響，分析了振動頻率、振幅、振動時間對合金偏析組織占比及硬度的影響規律。在3個振動參數中，振動頻率對合金偏析組織和硬度的影響最為顯著，其次為振動時間和振幅。

2）振動頻率在25～55 Hz內變化時，隨著振動頻率的增加，偏析組織占比呈現先減小、后增加的趨勢，硬度呈現先增大、后減小的趨勢;振幅由1 mm增加到4 mm的過程中，偏析組織占比逐漸減少并趨于穩定，硬度呈現先減小、后增大的趨勢;振動時間由30 s增加至75 s時，偏析組織占比呈現增加趨勢并最終趨于穩定，硬度呈現先減小、后增大的趨勢。

3）除了晶粒尺寸，偏析組織的析出也會影響合金的硬度，其影響機制還有待作進一步的研究。

參考文獻/References：

[1] ?郭凡，賢福超，張海濤，等. ZL205A合金塊狀偏析相缺陷的研究[J].鑄造技術，2020，41（4）：309-312.

GUO Fan， XIAN Fuchao， ZHANG Haitao， et al. Study on blocky-shaped segregation phase of ZL205A alloy [J].Foundry Technology， 2020， 41（4）： 309-312.

[2] ?范學燚，張喆，洪潤洲，等. 行波磁場對ZL205A 合金元素分布的影響[J].特種鑄造及有色合金，2017，31（11）：1183-1186.

FAN Xueyi， ZHANG Zhe， HONG Runzhou， et al. Effects of traveling magnetic field on element distribution in ZL205A alloy[J].Special Casting & Non-ferrous Alloys，2017， 31（11）： 1183-1186.

[3] ?LI Bo， SHEN Yifu， HU Weiye. Casting defects induced fatigue damage in aircraft frames of ZL205A aluminum alloy：A failure analysis[J].Materials & Design， 2011， 32：2570-2582.

[4] ?賢福超，郝啟堂，范理. ZL205A合金塊狀偏析形成機理[J].稀有金屬材料與工程，2014，43（4）： 941-945.

XIAN Fuchao， HAO Qitang， FAN Li. Formation mechanism of massive segregation of ZL205A alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2014， 43（4）： 941-945.

[5] ?陳邦峰，賈泮江. ZL205A鋁合金鑄件流線缺陷研究[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（11）：984-988.

CHEN Bangfeng，JIA Panjiang. Streamline defects in ZL205A aluminum alloy castings[J].Special Casting & Non-ferrous Alloys，2010， 30（11）： 984-988.

[6] ?杜旭初，洪潤洲，陳邦峰，等. ZL205A合金回轉體鑄件樹枝狀偏析缺陷研究[J].熱加工工藝，2015，44（7）：125-128.

DU Xuchu， HONG Runzhou， CHEN Bangfeng， et al. Study on dendritic segregation defects in ZL205A alloy rotator castings[J].Hot Working Technology，2015， 44（7）： 125-128.

[7] ?史曉平，李玉勝. ZL205A合金偏析缺陷研究[J].鑄造，2011，60（10）：1022-1026.

SHI Xiaoping， LI Yusheng. Study on ZL205A alloy segregation[J]. Foundry， 2011， 60（10）：1022-1026.

[8] ?張崢.機械振動對A356合金消失模鑄造充型及性能的影響[J].鑄造技術，2015，36（2）：466-468.

ZHANG Zheng. Effect of mechanical vibration on filling and properties of lost foam casting A356 alloy[J]. Foundry Technology，2015，36（2）： 466-468.

[ 9] ?趙建華，馬強，金通，等. 機械振動對A356合金充型能力影響的研究[J].功能材料，2014，45（15）：15129-15133.

ZHAO Jianhua，MA Qiang，JIN Tong，et al.Experimental investigation of the on the filling ability of effect of mechanical vibration A356 aluminum alloy[J]. Functional Materials，2014，45（15）：15129-15133.

[10] 王成軍，韓董董，陳蕾，等.振動技術在金屬材料鑄造成形中的應用與發展[J].河北科技大學學報，2014，35（3）：229-232.

WANG Chengjun， HAN Dongdong， CHEN Lei， et al.Application and development of vibration technologyin metal casting molding[J]. Journa1 of Hebei University of Science and Technology，2014，35（3）：229-232.

[11] WANG Rujia， WU Shiping， CHEN Wei. Mechanism of burst feeding in ZL205A casting under mechanical vibration and low pressure[J].Transactions Nonferrous Metals Society China，2018，28： 1514-1520.

[12] 羅澤碧.實驗研究機械振動對ZL205A合金低壓振動鑄造的影響[J]. 科技創新與應用，2016（22）：45-46.

[13] 丁旭，孟令剛，姜立，等. Al-Ti-B細化劑對ZL205A鋁合金組織性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2018，38（7）：772-775.

DING Xu，MENG Linggang，JIANG Li， et al. Effects of Al-Ti-B refiner on the microstructure and properties of ZL205A[J]. Special Casting & Non-ferrous Alloys，2018，38（7）： 772-775.

[14] 賢福超，郭凡，肖文豐. ZL205A合金元素偏析行為[J].鑄造，2014，63（10）：995-998.

XIAN Fuchao， GUO Fan， XIAO Wenfeng. Study on elements segregation behavior of ZL205A alloy[J]. Foundry， 2014， 63（10）： 995-998.

[15] 陳邦峰，賈泮江，劉國利，等. ZL205A鋁合金鑄件偏析缺陷分析和等級研究[J].特種鑄造及有色合金，2009， 29（11）：994-997.

CHEN Bangfeng， JIA Panjiang， LIU Guoli， et al. Properties and grades of segregation defect aluminum alloy castings in ZL205A[J]. Special Casting & Non-ferrous Alloys，2009，29（11）： 994-997.

[16] 舒群，陳玉勇，徐麗娟.砂型鑄造ZL205A合金組織與力學性能的研究[J].特種鑄造及有色合金，2005，25（2）：75-78.

SHU Qun， CHEN Yuyong， XU Lijuan. Microstructure and mechanical properties of ZL205A alloy in sand casting[J]. Special Casting & Non-ferrous Alloys，2005，25（2）： 75-78.

[17] 鄭衛東，阮磊，厲沙沙，等. 晶粒細化工藝對ZL205A合金偏析缺陷的影響[J].特種鑄造及有色合金，2017，37（7）：792-795.

ZHENG Weidong，RUAN Lei，LI Shasha，et al. Effects of improvement of grain refinement on segregation in the ZL205A alloy[J]. Special Casting & Non-ferrous Alloys，2017，37（7）： 792-795.

[18] 李金松，謝明芳. 機械振動對鑄造鋁合金組織與性能的影響[J]. 鑄造技術，2016，12（37）：2681-2684.

LI Jinsong， XIE Mingfang. Effect of mechanical vibration on structure and properties of casting aluminum alloy[J].Foundry Technology，2016，12（37）：2681-2684.

[19] JIANG Wenming， FAN Zitian，CHEN Xu， et al. Combined effects of mechanical vibration and wall thickness on microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy produced by expendable pattern shell casting[J]. Materials Science & Engineering A，2014，619（1）：228-237.

[20] 王紅霞，張國平，許春香， 等. 機械振動對純Al晶粒細化及凝固收縮的影響[J]. 鑄造設備研究，2016，12（37）：2681-2684.

WANG Hongxia， ZHANG Guoping， XU Chunxiang， et al. Effect of mechanical vibration on grain refinement and solidification shrinkage of aluminum[J]. Research Studies on Foundry Equipment，2016，12（37）：2681-2684.

[21] 王娟. 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[J]. 科技創新與應用，2018（35）：102-103.

WANG Juan. Effect of mechanical vibration frequency and time on microstructure and comprehensive mechanical properties of ZL101 aluminum alloy[J]. Technology Innovation and Application， 2018（35）： 102-103.