振動壓力對拔叉熔模鑄造鋁合金組織和力學性能的影響

王強 劉永興 郭超

摘 要：在ZL104拔叉熔模鑄造凝固過程中施加機械振動和壓力作用，研究了振動壓力復合作用下，不同頻率和壓力對拔叉熔模鑄造鋁合金組織和力學性能的影響。試驗結果表明：壓力固定不變的情況下，鑄件的抗拉強度和伸長率將隨著頻率的增加而呈現先增大后減小的變化趨勢，振動頻率為50 Hz時取得最大值;維持振動頻率值恒定的情況下，鑄件的抗拉強度和伸長率隨著壓力的增大逐漸增大，當壓力值達到0.6 MPa后，鑄件力學性能基本趨于穩定狀態。

關鍵詞：拔叉;熔模鑄造;振動壓力;鋁合金組織;力學性能

中圖分類號：TG249.5;TG292 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0047-04

Abstract： The effects of mechanical vibration and pressure on the microstructure and mechanical properties of ZL104 fork investment casting aluminum alloy under the combined action of vibration and pressure were studied. The test results show that when the pressure is fixed， the tensile strength and elongation of the casting will first increase and then decrease with the increase of frequency， and the maximum value will be obtained when the vibration frequency is 50 Hz; When the vibration frequency is fixed， the tensile strength and elongation of the casting gradually increase with the increase of pressure. When the pressure reaches 0.6 MPa， the mechanical properties of the casting basically tend to be stable.

Keywords： pulling fork;investment casting;vibration pressure;aluminum alloy structure;mechanical property

目前，鑄造鋁合金作為21世紀解決結構輕量化技術的一種重要工程材料，已廣泛應用于汽車、航天等行業。調查顯示，采用鑄造工藝生產的鋁合金約占80%，但傳統鑄造工藝容易導致鑄件出現縮孔、縮松、冷隔和澆不足等缺陷，嚴重影響鑄件的綜合力學性能，不能完全滿足工業需求。以汽車換擋拔叉鋁合金熔模鑄件為研究對象，結合汽車零部件熔模鑄造企業的生產實際，以振動凝固試驗和壓力凝固試驗研究成果[1]為前提，采用平行對比試驗方法研究振動壓力復合作用對鋁合金拔叉熔模鑄件組織及性能的影響，通過試驗結果驗證復合參數的匹配性，從而確定最佳工藝參數，為高性能鑄造鋁合金的開發與應用提供有益參考。

1 試驗前期準備

試驗用材為ZL104鑄造鋁合金，主要元素化學成分w（%）為：Si 9.5、Mn 0.3、Mg 0.44、Fe 0.6、Pb 0.02、Cu 0.006、Sn 0.006、Ti 0.014，余量為Al。

鑄造型殼的制備主要包括模料的選取及制備、型殼材料的選取及預處理等工藝環節。本試驗選取石英砂作為耐火材料，選取硅溶膠作為黏結劑，從而組成型殼材料。

本試驗采用的振動臺為激振力作用下的穩態強迫振動，振動方式為垂直振動，試驗所用相關振動參數均按照有關振動原理資料和文獻計算而得，具體參數如表1所示。

本試驗采用的加壓裝置為自主設計設備，其外部結構如圖1所示。

2 試驗方法

將試樣鋁合金放置在坩堝電阻爐中進行加熱熔化，先預熱至300 ℃，然后再放入鋁錠，當溫度為720～740 ℃時，加入氬氣進行精煉，然后靜態放置10 min，最終澆筑時溫度應控制在750 ℃[2-6]。澆筑過程中，須開啟加壓裝置和振動臺，凝固后通過試驗數據分析，研究得到不同振幅（0.04 mm、0.08 mm、0.12 mm、0.16 mm、0.2 mm、0.24 mm）、振動頻率（0 Hz、30 Hz、50 Hz、70 Hz、100 Hz、130 Hz）和壓力（0 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa）復合作用對拔叉熔模鑄造鋁合金組織和性能的影響。

凝固后的鑄件試樣做成標準拉伸試樣，在萬能試驗機上以1 mm/min的拉伸速率測試其室溫力學性能，每組測試4根試棒，求其平均值作為最終試驗數據。拉伸測試完成后，對切取的試樣進行粗磨、拋光、王水腐蝕處理，然后利用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察試棒的金相組織，并分析微觀組織變化情況。

3 試驗結果分析

3.1 振動壓力對拔叉熔模鑄件顯微組織的影響

維持壓力值在0.6 MPa不變，然后改變振動頻率值，試驗所得鑄件試樣的金相顯微組織如圖2所示。保持振動頻率在50 Hz不變的情況下，改變壓力值，試驗所得的鑄件試樣顯微組織如圖3所示。

通過觀察顯微組織圖，不難發現：①當壓力不變時，鋁合金組織內部晶粒尺寸將隨振動頻率增大而變小，在50 Hz時達到最佳狀態，隨后晶粒尺寸又開始逐漸增大;②當振動頻率值保持恒定時，鋁合金組織晶粒細化程度隨著壓力值的增大不斷加強。此外，通過進一步觀察還發現，枝晶邊緣也逐漸變得越來越圓滑，甚至在樹枝晶之間還彌散分布著片狀或點狀的結晶共晶體。

3.2 振動壓力對拔叉熔模鑄件力學性能的影響

當設定壓力值為0.6 MPa不變，振動頻率值在0～130 Hz變化時，試驗所得鑄件的抗拉強度值和伸長率變化情況如圖4和圖5所示。當振動頻率值維持在50 Hz時，壓力在0～0.8 MPa變化時，試驗所得鑄件的抗拉強度值和伸長率變化情況如圖6和圖7所示。

4 結語

從上述試驗結果可以看出，通過固定壓力值改變振動頻率所得到的拔叉熔模鑄造最佳工藝參數與通過固定振動頻率值改變壓力值得到的最佳工藝參數是相匹配的。兩組對比試驗結果表明，振動壓力復合場作用下的最佳熔模鑄造工藝參數為：振動頻率50 Hz、加壓值0.6 MPa。

另外，通過振動壓力復合凝固試驗，相較于普通鑄造方法，熔模鑄件的抗拉強度值從原來的61.3 MPa提高到了現在的87.8 MPa，提高率為41.7%。此外，鑄件伸長率也從普通鑄件的2.5%提高到5.5%，提高率為120%。

總之，用振動壓力復合作用優化得到的鋁合金熔模鑄件最佳工藝參數，使拔叉熔模鑄件獲得良好的綜合力學性能，也為鋁合金鑄件的研發和工業領域零件輕量化設計提供了一個有效途徑。

參考文獻：

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