机械振动频率和时间对ZL101铝合金组织和综合力学性能的影响

王娟

摘 要：分析机械振动频率和时间对ZL101铝合金组织和综合力学性能的影响。方法：采用自制频三维振动台对ZL101铝合金组织和性能进行试验分析，并分析机械振动频率和时间对其性能和组织的影响。试验结果：经过对比分析发现，垂直方向振动，而且机械振动频率为20～60Hz时，铸，抗拉强度和伸长率可达180MPa和2.7%，同时组织效果也比较好。结论：ZL101铝合金机械振动能够有效降低针孔率，提高抗拉强度和伸长率。

关键词：机械振动；ZL101铝合金组织；综合力学性能

中图分类号：TG29 文献标志码：A 文章编号：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

本次研究中在總结以往研究经验基础之上，通过采取自制可在0～60Hz变频的三维振动装置，在动力学激励作用下金属液能够形核，并且达到了细化组织目的。采用三维振动台进行试验分析，能够对铸件凝固过程中分析，不同振动方向及不同振动频率针对铸件组织及性能具体影响，以此获取最佳振动参数。

1 试验材料和试验方案

本次试验利用ZL101铝合金锭作为实验材料，ZL101铝合金的主要构成是AI-7，10Si-0.32Mg-0.39Fe，试验模型采用EPS泡沫模样密度为0.021g/cm3，采用线切割方式制作为长方体模样、直浇道、横浇道，主要规格为20mm×20mm×150mm、30mm×30mm×260mm、30mm×30mm×100mm。整个模型是由试样棒和浇冒口处理而成。模型处理方式是采用自制涂料实施烘干处理，然后将处理后的模型放入振动凝固装置上，填充紧实后覆盖一层薄膜，并做抽空处理。

ZL101铝合金锭达到400-500℃时将其放入5.5kM电阻锅炉内进行加热，加热温度达到730℃时，对合金实施变质处理，变质处理的过程中采用Al-10Sr中间合金对合金液进行处理，这种处理方式比较方便，而且准确率比较高，而后在溶液内加入0.05%的Sr，继续加热，温度达到730-750℃后，利用多孔处理其对装置进行排气处理，排气时间维持在10-15min内，装置内的温度达到750℃后注意对其实施浇筑处理。

2 试验结果分析

2.1 不同振动频率对铸件组织和性能的影响

ZL101铝合金在凝固过程中垂直振动在不同频率下的试样金相有不同的组织变化，具体的性能组织变化见图1。从图1中可以看出铝合金振率不同，其组织变化也有较大的不同。在此基础上我们采用软件分析的方法可以得出其初生相α平均晶粒尺寸的变化情况。所以说不同的机械振动频率对铝合金组织性能有不同的影响[1]。铸件振动频率增加，树枝晶组织会随之减少，而其共晶组织的变化也会随之减小；发现某一振幅的频率振动比较低时，共晶组织就以相对比较小的速度增长，在这个过程中排出的溶质原子会呈现显著增加的趋势发展。这样就会明显增加组织的横向扩散能力，而且组织横向扩散的利用时间也会明显的增加，进而增加层间距，使铸件的共晶硅呈现粗化状态。振动频率增高时，溶体会产生剧烈运动，晶核相对也会呈现增加的趋势发展，进而界面的横向扩散作用和开始增加，但是这个过程中液相排出的溶质原子减少，导致组织横向扩散时间明显缩短，进而影响组织层次的扩散，在一系列的影响下组织结果就会逐渐细化。

铝合金在垂直振动频率不同的情况下其伸长率和抗拉强度也会发生一定的变化，试样的伸长率和抗拉强度随着振动频率的增加而不断增大，频率在0-20Hz范围内时，性能明显提高，但是频率在20-60Hz范围内试样伸长率和抗压强度增长趋势比较缓慢。随着振动频率的增加，晶粒会逐渐变小，而逐渐强度会逐渐变大。综合以上分析，逐渐的组织振动频率在20-60Hz范围内时，铸件的品质相对比较好。

2.2 不同振动方向对铸件组织和性能的影响

振动频率一定的情况下，不同方向振动得到的试样金相也不同，见图2。ZL101铝合金组织无振动凝固时，α树枝晶比較粗大而且二次枝晶比较发达；合金经过机械振动后，α树枝晶会破碎，并且组织会出现细化的现象；经过软件分析后发现不同方面的振动凝固试样晶粒有不同的规律，其中垂直振动后的试样晶粒尺寸会变小[2]。机械振动细化α树枝晶的原因主要是振动使金属液各个部分之间产生相对滑移的情况，各个部分之间的速度差产生了“粘性剪切”的变化，α树枝晶和共晶体出现破碎。而振动抑制了α树枝晶和共晶组织的自有增长，和无振动相比，整个指得到明显的细化。振动凝固的铸件伸长率和抗压强度比无振动的逐渐要大很多，主要是因为振动凝固的合金晶粒细化，而且分布比较均匀，晶粒越细说明晶界的面积越大，晶界对晶粒内位错的阻碍作用就越大，所以这个过程中导致晶粒发生变形所需要的外力就越大，合金的抗拉强度就会逐渐的被提高。

2.3 不同时间对铸件组织和性能的影响

此试验在振动频率一定的情况下，振动时间和保温时间不同，对ZL101铝合金组织和性能也会产生不同的影响。如果其振动频率为25Hz，这个过程中此机械会向振动台连接的容器中浇筑溶体温度为630℃ZL101金融溶液，溶体的保温温度达到580℃后，工作人员会启动振动台，温度降低到一定的程度后取出晶体溶液，这个时间可以作为系统的开始时间进行记录，首先记为0，然后每隔5min抽样记录一次温度，该组试验的金相分析结果中可以看出，晶粒直径随着试样保温时间的增加而增大，只有当铸件的晶粒形状系数在0-5min范围内时，晶粒直径成增大趋势发展，而在5-15min范围内时，晶粒直径成逐渐减少的趋势发展。

经过对各个保温时间下晶相的分析，发现铸件在保温初期由于振动作用在液面和型壁处生长的晶核脱落，而且这些脱落的晶核被带入整个溶体中。振动可能会使溶体内的温度和浓度变得更加均匀，在这个过程中组织晶核会不断发生变化，使晶核的形状逐渐变得更加圆整，而且组织溶体固相率提高后，振动情况下晶粒之间也会的发生明显的碰撞，这种情况下晶粒之间开始聚集融合，而后多核晶粒会融合在一起。从这些方面来看，在一定的振动频率下，时间不同其平均晶粒大小呈现也会不同，平均晶粒系数水随着时间的增加而逐渐变小。

3 结论

（1）ZL101铝合金铸件在铸造过程中实施机械振动能够有效细化合金组织，而且能够有效提高伸长率和抗拉轻度，经过以上综合对比分析，发现ZL101铝合金振动频率为20-60Hz范围内垂直方向振动下铸件组织最好，可以达到180Mpa和2.7%。

（2）振动凝固状态下，ZL101铝合金组织空洞明显减

小，而且空洞率也明显降低，振动频率一定的情况下，不同振动方向对ZL101铝合金组织和综合力学性能有不同的影响。

（3）在振动一定的条件下，组织保温时间越长，其初生晶粒就越圆整、粗大；但是如果时间超出了一定的限制，其初生晶粒就开始聚集，甚至会逐渐融合，而且会使晶粒逐渐增粗、变大，在这个过程中晶粒平均系数也逐渐变小。

参考文献：

[1]段利君，董有昌，樊自田，等.机械振动对铸造铝合金组织和性能的影响[J].金属热处理，2014（9）：73-76.