機械振動對消失模一熔模鑄造AZ91D鎂合金組織的影響
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陳 旭蔣文明王本京吳和保樊自田李 達
（1．武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院；2．華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室）
摘要在消失模一熔模鑄造A291D鎂合金的凝固過程中施加機械振動，研究在不同澆注溫度、振幅和振動頻率下消失模-熔模鑄造A291D鎂合金組織的變化。結(jié)果表明，施加機械振動后獲得組織中的樹枝晶明顯減少，隨著澆注溫度的降低鎂合金組織逐漸被細化，但澆注溫度過低不利于機械振動發(fā)揮最佳效果，在730℃時獲得組織較為理想，晶粒主要呈等軸狀。隨著振動頻率的增大，合金組織細化，當振動頻率為100 Hz時細化效果最好，初生a相的晶粒尺寸僅為166.4μm，β相也基本以細小顆粒狀分布。增大振幅能使鎂合金晶粒尺寸明顯減小，在振幅為1.0 mm時獲得的晶粒最為細小、圓整。
消失模一熔模鑄造是在消失模鑄造的基礎(chǔ)上采用熔模鑄造的制殼工藝利用聚乙烯代替蠟?zāi)＃?jīng)過失模、焙燒和造型制備陶瓷型殼。之后再把型殼放入砂箱中，采用干砂負壓造型，最后進行澆注。該工藝綜合了消失模鑄造、負壓鑄造、熔模鑄造的優(yōu)點，在鑄造界受到廣泛的關(guān)注。
鎂合金具有密度低、熔點低、比熱容小、結(jié)晶潛熱小等優(yōu)點，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。消失模一熔模鑄造技術(shù)適合生產(chǎn)鎂合金精密鑄件，但由于其獲得的鑄件組織多呈樹枝晶，力學(xué)性能較低，影響了鎂合金鑄件的應(yīng)用。因此，采取有效措施改善鎂合金組織性能顯得尤為關(guān)鍵。在鎂合金的凝固過程中施加機械振動能改變其凝固過程從而達到改善其組織的目的。本課題結(jié)合消失模一熔模鑄造特點，借助振動臺對鎂合金的凝固過程實施處理，達到改善鎂合金組織和性能的目的。主要研究了機械振動下澆注溫度、振動頻率和振幅等參數(shù)對消失模一熔模鑄造鎂合金凝固組織的影響，以期為消失模一熔模鑄造鎂合金的實際應(yīng)用提供參考。
1 試驗材料和方法
試驗材料為A291D鎂合金，其化學(xué)成分見表1，試驗所用振動臺示意圖見圖1。
首先制備泡沫模樣，之后將泡沫模樣浸入制作好的涂料中，上下、左右轉(zhuǎn)動，使模樣表面均勻地涂掛一層涂料，經(jīng)過撒砂、干燥、去模、培燒制備陶瓷型殼。將制備好的型殼放入砂箱，周圍填入干砂，然后振動緊實，在澆口處套上一層塑料薄膜待澆。
將坩堝放入電阻爐內(nèi)預(yù)熱，取出后均勻刷上一層涂料，再放入爐內(nèi)烘干，之后放入烘干的鎂錠。待鎂合金熔化溫度升至720～730℃時，進行除氣精煉、扒渣；同時在鎂合金液表面撒上一層覆蓋劑，以防止鎂合金液氧化燃燒，靜置15～20 min，調(diào)節(jié)溫度至730℃進行澆注，試驗參數(shù)見表2。
A291D鎂合金金相試樣經(jīng)過研磨、拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液在室溫下腐蝕20 s；采用MeF-3金相顯微鏡和QUANTA-400型掃描電鏡觀察顯微組織；采用Image Tool圖像分析軟件測量鎂合金組織中初生相的平均面積、周長以及β相的平均長度和寬度，進而計算其長寬比。A291D鎂合金的初生a相的晶粒尺寸和形狀系數(shù)由下式計算：
式中，A為初生相的平均面積；P為初生相的平均周長；D為初生相的晶粒尺寸；F為初生相的形狀系數(shù)，F(xiàn)值從0到1，越接近1說明初生相的形狀越趨向于球形。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 澆注溫度對消失模一熔模鑄造鎂合金組織的影響
不同澆注溫度下獲得的a-Mg初生相微觀組織見圖2，晶粒尺寸和形狀系數(shù)見圖3。
從圖2可以看出，施加機械振動后獲得的樹枝狀的初生a相較少，初生a相大多以等軸晶分布。隨著澆注溫度升高，晶粒尺寸增大，然而樹枝晶的數(shù)量減少，說明機械振動有利于樹枝晶的消除。但澆注溫度過低不利于機械振動發(fā)揮最佳效果，在730℃時獲得組織較為理想，晶粒主要呈等軸狀，見圖2b。圖3中初生a相的晶粒尺寸隨溫度的升高而逐漸增大，溫度從690℃上升至730℃，晶粒尺寸由150.8μm增加到160.4μm，增加了6. 4%。溫度為770℃時晶粒尺寸為237.4μm，相比于730℃增大了32. 4%。730℃時初生a相的形狀系數(shù)最高，為0. 79，說明此時初生相組織最趨近于球狀。
不同澆注溫度下獲得的口相的微觀組織見圖4，第二相長、和寬度和長寬比分別見圖5和圖6�？梢钥闯觯�690℃時，口相基本以細小的短桿狀和顆粒狀彌散分布在晶界處，但是仍存在部分粗大的β相；當溫度升高至730℃，口相也以細小的短．桿狀和顆粒狀呈現(xiàn)，其均勻彌散分布在晶界處，β相長寬比稍微減低；770℃時，p相以粗大長桿狀散亂分布于晶界處，只有少數(shù)β相呈顆粒狀分布在晶界處，說明隨溫度進一步升高，β相枝晶變得粗大且分布不均勻。
β相的長和寬隨溫度的升高而增大，溫度上升至730℃前曲線平緩，增幅不大。溫度從730℃上升到770℃，長度和寬度分別增加了25. 34 μm和3.22 μm，增長趨勢較為明顯。圖6中β相長寬比在溫度上升到730℃前變化較小，溫度上升至770℃后增加到3. 90，說明β相形貌發(fā)生明顯變化。由圖5和圖6可知，第二相的晶粒尺寸在溫度上升到730℃后明顯增大，形狀也由細小的顆粒狀向粗大的長桿狀轉(zhuǎn)變。
2.2振動頻率對消失模一熔模鑄造鎂合金組織的影響
在不同振動頻率下，獲得的消失模一熔模鑄造鎂合金組織的初生a相組織見圖7，晶粒尺寸和形狀系數(shù)見圖8。從圖7可以看出，隨著振動頻率的增加，初生a相的樹枝晶組織顯著減少。低頻振動(35、50 Hz)時初生a相部分仍呈現(xiàn)出樹枝晶組織，晶粒大小不均勻；當振動頻率增加到100 Hz時，初生a-Mg基本為等軸晶形貌；進一步增加振動頻率到120 Hz，初生相明顯發(fā)生了粗化，但也基本以等軸晶為主。圖8中初生a相的晶粒尺寸隨著振動頻率的增加先減小后增大，形狀系數(shù)則呈現(xiàn)相反的趨勢。當100 Hz時獲得的組織較為理想，晶粒尺寸最小、形狀系數(shù)最大。
不同振動頻率下獲得的β相的微觀組織見圖9，長寬和長寬比見圖10和圖11。圖9a中β相主要以粗大的長桿狀分布于晶界處，局部區(qū)域有少量塊狀和顆粒狀β目；隨著振動頻率的增大，第二相逐漸得到細化，彌散分布的顆粒狀口相逐漸增多，見圖9b和圖9c;進一步增大振動頻率，β相并沒有進一步明顯細化，反而略有惡化，見圖9d。
β相尺寸和形貌的變化規(guī)律與初生相相同，在100Hz時晶粒長和寬最小，分別為25. 11μm和9.7μm，相比低頻(35 Hz)減小了52. 8%和13. 5%，長寬比由4.74減小到2. 58。繼續(xù)增加振動頻率，β相的長寬和長寬比均略有增大。
2.3振幅對消失模一熔模鑄造鎂合金組織的影響
在不同振幅下，獲得的消失模一熔模鑄造鎂合金初生a相微觀組織見圖12，晶粒尺寸和形狀系數(shù)見圖13。
圖12a中初生a相細化并不明顯，仍可看到近乎完整的枝晶，晶粒尺寸較大；當振幅增加到0.6 mm時，枝晶進一步細化，晶粒尺寸明顯減小，僅剩下部分樹枝晶，且并不發(fā)達，見圖12b;當振幅增大到1．O mm，組織基本由細小的等軸晶組成，組織細化明顯，見圖12c。
從圖13可以看出，振幅為0.2 mm時初生a相的晶粒尺寸為261.2μ;振幅為0.6 mm時初生相的晶粒尺寸為210 μm，相比振幅為0.2 mm的減小了19.6%；振幅為1．O mm時初生相的晶粒尺寸為166.4μm，相比振幅為0.6 mm的減小了20. 8%。因此，隨著振幅的增大初生相的晶粒尺寸逐漸減小。
不同振幅下獲得的盧相的微觀組織見圖14，長度、寬度和長寬比見圖15和圖16。圖14a中β相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處；振幅增加到0.6 mm，β相網(wǎng)狀開始斷裂，晶粒尺寸減小，部分第二相開始以塊狀和顆粒狀分布于晶界處；振幅為1.0 mm時，原本網(wǎng)狀的β相已基本斷裂，呈顆粒狀和塊狀彌散分布于晶界處。
從圖15和圖16可看出，β相的長度、寬度和長寬比隨振幅的增大逐漸減小，說明β相的晶粒尺寸不斷細化，形狀也越來越趨向于球狀。在振幅為1.0 mm時，β相長度和寬度為25. 11 μm和9.7μm，細化效果最為明顯。相比振幅為0.2 mm時，β相的長寬分別減小了59. 6%和6.6%，長寬比也由5.98下降到2.58。
3 討 論
由以上試驗可以看出，在施加機械振動的合金液凝固過程中澆注溫度、振動頻率和振幅的改變會對消失模一熔模鑄造鎂合金組織產(chǎn)生較大影響。
澆注溫度是過冷度的直接體現(xiàn)，過冷度增大會使合金微觀組織的形核率N和長大速度G變大。單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目Zv為：
可以看出，隨溫度升高，過冷度降低，N／G的比值增大，單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目減少，晶粒尺寸增大。所以鑄造中把降低澆注溫度作為細化晶粒的一種方法。由試驗分析可知，在A291D鎂合金的消失模一熔模鑄造中施加機械振動會使凝固過程中以枝晶狀生長的初生a-Mg減少，同時隨著澆注溫度的降低晶粒逐漸細化。但機械振動過程中溫度過低使得金屬液凝固時間較短，大多數(shù)枝晶還來不及被“剪切”，初生a相較多以樹枝狀晶生長，且晶粒的細化程度還受凝固條件的限制。由于消失模一熔模鑄造的特殊性，傳熱是靠干砂進行的，冷卻時間長，熔體間原本細小的晶核有充分的時間長大，即晶粒具有粗化的趨向。因此溫度下降一定程度后，晶粒的細化程度就不明顯，同時過低的澆注溫度也會影響金屬液的充型能力。當澆注溫度較高時，雖然晶粒也發(fā)生了粗化，但是由于機械振動的作用，使得樹枝晶的數(shù)量明顯減少。
振動使金屬液各部分產(chǎn)生相對運動，各部分的速度差產(chǎn)生“粘性剪切”，使浮游在液相中的晶粒被剪切折斷、破碎，抑制了初生a相和β相晶核的長大從而達到細化晶粒的目的。從試驗結(jié)果分析得出，提高振動頻率和振幅可以增大鎂合金液內(nèi)部固相與液相相對運動，增大了鎂合金液中液相對固相的沖擊，晶粒之間相互碰撞和磨損加劇，使枝晶臂被剪切，導(dǎo)致組織細化。
同時，振動會使合金液流動的動量增大從而產(chǎn)生較大的壓力，根據(jù)Clausius-Clapeyron公式：
式中，△Tp為A291D鎂合金熔點的改變量；Tm為合金的熔點；AP為壓力改變量；V1為固態(tài)體積；V2為液態(tài)體積；△Hm為結(jié)晶潛熱。
由于合金液在液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程中體積減小，隨著振動頻率和振幅的增加使合金液內(nèi)部壓力逐漸增大，合金液的熔點升高，過冷度提高，自發(fā)形成的晶核數(shù)目增加，從而導(dǎo)致晶粒逐步細化。
另外，鎂合金晶粒在鑄態(tài)時呈枝晶狀生長，枝晶的各部分表面曲率各不相同，根據(jù)熱力學(xué)公式：
式中，ATr為平衡熔點的改變量；σ為枝晶單位面積的表面能；Tm為合金的熔點；Vs為鎂合金的固相體積；K為表面曲率；AH為熔化焓。
可以看出，平衡熔點的改變量和表面曲率成正比，在枝晶的根部由于K<O，△Tr<0，從而根部的熔點較低。機械振動使合金液在凝固過程中強制流動，高溫合金液流過枝晶時會使熔點較低的根部熔化從而導(dǎo)致枝晶熔斷，熔斷的枝晶會在新的區(qū)域再次生長。隨著振動頻率和振幅的增大，枝晶熔斷的數(shù)量逐漸增多，單位體積的晶粒數(shù)量增加，晶粒逐漸細化。但振動頻率過大，會使合金液內(nèi)部紊流加大，部分金屬液被拋離型壁，使傳熱不良，增加了凝固時間，原本應(yīng)該細小的晶粒繼續(xù)長大，使得晶粒尺寸變大。
4 結(jié) 論
(1)機械振動會使消失模一熔模鑄造A291D鎂合金組織中的樹枝晶明顯減少，且隨著澆注溫度的降低組織不斷得到細化。但澆注溫度過低不利于機械振動發(fā)揮最佳效果，使得樹枝晶組織增加且晶粒沒有進一步明顯細化。在730℃時獲得組織較為理想，初生相呈細小等軸狀，β相呈顆粒狀彌散分布于晶界。
(2)隨著振動頻率增大，A291D合金組織不斷細化，當振動頻率為100 Hz時組織細化效果最好，初生a相的晶粒尺寸僅為166.4μm，β相也以細小顆粒狀分布，而進一步增大振動頻率，效果不明顯。
(3)增大振幅能明顯細化A291D合金組織，振幅越大鎂合金組織的細化效果越明顯。試驗中振幅為1.0 mm時，所得試樣的組織晶粒最為細小，形狀較為圓整。
