机械振动对铸造镁合金组织和力学性能的影响

宋立波，曹迎文，李秋书，刘 芳，宿文龙

（1.太原科技大学，山西 太原 030024；2.山西省广灵县二轻局，山西 广灵 037550）

镁合金是目前应用最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、密度轻、耐热疲劳性好、导热性好、铸造和减振性好、电磁屏蔽能力强、资源丰富、不易老化、容易回收等一系列优点[1-2]。国家将“镁合金开发应用及产业化”列为“十五”国家科技攻关计划的第一批启动项目。随着国内外镁产品市场开发应用空间的增大，镁合金必将发挥更为重要的作用，镁合金已成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料。

机械振动是通过振动作用使凝固过程中液相与固相发生相对运动，导致支晶破碎形成有理晶核，增加了晶核的数目，从而细化了晶粒[3-6]。机械振动可以直接振动铸型，也可以在浇注过程中振动浇注槽等，所以简单可行。本实验是在AZ91D的铸造凝固过程中施加机械低频振动，来考察机械振动的频率对铸造镁合金组织和力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验选用商用AZ91D镁合金，成分见表1。

试验选用了1Cr18Ni9Ti不锈钢管作为铸型，铸型的内径为36 mm，高度150mm。将铸型固定到振动台上等待浇注。

熔炼时在坩埚内表面刷上一层保护性涂料，涂料成分见表2：

表2 涂料的配料成分（质量分数，%）

1.2 实验过程

整个实验过程中使用的工具都需要提前预热、刷涂料，特别要防止熔融的镁合金与潮湿的工具或水接触。将镁合金置于井式电阻炉（型号：SG-5-12）的坩埚中熔炼，熔化温度为750℃，熔化后保温5min，之后将温度降至730℃，在此温度下保温静置10min，然后浇注，并进行振动处理。在熔炼过程中用热电偶测温，并且通入由四氟乙烷和干燥空气混合而成的保护气体。频率依次设定为 0Hz、10Hz、30Hz、50Hz。

拉伸试样尺寸见图1。拉伸设备为微机控制电子式万能试验机（型号为：WDW-E100D），拉伸速率为2mm/min。

金相试样经过粗磨、精磨、抛光，用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在光学显微镜（型号为AX10）上进行组织观察和照片的采集，所获取的照片取自试样的同一部位，以便进行比较。

图1 室温拉伸试样

2 试验结果与讨论

2.1 振动频率对铸造镁合金AZ91D组织的影响

图2为不同振动频率下AZ91D铸件试样的金相组织。由图2看出，没有振动时AZ91D铸件式样组织中初生相按不规则的枝晶形态生长，晶粒粗大。当振动频率为10Hz时，组织中的枝晶有一些被打断但是不明显，组织仍以粗大的枝晶为主。当振动频率为30Hz时，组织中的枝晶明显被打断，形成一些细小的枝晶，组织不均匀但比没有振动的铸态组织有明显的改善。振动频率为50Hz时，晶粒尺寸明显减小，枝晶被打断，组织细化较明显，枝晶形态成均匀的团块状。

图2 不同振动频率下AZ91D铸件试样的金相组织

由实验结果可知，在低频振动时增加振动频率，能更好的细化铸态组织。振动使凝固过程中形成的枝晶与液相发生相对运动，也可以使枝晶之间发生相互碰撞。振动频率越高振动的次数越多，也就是发生的相对运动和相互碰撞越频繁，从而导致初始形成的枝晶被打碎形成游离晶核，增加了晶核的数目，从而细化了晶粒；另一方面，随着振动频率的增加，加大了熔体的对流量，使液态金属中的溶质元素能更好的扩散均匀，使枝晶间的液相成分趋于均匀，镁合金的显微组织得到明显的改善。

2.2 振动频率对铸造镁合金AZ91D力学性能的影响

表3为不同振动频率下镁合金的室温力学性能，图3是不同振动频率下镁合金抗拉强度和延伸率的变化曲线，通过表3和图3可以方便的看出，在机械振动下镁合金的抗拉强度和延伸率都有所增加。无机械振动时，抗拉强度为170.2mPa，随着振动频率的增加，在频率为50Hz时，抗拉强度达到了最大值200.4mPa。与没有施加机械振动的镁合金的抗拉强度相比，机械振动下的镁合金的最大抗拉强度增加了约17.8%。无机械振动时，镁合金的延伸率为2.29%，随着频率的增加，延伸率逐渐增加，但是增加的幅度逐渐的减小，在振动频率为50Hz时，延伸率达到了最大值为2.75%，与没有施加振动的镁合金的延伸率相比，机械振动将镁合金的延伸率提高了约20.09%。

表3 不同振动频率下镁合金的室温力学性能

由细晶强化的理论可知，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，晶界对晶内位错的的阻碍作用也就越大，因此，迫使晶粒发生变形所需要的外力就越大，即合金的强度就越大；同时，晶粒细小时变形均匀、应力集中小，裂纹不易萌生和传播而使塑性提高。

图3 不同振动频率下镁合金抗拉强度和延伸率的变化曲线

3 结论

1）机械振动能明显细化铸造镁合金AZ91D的铸态组织。

2）在低频振动时，随振动频率的增加铸造镁合金AZ91D的晶粒明显变细。

3）铸造镁合金AZ91D的抗拉强度和断后伸长率随振动频率的增加而提高，振动频率为50Hz时的抗拉强度和断后伸长率分别为200.40MPa和2.75%，比没有施加振动情况下分别提高了17.8%和20.09%。

［1］王祝堂.世界镁产量与镁的用途[J].轻金属，1999（6）：43-45.

［2］MORDIK B L，EBERT T.Magnesium properties-applicationspotential［J］.Materials Science and Engineering，2001，（5）：37-45.

［3］王元庆，樊自田，李继强.消失模铸造AZ91D振动凝固及半固态热处理组织的演变［J］.铸造，2006，26（8）：56-60.

［4］王元庆，樊自田，李继强.浇注温度和机械振动对消失模铸造镁合金组织和力学性能的影响［J］.铸造，2007（3）：266-239.

［5］田雪峰，樊自田，黄乃瑜.机械振动对消失模铸造镁合金组织及力学性能的影响［J］.中国有色金属报，2006，16（11）：1839-1841.

［6］张德恩，卢锦德，张晓燕.机械振动对新型铸造铝合金凝固组织和性能的影响［J］.贵州大学学报，2009，26（1）：79-83.