机械振动对A356铝合金充型及凝固的影响研究

摘要

本文以A356铝合金为研究对象，对其重力充型和凝固过程施加低频机械振动力场，研究了振动频率、振幅及振动方向对A356铝合金充型和凝固过程的影响。
　　 通过自行设计的机械振动实验装置进行了充型凝固实验，测试了A356合金的流动性、缩孔缩松、针孔、晶粒大小及力学性能随振动频率、振幅和振动方向的变化规律。实验结果表明：(1)在振幅0.9mm垂直方向振动时，振动频率在15Hz时合金流动性达到最高；振动频率50Hz垂直振动时，振幅在0.3mm时合金流动性最好，以后随着振动频率和振幅继续增加，流动性下降；在频率50Hz，振幅0.9mm时，垂直方向振动(振动方向角为90°)更有利于提高流动性，随振动方向角减小，流动性降低。(2)振动破碎枝晶后补缩通道扩大，延缓通道封闭时间，随着振动频率或振幅增大，合金液补缩速度增大，补缩效率提高，试样缩孔缩松减轻；改变振动方向时，随着振动方向角增加，试样缩孔缩松减轻。(3)振动频率或振幅或振动方向角增大，小气泡的集聚长大速度及上浮速度都提高，针孔程度随之减轻，并逐渐向冒口区移动。(4)随着频率或振幅的增加，晶粒逐渐变得更细小，强度和延伸率有所提高。振幅0.9mm垂直方向振动时，当频率增加到30Hz时强度和延伸率达到峰值；频率50Hz垂直方向振动时，振幅在0.3mm时强度与延伸率达到最高。随着振动频率或振幅继续增加，强度延伸率都下降；在频率50Hz，振幅0.9mm时，随着振动方向角的增大，晶粒变细，但强度和延伸率降低。
　　 对振动影响金属液流动性、补缩效果、气体的析出和逸出以及晶粒细化的机理建立了振动充型和凝固模型并进行了理论研究和推导，研究表明：垂直方向振动时，随着振动频率或振幅的增大，合金液流动性提高；平均补缩速度提高，枝晶破碎使补缩通道扩大，封闭时间延缓，冒口补缩能力提高；有助于小气泡及夹杂物的碰撞、聚集，加快气泡夹杂的长大、上浮及溢出速度；增大二次枝晶最大应力，有利于对枝晶的破碎，细化晶粒。但同时振动频率或振幅太大，振动强度太大，导致流体紊流程度增大，流动的附加阻力增大，反而使金属液流动性降低，并且强振使凝固组织中产生孔洞，降低了试样强度和延伸率。
　　 通过实验和理论分析，认为在充型过程中施加垂直方向的振动，振动频率在10Hz～20Hz，振幅在0.3 mm～0.6咖有助于提高A356充型能力；凝固阶段也应选择垂直方向的振动，振动频率选择50Hz，振幅选择0.3 mm，能在缩松、针孔、力学性能等方面取得更好的综合效果。