譚建波，張海英，李增民，李立新

(1.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，鄭州 450121)

作為一種新型的半固態(tài)合金制備技術(shù)——傾斜冷卻法首先在日本提出[1]，其原理是將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在傾斜板上，利用傾斜板的激冷、合金熔體的沖擊和重力作用，細(xì)化晶粒，獲得理想半固態(tài)合金[2?3]。目前，傾斜冷卻剪切流變技術(shù)已經(jīng)在半固態(tài)合金坯料制備[4]、合金組織細(xì)化[5]、半固態(tài)擠壓鑄造[6]、半固態(tài)軋制[7]及半固態(tài)連鑄[8?9]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近年來在光滑傾斜板的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一些新的研究方法，如波浪法[10]、剪切振動法[11]、斜管法[12]、阻尼冷卻管法[13]、蛇形通道法[14]、正弦波通道法[15]、擾流柱法[16]等。本文作者利用自制的可實(shí)現(xiàn)三維振動的傾斜剪切流變裝置，并在傾斜板內(nèi)放置擾流柱，研究了二維振動參數(shù)對半固態(tài)ZL104合金組織的影響，研究結(jié)果對傾斜板法快速半固態(tài)合金有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為 ZL104合金，名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：9%Si，0.4%Mn，0.25%Mg，余量為 Al。實(shí)際測得合金的固相線為555℃，液相線為595℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)、振動頻率可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)三維振動的半固態(tài)合金制備裝置，如圖1所示。

圖1 傾斜冷卻剪切裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sloping experimental facility with cooling and shearing function

實(shí)驗(yàn)條件均為：傾斜板傾斜角度為 45°，傾斜板預(yù)熱溫度為125 ℃，澆注長度為400 mm，澆注溫度為600 ℃，傾斜板內(nèi)安放水滴形擾流柱，可以破碎枝晶，合金液繞行擾流柱時(shí)，可以增加晶核數(shù)量，擾流柱為叉排，如圖2所示，圖中S=15 mm，L=40 mm。

振動方向分別為XY、YZ和XZ方向，相同振動方向下，通過改變振動頻率制備半固態(tài)ZL104合金漿料，

圖2 擾流柱安置示意圖Fig.2 Schematic diagram of disturbing pillars

振動方向示意圖如圖3所示，圖中X方向與傾斜板中心線在水平面中的投影平行，Y方向與水平面中的 X方向垂直，Z方向垂直于水平面，振動頻率分別為30、40和50 Hz。在傾斜板下端，用取樣器接取少量不同制備參數(shù)下的半固態(tài)ZL104合金漿料并立即水淬，制取金相試樣，試樣用4%的NaOH溶液侵蝕。利用圖像分析技術(shù)測定水淬組織中初生固相的平均周長、平均尺寸，計(jì)算初生固相晶粒的尺寸和形狀因子[11]。為了減小誤差，對每個(gè)試樣的6～8個(gè)視場進(jìn)行了測量，然后取其平均值作為該試樣初生固相的組織特征。

圖3 X、Y、Z方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of X, Y and Z direction

2 結(jié)果與討論

2.1 XY方向振動時(shí)ZL104的組織

振動方向?yàn)閄Y方向時(shí)，不同振動頻率下ZL104水淬組織的微觀組織特征如圖4所示，組織特征參數(shù)見表1。

由圖4和表1可以看出，振動方向?yàn)閄Y方向時(shí)，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由15.23 μm減小到6.75 μm；形狀因子逐漸增大，由0.41增加到0.58，初生固相率變化不大。振動頻率為30 Hz時(shí)，組織呈魚骨狀，振動頻率為50 Hz時(shí)，晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整，沒有枝晶。

合金液沿傾斜板向下流動時(shí)同時(shí)受到X和Y方向振動的干擾，X方向振動對合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板，另一個(gè)方向平行于傾斜板，如圖3所示。合金液受到垂直于傾斜板方向上的振動時(shí)，首先，可使合金液中已生長的枝晶和未凝固的液體發(fā)生較大的相對運(yùn)動，使晶粒之間發(fā)生碰撞和摩擦，造成枝晶最脆弱的部位(枝晶臂等)被剪切而折斷、破碎，形成了許多細(xì)小晶粒，細(xì)化枝晶；第二，由于振動所產(chǎn)生的攪動，使在長大過程中初生枝晶周圍的液體造成了局部的溫度起伏，從而有利于枝晶的熔斷，導(dǎo)致新晶核的產(chǎn)生，使晶粒不斷細(xì)化；第三，增加了合金熔體與冷卻板的熱交換，冷卻速度加快，可抑制晶粒的長大；第四，可避免在傾斜板上凝固結(jié)殼。平行于傾斜板方向的振動激振力可增加合金液向下流動的速度；由于Y方向的振動是垂直于傾斜板的中心線方向，因此，對晶核形成和長大的影響主要體現(xiàn)在：合金熔體在向下流動的過程中，初生固相由于受到平行于傾斜板表面的Y方向的振動，加劇了晶粒之間的摩擦、碰撞的幾率，使得枝晶更易破碎。由于Y方向和X方向同時(shí)振動，因此，晶粒在受到垂直于傾斜板振動以及向下流動的過程中同時(shí)受到Y(jié)方向的激振作用，使得枝晶和未凝固的液體之間的相對運(yùn)動增大，晶粒之間碰撞和摩擦加劇，晶粒進(jìn)一步細(xì)化。

圖4 XY方向振動時(shí)ZL104的組織Fig.4 Microstructures of ZL104 under XY vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表1 XY方向振動時(shí)ZL104組織特征Table 1 Microstructure features of ZL104 under XY vibration direction

隨著振動頻率的增加，振動強(qiáng)度增大，對組織的影響表現(xiàn)為：1)晶粒之間的位移增大，晶粒之間的碰撞和摩擦加劇，枝晶臂等被剪切而折斷、破碎的幾率增加；2)增強(qiáng)了合金熔體與冷卻板的熱交換，冷卻速度加快，抑制晶粒的長大，因此，隨著振動頻率的增加，晶粒尺寸減小，形狀因子增大。

另外，由于在傾斜板內(nèi)安放了擾流柱，XY方向振動時(shí)，擾流柱的運(yùn)動軌跡如圖5所示，增強(qiáng)了對金屬液的攪拌、散熱和破碎枝晶作用。

圖5 XY振動時(shí)，擾流柱的運(yùn)動軌跡Fig.5 Movement track of disturbing pillars under XY vibration direction

2.2 YZ方向振動時(shí)ZL104的組織

振動方向?yàn)?YZ方向時(shí)，不同振動頻率下水淬組織的微觀組織特征如圖6所示，組織特征參數(shù)見表2。

由圖6和表2可以看出，振動方向?yàn)閅Z時(shí)，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由12.32 μm減小到7.13 μm；形狀因子逐漸增大，由0.46增加到0.54，振動頻率為50 Hz時(shí)晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整。

圖6 YZ方向振動時(shí)ZL104的組織Fig.6 Microstructures of ZL104 under YZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表2 YZ方向振動時(shí)ZL104組織特征Table 2 Microstructure features of ZL104 under YZ vibration direction

YZ方向振動時(shí)，合金液沿傾斜板向下流動時(shí)，同時(shí)受到Y(jié)和Z方向振動的干擾，Z方向振動對合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向上。垂直于傾斜板方向上的振動對合金液的影響和X方向垂直分力的影響相同，在此不再贅述。YZ方向振動和XY方向振動對組織的影響主要體現(xiàn)在Z方向和X方向沿傾斜板內(nèi)表面分力方向的不同，一個(gè)向上，一個(gè)向下。YZ方向振動時(shí)，合金液由于受到一個(gè)向上的分力的影響，合金液在傾斜板上滯留的時(shí)間相對要長，初生固相率較高。

振動頻率的影響主要體現(xiàn)在晶粒受到振動次數(shù)和強(qiáng)度的影響，隨著振動頻率的增加，振動次數(shù)和強(qiáng)度增大，晶粒細(xì)化。

2.3 XZ方向振動時(shí)ZL104的組織

振動方向?yàn)?XZ方向時(shí)，不同振動頻率下水淬組織的微觀組織特征如圖7所示，組織特征參數(shù)見表3。

由圖7和表3可以看出，振動方向?yàn)閄Z時(shí)，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，由11.19 μm減小到6.53 μm；形狀因子逐漸增大，由0.42增加到0.57，振動頻率為50 Hz時(shí)晶粒尺寸細(xì)小，形狀較圓整。

圖7 XZ方向振動時(shí)ZL104的組織Fig.7 Microstructures of ZL104 under XZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表3 XZ方向振動時(shí)ZL104組織特征Table 3 Microstructure features of ZL104 under XZ vibration direction

XZ方向振動時(shí)，合金液沿傾斜板向下流動時(shí)，同時(shí)受到X和Z方向振動的干擾，X方向振動對合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向下，Z方向振動對合金液的影響可分解為兩個(gè)方向，一個(gè)方向垂直于傾斜板方向，另一個(gè)方向平行于傾斜板方向向上，因此，合金液受到的垂直于傾斜板方向上的振動是兩個(gè)分力的疊加，合金液中已生長的枝晶和未凝固的液體之間產(chǎn)生的相對運(yùn)動最大，晶粒之間發(fā)生碰撞和摩擦的機(jī)會最多，枝晶更容易被剪切而折斷、破碎，因此，晶粒更細(xì)化。另外，由于疊加振動所造成的初生枝晶長大過程中周圍液體局部的溫度起伏更大，更有利于枝晶的熔斷，導(dǎo)致新晶核的產(chǎn)生。

由于 X方向和 Z方向在沿傾斜板方向的分力抵消，因此，合金液在傾斜板上滯留的時(shí)間最長，初生固相率也最高。

3 結(jié)論

1)二維振動方向?qū)A斜板法制備半固態(tài)合金的微觀組織特征有較大影響，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸逐漸減小，形狀因子逐漸增大。

2)振動方向?yàn)閄Y方向，振動頻率為30 Hz時(shí)，組織呈魚骨狀，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸由15.23 μm減小到6.75 μm，形狀因子由0.41增加到0.58。

3)振動方向?yàn)閅Z時(shí)，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸由12.32 μm減小到7.13 μm，形狀因子由0.46增加到0.54。

4)振動方向?yàn)閄Z時(shí)，隨著振動頻率的增加，初生相晶粒尺寸由11.19 μm減小到6.53 μm，形狀因子由0.42增加到0.57，振動頻率為50 Hz時(shí)，形狀圓整，晶粒尺寸最為細(xì)小。

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