机械振动对纯铜凝固组织的影响.pdf

第6 3 卷第2 期 20l1 年5 月 有色金属 N o n f e n _ 0 u sM e t a l s V 0 1 ．6 3 ．N o ．2 M a v2 Oll D o I l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 1 4 机械振动对纯铜凝固组织的影响 杨志杰，苍大强，李宇，宗燕兵 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要研究机械振动对纯铜凝固组织的影响，结果表明，在铜液的凝固过程中施加机械振动能够明显改善其凝固组织，但 增大振幅的作用效果优于频率。试验得出频率为1 0 0 H z 、振幅为1 0 m m 时对铜的凝固组织的改善效果最佳，等轴晶率及平均晶粒 面积分别为3 2 ．9 0 ％和4 ．3 6 m m 2 ，同不施加机械振动的试样相比，等轴晶率增加到了l ／3 以上，平均晶粒面积减小了4 倍以上。 关键词机械振动；纯铜；振幅；频率 中图分类号T G l l 3 ．1 l 文献标识码A 文章编号1 0 0 l 0 2 l l 2 0 1 1 0 2 一0 0 5 8 一0 5 金属铜因其导电、导热、抗腐蚀性能优良，被广 泛应用于电气、轻工、机械制造及国防工业中，在我 国有色金属材料消耗中仅次于铝，而且其用量还在 逐年大幅增加，因此对其性能要求也越来越高⋯。 而金属材料的性能由其成分和组织结构共同决定， 因此可通过提高金属纯度或改善组织结构来提高金 属性能旧1 ，但目前生产的铜其纯度已经可达到 9 9 ．9 ％以上，因此通过提高纯度来改善性能难度较 大且效果不明显，因此，人们采用了许多细化晶粒、 增加等轴晶的方法来提高其性能，基本可分为两大 类一是化学法，如向金属液中添加变质剂来促进形 核或抑制晶体长大；二是物理法，如采用振动、搅拌、 摆动等方法细化凝固组织。而化学法细化成本过 高、偏析和杂质污染等问题经常困扰实际生产，尤其 是某些对性能要求较高的纯金属，变质剂的加入更 是被严格限制口1 。近期许多科技工作者开始把研 究重点放在合金凝固过程中采用机械振动或电磁搅 拌。其实，早在1 8 6 8 年C h e m o v 就用轻轻摇动铸型 的方法获得了一些细晶铸件H 1 ，但直到1 9 1 4 年以 后，人们才开始对这一现象产生了兴趣。现在人们 常把振动技术应用到塑料成形工艺、纤维制造技术、 焊接技术、铸造工艺等方面“ ’。本试验着重研究机 械振动对纯铜凝固组织的影响。 l 试验部分 本试验选用纯度为9 9 ．9 ％的工业纯铜为试验 收稿日期加l o 一惦一舛 基金项目国家自然科学基金项目 5 ∞5 绷 作者简介杨志杰 1 9 8 3 一 ，男，博士生，主要从事外场改善金属 凝固组织研究。 原料，每次称取6 0 0 9 将其置于S x 一8 一1 6 马弗炉 额 定功率8 k w ，电源电压 7 5 V ，额定温度1 6 0 0 ℃ 中，加热到1 1 7 0 ℃熔化并保温一段时间，待其完全 熔化后立即出炉，并浇入到安装在D z D _ 4 5 0 L F 频 率 1 2 0 H z ，振幅 1 0 m m 振动台上的铸型中对其 施加振动，如图l 所示。待其自然冷却凝固后，取出 试样，沿其中轴线纵向切开，经打磨、抛光后，用 4 l ％ ∥，， 的氢氟酸 H F 1 0 m l 、3 7 ％的盐酸 H c l 1 5 0 m l 、6 8 ％的硝酸 H N 0 ， 5 0 m l 混合特强酸进行腐 蚀，最后利用数码相机拍照，观察组织。操作流程如 图2 所示。 在本试验中主要考虑两个因素即振动频率和振 幅，首先进行频率对纯铜凝固组织的影响规律试验， 试验方案如表l 所示，待优选出最佳频率为1 0 0 H z 后，进行最佳频率下振幅对凝固组织的影响试验，试 验方案如表2 所示。 表l 变频试验方案 T h b l elS c h e m eo fc h a n g i n gf 南q u e n c ye x p e r i m e n t 表2 变振幅试验方案 T a b l e2S c h e m eo fc h 鲫g i n ga m p l i t I I d ee x p e m e n t 编号D o D l D 2 D 3 D ． D s 频率／H l l ∞l ∞ l ∞l ∞ I ∞l ∞ 振幅／m m O246 8 1 0 万方数据 第2 期 杨忠杰等机械搬曲I f 纯锏凝l - q 川纵的影响 图1D z D ．4 5 0 L F 振动台 F i zI 1 Z 【 _ 4 5 0 I 。Fv i l ’憎I t o nI a b k 圜一圈一匿亘耍圆一匝垂正互亟圃一匪亟囹 图2 试验步骤示意图 F 1 92 S c h e m a n cd i 8 9 ⋯fe l p e r i m e n Ip n ，c e d u r e 2 结果及分析 2 ．1 试验结果 用数码相机拍照后，借助Q u a n t L a h ．M G 定量金 相分析软件对图3 和阁4 纯铜的低倍组织进行平均 品粒面积及等轴品率测量，结果如表3 和表4 所示。 由刚3 可知，参数为2 m m ，0 H z 的试样 没有施 加振动 儿乎没有等轴品，而是粗大的柱状品且发 生了穿- 镐。对农3 中的小问频率下的平均晶粒面积 及等轴晶牢作曲线拟合，如图5 所示，随着频率的增 大等轴品Ⅸ从无到有几逐渐增大，当频率大于 1 0 0 H z 后则呈现m 下降的趋势，平均品粒面积随频 率增大而变小，等轴晶牢随着频率的增大而增大。 闲此，在该试验条件下，频率为l O O H z 为最佳频率。 2 m m Ⅲ H z2 m ml I I H z 2 I n m1 2 I J H z 图3 变频试验结果 F j g3 M a { 1 m 日r u ‘1 I u r eo rp u n l c o p 畔r I nd l №r e th f q u e { y 表3 振幅2 m m 不同频率下纯铜平均晶粒面积和等轴晶率 ’r a b I e3 A V e r 8 9 。g r n i n a r 衄a n ‘I 。小l i u x e dg r a i nr Ⅱ忡f ，fP u ⋯，p I ’㈣t ‘№r e tr m ‘I u c n ”y ”h na m p n “k 沁2m m 平均舳札晰冉l ／⋯2 1 712l s8 81 2 2 3 I O5 61 0 1 31 02 4 等轴舳】幸‘／％o87 51 44 42 64 l 3 04 02 7 5 0 万方数据 6 0 有色金属 第6 3 卷 一 表4 频率1 0 0 H z 不同振幅下的纯铜平均晶粒面积和等轴晶率 T a b l e4 A v e M g eg r a i na r e a8 n d 。q u i a x e dg r a i nm t eo fP u r e ∞p p e r a td l “e r e n ta n l P l i t u d ew h e nh 。q u e n o yi s1 0 0H z 平均晶粒嘶积／m m 2 1 7 1 21 05 6 1 03 282 667 343 6 量塾曼兰 兰 翌竺 兰竺 生兰 _ { 垂 匡 1 } 叠 斗 图4 变振幅试验结果 n g4M a c r o s t r u c I ㈣fp ur e o P P ⋯nt h ed i “j r e l l ta mp J i I u d e 频率，| 1 2 辞 ； 葺 稚 图5 振幅为2 m m 时纯铜的平均晶粒面积和 等轴晶率随频率的变化 F I g5C h a I l g eo fC u a v e r a g eg 憎i n a r ⋯n de q “i ㈣dg 。a l r a t ew j t hf r e q u e n 。yo h a “g ew h ⋯“p l i I u d ㈨2 m m 在上述得出1 0 0 H z 为该试验条件下的最佧频 率后，笔者进行r 频率1 0 0 H z 不同振幅条什F 的试 验，经Q u a n t L a b ．M G 金相软件对图4 分析，结果如表 4 所示，并对表4 中不同振幅下平均晶粒面积与等 轴晶率做曲线拟合，如图6 所示一 t i 釜 匡 1 i 宣 牛 空 * 碹 暴 特 图6 频率为1 0 0 H z 时纯铜平均晶粒面积和 等轴晶率随振幅的变化 F 1 96 C h a “”o fC u Ⅲ“g 。g m l n a R aa n d 。q u i a x e dg r a i n r a kw i l ha n l p I i I u d eP h a n g 。w h e nh ℃q u e n c y 诹 1 0 0 H z 由图6 发现，纯铜的凝固组织中的平均晶粒面 积与等轴晶率随振幅的增大呈现出非单调递减或递 增的趋势，而是表现出小规律的下降或上升。从表 4 可知，在本试验中参数为频率1 0 0 H z 、振幅1 0 m m 时等轴晶率及平均晶粒面积达到了最优值，等轴品 万方数据 第2 期 杨志杰等机械振动对纯铜凝固组织的影响 6 l 率为3 2 ．9 0 ％，平均晶粒面积4 ．3 6 m m 2 ，同不施加机 械振动试样相比等轴晶率从无增加到l ／3 以上，平 均晶粒面积减小了4 倍，纯铜的凝固组织改善效果 显著。随着振幅的继续增加，平均晶粒面积和等轴 晶率分别呈现出上升和下降的趋势。 2 ．2 结果分析 通过上述试验结果可以看出，机械振动能够显 著地改善纯铜的凝固组织，但发现振幅和频率的改 善效果存在一定的差别，因此根据表3 、表4 中的数 据分别作了振幅、频率对纯铜平均晶粒面积、等轴晶 率的影响见图7 、图8 。 童 磷 曼 褰 串 振幅，咖 图7 振幅频率对纯铜晶粒面积的影响 F i g ．7 E f f e c to fa m p l i t u d ea n df h q u e n c yo nt h eC u a V e 腿g eg m i n8 旭a 从图7 可以看出，平均晶粒面积随着频率和振 幅的增大都明显地降低，当振幅和频率分别增大到 1 0 m m 和1 0 0 H z 时，平均晶粒面积有所升高。但振 幅曲线一直保持在频率曲线下方，因此通过增大振 幅来降低纯铜平均晶粒面积的效果比增大频率要 好。 图8 为纯铜的等轴晶率随振幅和频率的变化， 从图8 可以发现，振幅曲线始终保持在频率曲线的 上方，并且在初始阶段增大振幅对提高等轴晶率效 果显著，因此在相同的情况下，通过增大振幅来提高 凝固组织中的等轴晶率的效果更佳。 3 机理探讨 从以上试验结果可以看出，机械振动确实能够 明显地改善纯铜的凝固组织，使其凝固组织中的等 轴晶率从无提高到了1 ／3 以上，平均晶粒面积减小 了4 倍左右，这是由于机械振动增加了铜液中的非 自发形核的核心从而形成大量细小的等轴晶。 3 ．1“枝晶应力折断”作用 蓬 将 Ⅲ暑 暴 淞 振幅，m m 图8振幅频率对纯铜等轴晶率的影响 F i g ．8 E f I b c to fa m p l i t u d ea n df b q u e n c yo nC u e q u i a x e dg r a i n 豫t e 当有周期性的机械振动作用于凝固壳之上，在 振动力作用下铜液凝固前沿生长的枝晶前端将随坯 壳一起做受迫振动。在运动过程中，枝晶一方面与 液体之间发生相对运动而受到运动阻力；同时，枝晶 在非惯性体系内能够保持静止状态，必然还要受到 惯性力作用 枝晶随凝固坯壳相对于地面参照系做 变速运动，坯壳及枝晶构成了一个非惯性系 。因 此，枝晶断面受到的应力为运动阻力和振动惯性力 共同弯曲作用下的应力之和，当枝晶断面某处弯曲 应力超过其强度极限时，进而发生折断现象。 3 ．2 “游离晶粒碰撞”作用 铜液凝固时，凝固前沿附近的液面处易形成自 由晶粒，振动引起的液体流动，会促进晶粒游离，在 游离过程中其会与型壁上其它位置上生成的晶体碰 撞，使游离晶粒的数量增加，促进了非均匀形核。 3 ．3 “枝晶搅拌”作用 振动凝固过程中，凝固前沿乃至整个熔池内部 液流运动由自然对流向强迫对流的转变，部分区域 甚至呈现湍流状态，在某种程度上增加了其他机理 形成的自由晶核数量。同时振动引起液流的剧烈运 动 特别是紊流 造成异常的热对流，局部区域内溶 液温度可能超过固相熔点，使枝品臂自界面处分离。 在试验中我们发现振幅的作用效果较频率更为 明显，笔者认为，这可能主要是由于机械振动所产生 的是一种低频 0 一1 2 0 H z 简谐振动，其对铜液的搅 动及枝晶的折断其主要作用是机械力，而简谐振动 能如式 1 所示，振动的作用力与振幅有关。而与频 率无关，因此在本试验中，对于上述所探讨的机理来 说，增加振幅能够增加作用于铜液及枝晶上的作用 力，而增加频率只不过是增加了作用次数，因此增加 万方数据 6 2有色金属第6 3 卷 振幅的作用效果要好于频率。 E 柚2 ／2 1 E 简谐振动总能量，J 扛弹簧劲度系数； A 振幅，m m 因此，大量被折断和被熔断的枝晶在铜液中运 动、增殖、成长，成为非自发形核核心，并最终成长为 等轴晶。等轴晶的数量增多同样会限制柱状树枝晶 的大小，最终得以改善纯铜的凝固组织。 4结论 1 试验结果表明，纯铜的凝固过程中施加机械 参考文献 振动能够明显地改善其凝固组织，当频率为1 0 0 H z 、 振幅为1 0 m m 时等轴晶率及平均晶粒面积达到的最 优值分别为3 2 ．9 0 ％和4 ．3 6 m m 2 ，与没施加机械振 动试样相比等轴晶率从无增加到了l ／3 以上，平均 晶粒面积减小了4 倍左右。 2 分析得出，在改善纯铜的凝固组织效果上， 振幅优于频率，这主要是缘于机械振动是一种简谐 波，控制其作用力大小的主要是振幅。 3 在本试验中，存在一个最佳的振动参数即振 幅1 0 m m 、频率1 0 0 H z 。 [ 1 ] 王鑫．定向凝固纯铜组织性能研究[ J ] ．西安工业大学学报，2 0 0 8 ，2 8 5 4 4 l 一4 4 3 ． [ 2 ] 王家圻，黄积荣，林建生，等．金属的凝固及其控制[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 3 ． 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sb e t t e rt 量I a n c h a r g i n gf k q u e n c y ． T h es o l i d i f i c a t i o ns t I u c t u 弛i so p t i m a lf o rt h ei n d u s t I yp u 弛c o p p e rw h e nt l l ef b q u e n c ya n d 蛐p l i t u d ea 弛1 0 0 H za n d1 0 m ms e p a r a t e l y ．C o m p 鲥n gw i t I lt h es 舢p l eo fn oa p p l i c a t i o nm e c h 蛐i c a lv i b m t i o n ，m t e o fe q u i 趿e dc r y s t a l si 9 m 鹊e st ol ／3f 而mz e m 蛐dt l l ea V e r a g ea r e ao fc r y s t a l sd e c r e a s e sb y4t i m e s ． 1 【e y w o r d s 试e c h a n i c a lv i b r a t i o n ；p u I _ } ec o p p e r ；蛐p l i t u d e ；f h q u e n c y 责任编辑黄珊艳 万方数据