趙龍志，李 洋，張 堅(jiān)，趙明娟

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

結(jié)構(gòu)材料

振動(dòng)頻率對間接超聲輔助鑄造Al-24%Si合金的影響

趙龍志，李 洋，張 堅(jiān)，趙明娟

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

采用間接超聲振動(dòng)輔助鑄造法制備Al-24%Si合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），利用金相顯微鏡、電子萬能試驗(yàn)機(jī)、磨損試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡和顯微硬度計(jì)分別研究超聲波頻率對合金的顯微組織、抗壓強(qiáng)度、磨損性能和顯微硬度的影響。結(jié)果表明：施加20.4 kHz的超聲處理對合金中初晶硅和共晶硅的細(xì)化作用最佳，初晶硅平均尺寸為100μm，共晶硅平均尺寸為40μm；隨著超聲頻率的增大，合金抗壓強(qiáng)度先增大后減小，磨損率先減小后增大；磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損；合金的顯微硬度先增大后減小，與合金中硅相尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

Al-24%Si合金；顯微組織；超聲頻率；抗壓強(qiáng)度；磨損性能；顯微硬度

過共晶鋁硅合金密度低，熱膨脹系數(shù)小并具有良好的力學(xué)性能，因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。然而，普通鑄造方法制備的過共晶鋁硅合金中，初晶硅呈粗大的板條狀，嚴(yán)重割裂基體，降低合金的力學(xué)性能，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，細(xì)化初晶硅具有重要的意義。

變質(zhì)處理是細(xì)化初晶硅的常用方法，它主要是在合金熔體中添加變質(zhì)劑，如赤磷和稀土。赤磷能夠很好地細(xì)化初晶硅，使初晶硅的粒度變小，但是赤磷不能夠細(xì)化共晶硅；稀土不僅能細(xì)化初晶硅，而且對共晶硅也有明顯的細(xì)化作用，但稀土變質(zhì)成本高，不利于工業(yè)化應(yīng)用［4-6］。近年來，人們發(fā)現(xiàn)在凝固階段的金屬熔體中導(dǎo)入超聲波振動(dòng)，能夠很明顯地細(xì)化凝固組織，因此，超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒得到了人們的青睞［7-8］。

超聲波振動(dòng)處理是利用超聲波的空化、聲流和熱效應(yīng)等作用于熔體，以期達(dá)到細(xì)化晶粒目的［9-12］，超聲波的加入方式通常有兩種，一種是直接法［13］，即將變幅桿直接插入熔體中進(jìn)行超聲波處理，另外一種是間接法［14］，即對盛有熔體的坩堝進(jìn)行處理。目前，人們對超聲處理的研究熱點(diǎn)多集中在直接法，該方法處理效果明顯，但變幅桿必須承受600 ℃以上的高溫，變幅桿易燒蝕，降低了其處理效果和使用壽命，間接法變幅桿工作溫度低，處理效果穩(wěn)定，易于操作且成本低廉。劉清梅等［14］通過在變幅桿外側(cè)纏繞電流線圈，利用電流線圈產(chǎn)生的電磁力將坩堝吸附在變幅桿上，從側(cè)部間接導(dǎo)入超聲振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)間接法施加超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒的方法可行。然而，在高硅鋁合金凝固過程中施加磁場也能細(xì)化初晶硅［15］，上述側(cè)部間接導(dǎo)入超聲振動(dòng)的方法無法排除磁場在細(xì)化晶粒方面的作用。本文作者采用的間接法排除了磁場的干擾，從坩堝底部施加間接超聲振動(dòng)輔助鑄造法制備了Al-24%Si合金，研究了振動(dòng)頻率對合金顯微組織以及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中以工業(yè)用 ZL102和高純硅塊（Si≥99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為原料，配制成Al-24%Si高硅鋁合金，在800 ℃保溫150 min。然后，將800 ℃下的高硅鋁合金熔體倒入施加超聲振動(dòng)且溫度可控的不銹鋼坩堝中，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。澆注前，先將不銹鋼坩堝預(yù)熱至450 ℃；澆注后，超聲振動(dòng)持續(xù)作用時(shí)間為7 min。所用超聲波發(fā)生器為TJS-3000智能數(shù)控超聲波發(fā)生器V6.0，功率為1000 W，變幅桿振幅為10μm，依次選擇加載的超聲諧振頻率為20.0、20.2、20.4、20.6和20.8 kHz。

圖1 超聲振動(dòng)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic vibration device

制取底部直徑60 mm和高度40 mm的圓柱體鑄錠，采用線切割法從中間沿?cái)嗝嫒樱謩e切割 10 mm×10 mm×25 mm的壓縮試樣和7 mm×7 mm×30 mm的磨損試樣。采用蔡司AxioVert.A1型金相顯微鏡觀察了鋁硅合金的顯微組織。Al-24%Si合金顯微硬度測試在XHV-1000Z型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，試驗(yàn)選定載荷為5 N，加載時(shí)間為20 s，每個(gè)試樣測取10個(gè)硬度值，然后取平均值作為該試樣的硬度值。壓縮性能在島津AG-X型立式電子萬能壓縮試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓縮速率為1 mm/min。利用M-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)測試合金的磨損性能，主軸轉(zhuǎn)速為180 r/min，載荷為300 N，超聲波清洗，取試樣磨損前后的質(zhì)量差作為磨損量，質(zhì)量用精確度為0.1 mg的MA110型電子分析天平測得。用磨損量除以試樣的初始質(zhì)量得到該試樣的磨損率，用磨損率來衡量試樣的磨損性能。采用JSM6360LA型掃描電子顯微鏡觀察了試樣的磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲振動(dòng)對鋁硅合金的影響

2.1.1 超聲振動(dòng)對顯微組織的影響

不同處理?xiàng)l件下Al-24%Si合金的顯微組織如圖2所示。其中圖 2（a）所示為未施加超聲振動(dòng)處理的鋁硅合金，圖2（b）所示為施加超聲振動(dòng)處理的鋁硅合金。未施加超聲振動(dòng)的鋁硅合金中，初晶硅呈現(xiàn)出粗大的板條狀，長度在200～1600μm之間（見圖2（a））。由于在未經(jīng)任何處理的鋁硅合金中，初晶硅的析出不會(huì)受大的板條狀。而施加超聲振動(dòng)后的鋁硅合金中，初晶硅表現(xiàn)為小塊狀，尺寸約為150μm（見圖2（b））。在鋁硅熔體凝固過程中施加超聲振動(dòng)，由于受超聲振動(dòng)的空化、聲流、諧振等作用的影響，初晶硅不能持續(xù)析出長大，從而使硅相尺寸減小。硅相尺寸的減小，使得硅相對基體的割裂作用減弱，從而提高合金力學(xué)性能。

圖2 不同處理?xiàng)l件下合金的顯微組織Fig. 2 Microstructures of alloy under different treatment conditions: （a） Without ultrasonic vibration； （b） With ultrasonic vibration

2.1.2 超聲振動(dòng)對力學(xué)性能的影響

圖3所示為未施加和施加超聲處理后的合金性能對比。圖3中左側(cè)柱狀圖依次為不施加超聲處理的合金抗壓強(qiáng)度、磨損率和硬度，右側(cè)柱狀圖依次為經(jīng)過20.4 kHz超聲處理的合金抗壓強(qiáng)度、磨損率和硬度。由圖3可知，未經(jīng)過超聲處理的合金抗壓強(qiáng)度、磨損率和硬度依次為239 MPa、0.0443和95 HV，經(jīng)過20.4 kHz超聲處理的合金抗壓強(qiáng)度、磨損率和硬度依次為493 MPa、0.0261和128 HV。相對于未經(jīng)超聲處理的合金，經(jīng)過20.4 kHz超聲處理的合金的抗壓強(qiáng)度和硬度明顯提高，分別提高106%和34%，磨損率則降低41%。如前所述，不經(jīng)過超聲處理的鋁硅合金中，初晶硅呈板條狀，共晶硅為粗針狀。經(jīng)過20.4 kHz超聲處理的合金中初晶硅和共晶硅分布表現(xiàn)為小塊狀和極細(xì)的針狀。

鋁硅合金中硅的含量以及硅相的平均尺寸是影響合金力學(xué)性能的直接因素，由于未經(jīng)過超聲處理和經(jīng)過超聲處理的合金中Si含量都是24%，所以硅相的尺寸是影響合金各項(xiàng)力學(xué)性能的唯一原因。鋁硅合金細(xì)晶強(qiáng)化中，合金的強(qiáng)度與組織中硅相尺寸和數(shù)量的關(guān)系為［16］

式中：σ為鋁硅合金的強(qiáng)度；f為合金中硅的體積分?jǐn)?shù)；d為硅相的平均尺寸。顯然，鋁硅合金的強(qiáng)度與硅相的尺寸成反比。硅相的尺寸越大，鋁硅合金的強(qiáng)度越差。所以超聲處理夠顯著提高鋁硅合金的抗壓強(qiáng)度、磨損率和顯微硬度，且細(xì)化后硅相平均尺寸越小合金力學(xué)性能越好。

圖3 未施加超聲和施加超聲后合金的性能對比Fig. 3 Comparison of mechanical properties of alloy without ultrasonic vibration and with ultrasonic vibration

2.2 振動(dòng)頻率對合金顯微組織的影響

圖 4所示為經(jīng)過不同諧振頻率的超聲波處理后Al-24%Si合金的顯微組織形貌。圖中深灰色區(qū)域?yàn)槌蹙Ч韬凸簿Ч杞M織，淺白色區(qū)域?yàn)槌跎粒ˋl）組織。圖4（a）和（b）所示分別為經(jīng)過20.0 kHz超聲處理后的合金顯微組織形貌。由圖 4（a）可知，初晶硅主要呈長板條狀、短棒狀和大塊狀，平均尺寸為120μm。共晶硅主要表現(xiàn)為細(xì)針狀和粗針狀，平均尺寸為 70μm（見圖4（b））。圖4（c）和（d）所示分別為經(jīng)過20.2 kHz超聲處理后的合金顯微組織形貌。初晶硅主要呈現(xiàn)長板條狀、短板條狀和大塊狀，短棒狀的初晶硅數(shù)量居多，平均尺寸為110μm，且長板條狀和大塊狀初晶硅組織都從中心開始發(fā)生斷裂現(xiàn)象（見圖4（c））。共晶硅表現(xiàn)為粗針狀，平均尺寸為80μm（見圖4（d））。圖4（e）和（f）所示分別為經(jīng)過20.4 kHz超聲處理后的合金顯微組織形貌。經(jīng)過 20.4 kHz超聲處理的合金中初晶硅表現(xiàn)為小塊狀，平均尺寸為100μm，相對形狀較為規(guī)律且分散性較好（見圖4（e））。共晶硅呈現(xiàn)極細(xì)的針狀，平均尺寸為40μm（見圖 4（f））。圖 4（g）和（h）所示分別為經(jīng)過 20.6 kHz超聲處理后的合金顯微組織形貌。能夠觀察到初晶硅也呈小塊狀，平均尺寸為120μm，初晶硅尺寸明顯大于圖 4（e）中所示初晶硅尺寸，且初晶硅的分散性欠佳（見圖 4（g））。共晶硅表現(xiàn)為短小的粗針狀，平均尺寸為40μm（見圖4（h））。圖4（i）和（j）所示分別為經(jīng)過20.8 kHz超聲處理后的合金顯微組織形貌。經(jīng)過20.8 kHz超聲處理后的合金，初晶硅表現(xiàn)為大塊狀，平均尺寸為160μm，分散性不佳（見圖4（i））。共晶硅表現(xiàn)為粗針狀和極細(xì)的長針狀，以粗針狀居多，平均長度為60μm（見圖4（j））。對比5種條件下合金的顯微組織可知，施加超聲振動(dòng)后，初晶硅和共晶硅都得到不同程度的細(xì)化。這是因?yàn)槭┘映曊駝?dòng)后，超聲波的空化作用導(dǎo)致金屬熔體中產(chǎn)生了大量的空化泡，空化泡在長大的過程中會(huì)從周圍熔體吸收大量的熱，產(chǎn)生局部過冷提高過冷度，促進(jìn)晶粒細(xì)化?？栈蓍L大到一定程度會(huì)發(fā)生破裂，破裂時(shí)產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓引發(fā)增殖形核效應(yīng)即空化效應(yīng)，使晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化。同時(shí)，超聲波的聲流作用使金屬熔體內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的攪拌效應(yīng)，導(dǎo)致枝晶在根部頸縮，最終熔斷（見圖4（a）和（c））?？栈吐暳鞴餐饔?，使得板條狀的初晶硅破碎成為塊狀和短棒狀的初晶硅，粗針狀的共晶硅斷裂成為細(xì)針狀的共晶硅。但是，對比5種顯微組織可見，相對于其他4種顯微組織，超聲頻率為20.4 kHz的顯微組織中，初晶硅及共晶硅均得到了良好細(xì)化，且分布較為均勻（見圖4（e））。這是因?yàn)楫?dāng)施加超聲振動(dòng)的頻率和金屬熔體系統(tǒng)的固有頻率相近或者成一定比值時(shí)，結(jié)晶體會(huì)在振動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生諧振效應(yīng)［17］。鋁硅合金熔體處于諧振狀態(tài)時(shí)，初晶硅和共晶硅劇烈震蕩，界面能級(jí)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致相變驅(qū)動(dòng)力減小，硅晶粒長大速度隨之減小。同時(shí)，鋁硅合金熔體內(nèi)的諧振效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械力改變了初晶硅的搭接，使初晶硅重新熔入液相，增強(qiáng)了超聲振動(dòng)對鋁硅合金組織的細(xì)化作用。

2.3 振動(dòng)頻率對力學(xué)性能的影響

2.3.1 振動(dòng)頻率對合金抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同諧振頻率作用下合金的顯微組織Fig. 4 Microstructures of alloy under different resonance frequencies: （a）， （b） 20 kHz； （c）， （d） 20.2 kHz； （e）， （f） 20.4 kHz； （g）， （h）20.6 kHz； （i）， （j） 20.8 kHz

圖5 不同諧振頻率作用下合金的抗壓強(qiáng)度Fig. 5 Compressive strengths of alloy under different resonance frequencies

圖5所示為經(jīng)過不同諧振頻率超聲處理后合金的抗壓強(qiáng)度。隨著超聲頻率的增加，合金的抗壓強(qiáng)度先增加后減小。由圖5可知，經(jīng)過20.4 kHz的超聲處理的合金抗壓強(qiáng)度最高，為493 MPa。合金試樣的抗壓強(qiáng)度與合金的顯微組織中硅相的尺寸有直接關(guān)系，含有板條狀初晶硅的合金抗壓強(qiáng)度明顯低于含有塊狀初晶硅的合金，含有大塊狀初晶硅的合金抗壓強(qiáng)度也明顯低于含有小塊狀初晶硅的合金。由于空化和聲流作用，經(jīng)過不同諧振頻率超聲波處理的合金組織中板條狀初晶硅數(shù)量明顯下降，硅相主要為塊狀的初晶硅和細(xì)針狀的共晶硅。而經(jīng)過20.4 kHz超聲處理的合金會(huì)額外受到諧振效應(yīng)的作用，其中初晶硅呈極小的塊狀，板條狀初晶硅完全消失，細(xì)化作用最佳。初晶硅和共晶硅得到充分細(xì)化后，當(dāng)合金承受載荷時(shí)，組織變形均勻，塑性相對提高，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

2.3.2 振動(dòng)頻率對合金顯微硬度的影響

圖6所示為不同處理方式的Al-24%Si合金的顯微硬度。經(jīng)過顯微硬度測試，分別得到經(jīng)過諧振頻率為20.0、20.2、20.4、20.6和20.8 kHz超聲處理的合金的顯微硬度。超聲頻率為20.4 kHz時(shí)，合金的硬度達(dá)到最高128 HV。結(jié)合圖4中合金的顯微組織可知，隨著超聲頻率的增加，鋁硅合金的顯微硬度先增大后減小，且鋁硅合金的顯微硬度與合金顯微組織中硅相尺寸總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于氣孔、雜質(zhì)等因素影響，合金的顯微硬度不是嚴(yán)格遵循與硅相尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但總體而言，在誤差允許范圍內(nèi)，硅相尺寸大的合金對應(yīng)的顯微硬度低，硅相尺寸小的合金對應(yīng)的合金的顯微硬度高。經(jīng)過超聲的作用，鋁硅合金中初晶硅和共晶硅得到不同程度的細(xì)化。圖4表明，超聲處理不僅影響硅相的尺寸大小，同時(shí)也影響硅相在基體中的分散性。硅相得到充分細(xì)化的組織中，分散性最均勻。由于硅相的細(xì)化以及分散性的改善，初晶硅對基體的割裂作用減弱，合金的硬度得到提高。另一方面，超聲的施加也能改善合金組織中缺陷分布的均勻性，從而使合金硬度得到明顯提高。

圖6 不同諧振頻率作用下合金的顯微硬度Fig. 6 Vickers hardness of alloy under different resonance frequencies

圖7 不同諧振頻率作用下合金的磨損率Fig. 7 Wear rates of alloy under different resonance frequencies

2.3.3 振動(dòng)頻率對合金耐磨性的影響

圖7所示為經(jīng)過不同諧振頻率超聲處理后合金的磨損率。隨著超聲頻率的增加，合金磨損率先減小后增大。施加20.4 kHz超聲處理的合金磨損率最低，為0.0261。如前所述，在20.4 kHz超聲作用下，鋁硅合金熔體額外受到該諧振頻率下特有的諧振效應(yīng)影響，初晶硅和共晶硅受到的細(xì)化作用最為顯著（見圖4（e））。細(xì)化后小塊狀初晶硅和極細(xì)針狀共晶硅與基體的結(jié)合良好。在往復(fù)摩擦力的作用下，相對于板條狀及大塊狀初晶硅以及粗針狀共晶硅而言，細(xì)化最佳的合金中硅相從基體上剝離的難度加劇，進(jìn)而表現(xiàn)出低磨損率。所以細(xì)化作用良好的組織對應(yīng)的合金磨損率也較低。

圖8 合金磨損后的表面形貌Fig. 8 Worn surface morphologies of alloy: （a）， （b） Without ultrasonic vibration； （c）， （d） With ultrasonic vibration

圖8所示為合金磨損后的表面形貌。其中圖8（a）和（b）所示分別為未施加超聲的鋁硅合金的磨損形貌，圖8（c）和（d）所示分別為施加超聲為20.4 kHz的鋁硅合金的磨損形貌。相對于未施加超聲的合金，施加超聲的合金磨損面較為光滑，犁溝較淺且數(shù)量相對較少（見圖8（a）和（c））。所有合金的磨損形貌中都有犁溝和結(jié)疤出現(xiàn)，說明磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損［18］。在磨損過程中，鋁硅合金的磨損面有硬質(zhì)硅顆粒脫落，硬質(zhì)顆粒在載荷作用下與磨損面產(chǎn)生微切削作用，進(jìn)而產(chǎn)生犁溝。細(xì)化初晶硅，能夠讓硅相和基體很好的結(jié)合，提高合金的耐磨性。同時(shí)，脫落的硅相顆粒數(shù)量和體積明顯降低，所以超聲處理后合金的犁溝相對較淺，且犁溝數(shù)量要明顯少于未施加超聲處理的鋁硅合金。圖8（c）和（d）所示分別為磨損結(jié)束階段合金的表面磨損形貌，圖中可見深淺以及數(shù)量不一的犁溝。此外，合金表面發(fā)生了明顯的塑性變形，并出現(xiàn)疤狀的結(jié)點(diǎn)。磨損過程中，合金試樣與珩磨輪的實(shí)際接觸面只占表觀基礎(chǔ)面中很小的一部分，磨損作用使合金表面接觸點(diǎn)處于塑性狀態(tài)。同時(shí)，磨損產(chǎn)生的高溫在磨損面形成粘著結(jié)點(diǎn)，并最終形成疤狀形貌。

3 結(jié)論

1） 超聲振動(dòng)處理Al-24%Si合金，最高能夠使抗壓強(qiáng)度提高106%，硬度提高34%，磨損率降低41%。

2） 超聲頻率為20.4 kHz時(shí)，超聲對Al-24%Si合金中硅相的細(xì)化作用最顯著。

3） 隨著超聲頻率的增加，鋁硅合金的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，磨損率先減小后增大，在20.4 kHz時(shí)分別達(dá)到最大值及最小值。

4） 隨著超聲振動(dòng)頻率的增加，鋁硅合金的顯微硬度先增大后減小。

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（編輯 龍懷中）

Influence of vibration frequency on indirect ultrasonic aided casting Al-24%Si alloy

ZHAO Long-zhi， LI Yang， ZHANG Jian， ZHAO Ming-juan
（Key Laboratory of Ministry of Education for Conveyance and Equipment，School of Mechatronics Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Al-24%Si alloy was prepared by indirect ultrasonic aided casting method. With metalloscope， vertical electronic universal testing machine， abrasion tester， scanning electron microscope and microhardness tester， the influences of ultrasonic frequency on the microstructure， compressive strength， wear performance and hardness of the alloy were investigated. The results show that 20.4 kHz ultrasonication has the best refining effect on the alloy primary silicon and eutectic silicon with average sizes are 100 and 40μm， respectively. Along with the increase of ultrasonic frequency， the compressive strength increases first and then decreases， while the wear rate decreases first and then increases. Furthermore， the wear mechanism of the alloy is mainly represented as abrasive wear and adhesive wear. Additionally， the alloy microhardness increases first and then decreases along with the increase of ultrasonic frequency，and has a negative correlation with grain size of silicon in the alloy.

Al-24%Si alloy； microstructure； ultrasonic frequency； compressive strength； wear property； microhardness

Project（51165008） supported by the National Natural Science Foundation of China； Projects （20142BDH80004， 20132BBE5006） supported by Provincial Science and Technology Department of Jiangxi， China； Project（KJLD14040） supported by Provincial Education Department of Jiangxi，China

date： 2015-09-28； Accepted date： 2016-01-17

ZHAO Long-zhi； Tel: +86-791-87046157； E-mail: zhaolongzhi@163.com

TB331

A

1004-0609（2016）-06-1167-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51165008）；江西省科技廳資助項(xiàng)目（20142BDH80004，20132BBE5006）；江西省教育廳科研資助項(xiàng)目（KJLD14040）

2015-09-28；

2016-01-17

趙龍志，教授，博士；電話：0791-87046157；E-mail: zhaolongzhi@163.com