關于機械振動對熔模鑄造OCr17不銹鋼組織與性能影響的研究
本課題以OCr17鐵素體不銹鋼為試驗材料，采用機械振動，研究了振動頻率和振幅對晶粒尺寸的影響，為降低不銹鋼熔模鑄件缺陷，提高其力學性能等提供參考。
1 試驗材料和方法
1.1試驗材料
試驗材料為OCr17不銹鋼，其化學成分見表1。
熔煉鋼水的成分合格且達到一定溫度時，經(jīng)多次扒渣、脫氧后再測溫準備澆注。在垂直機械振動下，將鋼水澆人固定在振動臺上的試樣型殼中，振動一定時間后停止。冷卻后的試樣先經(jīng)拋丸清理，再進行線切割加工，在接近澆口一端切取金相試樣，經(jīng)粗磨、拋光后，用體積分數(shù)為40%的王水進行腐蝕，觀察組織。
1.2試樣制備及試驗方法
熔煉設備采用功率為150 kW的中頻感應電爐，振動臺為ZD-YH-TP振動試驗臺，示意圖見圖1。
試驗采用垂直機械振動的方式，研究不同的振動頻率和振幅對OCr17不銹鋼晶粒尺寸及力學性能的影響規(guī)律，試驗參數(shù)見表2。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 機械振動參數(shù)對金相組織的影響
OCr17不銹鋼的組織是由鐵素體基體和層片狀馬氏體組成的。未經(jīng)過機械振動的試樣中層片狀馬氏體1的尺寸較大，且晶粒尺寸也較大，而經(jīng)過機械振動的大部分試樣的晶粒尺寸都有一定的減小，且馬氏體的尺寸也相應減小。
圖2為未振動及振動頻率為5 Hz時不同振幅試樣的金相組織�？梢钥闯�，未振動的試樣晶粒大小十分不均勻，粗大的扇形晶粒交匯處有相對細小的晶粒。在5Hz振動時，振幅為2 mm和4 mm的試樣晶粒有一定程度的細化，細化率分別為15.2%和17.7%，但晶粒大小仍不均勻，振幅為3 mm的試樣晶粒細化率為31.7%且相對均勻。
圖3是振動頻率為IO Hz時不同振幅時的試樣組織。可以看出，振幅為1 mm和2 mm的試樣晶粒細化效果不明顯，分別為3.5%和6.7%，振幅為3 mm的試樣細化率為9.1%且相對均勻，振幅4 mm的細化效果比較明顯，細化率為46.2%，晶粒細小且均勻。圖4為振動頻率為35 Hz時不同振幅下試樣的金相組織。可以看出，35 Hz振動條件下，振幅為1 mm和2 mm的晶粒細化效果也不明顯，振幅為3 mm的細化率為44.O%，振幅為4 mm時晶粒更細小且均勻，細化率為66.7%。同樣，在50 Hz振動下，較小振幅的細化效果不明顯，振幅為3 mm的試樣細化率為23.3%（見圖5); 100 Hz振動下的晶粒細化效果比較明顯，隨著振幅的增加，細化率分別為27.5%、58.2%和68.5%。
2.2振動頻率和振幅對晶粒尺寸的影響
采用直線截點法統(tǒng)計金相試樣的晶粒度，并用平均截距值表示晶粒大小，平均截距值越小，表明晶粒尺寸越小。
圖6是各振幅下平均截距值隨振動頻率的變化趨勢。可以看出，在振幅為1 mm和2 mm時，隨著振動頻率的增加晶粒尺寸變化不明顯；當振幅為3 mm和4mm時，晶粒尺寸隨著振動頻率的增加而逐漸減小，且振幅為4 mm的晶粒細化程度較大。
圖7為平均截距值隨振幅的變化，可以看出，在振動頻率為5 Hz時，隨著振幅的增加晶粒尺寸減小，振幅為4 mm時晶粒較3 mm時的粗大，但仍有細化效果；振動頻率為10、35及50 Hz時，晶粒尺寸隨振幅的增大而逐漸減小。同時可以觀察出，振幅對晶粒的細化效果趨勢隨振動頻率的不同而不同，表現(xiàn)在同頻率連線的斜率不同，其中35 Hz的曲線變化最大，表明該振動頻率下振幅的變化對晶粒尺寸的影響最大。
由此可知，研究機械振動對凝固組織及晶粒尺寸的影響時，振動頻率和振幅的作用是相互的。在相同的振動頻率下，振幅越大，則振動細化效果越好。這主要是由于在機械振動下產(chǎn)生的是簡諧振動，而簡諧振動的總能量見下式：
式中，E為簡諧振動總能量，J；k為彈簧勁度系數(shù)；A為振幅，mm。
因此，振幅越大，簡諧振動總能量就越大，在鑄型內(nèi)產(chǎn)生的金屬液對流就越劇烈，進而促使枝晶熔斷形成細小晶核。
在相同振幅的情況下，晶粒的細化效果隨振動頻率的不同而不同。從振動角度看，如果施加的機械振動頻率和鋼水的固有頻率匹配，二者形成共振，理論上就可以最大程度地發(fā)揮振動細化的效果。根據(jù)振動力學，假設型殼型腔為長方體，則型殼內(nèi)液體的固有頻率為：
式中，g為重力加速度，m/s2；α為容器寬度，m;h為液位高度，m。
將試樣型殼近似看作長方體容器，則型殼內(nèi)鋼液的固有頻率約為28 Hz。在35 Hz時最接近鋼水的固有頻率，容易產(chǎn)生共振，因此其細化效果較好。
2.3 振動頻率對力學性能的影響
圖8是不同振幅下抗拉強度隨振動頻率的變化趨勢圖。在振幅為1 mm和2 mm時，隨著振動頻率的增加晶粒尺寸變化不明顯，抗拉強度也無明顯的增大；當振幅為3 mm和4 mm時，晶粒尺寸減小，抗拉強度隨著振動頻率的增加而增大，在(5Hz，3mm)、(IOHz，4mm)和(35 Hz，4 mm)時的抗拉強度較高，比未振動試樣分別提高了8.9%、8.2%和9.3%。在振動頻率為5Hz時，振幅3 mm比4 mm時的晶粒細小，因此其抗拉強度較高。圖9是不同振幅下伸長率隨振動頻率的變化趨勢�？梢钥闯�，隨著振動頻率的增加，伸長率沒有呈現(xiàn)線性變化，而是在35 Hz、3 mm時有較大值。
表3是振動頻率為100 Hz下試樣的平均截距值和力學性能。從表3看出，隨著振幅增大，晶粒得到明顯的細化，抗拉強度也隨之而增大，但是伸長率卻明顯降低了。
對所有振動試樣進行縮松數(shù)量統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在振動頻率為100 Hz的試樣縮松率達35%，且金相試樣截面上的縮松面積可達總面積的1/6，這會導致試樣伸長率大大降低。圖10是振動頻率為100 Hz的試樣拉伸斷口。
可以看出，機械振動的頻率太大會對組織及力學性能產(chǎn)生不利的影響。振動頻率增大，加劇了金屬液內(nèi)部的紊流，使金屬液容易拋離型壁，傳熱不良，且易形成局部真空泡。金屬液中的氣泡、夾雜等容易向這些真空泡聚集，從而會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、縮松、縮孔、夾雜等缺陷，對力學性能產(chǎn)生不良影響。
2.4振幅對力學性能的影響
圖11為抗拉強度隨振幅的變化�？梢钥闯�，隨著振幅的增加，晶粒尺寸減小，抗拉強度也呈逐漸增大的趨勢，而振動頻率為5 Hz時，振幅為4 mm的比3 mm的抗拉強度稍低，但比未振動試樣的強度高了6.2%。圖1 2為伸長率隨振幅的變化。從圖1 2可知，隨著振幅的增加，伸長率沒有呈現(xiàn)線性變化。
3 機械振動細化機理探討
3.1 枝晶熔斷細化等軸晶
鋼水結(jié)晶時，借助于型壁非均質(zhì)形核的晶粒，在其生長的過程中必定引起界面前沿金屬液的溶質(zhì)再分配，造成局部成分過冷。由于貼近型壁區(qū)域的金屬液擴散條件比較差，溶質(zhì)富集的速度快，迅速形成成分過冷區(qū)而抑制晶粒根部的生長；而遠離型壁的區(qū)域擴散條件良好，成分過冷現(xiàn)象不明顯，其生長速度要比根部的生長速度快得多，這樣依附在型壁生長的晶粒就出現(xiàn)了根部細，頭部大的“縮頸”現(xiàn)象。
在澆注及凝固初期施加機械振動會形成強烈的金屬液對流，一方面，會對晶粒產(chǎn)生交替沖刷和局部溫度波動，這種交替變化形成熱沖擊，使熔點低且相對較細的根部受到折斷應力，使枝晶從根部折斷；另一方面，由于根部區(qū)域狹小，金屬液在根部的流速更快，對根部的沖刷重熔作用更加顯著，枝晶很容易被熔斷形成細小晶核，這些大量的細小晶核在金屬液中運動、增殖、生長，成為非自發(fā)形核核心，并最終成長為等軸晶。
3.2“結(jié)晶雨”理論
金屬液表面形成的晶粒由于密度比金屬液密度大而下沉，其情景類似下雨，因此稱為“結(jié)晶雨”。“結(jié)晶雨”在下沉過程中也可能發(fā)生枝晶的熔斷和增殖，在一定程度上促進晶粒細化。金屬液澆入鑄型以后，由于受到大氣激冷作用，表層的金屬液中形成大量晶核，并迅速形成一層薄薄的凝固層，這層凝固層的增長十分緩慢，為機械振動破碎凝固層，制造大量結(jié)晶雨創(chuàng)造了十分有利的條件。在凝固過程中施加機械振動，造成了最上層金屬液的擾動，可以破碎已形成的細小晶核和凝固層，并迅速將已破碎的細小晶粒卷入表層金屬液中形成游離晶粒，在對流和重力作用下向金屬液內(nèi)部擴散，為結(jié)晶提供更多的核心。
在金屬液中持續(xù)進行著激冷形成凝固層一擾動破碎形成游離晶一游離晶下沉一激冷形核凝固層的循環(huán)，這種循環(huán)只有在金屬液溫度降到一定程度，表面凝固層足夠厚，機械振動不足以破碎凝固層的時候才停止。因此，金屬凝固過程中施加機械振動可形成大量的“結(jié)晶雨”，為金屬熔體提供大量的結(jié)晶核心，細化晶粒。
4 結(jié) 論
(l) OCr17不銹鋼在振動頻率一定時，隨著振幅的增大，晶粒尺寸逐漸減小。振動頻率在35 Hz時最接近鋼液的固有頻率，易產(chǎn)生共振，其細化效果較好。
(2) OCr17不銹鋼在較低振幅（1 mm和2 mm）下，隨著振動頻率的增加，晶粒尺寸及抗拉強度變化不明顯；在較高振幅（3 mm和4 mm）下，晶粒尺寸隨著振動頻率的增加而逐漸減小，抗拉強度逐漸增大。
(3)對于OCr17不銹鋼，最佳的振動參數(shù)是振動頻率為35 Hz、振幅為4 mm，其細化率為66.7%，抗拉強度比未振動試樣高9.3%。
5摘 要
在OCr17不銹鋼熔模鑄造的澆注及凝固過程中施加垂直方向的機械振動，并與未振動試樣進行對比，研究不同的振動頻率和振幅對晶粒尺寸及力學性能的影響。結(jié)果表明，相同振動頻率時，隨著振幅的增大，晶粒尺寸減小，抗拉強度增大；振幅較低時，隨著振動頻率的增加，晶粒尺寸變化不明顯；振幅較大時，隨著振動頻率增加，晶粒尺寸減小，抗拉強度增大。最佳的振動參數(shù)是振動頻率為35 Hz、振幅為4 mm，其細化率為66.7%，抗拉強度比未振動試樣高出9.3%。
