高頻振動在鑄造中的應用及對液態金屬優化結晶的影響分析

武漢恒新科技開發有限公司 王俊 2018.5.26

（關鍵詞：振動鑄造，振動熔煉. 振動還原、細化晶粒）

鑄造是中華民族的驕傲。五千年的文明史鑄造歷史就占了四千多年；我國春秋時期就開始了鑄鐵農具，戰國時期就已經有了精湛的鑄劍技術。僅此我國的鑄造技術比歐洲早1800多年。但振動鑄造是起源于20世紀初，有規模的應用開始于上世紀的70年代中晚期。最早期的工藝形式就是在通用鑄造行業里應用的離心澆鑄；在高精鑄造領域就是超聲波振動和電磁振動冶煉鑄造。離心澆鑄是最早用于邊振邊澆的振動鑄造形式；至于超聲波振動和電磁振動主要是應用在熔煉中。這就是最早期的振動技術在鑄造中的應用。它們的終極目標只有一個：就是促進還原，加速結晶，細化晶粒，同時具有十分有效的除氣、除雜、防縮松之功效。

一、高頻振動鑄造的除渣、氣作用分析

1、高頻振動鑄造在澆注中的應用，有利于阻止液面上浮渣向結晶器壁方向聚集的作用。與金屬熔體比較，渣的密度小。只要液流供應平穩，液穴表面的渣子不容易沉入熔體中去。漂浮在液穴上方的渣塊，若遇上液流供應的不平穩或者金屬液面發生了波動,就有機會向結晶器壁靠攏并在那里聚集，最終成為鑄錠或鑄件表面夾渣.另則,在沒有振動狀況下的型腔壁與金屬界面處的壓力最小.如果有了振動,那狀況恰恰相反: 型腔壁與金屬界面處的壓力最大.腔壁在高頻振力的激蕩下,渣和氣泡都被反射匯聚到溶腔中間.如此,就大大的降低了氣渣的留存.

2、型腔或結晶器相對于鑄件或錠的運動，由于金屬熔液快速充填型腔，液態表面與型腔壁間的速度差形成了明顯的摩擦引力,在沒有振動狀態下,就形成了夾渣,如果有一個不間斷的振動成在,就可使金屬液態表面的渣塊形成如下運動;即將被凝殼從液面上“捕獲”的渣塊以一個切向力，使其扭轉(圖1-1)。

如前所述，結晶器振動時由于有負滑動，結晶器上振期間和下振期間相對于鑄錠的運動速度，都遠遠大于不振動時的鑄造速度，結晶器壁作用于渣塊的這一切向力亦大，并且上振動和下振動時瘡塊扭轉的方向相反。渣塊的反復扭轉，不僅有可能使大的渣塊破碎，而且有可能使即將被凝殼“捕獲”的渣塊重新獲得“自由”，而轉向液穴中心方向浮動。振動鑄造使鑄錠表面夾渣大大減少,就是基于這個道理。顯然，振幅越大,振動頻率越高，上述驅渣作用越加有效。

a渣塊上振動時受力扭轉方向；b渣塊下振動時受力扭轉方向

圖1-1液態金屬在型腔內振動結晶時浮渣受力扭轉示意圖

當然，避免鑄錠夾渣并非只要采用振動鑄造單一措施就會完全有保證，任何情況，減少熔體造渣和注意對液穴中熔體的保護,都是非常重要的。
　　非振動鑄造方式中,鑄錠通過結晶器時是均勻速度狀態，凝殼與結晶器壁之間隙相對固定在一個位置上。振動鑄造方式中，向下振動時振動與結晶器幾乎以相同的速度(或接近相同速度)一起下降,鑄錠與結晶器之間的熱交換基本是在靜態下進行，凝殼幾乎受到結晶器的連續冷卻。非振動鑄造方式中，鑄錠一直處于滑動的狀態,鑄錠與結晶器（工件與型腔）之間的熱交換一直是在動態下進行。向上振動時源于金屬熔體靜壓力的沖擊,使得剛剛形成的一薄層凝殼被擠壓著向外膨脹靠攏結晶器壁，延遲了收縮間隙生成時間。
　　振動鑄造時，由于強化了一次冷卻，鑄錠凝殼增長速度穩定，凝殼強度提高，對防止拉裂和反偏析的產生也必然有利。我們明確了這樣一個原理，也就明白了振動除渣氣的必然性。

二、高頻振動在冶煉中的應用

振動冶煉早在航空航天高合金材料熔煉中就有應用.后來在有色金屬的熔煉中也得到了成功的應用.但唯獨在通用鑄造的熔煉過程中少見振動熔煉.

1、什么是振動熔煉:振動熔煉是指人們在金屬熔煉過程中就加入了振動這一外力干預要素.一般情況下主要是在金屬熔煉的中期和后期(既氧化期和還原期).

2、氧化期的中低頻振動介入主要是為的金屬液體的沸騰的更充分.振動氧化對脫氧非常有幫助.

3、還原期的高頻振動介入主要是為了還原材料成份(C  Si  Ma 及其他主要化學成份)的穩定和進一步除氣除渣并能十分有效的防止S、P的增高及其它偏折現象的出現；高頻振動在還原時的介入就相當于強化還原效率。

高頻振動還原這一過程非常有意義：如果說振動澆注這最后一道除氣降雜，優化晶相細化晶粒的手段也只有治標之功的話，那在還原期的高頻振動介入就是標本兼治的先行之手。因為還原期的高頻振動介入非常有利于液態金屬從浮動狀態下快速鎮靜下來。這一有益過程大大的加強了液態金屬在剛完成氧化浮動狀態向還原狀況轉變所需要的鎮靜狀態的還原主動性，有效的縮短了還原時間和提高了還原效率，其積極的意義是不言而喻的。

三、什么是高頻振動澆注（鑄或邊振邊澆）

最早期的邊振邊澆注就是離心澆鑄工藝的應用。為什么會把離心澆鑄歸類于振動澆注？道理很簡單，離心澆注有別于通常的靜態澆鑄。因為在整個澆鑄流程中因旋轉的作用是有振動力介入存在的。由于其振動力相對弱小，離心澆鑄在鑄造行業內的應用范圍相對有限。

1、高頻振動澆鑄臺的出現給我們帶了全新的局面。最早期就是用的工頻振動澆鑄；2840轉每分鐘的激蕩頻率太低，僅僅只能對除碴氣帶來一些有利影響，但并不徹底。因為振動頻率太低沒有起到液態金屬在結晶過程中的影響力。當200HZ的高頻振動電機6000次以上的激振頻次的出現。高頻振動鑄造的時代才得以真正到來。

2、高頻振動澆鑄的定義。所謂高頻振動澆鑄就是在通常的靜態液態金屬澆鑄時引入的高頻振動力波的介入（也就是劉玉滿教授首創定義的邊振邊澆）。實際上高頻振動澆鑄是在振動冶煉之后引入的一項全新的鑄造新工藝。高頻振動澆鑄的應用是在高頻振動臺的出現才得以實現的。（見圖3-1，3-2）

                       圖3-1 GZT200-10型十噸高頻振動澆鑄臺圖示                   

       圖3-2  ZEB200D—8/2型變頻電源控制系統

3、高頻振動澆鑄的基本要求：電源頻率200HZ的振動頻率在6000-9000次的高頻振動澆鑄臺正式開始啟用于本世紀的2000年前的于軍工之用；2000年后中國汽車行業的鋁合金汽車零部件的鑄造生產。之后才逐漸被廣范應用于消失模及V法的澆鑄中。一般來說激振頻率不低于5000次/分鐘，最高不超過7500次/分鐘，振幅在0.5-1.2（平均值為0.8）mm。否則，太低達不到剌激晶核的過早形成。太高又破壞了業已形成的結晶粒的有序排列。北京謀有色金屬材料研究機構通一系列的試驗證明在振動澆鑄中最佳振動頻次是5000-7000次/分鐘。在通用鋼、鐵的鑄造領域的應用還可以稍低一點，因為鋼鐵水的熱度遠高于有色金屬，其流動性更好，重要的是鋼金屬的振動力波的傳遞效率遠高于有色金屬。所以，在澆注時常用的都是4500-6500次/每分鐘的激振范圍。不同的材料應當有著不同的振動頻帶工藝方案的選擇。

四、高頻振動澆鑄對液態流體金屬金相結晶與晶粒細化的分析

          既然談到了高頻振動對液態金屬的結晶有影響，就不能不先介紹一下晶體的構成。見下圖4-1.如果一塊晶體內部的晶格完全一致，這叫單晶體；而實際上那怕一小塊很小的金屬中也包含了許多小晶體。因為不同元素的成份所形成的不規則的顆粒狀我們稱之為晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界；這些不規則的晶粒組成的晶體就構成了圖4-1多晶體結構及結晶缺陷。

       圖4-1多晶體結構。              圖4-2晶格空位和間隔圖示。  

  圖4-3晶界過渡示意圖                圖4-4亞結構示意圖。

1、結晶與結晶界面氣隙的缺陷的成形原理 

如果我們不知道金屬結晶過程中所存在的缺陷，我們就沒辦法理解高頻振動澆鑄會究竟作用于何處。為什么說高頻振動力波會對晶格中晶粒的細化與優化排列產生作用？就是因為在金屬從液態向固態轉變過程就是一次熱量擴散與金屬元子按照自身的金相規律收縮力量的物理演變過程。在此演變過程中任何有效的外力干預都會直接影響其最終的結晶晶核數量產生率與結晶體晶包的成長速度。理論上講結晶好象只是與溫度與時間的關系。殊不知，高頻振動力波的介入就十分明顯的加快了熱擴散速度，提高了過冷度的形成，為早結晶提高時效。見圖5-1所示。所示。即時間與溫度的關系在外力的影響下是可以改變的。

2、 金屬晶體缺陷分類：

晶體中的原子完全按理想規則排列時稱為理想晶體?？陀^上由于結晶的錯位及其它加工條件的諸多影響，晶體內部是存在大量金相缺陷的；這些缺陷的存在大大的影響了材料的綜合機械性能。例如：一個理想的金屬晶體材料的理論屈服強度比實際現實（非理想晶體）材料高出一千倍左右。這高達一千多倍的原因就是如下結晶過程中存留的點缺陷、線缺陷、面缺陷三大缺陷造成的如圖4-2、4-3、4-4所示。

3、金屬的結晶過程：

我們都知道金屬結晶時首先是由一批自發晶核不斷的吸附周圍液態中的原子而成長壯大的；最后金屬便由許多外形不規則的小晶粒所組成。如此我們就知道了液態金屬的結晶過程是由晶核的產生和晶核的成長兩個基本過程組成的。見圖4-5.了解了這一成因過程對我們將如何干預這一過程十分重要。

                                1液態------—2少量晶核的形成——3晶包在擴大—-———4大面積結晶 ————5完成結晶

圖4-5金屬結晶過程示意圖

五、影響晶粒細化形成的主要因素：

我們知道金屬在結晶過程中單位時間內能快速形成越多的細化晶核，晶核成長的越快所得到的最終金相結構越理想。其綜合機械性能越高。如何達到快速形核多晶核、快速結晶、快速成長？最有效的辦法有如下三種：     

1、增大金屬的過冷度△t ，加快液態金屬的冷卻。使液態金屬過冷到較低的溫度（就是快速散熱）以增強結晶能力（晶核的孕育），形成的晶核數量增多，由此結晶后的晶粒變細。從目前的最直觀的工藝手段也就是高頻振動力波的介入，可以加速過冷度的實現。圖5-1形核率N和成長率G與過冷度△t （高頻振動的介入有利于過冷度早期實現，為晶粒的細化晶核孕育形成墊定必然條件）。

2、變質處理法：對于一些大型鑄件由于熱量集中，擴散熱量慢，要想獲得較大的過冷度是很困難的。為獲得細化晶粒通常是加入一些對應的冷金屬物質如：鋁、釩或少量的鈦、鈮等元素以促進快速結晶和細化晶粒的目的。如果同時加入高頻振力波的介入會更加有效的提高添加劑快速形成結晶晶核的效率。

3、高頻振動力波的介入：高頻振動力波分三種：一是超聲波振動，二是電磁振動；三是高頻振動澆鑄臺。超聲波振動由于其束謝特性只適應點對點的作用；電磁振動耗能大輸出力小也不適應于大噸位的應用。所以，上述兩種促進快速結晶的方法只適應真空冶煉和試驗室及小噸位鑄冶或試驗應用。規?；I生產還只有當前最適應于鑄造的是高頻振動澆鑄臺。如圖3-1、3-2所示。高頻振動臺產生的振力波其擴散特性非常利于在金屬原子間快速全方位傳遞；特別適應于液態金屬強化浮硅孕育和最大限度的消除或校正液態金屬在結晶晶格缺陷的產生或最小化。

上述的三種加速結晶細化結粒的工藝方法的前兩種在沒有增加高頻振動力波的介入都是有其局限性的，第一條比較理論化，在規模生產中實際可操作性不強。第二條用添加劑促孕的辦法極難控制好增添劑量的多少。很容易影響鑄造材料成份的精度。如何解決這一突出矛盾？第三種全新的技術高頻振動澆鑄臺的應用：邊振邊澆注的工藝方法十分完美的解決了金屬材料從液態向固態成形的最后關口補充了快速結晶、細化晶粒的有效手段。這是繼四千年的鑄造工業文明史之后中國人在世界鑄造史上又一重大創新與貢獻。                                            

                                                        圖5-1形核率N和成長率G與過冷度△t                          

        圖5-2純鐵金額屬的冷卻曲線

六、高頻振動澆鑄對金屬致密關系及作用效能分析

在鑄造過程中所有的方法都是在圍繞著如何快速結晶、如何細化晶粒。通過圖5-1-2和表6-1我們可以很明顯確認出細化晶粒與快速結晶帶來的機械性能的提升的量化值。但都沒有對結晶過程中形成的晶格缺陷如圖4-1-2-3-4提出有效的解決方法。要想快速結晶就得有效降低過冷△t 。高頻振動澆鑄臺的應用為解決加速熱度擴散、加速結晶、校正晶格、消除氣隙為、晶粒細化提供了有效的外力支援。打破了晶粒向正確的結晶方向快速移動，大大的減少了晶格校正的阻尼。在液態金屬結晶過程中存在的氣隙以及原子核之間的阻力；高頻振動力波對打破快速擴散的熱量與金屬的收縮等因素而形成的熱應力平衡能起到十分明顯的促進作用；如果此時沒有高頻振動這個外力的介入，結晶晶格缺陷的存在就是必然的了。高頻振動力波的激蕩條件下就無條件的打破了晶格錯位存在的條件或者可最大限度的減少其錯位的個數。高溫液態流體金屬晶粒之間相互充填和充實的機理，是在高頻激振波的作用下,能最大限度的擠壓出流體液晶中的氣體和雜質；高頻振動臺所產生的高頻率激振波作用，能最大程度上減小金屬晶粒結晶過程中的晶體之的阻尼；與此同時晶粒經受到高頻激振誘引下的慣性力的作用,在晶層間磨擦力的減小，晶粒之間的吸附引力能力大大削弱,此類形態的出現也只有當振動頻率達200HZ和0.5-0.8mm的微振幅時才能出現的致密效應。這種技術最是在航空航天用材鈦合金的真空冶煉中得到的驗證。所以，高頻振動臺在今天的鑄造領域的工業化，且日趨成熟地應用完全是有的放矢。

表6-1晶粒大小對金屬材料強度和塑性的影響

                           圖6-1中的三層結晶區中1是表面細晶區，2是柱狀晶粒區，3是中心等軸晶粒區。                

圖6-1鑄錠結晶構造示意圖

所以說，液態金屬的流動性在高頻振動作用下，結晶體微觀結構的優化排列所形成的排氣、析雜的同時也加速了熱量的擴散，正是這種熱擴散的加強就促成了快速結晶和多晶核的形成。通過圖6-1我們不難看出快速結晶與快速冷卻是有直接關系的。鑄錠結晶構造示意圖的粗細的金相分布十分明確的告訴我們如何合理的提高過冷度是決定結晶效果的重要因素。在高熱度密閉的結晶腔內，唯一能給予的就是施以高頻振動力波。這就是細化晶粒的直接作用。這正好對應了圖5-1模型的效應。于是在高頻激振形成的擠壓引力的作用下,強化的流動性提升且促進了晶粒在高頻振動波的誘引擠壓形成的優化過程形成了金相細化結構，正是我們所希望的高精良鑄造效果。也正是這種在高頻率、微振幅激振波的引導下形成的金間高透氣性和雜質強析出能力，才大大縮小的晶面的無歇、無雜的同時效正了晶格缺陷的存在而達到理想致密的結晶狀態。使之，最終固態金屬的比重能最大限度的接近或完全達到或超越理論比重值——這就是高頻振動臺邊振邊澆帶來的高致密性。同時，在金屬冷凝過程中從半液態向固態形成的后期高頻振動還能大大降低或消除鑄造應力的殘留。這一點，只要是做金屬材料人們都明白這一結果會給鑄件的后加工帶來多么大的好處。

七、高頻振動臺與工頻臺的區別

為什么要對工頻振動和高頻振動加以對比？因為不只要有振動就影響結晶的。因為只高頻振動在振動鑄造中會才能帶來如此高致密效果。那讓我們來建立一個工頻激振和高頻激振運動波形對比，僅從物理層面上看，就會更清楚的證明高頻振動波給高致密結晶是如何創造了可能性的。

我們都知道50HZ的工頻振動2840次/分，那么200HZ的高頻振動頻率就有用12000次/分鐘來對比。從這一數據對比中我們不難看出：工頻2840次/60秒=47次/秒，高頻12000次/60秒=200次/秒。200/47=4.3倍，顯然，高頻比工頻振動平均高出了4.3倍次/秒；也就是說，在單位時間（1秒）內一個工頻振動波次中，高頻振動頻次要高出工振動的4.3倍。如果我們載取工頻振動的一個振幅波，放大到可畫出一個脈沖波圖來看的話，那么我們就可以很清楚的看成到：當工頻振動的一個波次（1/47秒）內高頻振動已完成了4次之多的激振。所以，每秒47次的工頻振動對應200次/秒的高頻振動PK出的影響結晶聚集的金相組織優化效果能力是顯而易見的。

當然，實際上在黑色金屬領域的應用我們就只需要100HZ（6000次/每分鐘）的振動頻率就夠用了。還有一個一般人都不太了解的原理：那就是從微觀高能物理學上講，金屬的最小單元原子的高速運動是不受重力加速度的影響的。而工頻振動恰恰就只是應用重力加速度的原理。最早期的影響結晶的方法就只是超聲波和電磁波而不是工頻振動？原因就在于此。但高頻振動力波的出現就改變了這一局面。高頻振動臺所產生的是高頻率微振幅脈沖力波。所以，高頻振動臺在鑄造中的的應用對液態金屬中各種金屬原子在結晶過程中形成晶核起到遠高于超聲波的作用。由其是在液態下黑色金屬內也遠比在有色金屬內力波傳遞效能更高。

八、高頻振動臺的共振激勵效能是加速結晶和細化晶粒的最有效途徑

從上述高頻臺的激振頻率數據結果就足以說明真正意義上的高頻振動的共振激勵結晶效能，能使液態金屬從高溫流體狀到冷凝結晶的過程中的填充能力，因具有高頻次的激振誘引晶粒細化得到十分顯著的強化。由此，使得金屬材料的鑄造品質與綜合機械性能得到十分顯著的提高就成為必然。當今經濟學術界有這樣一個調侃的說法：“能把一個產品做的很便宜不是什么本事，能把一個便宜的產品做的有更高的附價值才是科學”。因為我們的常用鑄件與真正理想的品質還有著一千倍的差距。當然在多晶格也就是合金鋼種的條件下是不可能達到理想晶格的金相組織的。但我們在高頻振動邊振邊澆鑄的條件下是有可能大大的縮小這種差距和提高我們的鑄件的金相質量的。       

如何采用更新更高的新技術手段和更簡明有效的工藝方法，提高我們鑄件產品的技術含量才正是我們企業所需要認真探索的。用什么樣方法和事半功倍的投資而取得高回報？這就是我們要告訴大家的核心。所以，至少目前只有高頻振動臺配合傳統的和其它行之有效的工藝路線澆鑄才能幫我們達到把一款普通產品提高成為高附價值產品的不二選擇。這就是我們要更加用心為之努力求索的目標。

當然，科技進步的實踐是無限的。在200HZ的高頻振動條件下邊振邊鑄的金相結構與綜合機械性能的指標完全還有進一步提高的空間。只要用好高頻澆鑄臺的集群共振，激勵結晶效能不造成金相過度擠壓應力產生。高頻振動臺在澆鑄中就是必須的。如果消失模邊振邊鑄的工藝需要，將來一定會有更完美的邊振邊澆的高頻動振動臺為 “真正意義上在中國實現消失模鑄造出更高致密、高耐磨、高精良鑄件的技術創新與發展”就一定會領引世界振動鑄造科技進步是完全可能的。所以，GZT200型的高頻振動臺一定會普及于所有的鑄造。在可預見的將來，高頻振動在消失模、V法鑄造工藝配套中的一定是必選的技術制高點，隨著人們對高頻振動鑄造在消失模技術配套中重要性的認識不斷提高，我們有理由相信，高頻振動臺技術會從高致密鑄造的配角逐漸成為消失模邊振邊鑄這一創新工藝流程中的不可替代的關鍵工藝節點裝備，這將成為必然。

2018年5月25日修整結稿于武漢。