本课题以OCr17铁素体不锈钢为试验材料，采用机械振动，研究了振动频率和振幅对晶粒尺寸的影响，为降低不锈钢熔模铸件缺陷，提高其力学性能等提供参考。
1 试验材料和方法
1.1试验材料
试验材料为OCr17不锈钢，其化学成分见表1。
熔炼钢水的成分合格且达到一定温度时，经多次扒渣、脱氧后再测温准备浇注。在垂直机械振动下，将钢水浇人固定在振动台上的试样型壳中，振动一定时间后停止。冷却后的试样先经抛丸清理，再进行线切割加工，在接近浇口一端切取金相试样，经粗磨、抛光后，用体积分数为40%的王水进行腐蚀，观察组织。
1.2试样制备及试验方法
熔炼设备采用功率为150 kW的中频感应电炉，振动台为ZD-YH-TP振动试验台，示意图见图1。
试验采用垂直机械振动的方式，研究不同的振动频率和振幅对OCr17不锈钢晶粒尺寸及力学性能的影响规律，试验参数见表2。
2 试验结果与分析
2.1 机械振动参数对金相组织的影响
OCr17不锈钢的组织是由铁素体基体和层片状马氏体组成的。未经过机械振动的试样中层片状马氏体1的尺寸较大，且晶粒尺寸也较大，而经过机械振动的大部分试样的晶粒尺寸都有一定的减小，且马氏体的尺寸也相应减小。
图2为未振动及振动频率为5 Hz时不同振幅试样的金相组织。可以看出，未振动的试样晶粒大小十分不均匀，粗大的扇形晶粒交汇处有相对细小的晶粒。在5Hz振动时，振幅为2 mm和4 mm的试样晶粒有一定程度的细化，细化率分别为15.2%和17.7%，但晶粒大小仍不均匀，振幅为3 mm的试样晶粒细化率为31.7%且相对均匀。
图3是振动频率为IO Hz时不同振幅时的试样组织。可以看出，振幅为1 mm和2 mm的试样晶粒细化效果不明显，分别为3.5%和6.7%，振幅为3 mm的试样细化率为9.1%且相对均匀，振幅4 mm的细化效果比较明显，细化率为46.2%，晶粒细小且均匀。图4为振动频率为35 Hz时不同振幅下试样的金相组织。可以看出，35 Hz振动条件下，振幅为1 mm和2 mm的晶粒细化效果也不明显，振幅为3 mm的细化率为44.O%，振幅为4 mm时晶粒更细小且均匀，细化率为66.7%。同样，在50 Hz振动下，较小振幅的细化效果不明显，振幅为3 mm的试样细化率为23.3%（见图5); 100 Hz振动下的晶粒细化效果比较明显，随着振幅的增加，细化率分别为27.5%、58.2%和68.5%。
2.2振动频率和振幅对晶粒尺寸的影响
采用直线截点法统计金相试样的晶粒度，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。
图6是各振幅下平均截距值随振动频率的变化趋势。可以看出，在振幅为1 mm和2 mm时，随着振动频率的增加晶粒尺寸变化不明显；当振幅为3 mm和4mm时，晶粒尺寸随着振动频率的增加而逐渐减小，且振幅为4 mm的晶粒细化程度较大。
图7为平均截距值随振幅的变化，可以看出，在振动频率为5 Hz时，随着振幅的增加晶粒尺寸减小，振幅为4 mm时晶粒较3 mm时的粗大，但仍有细化效果；振动频率为10、35及50 Hz时，晶粒尺寸随振幅的增大而逐渐减小。同时可以观察出，振幅对晶粒的细化效果趋势随振动频率的不同而不同，表现在同频率连线的斜率不同，其中35 Hz的曲线变化最大，表明该振动频率下振幅的变化对晶粒尺寸的影响最大。
由此可知，研究机械振动对凝固组织及晶粒尺寸的影响时，振动频率和振幅的作用是相互的。在相同的振动频率下，振幅越大，则振动细化效果越好。这主要是由于在机械振动下产生的是简谐振动，而简谐振动的总能量见下式：
式中，E为简谐振动总能量，J；k为弹簧劲度系数；A为振幅，mm。
因此，振幅越大，简谐振动总能量就越大，在铸型内产生的金属液对流就越剧烈，进而促使枝晶熔断形成细小晶核。
在相同振幅的情况下，晶粒的细化效果随振动频率的不同而不同。从振动角度看，如果施加的机械振动频率和钢水的固有频率匹配，二者形成共振，理论上就可以最大程度地发挥振动细化的效果。根据振动力学，假设型壳型腔为长方体，则型壳内液体的固有频率为：
式中，g为重力加速度，m/s2；α为容器宽度，m;h为液位高度，m。
将试样型壳近似看作长方体容器，则型壳内钢液的固有频率约为28 Hz。在35 Hz时最接近钢水的固有频率，容易产生共振，因此其细化效果较好。
2.3 振动频率对力学性能的影响
图8是不同振幅下抗拉强度随振动频率的变化趋势图。在振幅为1 mm和2 mm时，随着振动频率的增加晶粒尺寸变化不明显，抗拉强度也无明显的增大；当振幅为3 mm和4 mm时，晶粒尺寸减小，抗拉强度随着振动频率的增加而增大，在(5Hz，3mm)、(IOHz，4mm)和(35 Hz，4 mm)时的抗拉强度较高，比未振动试样分别提高了8.9%、8.2%和9.3%。在振动频率为5Hz时，振幅3 mm比4 mm时的晶粒细小，因此其抗拉强度较高。图9是不同振幅下伸长率随振动频率的变化趋势。可以看出，随着振动频率的增加，伸长率没有呈现线性变化，而是在35 Hz、3 mm时有较大值。
表3是振动频率为100 Hz下试样的平均截距值和力学性能。从表3看出，随着振幅增大，晶粒得到明显的细化，抗拉强度也随之而增大，但是伸长率却明显降低了。
对所有振动试样进行缩松数量统计，发现在振动频率为100 Hz的试样缩松率达35%，且金相试样截面上的缩松面积可达总面积的1/6，这会导致试样伸长率大大降低。图10是振动频率为100 Hz的试样拉伸断口。
可以看出，机械振动的频率太大会对组织及力学性能产生不利的影响。振动频率增大，加剧了金属液内部的紊流，使金属液容易抛离型壁，传热不良，且易形成局部真空泡。金属液中的气泡、夹杂等容易向这些真空泡聚集，从而会在铸件内部产生气孔、缩松、缩孔、夹杂等缺陷，对力学性能产生不良影响。
2.4振幅对力学性能的影响
图11为抗拉强度随振幅的变化。可以看出，随着振幅的增加，晶粒尺寸减小，抗拉强度也呈逐渐增大的趋势，而振动频率为5 Hz时，振幅为4 mm的比3 mm的抗拉强度稍低，但比未振动试样的强度高了6.2%。图1 2为伸长率随振幅的变化。从图1 2可知，随着振幅的增加，伸长率没有呈现线性变化。
3 机械振动细化机理探讨
3.1 枝晶熔断细化等轴晶
钢水结晶时，借助于型壁非均质形核的晶粒，在其生长的过程中必定引起界面前沿金属液的溶质再分配，造成局部成分过冷。由于贴近型壁区域的金属液扩散条件比较差，溶质富集的速度快，迅速形成成分过冷区而抑制晶粒根部的生长；而远离型壁的区域扩散条件良好，成分过冷现象不明显，其生长速度要比根部的生长速度快得多，这样依附在型壁生长的晶粒就出现了根部细，头部大的“缩颈”现象。
在浇注及凝固初期施加机械振动会形成强烈的金属液对流，一方面，会对晶粒产生交替冲刷和局部温度波动，这种交替变化形成热冲击，使熔点低且相对较细的根部受到折断应力，使枝晶从根部折断；另一方面，由于根部区域狭小，金属液在根部的流速更快，对根部的冲刷重熔作用更加显著，枝晶很容易被熔断形成细小晶核，这些大量的细小晶核在金属液中运动、增殖、生长，成为非自发形核核心，并最终成长为等轴晶。
3.2“结晶雨”理论
金属液表面形成的晶粒由于密度比金属液密度大而下沉，其情景类似下雨，因此称为“结晶雨”。“结晶雨”在下沉过程中也可能发生枝晶的熔断和增殖，在一定程度上促进晶粒细化。金属液浇入铸型以后，由于受到大气激冷作用，表层的金属液中形成大量晶核，并迅速形成一层薄薄的凝固层，这层凝固层的增长十分缓慢，为机械振动破碎凝固层，制造大量结晶雨创造了十分有利的条件。在凝固过程中施加机械振动，造成了最上层金属液的扰动，可以破碎已形成的细小晶核和凝固层，并迅速将已破碎的细小晶粒卷入表层金属液中形成游离晶粒，在对流和重力作用下向金属液内部扩散，为结晶提供更多的核心。
在金属液中持续进行着激冷形成凝固层一扰动破碎形成游离晶一游离晶下沉一激冷形核凝固层的循环，这种循环只有在金属液温度降到一定程度，表面凝固层足够厚，机械振动不足以破碎凝固层的时候才停止。因此，金属凝固过程中施加机械振动可形成大量的“结晶雨”，为金属熔体提供大量的结晶核心，细化晶粒。
4 结 论
(l) OCr17不锈钢在振动频率一定时，随着振幅的增大，晶粒尺寸逐渐减小。振动频率在35 Hz时最接近钢液的固有频率，易产生共振，其细化效果较好。
(2) OCr17不锈钢在较低振幅（1 mm和2 mm）下，随着振动频率的增加，晶粒尺寸及抗拉强度变化不明显；在较高振幅（3 mm和4 mm）下，晶粒尺寸随着振动频率的增加而逐渐减小，抗拉强度逐渐增大。
(3)对于OCr17不锈钢，最佳的振动参数是振动频率为35 Hz、振幅为4 mm，其细化率为66.7%，抗拉强度比未振动试样高9.3%。
5摘 要
在OCr17不锈钢熔模铸造的浇注及凝固过程中施加垂直方向的机械振动，并与未振动试样进行对比，研究不同的振动频率和振幅对晶粒尺寸及力学性能的影响。结果表明，相同振动频率时，随着振幅的增大，晶粒尺寸减小，抗拉强度增大；振幅较低时，随着振动频率的增加，晶粒尺寸变化不明显；振幅较大时，随着振动频率增加，晶粒尺寸减小，抗拉强度增大。最佳的振动参数是振动频率为35 Hz、振幅为4 mm，其细化率为66.7%，抗拉强度比未振动试样高出9.3%。
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