铸造合金动态线收缩实验装置的研制与应用

铸造合金从液态到室温的冷却过程中 , 其状态和晶体结构都会发生一定的变化 , 不同合金变化规律不同 , 性能不同 , 各有其自己的特征 [1] 。如果我们能够动态、定量的描述这些特征 , 就能准确地分析和判断铸造合金在不同温度下的存在状态、所发生的结构变化以及带来的影响 , 这对金属材料研究、专业教学及生产工艺控制意义重大。为此 , 我们研制了本装置 , 通过应用性测试 , 效果良好。本文就其实验装置的设计、工作原理进行了概要阐述 , 对典型材料的实验结果进行了分析 , 准确地描述了合金材料的凝固变化过程。

1 　测试装置的设计 < XML:NAMESPACE PREFIX = O />

铸造合金动态线收缩测试装置主要由试样采集、信号检测和图形记录三部分组成 , 如图 1 所示。

　　 (1) 试样采集部分。主要包括砂箱、砂型和石墨楔块。砂型用水玻璃砂制成 , 试样尺寸为 :205mm × 19mm × 18mm 。石墨楔块在测试中起固定作用。

(2) 信号检测部分。主要包括石英棒测杆 , 差动变压器、整流电路以及热电偶等。这一部分的作用是将合金收缩过程中产生的位移和温度变化 , 通过整流放大后提供给图形记录器 [2] 。

(3) 图形记录器部分。主要是自动图形记录器。它的作用是把位移电信号和温度电信号以函数图形的形式记录下来 , 形象准确地反映出合金在冷却过程中的整个收缩、膨胀及温度变化过程 [3] 。

2 　位移传感器电路系统设计及实验装置工作原理

图 2 与图 3 所示 , 位移传感器的核心部件是差动变压器 , 差动变压器是由初级线圈和两个参数完全相等的次级线圈以及纯铁铁芯构成的 [4] 。当铁芯位于两个次线圈的中间位置时 , 由于两个线圈的连接方向相反 , 所以产生的感应电动势大小相等 , 方向相反 , 输出电势为零。但是当试样收缩并通过石英测棒带动铁芯向一边移动时 , 在两个次级线圈中产生方向相反而大小不等的电势 , 二者之差就在输出端形成一定的电压 , 大小与位移相应成正比 , 并且具有良好的线性关系和高的灵敏度。为了满足差动变压器的要求 , 在差动变压器的前端设计了整流稳压、多谐振荡电路。为满足图形记录仪要求 , 在图形记录前端设计了相敏整流电路 , 把交流信号变成图形记录器能接受的直流信号。

　　主要元件参数为 :VD1~4 — 2CP12,VD5 — 2CWHH,C1—100μF/50V,R1~8—5.1kΩ,C3~5—0.47μF,VD6,7—2CW10,VD8,9 — 2CP12,C2 — 100 μ F/25V,RP1 — 1k Ω ( 调平衡 ),RP2 — 4.7k Ω ( 调增益 ),VT1,2 — 3AX31B(PNP, 小功率锗管 ),Y —输出。

当金属液体浇注到试样后 , 由于温度的不断降低 , 晶体结构的变化会导致试样的体积发生变化 [5], 这些变化会通过图形记录器对位移信号和温度信号进行实时测试 , 绘制两信号变化曲线 , 最终形成冷却曲线和收缩曲线图形 , 对曲线各阶段变化进行定量或定性分析 , 就可以了解合金的凝固特点 , 晶体结构变化 , 工艺性能及材料的物理性能等。 [p]

3 　实验应用及分析

3.1 　实验条件与应用

分别对灰口铸铁和球墨铸铁进行了测试 , 两种材料均在 60kg 电炉中熔炼。

灰口铸铁成分控制范围是 :C=2.4%~2.9%,Si=1.6%~1.8%,Mn=0.5%~0.8%,S0.12%,P0.2%, 炉前采用 75FeSi 孕育处理 , 浇铸温度 1430 ° C, 测试结束温度 300 ° C 。

球墨铸铁成分控制范围是 :C=3.5%~3.8%,Si=2.5%~2.8%,Mn=0.4%~0.6%,S0.02%,P0.05%, 炉前采用稀土镁球化剂球化处理 ,75FeSi 孕育处理 , 稀土残余量为 Re=0.0025%, 镁残余量为 Mg=0.0025%, 浇注温度 1420 ° C, 测试结束温度 300 ° C 。动态曲线图形记录如图 4 和图 5 所示。

3.2 　应用效果分析

根据图 4 、图 5 动态曲线的特点 , 按 5 个 (A 、 B 、 C 、 D 、 E) 阶段进行分析。

(1) 初期收缩 (A) 。亚共晶铸铁在凝固时 , 奥氏体初晶形成晶粒骨架直到共晶转变开始为止 , 随着温度的下降而产生的固态线收缩 [6] 。这个阶段因为收缩量很小 , 且时间短 , 灵敏度低的测试系统很难测出。本试验的灰口铸铁成分属于亚共晶成分 , 奥氏体初晶形成晶粒骨架的作用 , 初期收缩明显 , 图 4 所示 , 收缩率 0.028%; 球墨铸铁属于共晶或过共晶成分 , 没有初期收缩。

　　 (2) 缩前膨胀 (B) 。缩前膨胀阶段是同冷却曲线上第一个水平段———共晶转变阶段相对应的 , 表明缩前膨胀是在铸铁共晶转变阶段产生。从图 4 和图 5 可以明显看出 , 因碳硅含量的不同 , 球墨铸铁 ( 线膨胀率约 0.6%) 比灰口铸铁 ( 线膨胀率 0.2% 左右 ) 的膨胀量大 2~3 倍。

共晶石墨的析出 , 对于铸铁的收缩性具有重要的影响。它即减少了铸铁凝固时期的体收缩 , 又使铸铁具有缩前膨胀—线膨胀之特点。

(3) 共析前收缩 (C) 。从冷却曲线上看出 , 发生在共晶转变结束到共析转变开始这一阶段温度范围内。对灰口铸铁和球墨铸铁来说 , 奥氏体在冷却过程中析出二次石墨 , 减少了这个阶段的线收缩率 , 约 0.5% 。

(4) 共析转变时的相变膨胀 (D) 。冷却曲线上温度降到 725 ° C 左右进行共析转变 , 有结晶潜热的析出 , 使冷却曲线上出现第二个水平段。如此相应的 , 在固态线收缩率曲线上出现下降 , 即产生了线膨胀。此即共析转变时的相变膨胀。共析转变时 , 由于γ Fe →α Fe 和析出共析石墨而产生相变膨胀。共析转变后的α Fe 和共析石墨量越高 , 则共析相变膨胀量越大。图 4 和图 5 显示 , 球墨铸铁约 0.06%, 灰口铸铁约 0.18% 。

(5) 共析后的收缩 (E) 。铸铁共析转变后 , 石墨的析出量极其微弱 , 其影响可略而不计 , 故灰口铸铁和球墨铸铁的共析后的固态线收缩基本相同 , 约 1% 左右。铸铁总的固态线收缩率ε Z 应是上述五个阶段的线收缩率之和 , 即 :

ε Z= ε 1( 初期 )+ ε 1( 缩前 )+ ε 1( 析前 )- ε 1( 共析 )+ ε 1( 析后 )

灰口铸铁和球墨铸铁的各阶段的线性收缩率、线膨胀率及其总的固态线收缩率测试结果见表 1 所示。

　　从以上测试结果可见 , 球墨铸铁和灰口铸铁收缩过程是相似的 , 区别在于 ( 亚共晶灰铸铁有一个小的初晶收缩 ) 球墨铸铁的收缩前膨胀比灰铸铁大得多 , 所以总得线收缩率要比灰口铸铁小。从总线收缩率上看两种材料的生产工艺似乎差别不大 , 但实际生产中却大不相同。球墨铸铁容易产生缩孔、缩松等缺陷 , 生产时需要比灰口铸铁大的多的补缩冒口来避免产生缩孔、缩松等缺陷 [7] 。问题的关键在于球墨铸铁的收缩前膨胀 , 比灰口铸铁大 3 倍左右 , 因此而产生的膨胀力也大的多 , 巨大的共晶膨胀力使铸型外扩 , 通过尚未坚实的外壳向外扩大 , 造成铸件后凝固部位因合金液体不足而产生缩孔、缩松。分析以为 , 如果采用钢性良好的铸型 , 可有效地阻止凝固时铸件外型的胀大 , 有效利用球墨铸铁的收缩前膨胀 ( 可以抵消液态和凝固时期的收缩量 ), 即可减少或完全消除缩孔、缩松缺点。

4 　结　论

(1) 动态线收缩率测试技术与装置 , 能全面准确描述铸造合金从液态—固态—室温的收缩变化过程和温度变化过程。通过对各变化过程的精确分析 , 把握合金铸造性能 , 优化生产工艺 , 避免缺陷产生。

(2) 位移传感器的核心部件—差动变压器的高灵敏度是动态和精确测试的关键。亚共晶成分的灰口铸铁的初晶收缩一般很难测出 , 本试验能够精确测出 , 说明设计的传感器具有很高的灵敏度。

(3) 测试结果能合理地解释球墨铸铁的总线收缩率比灰口铸铁收缩率低 , 但又容易产生缩孔、缩松等缺陷的原因。并提出了采用钢性良好的铸型 , 可以有效地阻止凝固时铸件外型的胀大 , 利用球墨铸铁的收缩前膨胀 ( 可以抵消液态和凝固时期的收缩量 ), 即可减少或完全消除缩孔、缩松缺陷。

参考文献 :

[1] 　赵健康 . 铸铁铸钢及其熔炼 [M]. 北京 : 机械工业出版社 ,1991.42-43.

[2] 　金长久 . 铸造技术 [M]. 北京 : 铸造技术杂志出版社 .2004.806-807.

[3] 　陆文华 . 铸铁及其熔炼 [M]. 北京 : 机械工业出版社 .1981.85-86.

[4] 　铸铁手册编写组 . 铸铁手册 [M]. 北京 : 机械工业出版社 .1976.202-203.

[5] 　王家 . 金属的凝固及其控制 [M]. 北京 : 机械工业出版社 .1983.102-105.

[6] 　沈阳铸造研究所 , 等 . 球墨铸铁 [M]. 北京 : 机械工业出版社 .1982.48-50.

[7] 　陈国侦 , 等 . 铸件凝固理论 [M]. 北京 : 机械工程师进修大学出版社 ,1989.185-186.