型砂高溫性能檢測方法及其儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展

萬 鵬，李遠(yuǎn)才，凌宏江，王文清，支合一，薛 江

（1．華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2．無錫市三峰儀器設(shè)備有限公司，江蘇 無錫 214151）

1 型砂高溫性能的定義及重要性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度的不同，型砂性能可分為常溫性能（室溫）、熱性能（30 ℃～400 ℃）、高溫性能（800 ℃～1600 ℃）和澆注條件下的性能[1]，型砂高溫性能指的是型砂在高溫情況下的性能，主要有高溫抗壓強(qiáng)度、殘留強(qiáng)度、熱膨脹、熱變形、沖擊載荷膨脹、約束載荷、潰散性、灼燒減量、發(fā)氣性等。型砂常溫性能的檢測對保證鑄件質(zhì)量、降低鑄件廢品率起著重要作用；但卻不能反映砂型在澆注時(shí)與金屬液體發(fā)生的界面反應(yīng)[2]。鑄造過程實(shí)質(zhì)上是高溫金屬液與鑄型（主要是內(nèi)殼表層）相互作用的過程，在這個(gè)過程中，最基礎(chǔ)和最主要的是高溫?zé)嶙饔?，鑄件缺陷尤其是鑄件表面缺陷多數(shù)發(fā)生在金屬液未凝固前的高溫?zé)嶙饔秒A段，在高溫狀態(tài)下，型砂的性能隨著砂子的膨脹、黏土的收縮和有機(jī)物的燃燒分解的變化而變化，此時(shí)型砂所表現(xiàn)的性能即高溫性能，其直接影響著鑄件表面的形成。顯然，測試型砂的高溫性能要比測試常溫性能更能接近和反映鑄造的實(shí)際過程。在常見的32 種鑄件缺陷中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，與型砂高溫強(qiáng)度和高溫變形性能不良有關(guān)的缺陷就有15 種之多，例如夾砂、沖砂、脹砂、裂紋、粘砂、縮孔等等[3]。為預(yù)防上述缺陷的發(fā)生，在實(shí)驗(yàn)室條件下如實(shí)檢測型砂在高溫下的行為至關(guān)重要。

2 型砂高溫性能檢測方法的現(xiàn)狀

美國鑄造師學(xué)會(huì)[4]在鑄造型砂的高溫性能檢測方面進(jìn)行了大量的研究，制定了一系列型砂高溫性能檢測標(biāo)準(zhǔn)或暫行標(biāo)準(zhǔn)。主要檢測的型砂高溫性能有高溫抗壓強(qiáng)度、殘留強(qiáng)度、熱膨脹、熱變形、沖擊載荷膨脹、約束載荷、潰散性等。下面的計(jì)量單位已經(jīng)由美制換算成了公制。

2.1 試樣尺寸的選擇和試樣制備的方法

常用檢測方法中用到的試樣，其制備方法如下：實(shí)心試樣采用φ28.6 mm×50.8 mm 的試樣尺寸，將淬硬的鋼制試樣管（見圖1）放到實(shí)心試樣制樣裝置（見圖2）上，把砂混制好，稱量足夠標(biāo)準(zhǔn)試樣所需要的量，將砂裝入試樣管中，然后用3.18 kg 的重錘從66.7 mm 的高度向下打擊三次，最后從試樣管中取出試樣；空心試樣采用外徑28.6 mm、內(nèi)徑12.7 mm、高度50.8 mm 的試樣尺寸，將砂混制好，稱量標(biāo)準(zhǔn)試樣所需要的重量，將砂裝入空心試樣制樣裝置（見圖3）中，然后用舂樣機(jī)緊實(shí)并取出試樣，通過調(diào)整沖頭的高度來控制試樣的硬度，從而保證其與鑄造廠中使用的砂子硬度相同。

圖1 鋼制試樣管

圖2 實(shí)心試樣制備裝置

圖3 空心試樣制備裝置

2.2 高溫抗壓強(qiáng)度

高溫抗壓強(qiáng)度是指型砂在高溫下保溫一段時(shí)間之后測得的即時(shí)強(qiáng)度，單位為MPa，反映了型砂在澆注時(shí)的性能。其測量方法如下：將實(shí)心圓柱形試樣放在一個(gè)直徑28.6 mm 的一面平一面凹的耐火墊片上，再將一個(gè)直徑28.6 mm 的一面平一面凸的耐火墊片放在試樣的頂端，兩個(gè)耐火墊片的平面貼著試樣；將組裝的試樣放在的爐子中加載的位置如圖4 所示，爐子在試樣放入中3 min 內(nèi)要恢復(fù)到原先設(shè)定的溫度，溫度的波動(dòng)不能超過設(shè)定值±1%；保溫時(shí)間不低于12 min，在保溫結(jié)束后，對試樣進(jìn)行加壓直至斷裂，加載的速率應(yīng)控制在（15±1）s 內(nèi)從0.2 MPa 加載到5.0 MPa；記錄下最大負(fù)載值，并計(jì)算出最大壓應(yīng)力，通常取3 到5 個(gè)試樣的平均值。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中也應(yīng)同時(shí)記錄下試驗(yàn)的溫度、保溫時(shí)間和砂的硬度。

圖4 高溫性能試驗(yàn)儀

2.3 殘留強(qiáng)度

殘留強(qiáng)度是指型砂在高溫下保溫一段時(shí)間之后冷卻到室溫的強(qiáng)度，單位為MPa，反映了型砂的落砂性能或者型芯的耐用性。其測量方法如下：選好試驗(yàn)溫度，使實(shí)心試樣在合適的爐子里進(jìn)行保溫，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行保溫并記錄下保溫時(shí)間、溫度和氣氛，然后把試樣冷卻到恰好室溫以上并放入干燥器中；接著在室溫下用高溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的設(shè)備對該試樣進(jìn)行強(qiáng)度測試，測量3 到5 組數(shù)據(jù)取平均值。

2.4 熱膨脹

熱膨脹指的是試樣在受到加熱的情況下，每25.4 mm 試樣膨脹的長度，單位為mm，反映了試樣在澆注情況下自身的變形情況。熱膨脹分為自由縱向膨脹、自由水平膨脹、平衡熱膨脹、側(cè)限熱膨脹和空心試樣的側(cè)限熱膨脹。垂直自由膨脹測量方法見圖5，將實(shí)心試樣放在經(jīng)過改進(jìn)的爐子當(dāng)中，用融凝石英棒從爐子頂部插入，這個(gè)石英棒被可以調(diào)整的彈簧和軸環(huán)懸掛住，使得石英棒沒有任何重力施加在試樣上；刻度為0.0254 mm 每分度的千分表安裝在爐子外面，在試驗(yàn)開始時(shí)該表必須施加給試樣的壓力為113 g；試樣放在耐火墊片上，頂端同樣有一個(gè)耐火墊片，一起放入預(yù)先已設(shè)好溫度的爐子中，懸掛有石英棒的彈簧放在上墊片；記錄下千分表開始的讀數(shù)，然后每隔一定的間隔進(jìn)行記錄，一直達(dá)到試樣的膨脹極限（有些型砂在高溫下會(huì)發(fā)生收縮，應(yīng)如實(shí)記錄下收縮發(fā)生時(shí)的溫度和時(shí)間）。自由水平膨脹與自由縱向膨脹類似，但是試樣是水平放置，實(shí)驗(yàn)開始前將千分表讀數(shù)調(diào)整到零，自由水平膨脹測量裝置見圖6。平衡熱膨脹可以采用水平或者豎直的方式放置試樣，實(shí)驗(yàn)時(shí)在爐子中以5.56 ℃/min 的速度從室溫開始升溫，每隔一定時(shí)間記錄下溫度與膨脹量。側(cè)限熱膨脹可以選擇水平或是垂直方式放置，將試樣放在一個(gè)內(nèi)徑28.6 mm，長度76.2 mm 的石英管或是機(jī)械加工制成的石墨管中，以自由膨脹試驗(yàn)中的方式記錄試驗(yàn)結(jié)果?？招脑嚇拥膫?cè)限熱膨脹和前面?zhèn)认逕崤蛎浰龅臋z測方法一樣，可以采用水平或者豎直的方式測量。

圖5 自由縱向膨脹的測量示意圖

圖6 自由水平膨脹測量示意圖

2.5 熱變形

熱變形表示試樣在高溫下保溫一段時(shí)間之后，加壓直至斷裂，每25.4 mm 試樣膨脹的長度，單位為mm. 熱變形反映了試樣在澆注時(shí)受到外力作用發(fā)生變形而不致斷裂的能力。熱變形可以與高溫抗壓強(qiáng)度一起測量，需要一個(gè)測量精度為0.0254 mm的千分表或記錄儀，千分表或記錄儀需要對加載敏感，這樣儀器能顯示出在崩潰速率超過加載速率一瞬間的變形。采用實(shí)心試樣，將試樣組合放入保持在所希望的測試溫度的爐子中。在保溫階段完成時(shí)，將記錄儀或是千分表對準(zhǔn)在工作位置，試樣收到壓縮載荷。當(dāng)試樣斷裂時(shí)，從記錄儀或是指示器讀出極限熱變形。記錄儀能繪制出試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。或者，可以在實(shí)驗(yàn)過程中每隔一段時(shí)間同時(shí)讀出的加載值和變形值來繪制該曲線。應(yīng)力—應(yīng)變曲線與極限變形值需要隨著加熱爐加載系統(tǒng)的移動(dòng)而加以校正。記錄這些結(jié)果并以每英寸長度試樣熱變形的尺寸來表示。最好在測定造型材料在一系列溫度內(nèi)的變形特性，并且每次試驗(yàn)應(yīng)記錄下曝?zé)釙r(shí)間、氣氛和溫度。畫出型砂的熱變形和平衡熱膨脹與溫度的關(guān)系曲線。兩條曲線之間夾的區(qū)域與型壁裂紋缺陷有關(guān)。

2.6 沖擊載荷膨脹

沖擊載荷膨脹是指試樣在額定載荷下在突然加熱到高溫時(shí)產(chǎn)生的每25.4 mm 試樣膨脹的長度，單位為mm.該試驗(yàn)可以在空氣或是“試樣自身形成的氣氛”下進(jìn)行。近來的試驗(yàn)表明，惰性氣體如氮?dú)馀c氦氣有較好的效果。試驗(yàn)方法為：采用實(shí)心圓柱形試樣進(jìn)行試驗(yàn)，需要一個(gè)能在規(guī)定溫度下工作的爐子進(jìn)行試驗(yàn)，這個(gè)爐子應(yīng)具備測量并維持規(guī)定載荷能力，并且能夠以測量底部支柱0.0254 mm 以內(nèi)位移的能力。將試樣沖擊緊實(shí)使得其濕型硬度與鑄造廠中的一致，然后放在一個(gè)凹形耐火圓盤上，再將一個(gè)凸形耐火圓盤放在試樣的頂端，迅速將試樣放入爐子當(dāng)中并將規(guī)定的載荷施加到試樣上，并記錄千分表上的初始值。如果該爐子裝備了變形記錄儀則通過轉(zhuǎn)動(dòng)記錄儀滾筒將指針轉(zhuǎn)到起點(diǎn)位置來測量試樣長度的變化。這兩項(xiàng)工作都必須在5 s 內(nèi)完成，然后，立即啟動(dòng)秒表，每15 s 讀一次數(shù)，直到讀數(shù)不變或者維持5 min. 研究表明，鑄鐵用砂在982 ℃下受到0.069 MPa 載荷時(shí)的情況與型壁斷裂損失密切相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中，保持0.069 MPa 載荷，記錄下試樣在（23±0.5）s 時(shí)候的沖擊載荷膨脹。結(jié)果用每英寸的試樣長度膨脹英寸數(shù)表示，測量兩組數(shù)據(jù)取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要記錄下額定的載荷、溫度、濕型硬度和氣氛。沖擊載荷膨脹越大，型壁澆鑄時(shí)損失的量就越大。

2.7 約束載荷

約束載荷是指試樣在高溫下，為了保持試樣的長度不變，所需要施加的載荷大小，單位為MPa，反映了型砂在受約束的情況下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的大小。要控制試樣的長度不變，試樣的熱變形必須吸收其熱膨脹。當(dāng)使用982 ℃的實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，約束載荷的試驗(yàn)結(jié)果與由膨脹引起的型壁澆鑄時(shí)損失有很好的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)過程為：將組裝好的試樣放入爐子后，用立柱以0.069 MPa 的載荷夾緊試樣。立即記錄千分表的讀數(shù)。如果用變形測量儀來測量試樣的長度，那么旋轉(zhuǎn)記錄儀表盤來顯示指針在初始的位置。該操作所需要的時(shí)間不超過5 s，然后立即啟動(dòng)秒表，用一個(gè)手動(dòng)裝置來調(diào)整載荷并保持試樣的長度變化恒定（維持在±0.0254 mm 以內(nèi)）。記錄施加的載荷（以磅每平方英寸為單位）和加熱的時(shí)間，溫度，濕型硬度和氣氛。用于鑄鋼的型砂的試驗(yàn)溫度應(yīng)為982 ℃，其濕型硬度與鑄造廠使用的一樣，約束載荷需要在（30±1）s 時(shí)記錄，取10 次讀數(shù)的平均值。當(dāng)使用鑄鐵型砂材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)的流程和鑄鋼型砂的試驗(yàn)流程大致相同，不同的是，受限載荷的記錄頻率改為15 s 一次，持續(xù)3 min.然后改為30 s 讀一次，持續(xù)2 min，合計(jì)進(jìn)行5 min.將載荷讀數(shù)之和除以讀數(shù)次數(shù)，即為約束載荷，做兩次試驗(yàn)取平均值來作為型壁破損的指標(biāo)。受限載荷的平均值越高，則型壁破損就越大。

2.8 潰散性

潰散性指的是在不同的溫度和氣氛下，在恒定的壓力下試樣屈服所需要的時(shí)間的長短，單位為s.測量方法如下：采用實(shí)心試樣進(jìn)行試驗(yàn)，開始測試前把試樣從制樣管中取出放在一個(gè)適當(dāng)烘干板上，按照和車間實(shí)際生產(chǎn)一樣的硬化周期對試樣進(jìn)行處理，把硬化好的試樣在大氣條件下冷卻至室溫，然后放入干燥箱中直到進(jìn)行試驗(yàn)為止。把試樣放在一個(gè)凹形耐火圓盤中，再將一個(gè)凸形耐火圓盤放在試樣的頂端，放入維持在所希望的溫度的爐子中，立即施加并且維持所希望的載荷直至試樣發(fā)生屈服，以加載到屈服發(fā)生的時(shí)間間隔秒數(shù)被定義為潰散性。試驗(yàn)結(jié)果中，記錄下載荷，溫度，氣氛與濕型硬度，試驗(yàn)溫度與載荷取決于實(shí)際車間生產(chǎn)中鑄型材料所處的環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量三次取平均值。

2.9 條件熱穩(wěn)定性

以上測量方法主要針對濕型砂，而樹脂砂由于采用有機(jī)高分子材料作為黏結(jié)劑，在與液態(tài)金屬接觸期間，發(fā)生劇烈的變化，這與濕型砂有著很大的不同，因此對于樹脂砂來說，熱穩(wěn)定性的檢測是非常重要的[1]。條件熱穩(wěn)定性，又稱為高溫持續(xù)時(shí)間，指的是樹脂砂在一定溫度和載荷下保持自身強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間，反映了型砂抵抗金屬熱作用和機(jī)械作用的能力，在一定程度上指明樹脂黏結(jié)劑的熱分解速度和樹脂砂的強(qiáng)度。條件熱穩(wěn)定性的測量方法為：采用φ28.6 mm×50.8 mm 的實(shí)心圓柱形試樣，對試樣施加0.3 MPa 的載荷并迅速放入維持在1000 ℃的爐膛中，然后開始計(jì)時(shí)直到試樣崩潰，從加載到試樣崩潰所經(jīng)歷的時(shí)間即為條件熱穩(wěn)定性，單位為s[5].

2.10 目前我國型砂高溫性能的檢測標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀

目前我國尚無完整的型砂高溫性能國家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 2684-2009 的《鑄造用砂及混合料試驗(yàn)方法》[6]中提及了灼燒減量和發(fā)氣性的測量方法，雖然對高溫力學(xué)性能的測量有所提及，卻并未指出標(biāo)準(zhǔn)的測量方法。而一些相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如JB/T 3828-1999《鑄造用熱芯盒樹脂》[7]和JB/T 7526-2008《鑄造用自硬呋喃樹脂》[8]并未提及高溫性能的測量，在JB/T 8583-2008《鑄造覆膜砂》[9]中也只提及了灼燒減量和發(fā)氣性的測量，僅在熔模鑄造行業(yè)有專門的高溫性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如JB/T 2980.1-1999《熔模鑄造型殼高溫?zé)嶙冃卧囼?yàn)方法》[10]、JB/T 4153-1999《型殼高溫透氣性試驗(yàn)方法》[11]和JB/T 2980.2-1999《熔模鑄造型殼高溫抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[12]。

3 型砂高溫性能檢測儀器的現(xiàn)狀

3.1 國外檢測儀器的現(xiàn)狀

美國Dietert 公司的NO.785 型高溫性能試驗(yàn)儀（見圖4）主要檢測的性能有抗壓強(qiáng)度及變形、受限熱膨脹和殘留強(qiáng)度。該儀器采用電動(dòng)液壓加載，試樣尺寸是φ28.6 mm×50.8 mm，使用溫度從室溫到1510 ℃，可以在1565 ℃下短暫運(yùn)行，壓力范圍從0 到6.89 MPa，測量精度為0.0254 mm.該儀器具有一個(gè)高耐火玻璃觀察窗用來觀察試樣并且用彩色濾光片來保護(hù)眼睛。可以配置一個(gè)蓋子，用來隔絕空氣，產(chǎn)生“試樣自身形成的氣氛”。

日本的7534 高溫型砂試驗(yàn)儀主要檢測的性能有抗壓強(qiáng)度及變形、高溫持久時(shí)間、熱膨脹和殘留強(qiáng)度。該儀器采用電動(dòng)液壓加載，試樣尺寸是φ28.6 mm×50.8 mm，使用溫度為室溫到1550 ℃[1].

瑞士GF 公司的PHT 型高溫試驗(yàn)儀主要檢測的性能有抗壓強(qiáng)度、無阻礙線膨脹率和膨脹力。該儀器采用手動(dòng)液壓加載，試樣尺寸是φ11 mm×20 mm，試驗(yàn)溫度為室溫到1200 ℃，變形測量范圍是0 mm～5 mm，分辨率為0.05 mm[1].

前蘇聯(lián)的熱穩(wěn)定性測試儀主要檢測的條件是熱穩(wěn)定性（高溫持久時(shí)間），該儀器采用2 kg～4 kg 的固定載荷，試樣的尺寸是外徑φ30 mm，內(nèi)徑φ10 mm，高50 mm[1].

美國辛普森公司42114 熱變形測試儀（見圖7）專門測量標(biāo)準(zhǔn)橫向型砂試樣在天然氣加熱下產(chǎn)生的熱變形，試樣尺寸為標(biāo)準(zhǔn)橫向試樣尺寸，尺寸為25.4 mm×25.4 mm×203.2 mm .剛開始加熱時(shí)，樣品開始膨脹并向上彎曲，繼續(xù)加熱，黏結(jié)劑可能軟化，型砂試樣會(huì)漸近的或者突然的向下松弛，當(dāng)黏結(jié)劑被燒損后，試樣最終會(huì)斷裂。試樣斷裂所需的時(shí)間標(biāo)志著黏合劑的熱強(qiáng)度，通過試樣熱變形與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以得到熱膨脹、熱脆性、燃燒率和熱塑性的信息。整個(gè)測試過程中，熱變形被測量并顯示在彩色顯示器上，變形曲線可以打印出來或存儲(chǔ)在機(jī)器的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。

美國辛普森公司42115 高溫抗壓測試儀（見圖8）主要測量熱抗壓強(qiáng)度、熱變形、受限熱膨脹。該儀器通過氣動(dòng)方式加載，測定熱抗壓強(qiáng)度時(shí)，儀器會(huì)產(chǎn)生并顯示完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在曲線上顯示了最大的抗壓強(qiáng)度，最大強(qiáng)度下的最大變形以及最大變形，顯示屏還實(shí)時(shí)顯示砂試樣的強(qiáng)度和變形。

圖7 熱變形測試儀

圖8 高溫抗壓測試儀

3.2 國內(nèi)檢測儀器的現(xiàn)狀

國內(nèi)投產(chǎn)的型砂高溫性能測試儀主要有兩種，其主機(jī)基本是一樣的，只是在二次儀表上有所區(qū)別，一種是SQW-1 型以記錄儀為測量儀器，另一種SQW-2 型用微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)的全部過程[13]。一款屬于第二型的SQW-A 型砂高溫強(qiáng)度試驗(yàn)儀見圖9，該儀器主要是供科研單位，高等工科院校和工廠試驗(yàn)測量無機(jī)非金屬材料、造型混合料高溫性能，可在室溫到1400 ℃范圍試驗(yàn)。測量高溫下試樣的熱膨脹、高溫抗壓強(qiáng)度、試樣的熱膨脹力、固定載荷下試樣的熱變形、殘留強(qiáng)度和常溫抗壓強(qiáng)度。將φ30 mm×50 mm 圓柱體試樣放在加熱爐中上、下試驗(yàn)立柱之間進(jìn)行試驗(yàn)，所受的載荷及產(chǎn)生的變形量通過荷重傳感器及電感位移計(jì)轉(zhuǎn)換成電參量，輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及輸出數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)告。

圖9 SQW-A 型砂高溫強(qiáng)度試驗(yàn)儀

除了已經(jīng)投產(chǎn)的型砂高溫性能測試儀之外，國內(nèi)一些院校也自行研制了一些用于檢測型砂高溫性能的儀器。

姜立貴等[14]研制的多功能型砂型殼高溫性能測試儀主要測量型砂抗壓強(qiáng)度、動(dòng)載變形、熱膨脹、型殼的抗彎強(qiáng)度和恒載變形。該儀器主機(jī)大致可分為五部分：恒載測力部分；爐體部分；水冷部分；動(dòng)載測力部分；工作臺(tái)升降部分。電氣控制分為強(qiáng)電控制部分和弱電控制部分。強(qiáng)電包括調(diào)壓變壓器、交流接觸器等。弱電包括各種傳感器等。

羅吉榮等[15]研制的SHH 型型砂高溫力學(xué)性能測試儀結(jié)構(gòu)見圖10，所用試樣為22.36 mm×11.18 mm×200 mm 長條形試樣，采用單位面局部加熱，四支點(diǎn)對稱加載方式進(jìn)行高溫抗彎試驗(yàn)，固定載荷250 g.試驗(yàn)時(shí)，先將加熱爐預(yù)升溫至1300 ℃并保持恒溫，然后將試樣裝夾在上下支架之間使位移計(jì)和壓力計(jì)處于工作狀態(tài)并調(diào)零；再將加熱爐爐門打開，將試樣的上方包在爐體內(nèi)，啟動(dòng)加載電機(jī)通過杠桿使試樣在受熱的同時(shí)緩緩受壓，直至試樣破裂，測量試樣在高溫下的撓度和和耐熱沖擊的時(shí)間。最后由微機(jī)系統(tǒng)采集、存儲(chǔ)和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并打印出結(jié)果。

圖10 SHH 型型砂高溫力學(xué)性能測試儀

李立新等[16]研制的型砂高溫性能檢測系統(tǒng)主要檢測型砂的常溫抗壓強(qiáng)度、高溫抗壓強(qiáng)度、試樣熱變形、殘留強(qiáng)度和熱膨脹力。該儀器通過直流電機(jī)進(jìn)行加載，加熱爐采用碳硅管加熱，爐溫由熱電偶進(jìn)行測量，溫度信號(hào)由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸送給計(jì)算機(jī)。爐體溫度采用計(jì)算機(jī)控制，通過程序?qū)崿F(xiàn)PID 調(diào)節(jié)，根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)不同的升溫速度和恒溫時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過程中，型砂試樣載荷的變化由壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)記錄載荷變化曲線。試樣變形量的測量采用電感式位移傳感器。采用高性能工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)配以高速數(shù)據(jù)采集，并對測試過程的信號(hào)放大、熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行研究，使儀器測試精度和使用性能大為提高。

3.3 國內(nèi)外檢測儀器的對比

從數(shù)據(jù)的精度以及使用性能來看，以上幾款型砂高溫性能檢測設(shè)備，前面4 款以及姜立貴等研制的多功能型砂型殼高溫性能測試儀由于研制年代比較久遠(yuǎn)，因此控制部分較為復(fù)雜，測量部分比較笨重甚至需要自己讀數(shù)，也沒有數(shù)據(jù)處理方面的能力，所以在精度和使用性幾點(diǎn)上與其他幾款相差甚遠(yuǎn)。

從加載的方式來看，大多采用電動(dòng)的方式加載，因?yàn)殡妱?dòng)的方式最為簡單，也容易和控制系統(tǒng)連接；瑞士GF 公司的PHT 型采用的手動(dòng)液壓的方式加載，這種方式也比較簡單，但是受人為因素影響比較大；前蘇聯(lián)的熱穩(wěn)定性測試儀采用固定載荷（砝碼）加載，而42114 熱變形測試儀采用的是試樣的自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，這兩種方式雖然能夠表現(xiàn)試樣在某一方面的性能，但是卻因?yàn)闊o法控制載荷，因此有一定的局限性；42115 高溫抗壓測試儀采用的是氣動(dòng)加載，氣動(dòng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定的控制會(huì)比電動(dòng)系統(tǒng)要困難一些。

從應(yīng)用的角度來說，后面三款檢測型砂高溫性能的儀器還未投入生產(chǎn)，大多處于研制階段或者僅供院系自用。從這里可以看出，我國在型砂高溫性能儀器的應(yīng)用方面還亟待加強(qiáng)，特別是專門針對樹脂砂，能夠完整檢測出樹脂砂高溫力學(xué)性能的高溫性能儀器，目前還屬于空白階段。

3.4 國內(nèi)外一些相關(guān)的專利

國內(nèi)外研究型砂高溫性能設(shè)備上的專利主要有以下幾個(gè)：

專利號(hào)為CN200820192997.5 的鑄造型砂用高溫形變測量儀[20]見圖11，該專利介紹了一款鑄造型砂用高溫形變測試儀。結(jié)構(gòu)如圖1，包括上支架4 和下支架2，試樣3 放在上支架4 和下支架2 中間，其特征是：上支架4 上裝有一個(gè)電加熱爐5，下支架的中間裝有頂桿1，頂桿上裝有位移傳感器8，位移傳感器8 與處理器7 連接。所述的電加熱爐5 與一個(gè)溫度控制器6 連接。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測方便的優(yōu)點(diǎn)，它可以在模擬鑄造澆鑄現(xiàn)場環(huán)境的情況下測量鑄造型砂材料在這一階段內(nèi)所產(chǎn)生變形量的全部過程，從而檢測其高溫性能。

圖11 鑄造型砂用高溫形變測量儀

專利號(hào)為CN201110134002.6 的一種激熱試驗(yàn)儀[21]見圖12，包括爐體，在爐體1 內(nèi)設(shè)有加熱腔2，在爐體上貫穿設(shè)有導(dǎo)煙孔3，且導(dǎo)煙孔3 的下端與加熱腔相通，導(dǎo)煙孔3 上端置于爐體的外部，在爐體1 的一側(cè)設(shè)有爐門4，在爐門4 的中心開有窺視孔5，在加熱腔2 底部的上表面設(shè)有輻射板6，在輻射板6 下端面設(shè)有硅碳棒7。該發(fā)明具結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)精妙、使用方便，能夠用來檢測出型砂在高溫烘烤下脫皮開裂的時(shí)間，從而判斷出型砂的抗夾砂能力。

專利號(hào)為CN91203224.3 的型砂高溫強(qiáng)度試驗(yàn)儀的加熱加壓裝置[22]見圖13，該專利介紹了一種型砂高溫強(qiáng)度試驗(yàn)儀的加熱加壓裝置的改進(jìn)結(jié)構(gòu)用來測定鑄造用型（芯）砂的高溫強(qiáng)度，由于采用空心試樣，同時(shí)在下壓頭上加工出T 型通氣孔，使高溫爐氣可以通過該孔進(jìn)入試樣的空心部分，以達(dá)到內(nèi)、外同時(shí)加熱的目的，因而試樣內(nèi)、外溫度較均勻，可以測出型砂實(shí)際的高溫強(qiáng)度。

圖12 激熱試驗(yàn)儀

圖13 型砂高溫強(qiáng)度試驗(yàn)儀的加熱加壓裝置

專利公開號(hào)為US20130243029 的熱變形測試儀[23]見圖14，包括一個(gè)支持試樣的平衡環(huán)，一個(gè)控制試樣上下移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)熱的表面。這個(gè)表面與試樣接觸，并施加額定的壓力或者壓力分布。這個(gè)表面維持額定的溫度或者溫度分布。砂試樣由于與熱表面接觸而產(chǎn)生的的縱向變形通過測量平衡環(huán)的移動(dòng)來確定，水平方向的位移通過帶有刻度的攝像頭來測量，試樣的溫度梯度也能在試驗(yàn)中測量。

圖14 熱變形測試儀

專利公開號(hào)為SU1195233A1 的測量型砂熱變形儀器[24]，該專利介紹了一款用于型砂熱變形檢測的設(shè)備，包括一個(gè)位移傳感器和連接在電位計(jì)的熱電偶，試樣放置在熔凝的石英管中。通過加熱試樣測量型砂的熱變形。

4 型砂高溫性能檢測儀用試樣

美國鑄造師學(xué)會(huì)[4]規(guī)定的型砂高溫性能檢測儀用試樣有兩種試樣，一種是實(shí)心試樣，另一種是空心試樣。其實(shí)心試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是φ28.6 mm×50.8 mm，同時(shí)φ50.8 mm×50.8 mm 也是可行的；而空心試樣的尺寸是外徑28.6 mm、內(nèi)徑12.7 mm、高度50.8 mm.而我國僅在GB/T 2684-2009《鑄造用砂及混合料試驗(yàn)方法》[6]中提及了常溫性能檢測的試樣為φ50 mm×50.8 mm，并未提及高溫性能檢測用試樣的尺寸。

根據(jù)國內(nèi)外型砂高溫性能檢測儀的應(yīng)用情況來看，φ28.6 mm×50.8 mm 或φ30 mm×50 mm 的圓柱形試樣最為常見。但是這種試樣比較適合濕型砂，對于樹脂砂來說，由于樹脂砂采用有機(jī)高分子材料作為黏結(jié)劑，這與濕型砂有著很大的不同，這種試樣尺寸不適合樹脂砂[18]；美國辛普森公司42114 熱變形測試儀和羅吉榮等研制的SHH 型型砂高溫力學(xué)性能測試儀均采用的標(biāo)準(zhǔn)抗彎試驗(yàn)，采用這種試樣可以測得樹脂砂的一部分性能，但是卻不能測得樹脂砂完整的高溫力學(xué)性能；瑞士GF 公司的PHT 型高溫試驗(yàn)儀和前蘇聯(lián)的熱穩(wěn)定性測試儀都是采用減少加熱厚度的方法來解決未熱透的問題，瑞士GF 公司的PHT 型高溫試驗(yàn)儀采用的是φ11 mm×20 mm 的試樣尺寸，而前蘇聯(lián)的熱穩(wěn)定性測試儀采用的是外徑φ30 mm 內(nèi)徑φ10 mm 高50 mm的試樣尺寸，這種方法比較恰當(dāng)，但是需要進(jìn)一步研究最適合樹脂砂的高溫性能試樣尺寸。

5 開發(fā)新型樹脂砂型砂高溫性能檢測設(shè)備的建議

從目前型砂高溫性能檢測方法和設(shè)備的現(xiàn)狀來看，目前我國尚無專門針對型砂高溫性能特別是樹指砂高溫性能的系統(tǒng)檢測方法和專門的儀器，為此對開發(fā)新型樹脂砂高溫性能檢測儀器提出以下設(shè)想。

1）樹脂砂在高溫下的性能與濕型砂有很大的區(qū)別，與濕型砂相比，樹脂砂有一些追加的檢測項(xiàng)目，但是目前我國尚無專門針對樹脂砂高溫性能的儀器，因此應(yīng)當(dāng)對目前型砂高溫性能檢測設(shè)備進(jìn)行改造或者設(shè)計(jì)出專門針對樹脂砂的高溫性能檢測設(shè)備。

2）目前型砂高溫性能檢測設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大部分為電動(dòng)，由于試樣進(jìn)入爐膛需要高速，加載需要很高的精度，同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)要求比較困難，因此大多數(shù)儀器都是采用了兩套驅(qū)動(dòng)裝置，一套高速的用于升降爐膛，另外一套高精度的用于加載。如果能夠借鑒目前最新的常溫材料力學(xué)性能檢測設(shè)備，采用高速高精度的驅(qū)動(dòng)裝置，自動(dòng)將試樣送至爐膛并且進(jìn)行精確地加載，將會(huì)簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且使儀器的結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊。

3）型砂的高溫性能一般都是將壓力、時(shí)間、位移和溫度中的一個(gè)或者幾個(gè)值限定，然后測量其他的一個(gè)或幾個(gè)值的變化。由于傳感器可以公用，不同的性能測量只需要更改程序就行了，因此未來的型砂高溫性能檢測設(shè)備應(yīng)該能在一臺(tái)儀器上同時(shí)檢測多個(gè)數(shù)據(jù)。

4）未來的型砂高溫性能檢測設(shè)備如果能集成專家?guī)欤鶕?jù)用途和型砂種類自動(dòng)確定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并且對測量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輔助分析，詳細(xì)指明型砂的性能的好壞并且對可能發(fā)生的缺陷進(jìn)行預(yù)測，并對使用者提出建議，將會(huì)對儀器使用者提供很大的幫助。

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