论文20110209覆膜砂高温性能测定

覆膜砂高温性能的测定

周在立史小阳张绪国石颖

摘要：通过对SQW型材料高温强度试验仪进行技术改进，提出了利用该仪器进行覆膜砂高温抗压强度、定负荷下高温耐热时间及膨胀率的测定方法。

关键词：高温强度试验仪覆膜砂高温强度耐热时间

1 前言

根据覆膜砂行业标准JB/T8583-97的规定：覆膜砂必检的指标有：常温抗弯强度、热态抗弯强度、灼烧减量、粒度和熔点。参考的性能指标有：常温抗拉强度、热态抗拉强度、发气量和流动性。这些检测指标能够反映覆膜砂的热态性能和常温性能(232±5℃下的性能)，对制芯、搬运与下芯等过程具有一定的指导意义。但砂芯在浇注状态下的性能即高温性能并没有列入检测范围，国内也没有专门的检测仪器和相应的检测方法。对于复杂薄壁铸铁件的生产，一拖公司第二铸铁厂已在使用耐高温覆膜砂，但由于没有检测手段和检测方法，无法控制采购耐高温覆膜砂的质量，造成废品率较高。为此，我配合高工周在立，通过探索，成功地利用SQW型材料高温强度试验仪对覆膜砂的高温性能进行了测定，制定了覆膜砂的高温抗压强度和高温耐热时间的测试方法。

2 国内覆膜砂高温性能检测现状

高温性能是指砂芯在1000℃以上高温环境下的抗压强度、定负荷下的耐热时间及膨胀量等，覆膜砂的高温性能决定了砂芯在浇注条件下的状态，直接影响铸件质量与成品率，砂芯的高温性能不良在浇注时会变形、开裂、断芯等，从而产生批量废品。在覆膜砂行业标准JB/T8583-1997中，没有进行高温抗压强度和高温耐热时间的测试方法及测试仪器。其原因并不是铸造工作者没有意识到高温性能的重要性，而是因为高温性能的检测仪器需从国外进口，价格昂贵（约需10多万美元）。目前我国仅有少数公司及研究单位购买有进口的高温性能测试仪，可对覆膜砂的高温抗压强度和高温耐热时间进行测试，但具体的检测方法尚未对外公开。国内有个别高校也正在进行这一方面的研究。

3 对SQW型材料高温强度试验仪的技术改进

3.1 非金属材料高温强度试验仪用于覆膜砂高温性能测定试验存在的问题

对于覆膜砂高温性能测定试验来讲，采用非金属材料高温强度试验仪存在有以下几点不足：

A、覆膜砂高温性能测定一般制成Φ10mm试样，高温下其所能承受负荷不超过200N，所以非金属材料高温强度试验仪原配负荷传感器不适合用于进行覆膜砂高温性能的测定。

B、由于在非金属材料高温强度试验仪的负荷传递系统中，传导柱与柱套之间是面的接触，测定时，在传导柱上升的过程中，两者之间的摩擦阻力较大（理想状态下阻力应该等于或接近零），其主要表现在：在空载情况下，传感器与传导柱一起向上运动时，会有10N～15N的不同负荷(摩擦阻力)，在加载的情况下摩擦阻力会更大，但实际上，在覆膜砂的高温强度测定时负荷不大于200N，高温定负荷下的耐热时间试验中其定负荷仅为8N，仪器系统误差明显偏大，且重复性极差，无法通过计量检定，所以不能满足对覆膜砂进行高温性能测定的要求。如采用1000 N负荷传感器，仪器改进前用标准测力环进行计量检定，其测得数据见下表。

仪器改进前的计量检定结果

显然，从上表中可以看出，仪器改进前的示值相对误差明显较大，且重复性较差，不能满足计量检定中示值相对误差≤±1%以及示值重复性≤1%的要求。

C、非金属材料高温强度试验仪原配置的定负荷加载方法，是通过仪器控制系统自动控制加载电机的正反转，对试样所受负荷进行调节，以达到实现定负荷控制的目的。其中，所谓定负荷实际上是一个负荷范围，例如设定负荷范围为定负荷的±10%，那么，当试验定负荷为2000N时,则其变化范围为2000 N±200N。另外，进行覆膜砂高温性能试验时所配置的1000 N负荷传感器，试验定载荷一般为0.1MPa，如采用Φ10mm试样，其截面积为78.539mm2，传感器显示8N，但由于加载机构电机的运转惯性，传感器的升降由于惯性的存在难以准确定位，因而使得仪器无法依靠加载电机实现8N±2N的自动定负荷的目的，所以也就无法进行覆膜砂在恒定高温及定负荷下的耐热时间及膨胀率等性能测定。

3.2 对非金属材料高温强度试验仪进行的技术改进

为解决3.1中所述问题，我们对非金属材料高温强度试验仪进行了一些技术改进，具体如下：

(1)更换小负荷传感器，即将非金属材料高温强度试验仪原配置的20000N负荷传感器更换为1000N负荷传感器，使之能够适用于覆膜砂高温性能测定；

(2) 减小负荷传感器的上升阻力，即在传导柱与柱套之间嵌入直线轴承，可将此前传导柱与柱套之间相对运动而产生的滑动摩擦变为传导柱与直线轴承之间的滚动摩擦，从而使传感器在上升过程中所受阻力大为减小，基本实现试验负荷接近于零阻力传递，进而可实现对低负荷下覆膜砂高温性能的准确测定。

仪器改进后进行计量检定结果见下表。

仪器改进后的计量检定结果

从表中的检测数据可以看出，仪器改进后，其测试数据的误差与重复性都达到了对检测仪器的检定要求；

(3) 实现恒定负荷加载，即仪器原平衡系统为：下试柱、接料盘、配重环及传导柱等部件的重量和与配重块重量相等，在此将接料盘上的配重环设计为一个或多个标准砝码，其中至少有一个砝码重量等于试验定负荷；在进行定负荷试验时，需将配重环标准砝码中等于试验定负荷的砝码取下，即可实现对试样施加向上恒定负荷的目的。

四、覆膜砂高温性能的测定

1 定义

高温抗压强度——模拟铸造的实际条件，在1000℃的温度下，测试覆膜砂试样的最大抗压强度。

高温抗压时间——测试覆膜砂试样定负荷（压强）下，在1000℃时不溃散的时间。

高温膨胀率——测试覆膜砂试样定负荷（压强）下，在1000℃时膨胀量与试样高度的比值。

2 覆膜砂高温抗压强度的测定

2.1 制样

在覆膜砂制样机内放入高温性能试样模具，升温至232℃，之后用加砂器加入砂样，保温120s后起模，取下试样；试样冷却后，用磨样器对试样进行处理至表面平整，高度为19mm，备用。

2.2 高温抗压强度测定中保温时间的确定

试样保温时间——试样放入炉套内到试样内部基本达到设定温度的时间。

试样高温抗压强度主要是模拟铸造的实际条件，测试覆膜砂芯在1000℃时的抗压强度，所以试样放到下试柱垫块上面后，需要将炉套下降使试样位于炉套的中心部位，以使整个试样基本达到1000℃。将试样在炉套内保温不同时间进行强度测试，并观察试样灼烧后的状态。结果发现试样保温时间设定为半分钟时，试样碳化发黑，试样明显未达到试验温度；试样保温时间设定为2分钟时，测试强度趋于零；试样保温时间设定为1分钟时，观察试样通体发红，内外受热基本一致，强度测试值适中。因此确定试样保温时间为1分钟。2.3 高温强度的测定

2.3.1 打开“高温抗压强度试验”界面进行参数设置：输入试样直径10mm，坐标参数最大压强2.0MPa，绘制坐标，试验温度1000℃，试样保温时间1min；

2.3.2 点“加热开始”，加热炉按设定的功率及升温速度开始升温。炉温到达设定温度后，提升炉套，通过计算机上电机控制单元(“加载”、“停止”、“卸载”)调节下试柱位置，用镊子将试样放在下试柱上截面居中位置，调节试样基本与上试柱接触，电控箱负荷显示“0”N(测力传感器与下试柱接触上)；

2.3.3 点击“调零”，然后点击“试验开始”，“保温时间”开始倒计时，同时迅速将加热炉降至预定位置套住试样，计时结束后，仪器自动开始加载试验，显示压力、位移值，当试样破坏时仪器自动停机（也可点击“试验控制”、“本次试验结束”停机）；

2.3.4 点击“试验曲线”显示压力、位移曲线；点击“结果分析”、“数据处理”、“输出到Excel”之后另存入自建高温强度试验文件夹；

3 覆膜砂定负荷下高温耐热时间及膨胀率的测定

3.1 测试步骤

打开SQW型材料高温强度试验仪操作界面，炉套升温到1000℃。2小时后上下试柱的自身膨胀基本稳定，升起炉套，将试样放到下试柱上，加上恒定负荷，套上高温炉套，在“定载荷下的高温热变形试验”界面中，点“调零”、“试验开始”，计算机即开始自动计时，下试柱突然上升后，点“本次试验结束”，再依次点“结果分析”、“确定”、“数据处理”、“结果输出”（典型试验曲线见图1，相应数据见表1），将试验结果另存入专用文件夹。