鑄造合金動態(tài)線收縮實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

鑄造合金從液態(tài)到室溫的冷卻過程中,其狀態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)都會發(fā)生一定的變化,不同合金變化規(guī)律不同,性能不同,各有其自己的特征[1]。如果我們能夠動態(tài)、定量的描述這些特征,就能準(zhǔn)確地分析和判斷鑄造合金在不同溫度下的存在狀態(tài)、所發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化以及帶來的影響,這對金屬材料研究、專業(yè)教學(xué)及生產(chǎn)工藝控制意義重大。為此,我們研制了本裝置,通過應(yīng)用性測試,效果良好。本文就其實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計、工作原理進(jìn)行了概要闡述,對典型材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,準(zhǔn)確地描述了合金材料的凝固變化過程。

1　測試裝置的設(shè)計

鑄造合金動態(tài)線收縮測試裝置主要由試樣采集、信號檢測和圖形記錄三部分組成,如圖1所示。

　　(1)試樣采集部分。主要包括砂箱、砂型和石墨楔塊。砂型用水玻璃砂制成,試樣尺寸為:205mm×19mm×18mm。石墨楔塊在測試中起固定作用。

(2)信號檢測部分。主要包括石英棒測桿,差動變壓器、整流電路以及熱電偶等。這一部分的作用是將合金收縮過程中產(chǎn)生的位移和溫度變化,通過整流放大后提供給圖形記錄器[2]。

(3)圖形記錄器部分。主要是自動圖形記錄器。它的作用是把位移電信號和溫度電信號以函數(shù)圖形的形式記錄下來,形象準(zhǔn)確地反映出合金在冷卻過程中的整個收縮、膨脹及溫度變化過程[3]。

2　位移傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)驗(yàn)裝置工作原理

圖2與圖3所示,位移傳感器的核心部件是差動變壓器,差動變壓器是由初級線圈和兩個參數(shù)完全相等的次級線圈以及純鐵鐵芯構(gòu)成的[4]。當(dāng)鐵芯位于兩個次線圈的中間位置時,由于兩個線圈的連接方向相反,所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小相等,方向相反,輸出電勢為零。但是當(dāng)試樣收縮并通過石英測棒帶動鐵芯向一邊移動時,在兩個次級線圈中產(chǎn)生方向相反而大小不等的電勢,二者之差就在輸出端形成一定的電壓,大小與位移相應(yīng)成正比,并且具有良好的線性關(guān)系和高的靈敏度。為了滿足差動變壓器的要求,在差動變壓器的前端設(shè)計了整流穩(wěn)壓、多諧振蕩電路。為滿足圖形記錄儀要求,在圖形記錄前端設(shè)計了相敏整流電路,把交流信號變成圖形記錄器能接受的直流信號。

　　主要元件參數(shù)為:VD1~4—2CP12,VD5—2CWHH,C1—100μF/50V,R1~8—5.1kΩ,C3~5—0.47μF,VD6,7—2CW10,VD8,9—2CP12,C2—100μF/25V,RP1—1kΩ(調(diào)平衡),RP2—4.7kΩ(調(diào)增益),VT1,2—3AX31B(PNP,小功率鍺管),Y—輸出。

當(dāng)金屬液體澆注到試樣后,由于溫度的不斷降低,晶體結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致試樣的體積發(fā)生變化[5],這些變化會通過圖形記錄器對位移信號和溫度信號進(jìn)行實(shí)時測試,繪制兩信號變化曲線,最終形成冷卻曲線和收縮曲線圖形,對曲線各階段變化進(jìn)行定量或定性分析,就可以了解合金的凝固特點(diǎn),晶體結(jié)構(gòu)變化,工藝性能及材料的物理性能等。