鑄造合金動態(tài)線收縮實驗裝置的研制與應用

鑄造合金從液態(tài)到室溫的冷卻過程中,其狀態(tài)和晶體結構都會發(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)生的結構變化以及帶來的影響,這對金屬材料研究、專業(yè)教學及生產工藝控制意義重大。為此,我們研制了本裝置,通過應用性測試,效果良好。本文就其實驗裝置的設計、工作原理進行了概要闡述,對典型材料的實驗結果進行了分析,準確地描述了合金材料的凝固變化過程。

1　測試裝置的設計

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圖形的形式記錄下來,形象準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)設計及實驗裝置工作原理

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完全相等的次級線圈以及純鐵鐵芯構成的[4]。當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,所以產生的感應電動勢大小相等,方向相反,輸出電勢為零。但是當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,大小與位移相應成正比,并且具有良好的線性關系和高的靈敏度。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(調平衡),RP2—4.7kΩ(調增益),VT1,2—3AX31B(PNP,小功率鍺管),Y—輸出。

當金屬液體澆注到試樣后,由于溫度的不斷降低,晶體結構的變化會導致試樣的體積發(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行實時測試,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行定量或定性分析,就可以了解合金的凝固特點,晶體結構變化,工藝性能及材料的物理性能等。