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

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—100μF/25V,RP1—1kΩ(调平衡),RP2—4.7kΩ(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。