CN102313671B

CN102313671B - 一种覆膜砂高温性能的测定方法

Info

Publication number: CN102313671B
Application number: CN 201010579370
Authority: CN
Inventors: 周在立; 马春庆; 邵经峰; 史小阳; 焦风菊; 刘新杰
Original assignee: China Yituo Group Corp Ltd
Current assignee: China Yituo Group Corp Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102313671A

Abstract

本发明属于铸造领域覆膜砂性能的测定方法，涉及一种覆膜砂高温性能的测定方法，包含试样制备、高温抗压强度测定、定负荷下的高温耐热时间测定和定负荷下的高温膨胀率测定等试验步骤；本发明对覆膜砂的高温抗压强度、定负荷下的高温耐热时间及其膨胀率，可实现准确测定；对铸造用的耐高温覆膜砂质量进行有效的监测，铸造生产单位可通过选用高温性能好的覆膜砂，大大降低浇铸时由于砂芯变形、开裂、断芯造成的铸件废品率；本发明仅需对非金属材料高温强度试验仪，稍作适应性技术改进，即可用于对覆膜砂高温性能进行测定，减少了设备投入；本发明具有操作快捷，简单方便，且结果准确可靠，并能够满足日常的生产检验和科研的需要。

Description

一种覆膜砂高温性能的测定方法

【技术领域】

本发明属于铸造领域覆膜砂性能的测定方法，涉及一种铸造用覆膜砂高温性能的测定方法，尤其是涉及一种通过对非金属材料高温强度试验仪负荷传递及定负荷加载系统的改进，并通过利用所述改进后的仪器对覆膜砂的高温抗压强度、定负荷下的高温耐热时间及膨胀率进行准确测定的覆膜砂高温性能的测定方法。

【背景技术】

铸造用覆膜砂的高温性能，主要是指由覆膜砂制作的砂芯，在1000℃以上高温环境下的抗压强度、定负荷下的高温耐热时间及膨胀率。覆膜砂的高温性能决定了砂芯在铸件浇注条件下的状态，它可直接影响铸件的质量与成品率，特别是对于复杂的薄壁类铸件，覆膜砂的高温性能如出现不良，在浇注铸件时会出现变形、开裂、断芯等质量缺陷，浇注的铸件也会出现大量废品。

目前，覆膜砂的高温性能特别是高温抗压强度、定负荷下的高温耐热时间及膨胀率，国内还没有公开使用的测定方法以及可参考的技术资料可以借鉴，另外，在国家标准GB/T 8583-2008中，也只是仅有覆膜砂高温热变形的简单测定方法介绍，在实际操作中很不实用。

上述所涉及的覆膜砂高温性能的定义：系指高温抗压强度指模拟铸造的实际条件，测定覆膜砂芯试样在高温环境中(1000℃以上)的抗压强度；定负荷下的高温耐热时间指测定覆膜砂试样在高温环境中(1000℃以上)定负荷的作用下保持不溃散的时间；定负荷下的高温膨胀率指测定覆膜砂试样在高温环境中(1000℃以上)定负荷的作用下，试样在某一方向上受热后的膨胀量与试样该方向原始长度的比值。

铸造用覆膜砂是一种非金属材料，而目前在国内所用的非金属材料高温强度试验仪仅用于陶瓷、水泥等较大负荷的非金属材料的高温性能测定，其主机主要包括箱座、加载机构、传感器支柱、负荷传感器、配重块、传导柱、接料盘、配重环、位移传感器、柱套、下试柱、上试柱、高温炉、电控箱和一些辅助部件。该主机在用于φ30mm×50mm试样的常温抗压强度、高温抗压强度、定负荷下高温试样的热变形、高温下试样的热膨胀等试验的过程中，其所配负荷传感器为20000N。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

最大试验力(N)	试验力(N)	示值相对误差(%)	重复性(%)
				1000	100	+18	15.0
	200	+15	4.8
					400	+14	8.6
	600	+14	9.4

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。

【发明内容】

为了克服背景技术中的不足，本发明提供了一种覆膜砂高温性能的测定方法，所述覆膜砂高温性能的测定方法是通过对非金属材料高温强度试验仪的负荷传递及定负荷加载系统实施改进之后，再利用该仪器对覆膜砂的高温抗压强度、定负荷下的高温耐热时间及膨胀率的实施测定，且方法简单，操作简便，结果准确可靠，具有很好的使用价值。

为实现上述发明目的, 本发明通过以下技术方案实现：

一种覆膜砂高温性能的测定方法，本发明的实施，需借助对现有设备的改进，即首先需对非金属材料高温强度试验仪作一些技术改进，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。

(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。

所述覆膜砂高温性能的测定方法：

经过前述设备改进之后，即可进行覆膜砂高温强度试验：

1.试样制备：试样是在专用的覆膜砂制样机上制作的，试样尺寸为φ10 mm×20mm；所述制备过程是：将Φ10mm×20mm试样模具擦上少许脱模剂，放入制样机内，合上上加热板；按下覆膜砂制样机电源开关，将覆膜砂制样机温度升到232℃，掀开上加热板，用加料器将覆膜砂样品倒入模具的试样型腔内，用刮刀快速将多余砂子刮去，合上上加热板，扳下计时开关按钮，计时器开始计时保温；到达保温时间120秒后，掀开上加热板，用取模柄将模具小心取出，打开模具，用取模柄轻按试样，使试样脱出；试样冷却后将试样上端轻轻磨平待用；

2.高温强度试验

将炉温升至设定的试验温度1000℃，在下试柱上放置好试样，将高温炉下降，套住试样，在给定的温度1000℃下保温1分钟，启动箱座内的加载电机，对试样加载，这时传感器支柱上所述的负荷传感器传递信号给试验仪记录机构，直到试样破坏为止。试验仪记录的最大载荷除以试样截面积即为该试样在设定温度下的抗压强度；

3.定负荷下高温的耐热时间测定

1）首先将负荷传感器下降，至可轻松在下试柱上放置试样为宜；

2）将配重系统中定负荷用砝码取下，对试样施加恒定负荷；

3) 在下试柱上放置试样，下降高温炉套到规定位置，立即开始记录直到试样溃散、接料盘突然上升为止的时间，即覆膜砂试样定负荷高温下的耐热时间；

4.定负荷下高温膨胀率的测定

2）将配重系统中定负荷用砝码取下，对试样施加恒定负荷；

3) 在下试柱上放置试样，下降高温炉套到规定位置，同时观察位移记录表起始位置，随着受热时间推移，位移记录表中位移变化达到一个最大值，此最大位移变化值与试样初始长度的比值，即该覆膜砂试样定负荷高温下的膨胀率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1)本发明所述的覆膜砂高温性能测定方法，可对覆膜砂的高温抗压强度、负荷下的高温耐热时间及其膨胀率，实现准确测定；

2)本发明所述的覆膜砂高温性能测定方法，可对铸造用的耐高温覆膜砂质量进行有效的监测，铸造生产单位可通过选用高温性能好的覆膜砂，大大降低浇铸时由于砂芯变形、开裂、断芯造成的铸件废品率；

3)本发明中仅需对非金属材料高温强度试验仪，稍作适应性技术改进，即可用于对覆膜砂高温性能进行测定，减少了设备投入；

4)本发明所述的覆膜砂高温性能测定方法，操作快捷，简单方便，且结果准确可靠，并能够满足日常的生产检验和科研的需要。

【附图说明】

图1是现有非金属材料高温强度试验仪的结构示意图；

图2是本发明对于非金属材料高温强度试验仪改进后结构示意图；

图3是本发明使用的非金属材料高温强度试验仪电控箱示意图；

图4是本发明中使用的覆膜砂制样机结构示意图；

图5是本发明中所用的覆膜砂加料器结构示意图；

图6是本发明中所用的取模柄结构示意图。

在图中：1、试样；2、下试柱；3、配重环砝码；4、接料盘；5、柱套；6、直线轴承；7、传导柱；8、配重块；9、负荷传感器；10、负荷传感器支柱；11、加载电机；12、箱座；13、位移传感器；14、高温炉；15、上试柱； 16、试验仪电源开关；17、温控数显表；18、负荷数显表；19、位移数显表；20、上加热板；21、试样模具；22、电源开关；23、计时器开关；24、计时器；25、温度控制仪表；26、加料器；27、取模柄。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进；

结合附图1、2、3、4、5、6中所述，本发明覆膜砂高温性能的测定方法，通过以下步骤实现：

1、对非金属材料高温强度试验仪的技术改进

①将非金属材料高温强度试验仪原配置20000N的负荷传感器更换为1000N的负荷传感器9；

②在传导柱7与柱套5之间嵌入直线轴承6，将传导柱7与柱套5之间相对运动时由原来的滑动摩擦变为传导柱7与直线轴承6之间的滚动摩擦，使负荷传感器9在上升的过程中所受阻力大为减小，基本实现了试验负荷的接近于零阻力传递，可对低负荷下覆膜砂高温性能进行准确测量。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

最大试验力(N)	试验力(N)	示值相对误差(%)	重复性(%)
				1000	100	-1.0	1.0
	200	-0.5	0.5
					400	0.5	1.0
	600	0.0	0.0

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进行定负荷试验时，将配重环3标准砝码中等于试验定负荷的砝码取下，以实现对试样1施加向上恒定负荷的目的；

2、覆膜砂高温性能的测定

①试样制备：

在图4中，试样1是在专用的覆膜砂制样机上制作的，试样尺寸为φ10mm×20mm。所述制备过程是：将Φ10 mm×20 mm试样模具21擦上少许脱模剂，放入制样机内，合上上加热板20；通过电源开关22给覆膜砂制样机通电加热。覆膜砂制样机温度控制仪表25显示温度为232℃后，掀开上加热板(20)，用加料器(26)将覆膜砂样品倒入模具21的试样1型腔内，用刮刀快速将多余砂子刮去，合上上加热板20，然后扳下计时开关23按钮，计时器24开始计时保温；到达保温时间后，掀开上加热板20，用取模柄27将模具21小心取出，打开模具21，用取模柄27轻按试样1，使试样1脱出；试样1冷却后，将其上端轻轻磨平至高度为19mm，备用；

②高温抗压强度的测定

打开试验仪总电源开关16，将高温炉14炉温升至设定的试验温度1000℃，在下试柱2上放置好试样1，将高温炉14下降，套住试样1，使试样1基本位于高温炉14的中心位置，在给定温度1000℃下保温1分钟，启动箱座12内的加载电机11，对试样1加载，这时传感器支柱10上的负荷传感器9传递信号给试验仪电控箱上的负荷数显表18，直到试样1破坏为止，记录下负荷数显表18显示的最大负荷值。以此最大负荷值除以试样1的截面积即为该试样在给定温度下的抗压强度；

③覆膜砂定负荷下高温耐热时间的测定

1)首先将负荷传感器9下降，至可轻松在下试柱2上放置试样1为宜；

2)打开试验仪总电源开关16，将高温炉14的炉温升至设定的试验温度1000℃；

3)将配重系统中试验定负荷用800g配重环砝码3取下，以实现对试样1施加恒定负荷（压强）0.1MPa (对于φ10 mm 的试样，截面积约为78.54mm²,定负荷下的压强为800×0.98/78.54=0.1MPa)；

4)在下试柱2上放置试样2，下降高温炉14，使试样基本位于炉套的中心位置，立即开始记录直到试样2溃散(接料盘突然上升)为止的时间，即为该覆膜砂试样定负荷下的高温耐热时间；

④覆膜砂定负荷下高温膨胀率的测定

2)打开加热电源，将炉温升至设定的试验温度1000℃；

3)将配重系统中试验定负荷用800g配重环砝码3取下，以实现对试样1施加恒定负荷（压强）0.1MPa (对于φ10的试样，截面积为截面积为(10/2)²×π≈78.54mm²,定负荷下的压强为800×0.98/78.54=0.1MPa)；

4)在下试柱2上放置试样1，下降高温炉14，使试样1基本位于炉套的中心位置，同时观察位移数显表18中显示的起始位置，随着试样1在高温下受热时间的推移，位移数显表18中位移变化会达到一个最大值，此最大位移变化值与试样初始长度的比值即为该覆膜砂试样定负荷下的高温膨胀率。

实施例一：

对A厂（假设两个不同的覆膜砂生产厂家为A和B两个厂）耐高温覆膜砂的高温性能的测定测定步骤：

① 试样制备

将Φ10 mm×20 mm试样模具21擦上少许脱模剂，放入制样机内，合上上加热板20；通过电源开关22给覆膜砂制样机通电加热。覆膜砂制样机温度控制仪表25显示温度为232℃后，掀开上加热板20，用加料器26将覆膜砂样品倒入模具21的试样1型腔内，用刮刀快速将多余砂子刮去，合上上加热板20，然后扳下计时开关23按钮，计时器24开始计时保温；到达保温时间后，掀开上加热板20，用取模柄27将模具21小心取出，打开模具21，用取模柄27轻按试样1，使试样1脱出；试样1冷却后，将其上端轻轻磨平至高度为19mm，备用；

② 高温抗压强度的测定

打开试验仪总电源开关16，将高温炉14炉温升至设定的试验温度1000℃，在下试柱2上放置好试样1，将高温炉14下降，套住试样1，使试样1基本位于高温炉14的中心位置，在给定温度1000℃下保温1分钟，启动箱座12内的加载电机11，对试样1加载，直到试样1破坏为止，记录下负荷数显表18显示的最大负荷为110N。试样1直径为10 mm，截面积为(10/2)²×π≈78.54mm²，该试样在试验温度下的抗压强度为110/78.54=1.40(MPa)；

③定负荷下的高温耐热时间及其膨胀率的测定

3)将配重系统中试验定负荷用800g配重环砝码3取下，以实现对试样1施加恒定负荷（压强）0.1MPa (对于φ10 mm 的试样，截面积为截面积为(10/2)²×π≈78.54mm²,定负荷下的压强为800×0.98/78.54=0.1MPa)；

4)在下试柱2上放置试样1，下降高温炉14使试样基本位于炉套的中心位置，立即开始记录直到试样1溃散(接料盘4突然上升)为止的时间，即为覆膜砂在定负荷下的高温耐热时间。同时位移数显表18中显示的位移会突然变大，记录下位移随时间变化数据，见表1；

表1 A厂覆膜砂定负荷下位移随时间变化数据表

时间（秒）	压强（Mpa）	位移（mm）
			1	0.1	0.77
2		0.77
			…		…
13		0.77
			14		0.76
15		0.76
			16		0.76
17		0.76
			18		0.75
19		0.75
			20		0.75
21		0.74
			22		0.74
23		0.74
			24		0.74
25		0.73
			…		…
40		0.73
			41		0.73
42		0.74
			…		…
49		0.74
			50…		0.75…
143		0.75
			…		…
144		0.75
			145		0.75
146		0.76
			147		0.76
148		1.42
			149		5.79
150		5.80

从表1可看出，随着时间的变化，覆膜砂试样在高温下最初受热膨胀，位移从0.77mm膨胀至0.73mm，之后逐渐酥松，下试柱向上的位移逐渐变化，在148秒后突然溃散。记录定负荷下高温耐热时间148秒；最大膨胀量为0.04mm，计算其膨胀率为0.04/19×100%=0.21%。

实施例二：

① 试样制备：同实施例一；

② 高温强度测定：打开试验仪总电源开关16，将高温炉14炉温升至设定的试验温度1000℃，在下试柱2上放置好试样1，将高温炉14下降，套住试样(1)，使试样1基本位于高温炉14的中心位置，在给定温度1000℃下保温1分钟，启动箱座12内的加载电机11，对试样1加载，直到试样1破坏为止，记录下负荷数显表18显示的最大负荷为54N。试样1直径为10 mm，截面积为(10/2)²×π≈78.54mm²，该试样在试验温度下的抗压强度为54/78.54=0.69(MPa)；

③ 定负荷下的高温耐热时间及其膨胀率的测定　

定负荷下的高温耐热时间及其膨胀率的测定步骤同实施例一③中的1)、2)、

3)、4)。记录位移随时间变化的数据，见表2；

表2 B厂覆膜砂定负荷下位移随时间变化数据表

时间（秒）	压强（Mpa）	位移（mm）
			1	0.1	0.79
2		0.79
			…		…
17		0.79
			18		0.79
19		0.79
			20		0.78
21		0.78
			22		0.78
23		0.77
			…		…
27		0.77
			28		0.76
29		0.76
			…		…
43		0.76
			44		0.77
…		…
			50		0.77
51		0.78
			…		…
126		0.78
			127		0.79
128		0.79
			…		…
132		0.79
			133		4.74
134		5.73
			135		5.73

从表2可看出，随着时间的变化，覆膜砂试样在高温下最初受热膨胀，位移从0.79mm膨胀至0.76mm，之后逐渐酥松，下试柱向上的位移逐渐变化，

在132秒后突然溃散。记录定负荷下高温耐热时间132秒；试样最大膨胀量为0.03mm，计算其膨胀率为0.03/19×100%=0.16%。

需要说明的是：市售的“非金属材料高温强度试验仪”有不同叫法，常见的叫法为“非金属材料高温抗压强度试验仪”或“ 材料高温强度试验仪”或“非金属材料高温强度试验仪”等，但是结构基本相同且生产厂家非常之多，所以本发明并未对厂家进行描述，但是与本发明结构改进后相同的，便是本发明的保护范围。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims

1.一种覆膜砂高温性能的测定方法，首先需借助对现有设备的改进，即首先需对非金属材料高温强度试验仪作一些技术改进，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的负荷传感器，使之能够适用于覆膜砂高温性能的测定；

(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由原来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的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的传递，进而可实现对低负荷下覆膜砂高温性能的准确测定；

(3) 实现恒定负荷加载，即仪器原平衡系统为：下试柱、接料盘、配重环及传导柱部件的重量与配重块重量相等，其中，配重环环套在下试柱的下端，配重环与下试柱位于接料盘上，接料盘下部与传导柱相连；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；其特征在于：所述覆膜砂高温性能的测定方法：

A.试样制备：试样是在专用的覆膜砂制样机上制作的，试样尺寸为Φ10 mm×20mm；所述制备过程是：将Φ10mm×20mm试样模具擦上少许脱模剂，放入制样机内，合上上加热板；按下覆膜砂制样机电源开关，将覆膜砂制样机温度升到232℃，掀开上加热板，用加料器将覆膜砂样品倒入模具的试样型腔内，用刮刀快速将多余砂子刮去，合上上加热板，然后扳下计时开关按钮，计时器开始计时保温；到达保温时间120秒后，掀开上加热板，用取模柄将模具小心取出，打开模具，用取模柄轻按试样，使试样脱出；试样冷却后将试样上端轻轻磨平待用；

B.高温抗压强度的测定

将炉温升至设定的试验温度1000℃，在下试柱上放置好试样，将高温炉下降，套住试样，在给定的温度1000℃下保温1分钟，启动箱座内的加载电机，对试样加载，这时传感器支柱上所述的负荷传感器传递信号给试验仪记录机构，直到试样破坏为止；试验仪记录的最大载荷除以试样截面积即为该试样在设定温度下的抗压强度；

C.定负荷下高温耐热时间的测定

2）将配重环中定负荷用砝码取下，对试样施加恒定负荷；

3) 在下试柱上放置试样，下降高温炉套到规定位置，立即开始记录直到试样溃散、接料盘突然上升为止的时间，即为覆膜砂试样定负荷高温下的耐热时间；

D.定负荷下高温膨胀率的测定

2）将配重环中定负荷用砝码取下，对试样施加恒定负荷；

3) 在下试柱上放置试样，下降高温炉套到规定位置，同时观察位移记录表起始位置，随着受热时间的推移，位移记录表中位移变化会达到一个最大值，此最大位移变化值与试样初始长度的比值，即为该覆膜砂试样定负荷高温下的膨胀率。