湿型砂粘塑性的研究

湿型砂粘塑性的研究

砂的性能的好坏直接关系到整个湿砂铸造的生产。优质砂可以降低铸造屑的产量，降低生产成本。对于型砂性能的检测研究在铸造业中已进行了相当长的时间。湿型砂由于气体、液体、固体三相共存,同时呈现出粘性、弹性、塑性,因而型砂综合性能表现极为复杂。迄今为止,湿型砂性能检测与控制无论对于在线检测还是实验室试验研究大多依据经验,所测试出来的多属经验性性能参数,而对型砂性能本质的研究尚需进一步深入。笔者基于流变学和型砂微变形理论,对湿型砂粘塑性及其本质进行了研究,并对反映型砂粘塑性的性能指标——塑变临界值进行了检测。1试验研究与结果湿型砂主要由原砂、粘结剂、水和煤粉等附加物组成,各组成物在混砂机的搓辗作用下形成型砂。当型砂中砂粒被粘土膜包覆良好时,型砂表现出较好的性能。砂粒间粘土膜使型砂具有粘塑性性能,粘土膜的流变特性对型砂的粘塑性有重要影响。型砂在紧实过程中既有宏观的塑性变形,如型砂大孔隙的填没、砂粒的滑移重排,同时又有微观的粘塑性变形,如蠕变、再紧实变形等。宏观的塑性变形主要是通过砂粒之间互相错位和滚动实现的,砂粒本身没有发生塑性变形。宏观塑性变形的阻力主要是砂粒间接触点上粘结剂的粘结力,型砂在散体状态下,只要施加较小的压实力,就能克服砂粒间接触点上粘结剂的粘结力而得到一定程度的紧实。型砂的微观塑性变形主要决定于型砂粘土膜的粘弹性性能和粘塑性性能。当型砂紧实到一定程度时,除了砂粒互相滑移外,砂粒间粘土膜中粘土浆将从砂粒间挤出,从而使粘土膜的厚度发生微观变形,对型砂的紧实性能产生影响。研究型砂的微变形特性对于型砂的成型性质,砂型对铸件质量的影响更具有重要意义。型砂压实时的蠕变、回弹延迟和应力松弛等微变形现象均与型砂的粘塑性有关。通过分析、试验得到的砂样抗压测试过程的本质特征曲线可以对型砂的粘弹性和粘塑性有较好的理解。图1是笔者自行研制的型砂性能测试实验装置。此实验装置由砂样机械加载系统和8098单片机检测系统两部分组成。在机械加载系统部分中标准砂样夹在左、右夹头间,由电机驱动蜗杆、蜗轮运动,蜗轮上有螺纹孔,与螺旋推杆配合将旋转运动转化成直线运动,从而对砂样进行加载。8098单片机检测系统部分组成如图2所示。型砂性能参数可以由发光二极管LED即时显示出来,也可以用微型打印机打印出来。微型打印机还能打印出测试过程的本质特征曲线。试验所用原砂为内蒙古大林标准砂,粘结剂采用辽宁黑山钙基膨润土粉。型砂由实验室小型辗轮式混砂机混制。砂样均为三锤紧实标准砂样。所测得的抗压过程的应力—时间(σ-t)曲线如图3中曲线1所示。根据砂样的变形特征,可将砂样抗压变形过程在σ-t曲线上分成三个阶段:(1)滞弹性变形在这一阶段中,砂样发生粘弹性变形,而不发生粘塑性变形。从图中可以看出,曲线OA段开始部分并不是直线,这说明砂样的粘弹性变形在此阶段内发生的是滞弹性变形,即变形虽然也服从虎克定律,但并不发生在加载的瞬时,而是要经过一段时间后才能达到虎克定律所对应的线性关系。此滞弹性变形与型砂的粘性密切相关。试验证明,随着粘土含量的增加,滞弹性变形的时间增长,这是由于粘土含量越多,砂粒之间的粘土膜越厚,型砂的粘性特征表现愈明显。反之,型砂粘土含量越少,砂样越倾向于在加载一开始即发生服从虎克定律线性关系的弹性变形。另外,砂样在加载的最初几秒钟内,由于粘土膜的流变特性,粘土膜受压开始变形,导致了型砂弹性模量并不是一个定值,而是在不断变化,当压实到一定程度时,粘土膜的变形由于弹性应变能积蓄到一定程度而受到阻滞,此时,弹性模量在较短时间内保持不变,在σ-t曲线上表现为直线关系,直至砂样发生粘塑性变形。此阶段的粘弹性变形主要是粘土膜开尔文体的弹性变形,此时砂粒在粘土膜的包覆下没有直接接触,加之应力较小,砂粒的弹性变形不起作用。(2)砂体的不可逆变形在这一阶段,由于砂样所受应力σ逐渐增大,砂样开始发生粘塑性变形,应力和应变不再是线性关系。在应力σ的作用下,粘土浆开始从砂粒间隙挤出,使砂样产生微小的不可逆变形。随着应力的进一步增大,当应力超过砂样所能承受的极限应力值σm时,粘土膜发生畸变,砂样内部砂粒间产生微小滑移,应力σ开始逐渐下降。在此阶段,型砂仍有一定的弹性变形,一方面是随着粘土膜的渐渐变薄,砂粒互相接近,砂粒将产生一定的弹性变形,另一方面是变化的粘土膜在应力作用下也有一定的弹性变形,但是这些弹性变形将被粘土膜的塑性变形吸收,因而在此阶段结束时卸载,型砂发生的是不可逆塑性变形,而不再产生回弹行为。(3)砂样松弛测试由于型砂砂粒之间的粘土膜不断受到剪切力作用,粘土膜逐渐被剪切破坏,砂粒间产生更大的滑移,并沿滑移线产生裂纹,最终导致砂样破坏。从以上分析可以看出,图3中A点是砂样发生粘塑性微变形的起始点,A点所对应的应力值σs对于型砂具有重要意义,它是型砂受力发生粘弹性变形,而不发生粘塑性变形的最大强度值,称之为塑变临界值,它表征型砂抵抗外力不发生粘塑性变形的能力。在铸型生产、运输以及砂芯设计、安装过程中,塑变临界值σs有着重要作用。塑变临界值σs通过砂样松弛测试测定。具体方法如下:先进行抗压测试,然后用另一标准砂样,由8098单片机程序控制加载至A点和B点之间的B′点停机,此时砂样在定应变条件下进行应力松弛。随着时间的延长,应力沿曲线B′C′逐渐减小,直至趋于定值。此值即为塑变临界值σs。曲线B′C′水平部分的反向延长线与OB′的交点即为A点。砂样松弛测试过程的特征曲线如图3中曲线2所示。塑变临界值σs是衡量型砂粘塑性本质性能的一个重要参数。2膨润土含量对型砂润湿性能的影响影响湿型砂质量最主要的因素是有效粘土含量和含水量。紧实率是型砂含水量的直接反映。试验证明,塑变临界值σs与型砂的紧实率和膨润土含量密切相关。紧实率对塑变临界值的影响如图4所示。从图可见,不同膨润土含量的型砂,随着紧实率的增大,含水量的增多,塑变临界值先增大后减小,都在紧实率约为33%时出现极大值。紧实率在一定范围内与水分加入量有一定的对应关系。最初加入型砂中的水,其水分子受粘土颗粒的静电吸引在粘土表面形成水化层,水分子受粘土颗粒的静电吸引力随离粘土颗粒表面的距离增加而减小,超出一定距离后,水分子就不受吸引而成为自由水。图4表明不同膨润土含量的型砂在紧实率为33%时,粘土颗粒表面水化层的厚度是一致的。当低于这一紧实率时,粘土颗粒没有完全润湿,粘土的内聚力和对砂粒表面的附着力都低,因而型砂易于发生粘塑性变形;当高于这一紧实率时,砂粒间自由水逐渐增多,削弱了粘土膜的内聚力,因而也使型砂抵抗外力不发生塑性变形的能力变差,而使塑变临界值降低;在紧实率为33%时,粘土膜的内聚力和附着力都达到最佳值,此时型砂的性能较好,抵抗外力不产生塑性变形的能力强,塑变临界值达到极大值。图5反映出膨润土含量对型砂塑变临界值的影响。从图中可以看出,随着膨润土含量的增加,塑变临界值显著增大,这是由于膨润土加入量增多,砂粒之间的粘土膜变厚,粘土膜的性能相对提高,因而砂型抵抗外力不发生塑性变形的能力增强,塑变临界值增大。3微变形特性与粘塑性变形的关系湿型砂的性能主要与砂粒间粘土膜的性能有关。型砂粘土膜的粘性自始至终作用于型砂性能体现的整个过程。在型砂受压紧实的宏观塑性变形阶段,粘土膜的粘性决定型砂的流动性。要研究型砂的流动性,必须抓住型砂的粘性本质。型砂宏观塑性变形规律与流变学和力学中库伦体的变形规律相同,均与散体内聚力、散体内摩擦角有关。而型砂在紧实到一定程度后,粘土膜的粘性与塑性、弹性综合作用,共同决定了砂型的性能,如粘土膜开尔文体的粘弹性是影响高紧实度砂型回弹性能的主要因素,而粘土膜的粘塑性影响型砂的蠕变、松弛等微变形性能。型砂微观粘塑性变形规律符合流变学中粘塑性体宾汉体的变形规律,即当应力低于某一值时,不发生粘塑性变形;而当应力高于此值时变形就无限增长。对于型砂,这一固定值为塑变临界值σs。在砂型生产过程中和金属液浇注过程中,型砂所受应力要尽量避免高于塑变临界值,从而不让型砂发生粘塑性变形而影响铸件的质量和精度。另外,型砂的塑变临界值与弹性模量之间存在着内在的联系,它们都与型砂粘土膜的性能有关,紧实率和膨润土含量对它们的影响规律相似。型砂的弹性模量值越大,型砂的粘弹性性能就越好,型砂抵抗弹性变形的能力就越强,型砂就越不容易发生粘塑性变形,即塑变临界值越大。反之,型砂的弹性模量值越小,型砂的塑变临界值也越低。型砂塑变临界值与弹性模量之间存在着内在的必然联系,进一步说明,型砂的粘塑性与粘弹性是紧密相连的,只要抓住型砂的本质,就能找出真实反映型砂性能和检测型砂性能的指标,也就能更好地控制砂型和铸件的质量,降低生产成本,真正体现出湿型砂铸造的优越性。4砂型基本粒子复合强度(1)根据σ-t曲线,标准砂样抗压测试变形过程可