高韧性型芯增强材料的配方设计

高韧性型芯增强材料的配方设计

相对较低耐火性的无产阶级（kcl、nacl、na2co3、kco3等）广泛用于铝用透水芯，但无产阶级是一种脆弱的材料。所制的芯的强度很低。通过添加氧化镁、粘土等粉末材料制备的芯型增强芯。随着航空工业的发展,铸件的复杂程度越来越高,对型芯的强度提出了更高的要求.作为粉末材料的氧化镁加入后,型芯中无机盐晶粒得以细化,从而起到了增强的作用.实验中发现高岭土、硅藻土等粉末也能起到增强的效果.另外,晶须的增强作用在高分子材料及复合材料行业得到广泛利用,但在铸造盐芯中应用较少.因此,本研究引入高岭土、硅藻土以及硼酸镁晶须为粉末添加剂,考察其对水溶性型芯强度的增强效果.铸造研究领域中普遍采用正交试验来实现配方的优化,虽然正交试验也考虑各因素之间的交互作用,但得到的结果只是试验水平上的最佳配比及预测各因素对变量的影响趋势,而混料设计就是研究配料中各试验因素的最佳配比问题.该方法可以通过较少的试验次数,利用回归分析建立连续变量曲线模型,对各因素及其交互作用进行评价,得到各因素的最佳配比.为此,本研究在单独考察3种粉末单独增强水溶性型芯后,进一步采用混料设计考察它们的复合增强效果,以期获得最优的水溶性型芯配方.1实验1.1实验材料及设备主要原材料:70/140目硅砂(内蒙古大林产);无水K2CO3(分析纯,天津登峰化学试剂厂产);煅烧高岭土(400目,河南某地产)、硅藻土(青岛三星硅藻土有限公司产);硼酸镁晶须(沈阳美西精细化工有限公司产).主要实验设备及检测仪器:SAR-Ⅱ智能温控覆膜砂制样机;SWY液压万能强度试验机;SHY树脂砂混砂机,均为无锡市三峰仪器设备有限公司产.1.2带型芯强度测试试样的制备:将500g硅砂与粉末在混砂机中干混1min,再加入以40gK2CO3和40g水配置的K2CO3溶液湿混3min,待制样机温度达到180℃时开始制样,加热3min后脱模取出试样,并将型芯置于干燥皿中备用.“8”字试样在SAR-Ⅱ智能温控覆膜砂制样机上制作完成,所得型芯断面尺寸为标准“8”字试样断面的1/2.抗拉强度测试:将制得的型芯置于强度试验机上测量抗拉强度St.同一配方实验进行5次,将所测得的5组数据去除最大值和最小值后求得的平均值即为抗拉强度值.由于所制得型芯厚度为标准“8”字试样断面厚度的1/2,因此所得抗拉强度值应为实测强度读数的2倍.1.3混料约束条件在硅砂中分别单独加入高岭土、硼酸镁晶须和硅藻土,考察各自加入量xi对型芯抗拉强度St的影响.b.混料实验混料设计是一种特殊的响应曲面设计方法,该方法中各因素为混料的各组分,响应Y则是各组分比例xi的函数.混料设计的目的在于建立响应Y与组分比例xi的数学模型,从而对任意组分比例下的响应进行预测.在混料设计中,各组分的比例xi必须是非负的,且它们的总和必须是1.混料约束条件可以表示为xi≥0(i=1,2,⋯,m),∑ixi=1.(1)xi≥0(i=1,2,⋯,m),∑ixi=1.(1)对实验所测得的数据可以采用线性模型和二次模型对其进行回归分析,即:Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj‚(3)Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj‚(3)式中:βi为线性回归系数;βij为二元回归系数.水溶性型芯配方中包括砂、无机盐溶液以及粉料添加剂,其中粉料添加剂的比例较小,需要采用极端顶点设计法进行混料设计,但粉料添加剂比例过小,又难以用极端顶点设计法进行混料设计.而本研究旨在考察高岭土、硅藻土和硼酸镁晶须3组分配比对型芯强度的影响,为此可以以这3种组分进行混料设计,3因素配比总和等于1,具体实验设计方案见表1.本研究采用minitab软件对试验数据进行统计和回归分析,并采用t检验和F检验分别对每个单独的自变量和回归模型总的回归效果进行显著性检验.当各项的P值(概率)小于0.05时,表明回归模型具有显著性意义.2结果与分析2.1硅砂/镁晶须加入量为7%时型芯强度检测高岭土、硅藻土和硼酸镁晶须对型芯抗拉强度的影响规律见图1.从图1可以看出3种物质对抗拉强度的影响都有先增大后减小的趋势,其中硼酸镁晶须的加入量为硅砂质量的7%时型芯抗拉强度达到最大值;而高岭土和硅藻土在加入量为硅砂质量的3%~5%时型芯的抗拉强度值就已经达到最大值,且加入量在3%~5%时强度值相差不大.另外,在不考虑加入量的情况下比较3种物质对抗拉强度的影响,可以看出三者的增强效果表现为硅藻土>硼酸镁晶须>高岭土.2.2全模型的建立及验证由于硼酸镁晶须价格较高,出于对型芯成本的考虑不宜加入过多.另外,从单因素实验的结果中可以看出:高岭土、硅藻土在加入量达到3%后型芯的强度增加不明显.为此,可以将总的加入量定为硅砂质量的3%即可.混料组分对型芯抗拉强度的影响见表1.采用minitab软件对表1中的数据进行全模型的回归分析和方差分析结果,见表2.从表2中可以看出:除x1×x2项对应的P值大于0.05外,其余各项的P均小于0.05.这表明除x1×x2项外,其余各项对抗拉强度均有显著影响.方差分析结果表明回归模型的总效果是好的(各项对应的P均小于0.05),且残差诊断未出现异常,预测的多元相关系数为R1=92.51%,因此模型具有较好的预测能力.但全模型中2个自变量的交互效应项不显著,因此有必要对模型进行改进,改进模型主要是删除此不显著项.经分析可知删减模型也是有效的,为对比2个模型,将全模型与删减模型效果列于表3.多元相关系数R的降低与模型项数减少有关,若模型项数减少,R会略微降低.比较模型的好坏关键是看修正的多元相关系数R2是否有所提高.从表3中可以看出:R2从98.53%提高到98.81%,这说明删除不显著项后,回归的效果更好.而残差标准差s和预测残差平方和h由0.0527681和0.128179分别降至0.0474678和0.102397,再次证明删除不显著项后回归模型更好.因此最后确定抗拉强度值的回归模型为St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.混料设计可以根据各组分的三元等值线图直观地观察各组分间的变化对指标的影响.图2为3组分不同配比条件下抗拉强度的等值线图.随着高岭土比例x1的降低,抗拉强度值逐渐增大.因此要获得高的强度,高岭土的比例应为0.硅藻土和硼酸镁晶须的比例难以从等值线图和响应曲面图中确定.通过混料设计中的响应优化器求解结果为:当高岭土、硼酸镁晶须和硅藻土的比例为0.0:0.4:0.6时,型芯可获得最高强度2.57MPa.为了验证模型预测的准确性,按优化的配比重复实验,测得该配比下型芯的抗拉强度值分别为2.60MPa,2.65MPa和2.54MPa,与预测值2.57MPa较接近.2.3不同粉末增强下型芯强度对比将按混料设计优化的配方制得的水溶性型芯与未做增强处理以及3种不同粉末增强的水溶性型芯的抗拉强度进行对比,评价增强效果.不同粉末增强下型芯的抗拉强度见图3.从图中可以看出:在型芯混合料中单独添加高岭土、硼酸镁晶须以及硅藻土等粉末材料后,型芯的抗拉强度得到了很大的提高(超过2倍),而对3种粉末进行复合配方后,型芯强度提高了4倍,增强效果十分显著.3最佳配方的确定本研究以单因素试验考察了高岭土、硅藻土和硼酸镁晶须的增强效果,并以混料设计考察了3种粉料复合配方对型芯强度的影响,得到以下结论:a.高岭土、硼酸镁晶须和硅藻土均能起到增强水溶性型芯的作用,且增强能力依次增强;b.混料设