高韌性型芯增強材料的配方設計

高韌性型芯增強材料的配方設計

相對較低耐火性的無產(chǎn)階級（kcl、nacl、na2co3、kco3等）廣泛用于鋁用透水芯，但無產(chǎn)階級是一種脆弱的材料。所制的芯的強度很低。通過添加氧化鎂、粘土等粉末材料制備的芯型增強芯。隨著航空工業(yè)的發(fā)展,鑄件的復雜程度越來越高,對型芯的強度提出了更高的要求.作為粉末材料的氧化鎂加入后,型芯中無機鹽晶粒得以細化,從而起到了增強的作用.實驗中發(fā)現(xiàn)高嶺土、硅藻土等粉末也能起到增強的效果.另外,晶須的增強作用在高分子材料及復合材料行業(yè)得到廣泛利用,但在鑄造鹽芯中應用較少.因此,本研究引入高嶺土、硅藻土以及硼酸鎂晶須為粉末添加劑,考察其對水溶性型芯強度的增強效果.鑄造研究領域中普遍采用正交試驗來實現(xiàn)配方的優(yōu)化,雖然正交試驗也考慮各因素之間的交互作用,但得到的結果只是試驗水平上的最佳配比及預測各因素對變量的影響趨勢,而混料設計就是研究配料中各試驗因素的最佳配比問題.該方法可以通過較少的試驗次數(shù),利用回歸分析建立連續(xù)變量曲線模型,對各因素及其交互作用進行評價,得到各因素的最佳配比.為此,本研究在單獨考察3種粉末單獨增強水溶性型芯后,進一步采用混料設計考察它們的復合增強效果,以期獲得最優(yōu)的水溶性型芯配方.1實驗1.1實驗材料及設備主要原材料:70/140目硅砂(內蒙古大林產(chǎn));無水K2CO3(分析純,天津登峰化學試劑廠產(chǎn));煅燒高嶺土(400目,河南某地產(chǎn))、硅藻土(青島三星硅藻土有限公司產(chǎn));硼酸鎂晶須(沈陽美西精細化工有限公司產(chǎn)).主要實驗設備及檢測儀器:SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機;SWY液壓萬能強度試驗機;SHY樹脂砂混砂機,均為無錫市三峰儀器設備有限公司產(chǎn).1.2帶型芯強度測試試樣的制備:將500g硅砂與粉末在混砂機中干混1min,再加入以40gK2CO3和40g水配置的K2CO3溶液濕混3min,待制樣機溫度達到180℃時開始制樣,加熱3min后脫模取出試樣,并將型芯置于干燥皿中備用.“8”字試樣在SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機上制作完成,所得型芯斷面尺寸為標準“8”字試樣斷面的1/2.抗拉強度測試:將制得的型芯置于強度試驗機上測量抗拉強度St.同一配方實驗進行5次,將所測得的5組數(shù)據(jù)去除最大值和最小值后求得的平均值即為抗拉強度值.由于所制得型芯厚度為標準“8”字試樣斷面厚度的1/2,因此所得抗拉強度值應為實測強度讀數(shù)的2倍.1.3混料約束條件在硅砂中分別單獨加入高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土,考察各自加入量xi對型芯抗拉強度St的影響.b.混料實驗混料設計是一種特殊的響應曲面設計方法,該方法中各因素為混料的各組分,響應Y則是各組分比例xi的函數(shù).混料設計的目的在于建立響應Y與組分比例xi的數(shù)學模型,從而對任意組分比例下的響應進行預測.在混料設計中,各組分的比例xi必須是非負的,且它們的總和必須是1.混料約束條件可以表示為xi≥0(i=1,2,?,m),∑ixi=1.(1)xi≥0(i=1,2,?,m),∑ixi=1.(1)對實驗所測得的數(shù)據(jù)可以采用線性模型和二次模型對其進行回歸分析,即:Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj?(3)Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj?(3)式中:βi為線性回歸系數(shù);βij為二元回歸系數(shù).水溶性型芯配方中包括砂、無機鹽溶液以及粉料添加劑,其中粉料添加劑的比例較小,需要采用極端頂點設計法進行混料設計,但粉料添加劑比例過小,又難以用極端頂點設計法進行混料設計.而本研究旨在考察高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須3組分配比對型芯強度的影響,為此可以以這3種組分進行混料設計,3因素配比總和等于1,具體實驗設計方案見表1.本研究采用minitab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和回歸分析,并采用t檢驗和F檢驗分別對每個單獨的自變量和回歸模型總的回歸效果進行顯著性檢驗.當各項的P值(概率)小于0.05時,表明回歸模型具有顯著性意義.2結果與分析2.1硅砂/鎂晶須加入量為7%時型芯強度檢測高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須對型芯抗拉強度的影響規(guī)律見圖1.從圖1可以看出3種物質對抗拉強度的影響都有先增大后減小的趨勢,其中硼酸鎂晶須的加入量為硅砂質量的7%時型芯抗拉強度達到最大值;而高嶺土和硅藻土在加入量為硅砂質量的3%~5%時型芯的抗拉強度值就已經(jīng)達到最大值,且加入量在3%~5%時強度值相差不大.另外,在不考慮加入量的情況下比較3種物質對抗拉強度的影響,可以看出三者的增強效果表現(xiàn)為硅藻土>硼酸鎂晶須>高嶺土.2.2全模型的建立及驗證由于硼酸鎂晶須價格較高,出于對型芯成本的考慮不宜加入過多.另外,從單因素實驗的結果中可以看出:高嶺土、硅藻土在加入量達到3%后型芯的強度增加不明顯.為此,可以將總的加入量定為硅砂質量的3%即可.混料組分對型芯抗拉強度的影響見表1.采用minitab軟件對表1中的數(shù)據(jù)進行全模型的回歸分析和方差分析結果,見表2.從表2中可以看出:除x1×x2項對應的P值大于0.05外,其余各項的P均小于0.05.這表明除x1×x2項外,其余各項對抗拉強度均有顯著影響.方差分析結果表明回歸模型的總效果是好的(各項對應的P均小于0.05),且殘差診斷未出現(xiàn)異常,預測的多元相關系數(shù)為R1=92.51%,因此模型具有較好的預測能力.但全模型中2個自變量的交互效應項不顯著,因此有必要對模型進行改進,改進模型主要是刪除此不顯著項.經(jīng)分析可知刪減模型也是有效的,為對比2個模型,將全模型與刪減模型效果列于表3.多元相關系數(shù)R的降低與模型項數(shù)減少有關,若模型項數(shù)減少,R會略微降低.比較模型的好壞關鍵是看修正的多元相關系數(shù)R2是否有所提高.從表3中可以看出:R2從98.53%提高到98.81%,這說明刪除不顯著項后,回歸的效果更好.而殘差標準差s和預測殘差平方和h由0.0527681和0.128179分別降至0.0474678和0.102397,再次證明刪除不顯著項后回歸模型更好.因此最后確定抗拉強度值的回歸模型為St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.混料設計可以根據(jù)各組分的三元等值線圖直觀地觀察各組分間的變化對指標的影響.圖2為3組分不同配比條件下抗拉強度的等值線圖.隨著高嶺土比例x1的降低,抗拉強度值逐漸增大.因此要獲得高的強度,高嶺土的比例應為0.硅藻土和硼酸鎂晶須的比例難以從等值線圖和響應曲面圖中確定.通過混料設計中的響應優(yōu)化器求解結果為:當高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土的比例為0.0:0.4:0.6時,型芯可獲得最高強度2.57MPa.為了驗證模型預測的準確性,按優(yōu)化的配比重復實驗,測得該配比下型芯的抗拉強度值分別為2.60MPa,2.65MPa和2.54MPa,與預測值2.57MPa較接近.2.3不同粉末增強下型芯強度對比將按混料設計優(yōu)化的配方制得的水溶性型芯與未做增強處理以及3種不同粉末增強的水溶性型芯的抗拉強度進行對比,評價增強效果.不同粉末增強下型芯的抗拉強度見圖3.從圖中可以看出:在型芯混合料中單獨添加高嶺土、硼酸鎂晶須以及硅藻土等粉末材料后,型芯的抗拉強度得到了很大的提高(超過2倍),而對3種粉末進行復合配方后,型芯強度提高了4倍,增強效果十分顯著.3最佳配方的確定本研究以單因素試驗考察了高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須的增強效果,并以混料設計考察了3種粉料復合配方對型芯強度的影響,得到以下結論:a.高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土均能起到增強水溶性型芯的作用,且增強能力依次增強;b.混料設