2021, Vol. 49
文章信息
- 龚小龙, 樊自田, 胡胜利, 杨致远, 刘富初, 蒋文明
- GONG Xiao-long, FAN Zi-tian, HU Sheng-li, YANG Zhi-yuan, LIU Fu-chu, JIANG Wen-ming
- 玻璃纤维增强KNO3基水溶性盐芯的组织与性能
- Microstructure and properties of KNO3- based water-soluble salt core strengthened by glass fiber
- 材料工程, 2021, 49(2): 73-78
- Journal of Materials Engineering, 2021, 49(2): 73-78.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000354
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文章历史
- 收稿日期: 2020-04-23
- 修订日期: 2020-08-10
随着航空、航天、汽车等行业的集成化、轻量化和薄壁化的快速发展, 铸件的内腔变得越来越狭窄和复杂, 并且铸件的尺寸精度要求也更高, 特别是以铝、镁、锌合金为代表的有色合金精密铸件[1-3]。这些复杂内腔结构一般很难用机械加工或其他工艺成形, 工业上一般采用型芯成形的方法, 这使得型芯不仅需要较高的强度和尺寸精度, 还需要很好的溃散性以便于清理, 传统的砂芯难以满足使用要求[4-6]。水溶性盐芯是以水溶性无机盐为基体材料而制备的型芯, 因具有较高的强度和尺寸精度, 同时还具有优异的水溶溃散性, 在复杂内腔结构铸件的制造中有着广泛的应用前景[7-11]。
目前, 研究较多的水溶性盐芯主要有NaCl, Na2CO3, K2CO3, KCl和Na2SO4等单质或复合盐芯[12-13]。一般而言, 复合盐芯的力学性能明显优于单质盐芯, 其抗弯强度一般为20~30 MPa, 主要应用于内腔结构简单的铝镁合金压铸件中[14-16]。对于内腔结构复杂或液态金属密度大的合金压铸件, 对盐芯的力学性能提出更高的要求, 现有盐芯的强度难以满足使用要求, 其主要原因是水溶性盐芯为脆性材料, 在内腔结构复杂的铸件成形过程中容易发生脆性断裂, 导致产品合格率低[5, 9]。当前, 国内外关于解决水溶性盐芯脆性问题的研究较少, 因此研究水溶性盐芯的强韧化对推广盐芯的工业化生产应用具有重要的理论指导意义。
本工作以70%KNO3-30%KCl(摩尔分数, 下同)为水溶性盐芯的基体材料, 以玻璃纤维为增强材料, 采用搅拌法制备了性能优异的KNO3基水溶性盐芯, 研究了不同玻璃纤维含量对盐芯的抗弯强度、冲击韧性、水溶速率和吸湿率的影响, 分析了玻璃纤维增强水溶性盐芯的微观组织特征, 并对盐芯的强韧化机制进行了讨论。
1 实验材料与方法 1.1 盐芯的制备实验所用的无机盐为工业级硝酸钾和氯化钾, 其纯度≥99.5%;玻璃纤维为200目, 其纤维单丝直径为9 μm, 纤维最大长度为74 μm。图 1为水溶性盐芯的制备工艺过程。先将硝酸钾、氯化钾和玻璃纤维放入烘干箱进行干燥处理, 然后将70%KNO3-30%KCl的混合盐与玻璃纤维(其加入量占总质量的5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%)在研钵中均匀混合; 配置好的混合材料放入电阻炉内的铁坩埚中进行熔化, 混合材料完全熔化后, 用搅拌机搅拌10 min, 使液态混合盐充分混合均匀; 当熔融盐过热度在15 ℃左右时, 开始重力浇注入预热温度在150 ℃左右的金属模具(标准盐芯尺寸: 22.36 mm×22.36 mm×173.36 mm)中, 冷却约30 s后开模取出盐芯, 随后空冷至室温, 即制得盐芯试样。
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图 1 水溶性盐芯的制备工艺流程图 Fig. 1 Process flow chart of preparation of water-soluble salt core |
采用SWY液压强度机用三点弯曲法测定盐芯试样的抗弯强度; 采用XCJD-5摆锤冲击试验机测量盐芯试样的冲击韧性, 摆锤冲击速率为2.9 m/s, 摆锤能量为2.0 J; 将质量为m, 表面积为S的盐芯试样, 放入80 ℃的静水中, 盐芯在水中完全溶解的时间为t, 则盐芯的水溶速率为K=m/(t·S); 将质量为m1的盐芯试样放在空气中(相对湿度为55%~65%), 称量3天后的盐芯试样质量为m2, 则盐芯的吸湿率为φ=(m2-m1)/m1。
1.3 盐芯的微观组织观察盐芯试样经过抗弯强度测试后, 取一部分断裂盐芯试样放入丙酮溶液中超声15 min, 然后将盐芯试样干燥并在其表面进行喷碳处理, 最后在带有能谱仪的Quanta-200环境扫描电子显微镜上观察盐芯的微观组织形貌。采用Image-Pro Plus软件测量盐芯的平均晶粒面积为A, 则盐芯的平均晶粒尺寸为D=2(A/π)1/2。
2 结果与分析 2.1 盐芯的抗弯强度和冲击韧性图 2是玻璃纤维含量对盐芯的抗弯强度和冲击韧性的影响关系图。由图 2可知, 随着玻璃纤维含量的增强, 盐芯的抗弯强度和冲击韧性不断增大。当玻璃纤维的含量为0%(质量分数, 下同)时, 盐芯的抗弯强度为(26.5±0.28) MPa, 冲击韧性为(0.517±0.07) kJ/m2; 当玻璃纤维的含量为30%, 盐芯的抗弯强度和冲击韧性达到最大值, 分别为(38.85±0.61) MPa和(2.13±0.1) kJ/m2, 与未加入玻璃纤维的盐芯相比分别提高了47.14%和311.99%。由此可见, 以玻璃纤维作为增强材料, 采用搅拌铸造法制备盐芯, 可显著改善盐芯的强度和韧性。当玻璃纤维的含量超过30%时, 会降低盐熔液的流动性, 容易产生浇不足等缺陷, 难以保持盐芯的完整性。
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图 2 玻璃纤维含量对盐芯的抗弯强度和冲击韧性的影响 Fig. 2 Effect of glass fiber content on the bending strength and impact toughness of the salt core |
图 3为玻璃纤维含量对盐芯水溶速率和吸湿率的影响关系图。从图 3可以看出, 盐芯的水溶速率和吸湿率随着玻璃纤维含量的增加而减小。当玻璃纤维含量为0%, 盐芯的水溶速率为(998±21.2) g/(min·m2), 吸湿率为(0.281±0.014)%; 当玻璃纤维的含量为30%时, 盐芯的水溶速率为(476.5±12.0) g/(min·m2), 吸湿率为(0.085±0.007)%。盐芯水溶速率的降低是因为盐芯的水溶性实验是在80 ℃静止的水中测试的, 而玻璃纤维是不溶于水的材料, 盐芯在80 ℃静水中溶解的同时玻璃纤维会随着脱落, 脱落的玻璃纤维会覆盖一部分盐芯, 导致盐芯和水的接触面积减小, 从而增加了盐芯的水溶时间。玻璃纤维增强的盐芯在溶解过程中适当增加外力场(如震动、超声等)可提高盐芯的水溶速率。另外, 玻璃纤维的吸湿性比无机盐低, 而且玻璃纤维的存在降低了盐芯与空气的接触面积, 从而导致盐芯吸湿率的降低, 这有利于盐芯试样的保存。
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图 3 玻璃纤维含量对盐芯水溶速率和吸湿率的影响 Fig. 3 Effect of glass fiber content on the water solubility rate and hygroscopic rate of the salt core |
图 4为30%玻璃纤维增强的盐芯断口形貌及相应能谱结果图。由图 4(a)可以看出, 玻璃纤维均匀分布于盐芯基体中, 并且盐芯断口中有很多纤维拉拔孔存在。图 4(a)中红色方框的能谱结果分别对应于图 4(b)~(d)。结合KNO3-KCl相图和能谱结果可以分析出, 盐芯的凝固组织是由KCl初生相、KNO3+KCl共晶相和玻璃纤维组成, 图 4(a)中白色块状晶体为KCl初生相, 灰色区域为KNO3+KCl共晶相。
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图 4 30%玻璃纤维增强的盐芯断口形貌(a)及位置1(b), 2(c), 3(d)能谱结果 Fig. 4 Fracture morphology (a) and energy spectra results of position 1(b), 2(c) and 3(d) in fig.(a) of the salt core strengthened by glass fiber with the mass fraction of 30% |
图 5为不同含量玻璃纤维增强的水溶性盐芯的微观形貌图。由图可知, 玻璃纤维的加入显著细化了盐芯中KCl初生相(图 5中呈白色), 随着玻璃纤维含量的增加, 晶粒细化作用更加明显。一般来说, 凝固过程会偏离平衡态, 先析出的初生相不断长大, 最终会形成粗大的初生相组织。从图 5(a)中可以看出, 玻璃纤维的含量为0%时, 盐芯中KCl初生相为粗大且不规则的树枝状晶, 其平均晶粒尺寸为57.89 μm。当玻璃纤维的含量为10%和20%时, 盐芯中KCl初生相明显细化, 由最开始的粗大树枝状晶转变为花瓣状晶(图 5(b)和5(c)), 其平均晶粒尺寸分别为39.28 μm和28.37 μm。当玻璃纤维的含量为30%时, KCl初生相得到进一步细化, 形成大量细小的块状KCl相(图 5(d)), 其平均晶粒尺寸为24.13 μm。玻璃纤维细化盐芯中KCl初生相的机理之一是熔盐在凝固过程中, 玻璃纤维在熔盐的固-液界面上富集, 发生溶质再分配, 增大了熔盐的成分过冷, 从而细化了KCl初生相[17-18]; 此外, 由于外来玻璃纤维的引入, 晶体生长依附于玻璃纤维表面形核长大, 促进异质形核[19]。盐芯中KCl初生相的细化有益于盐芯强度的提高, 这也解释了图 2中盐芯的抗弯强度随玻璃纤维含量的增加而增加的结果。
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图 5 不同含量玻璃纤维增强的水溶性盐芯的微观形貌 (a)70%KNO3-30%KCl; (b)70%KNO3-30%KCl+10%玻璃纤维; (c)70%KNO3-30%KCl+20%玻璃纤维; (d)70%KNO3-30%KCl+30%玻璃纤维 Fig. 5 Micromorphologies of the water-soluble salt core strengthened by different mass fraction of glass fibers (a)70%KNO3-30%KCl; (b)70%KNO3-30%KCl+10% glass fiber; (c)70%KNO3-30%KCl+20% glass fiber; (d)70%KNO3-30%KCl+30% glass fiber |
当玻璃纤维的含量从0%增加到30%时, 盐芯的冲击韧性从0.517 kJ/m2增长到2.13 kJ/m2, 说明玻璃纤维能够很好地提高盐芯的韧性。玻璃纤维对水溶性盐芯的增韧机制可以归纳为纤维拔出和裂纹偏转, 其示意图如图 6所示。由于玻璃纤维的拉伸强度较高不容易发生断裂, 当载荷由盐芯基体向玻璃纤维传递时, 玻璃纤维从盐芯基体中拔出, 具体表现为在裂纹扩展过程中玻璃纤维拔出而产生能量的耗散(图 6(a)), 从而提高盐芯的韧性。另外, 玻璃纤维在盐芯中作为第二相存在, 裂纹在扩展过程中遇到玻璃纤维会发生偏转, 增加了裂纹的扩展路径(图 6(b)), 从而吸收更多的能量, 使盐芯的韧性得到提高。盐芯基体中玻璃纤维含量越多, 裂纹偏转的路径和纤维拔出数量就越多, 盐芯的增韧效果就越明显。
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图 6 水溶性盐芯增韧机制示意图 (a)纤维拔出; (b)裂纹偏转 Fig. 6 Schematic diagrams of toughening mechanism for the water-soluble salt core (a)fiber pull-out; (b)crack deflection |
为了能更直观地观察盐芯中裂纹的扩展路径, 采用扫描电镜对盐芯的断口进行分析。图 7为水溶性盐芯的裂纹扩展路径, 从图中可以看出, 裂纹在扩展过程中遇到玻璃纤维发生了纤维拔出(图 7(a))和裂纹偏转(图 7(b)), 裂纹扩展能量不断地被消耗, 使得盐芯冲击韧性提高。
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图 7 水溶性盐芯的裂纹扩展路径 (a)纤维拔出; (b)裂纹偏转 Fig. 7 Crack propagation path of the water-soluble salt core (a)fiber pull-out; (b)crack deflection |
(1) 玻璃纤维对水溶性盐芯具有很好的补强增韧作用, 盐芯的抗弯强度和冲击韧性随着玻璃纤维含量的增加而增大。当玻璃纤维含量为30%时, 盐芯的抗弯强度和冲击韧性达到最大值, 分别为(38.85±0.61) MPa和(2.13±0.1) kJ/m2, 与未加入玻璃纤维的盐芯相比分别提高了47.14%和311.99%。
(2) 微观分析表明, 玻璃纤维均匀分布于盐芯基体中, 显著细化了盐芯中KCl初生相。随着玻璃纤维含量的增加, KCl初生相由初始的粗大树枝状向花瓣状晶和块状晶转变, 其平均晶粒尺寸从57.89 μm降低到24.13 μm。
(3) 玻璃纤维增强KNO3基水溶性盐芯的机制主要归纳为盐芯中KCl初生相的细化, 裂纹在盐芯内部扩展过程中发生了裂纹偏转和纤维拔出。
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