第十五期 铸gang丸的尺cun及其bian化性
fa瞛i奔洌?017/3/25 11:55:20

引 言                                                                                                        

    铸gang丸最重要的指标就是尺cun。铸gang丸的尺cun是喷丸qiangdu、fu盖率和硬化层shen的重要影响因su。因此,丸料尺cun的bian化性也是很重要的因su。在规范SAE J444和AMS 2431中,指定采yong筛分的方shi确葂ian齡ang丸的尺cun。因此,基于筛网的目数可以得到铸gang丸的名义尺cun。同时,铸gang丸的尺cun也可以yong球体的直jinglai表示。采yong球体直jing表征的方shi蕅ian冉戏奖愕mo馐qie蛭╝)铸gang丸是近si球形祄o╞)球体的形状特征仅有yi个尺cun,ji球体的直jing。如果yong球体直jing表征丸料尺cun,那me需要使yong“近si球体”的概念。

    yi个丸料和它的“近si球体”具有同样的体积(因此也具有同样的质liang)。图1显示了筛网间xi和等球体zhi间的尺cun差yi,这种尺cun差可以作为筛分丸料尺cun的方法。

 

图1 尼龙筛网shang的铸gang丸


    铸gang丸的尺cun穤hiji窍郿angguang的。图2为SAE J444规范謝ie闹齡ang丸的尺cun穤hi挤段Аang丸的型hao为S+数字,尺cun穤hi挤蟂AE J444的规定。

    每种名义尺cundu有相应的直jing穤hi挤段В飧龇段怯胫苲ao和筛分铸gang丸的方法相guan的。在SAE J444规范中规定了每种铸gang丸的尺cun穤hi挤段АV齡ang丸尺cun穤hi挤段г絛a,对受喷零件qian在影响的不确定因su越多。lingyi方面,如果铸gang丸的尺cun穤hi荚絰iao,那me其制zao和丸料维护成本就越gao。但是,在不考虑单个规范的特定含义的情况下,倾xiang于这样li解:规范的存在就是为了使yong户相信是符合相guan标准的。


 

图2 gen据J444 标准规定的丸料名义尺cun绘制祄u黶i球体


    所觴ie呐缤韫娣抖ji腔谔囟ú问亩ㄒ濉eliang方法和bian化liang范围而制定的。以shang三个因sudu应该清晰地规定并尽可能胔ui衴i议。

    新的和使yong过的gang丸的尺cun穤hiji遣幌嗤摹H魏涡蚳ao的gang丸在使yongzhi后由于磨损的原因尺cundu会bianxiao。使yong后的铸gang丸会包含已经磨损的gang丸和新添加的gang丸,其中由于磨损而bianxiao的gang丸占有yi定的比例。“原shigang丸”和“维护gang丸”就是qu穤hi街肿刺膅ang丸。“维护gang丸”的尺cun穤hi甲刺梢詙ong糶ang中蚳ao的“原shigang丸”混合方shi进行mo拟。例如,S230的“维护gang丸”可以yongS110、S170和S230的“原shigang丸”以yi定的比例混簒i姆絪hi进行mo拟。


丸義i拿宄遚un

    丸義i拿宄遚un就是每种型hao丸義i膒ing均尺cun的表da方shi。如果假设每种丸義i男巫炊ji乔蛐危鴔ie密du为7860Kg/m3,那me可襶ue扑阃枇xi膒ing均质liang,如表1所示。

    yi般把样品的重liang定义为100g,襝an碛腥硕圆煌蚳ao的100g丸料包含多少个丸粒感xingqu。不同规格丸義i氖齦iang从几百wan到几千不等,这主要与丸義i某遚un有guan。喷丸设眊ang衴i直循环使yong的100Kg的S110铸gang丸竟包含了10亿个丸粒!


  表1 采yong“近si球体”原ze从J444标准得到的名义丸料尺cun

 

丸義i腷ian化性

    铸gang丸的名义尺cun蕅ie桓鋈范ǖ闹担欢谑礿i中铸gang丸的尺cun却蕅ie桓龇段е怠U飧龇段【鲇谕枇xi腷ian化性和筛分方法。

    铸gang丸是采yonggang液直接制zao祄o庵种苲ao方法是zao成丸料尺cunbian化性的主要原因。把gang液从gang水包謝ie谷雊ao压水射liu中,水射liu会把gang液冲san成xiao的熔滴,熔滴固化后就bian成了丸粒。熔滴在固化的过cheng中会通过jianxiao表面积体积比的方shi尽力降di表面能。而球形就是具有最xiao的表面积体积比。因此,铸gang丸的ke粒du近si于球形。图3显示了通过yimanzhuogang可以制zao的gang丸的可能穤hi挤段АM贾xie那吆汀罢zhi肌鼻吆芟鄐i。该曲线的ping均值可以通过yi些手段进行控制,例如调整水liu的速du和形态。ping均值的bian化性可以通过方差进行定liang表征(标准差的ping方)。



图3. 铸gang丸的尺cunbian化类型


    质liang与尺cun的bian化guanxi如图3所示,该图中只包含了yi部分chang见的丸料型hao(例如S110、S170和S230)。由于水淬火状态祄u鹗鬰ai料feichang的cui,因此,丸義ian苲ao过cheng的砂料部分feichangrong易sui。但是通chang情况下,把丸料和砂料粗筛分lizhi前,所觴ie耐枇虾蜕傲xi蓟峤蟹旨叮缓蠼衋o氏体化和淬火。然后对丸料部分进行回火和蟝an阜郑圆鷐an足规范的不同型hao的丸料。

    通过蟝an阜值姆椒梢园淹枇戏治媳曜嫉牟煌男蚳ao。蟝an阜值姆椒ㄊ侵苲ao商的机密。图4显示了符合J444标譲ia蟮目赡艿纳阜址椒ā@纾杂赟70的丸料,通过筛分的方法使其通过0.355mm的筛网,不通过0.125mm的筛网。这就会man足J444标准謝ie摹?.425mm的筛网全通过,0.355mm的筛网shang最多liu存10%,0.180mm的筛网shang最少80%,0.125mm的筛网shang最少90%”。图4中guan于S110、S170和S270丸義i南鄃uan筛分范围也是符合J444要求的。

 

图4. 对于铸gang丸的筛分筛网xuan择


    每种型hao的丸義i蓟岚瑈i定的尺cun范围。对于图3中miao述的S70铸gang丸,其丸義ian眏ing范围为0.125mm到0.355mm。yi个丸粒的质liang是其体积乘以gangtie的密du。体积为πd3/6(d为直jing)。因此质liang的范围是直jing范围的3次方。以zhi前讲到的S70丸料为例,其质liang穤hi挤段?.355/0.125)3到1。对于S110的丸料,质liang穤hi挤段?.8到1,S170是2.9到1,S230是1.7到1。如果丸義ian苲ao商要制zao更为精细的S70的gang丸,那meS70gang丸范围的下xian要提升到0.180mm,同样也是man足规范J444。对于精细的S70,其质liang范围为7.7到1.


尺cunce试方法

    yi种典型的丸料尺cunce试方法就是在胟e枇xian谐槿?00g的样品,采yongyixi義ie曜忌fu猩阜秩缓蠖悦坎闵竿鴖hang的丸料进行称重。这种ce试方法包含了糶ang謆ian化性。首先就是丸料样品本身,样品是从yida批丸義ian衳uan取的yixiao部分,xuan取的丸料具觴ing婊浴D壳耙丫卸嘀旨ji酰纭盎鷛ie随机抽样”,已经能够保证所xuan取的样品具有合li的代表性。其次是把同yi100g样品进行重复筛分ce试,结果也会有不同,ji使很轻微。最后,也是feichangguan键的就是筛网本身也具觴ie浠浴i使拿yi个质liang最gao的筛网,那me它的不同网口的孔jing也存在差yi。随着使yong时间的增加,筛网的磨损会进yi步加剧,也会增加孔jing的差yi性,同时会zao成孔jing的ping均尺cun进yi步加da。值得注意的yi点就是,100g丸義ianxie耐枇J縡eichang的多,例如,100g的S110铸gang丸具有dayueyi百wan个丸粒。

    规范中guan于尺cunbian化性的信xi相对有xian,如图5所示。guan于丸料筛分的信xi,AMS 2341标准规定对于每yi种型hao的丸料使yong5层huo4层筛网(gen据丸義i某遚un而定),比J444标准规定的4层huo3层筛网更多yi些。


 

图5. J444标准shangS170铸gang丸的尺cun穤hi稽/span>


    在实ji的ce试中,100g样品筛分zhi后会得到几个不同的重liang。对于ai罨档那榭觥保ɡ纾阜纸峁鼋鰉an足规范的极xian),尺cun的bian化性将da到最da。图6就为这种最坏的情况,ji在0.850mm筛网shangliu存10g,在0.710mm筛网shangliu存75g,在0.355mm筛网shangliu存12g襶uebaü?.355mm筛网3g。

 

图6. 对S170丸料进行筛分试验的ai罨档那榭觥包/span>


    S170的名义尺cun为0.425mm球形的直jing。那meyi个重要的问题就是a?中丸料样品的ping均尺cun是多少?”。正确答案是n⒉恢溃蛭?謝ing峁┑男舩i并不充分”。如果假设每部分丸義i膒ing均尺cun是每部分极xian值的yi半,那me可以zuo出筶ang恪;趕hang述假设,将有3g的0.1725mm的丸料,12g的0.390mm的丸料,75g的0.5675mm的丸料襶ue?0g的0.780mm的丸料,那me得到的最终ping均值为0.352mm!这种筶ang鉲aizi于质liang与体积的换算guanxi。结果显示3g部分的丸料数目占比为48%,12g部分的数目占比为17%,75g部分的数目占比为33%,10g部分的占比仅为2%。

    以shang的计算显示了丸料筶ang愕膆e心问题,就是筛网尺cun是与丸義ian眏ing相guan祄o欢蔿iang和体积是正正比的。

    对于S170丸料yi个ai頷ao的情况”就是,所觴ie耐枇xi纪ü?.710mm的筛网,然后liu存在0.425mm的筛网shang。ji使这样也不能精确地知道丸義i膒ing均直jing。


单个丸粒尺cunce试方法

    如果可以ce试单个丸粒的尺cun,那me就能够得到丸料尺cun的bian化性。可以通过糶ang址椒╟e试单个丸粒的尺cun,最为chang见的方法是精确称重法和图像分析法。每种方法du有其利弊。样品的尺cun是很重要的。10到1000个范围的丸粒可以代表实ji的丸料尺cun。如果丸粒数目xiao于10个,那me総ong荒艹浞值豭iancebian化性的有意义的精du。如果丸粒数目多于1000个,那me这个jiance就太耗费时间了。称重的方法和形状是无guan的。lingyi方面,图像分析方法是受单个丸粒的形状影响祄o鴔ie相对主观性qiangyi些。


称重法

    称重的方法蕅iang凸鄣mo渚沸钥梢詙ong指定的称重设备lai保证。但是这种方法的缺点就是bi须皒unジ鐾枇T谔靝ingshangfangshang又fang下。如果把丸粒ping铺到图1謝ie哪崃竿鴝hishang,然后觤e衏i性的zhen转yi丸粒,可能会更加rong易cao作yi些。xian代的电子称重设备可以直接把称重的数据传到电子表格謝iaoⅫ/span>


图像分析方法

    这种方法需要使yong照相显微镜lai获取图像,然后使yong图像分析电脑cheng序进行分析。首要的问题就是电脑cheng序不能zi动地qu分单个丸粒。因此就如称重法yi样,采yong尼龙筛网的方法就更为方便yi些。huo者,图像可以yong电脑进行处li。电脑处li的方法为先使yong“二元收缩”的方法(ji把yi层的丸粒逐个剥li直zhi胔ui型枇;ハ嘟觕hu),然后使yong“二元膨zhang”的方法(ji人为地使丸粒互相zhi间进行接chu)。这就得到了计算机可以处li的单个丸粒的图像结果。

    称重法和图像处li法du可襶ue扑阃枇xi膒ing均尺cun。


ping均直jing/质liang的单层ce试方法

    为了ce试丸料样品的ping均尺cun,可以采yongshang述的方法ce试单个丸粒的尺cun然后进行ping均。也可以采yongling外yi个ban法,就是把样品铺成yi层,ce其质liang和面积。这种方法是基于丸義i膒ing均直jingd,质liangM簍ui渌季莸拿婊鼳zhi间有着直接的guanxi。

    对于方形排布的丸料,其数目为n,所占面积为A,那me可以得到n=A/d2。yi个丸粒的质liangm为ρ*π*d3/6。n个丸粒的zong质liangN所占据的面积为A,那meM= A/d2*ρ*π*d3/6,然后可以得到gongshi(1):

    d=6M/A*ρ*π                      (1)

    其中ρ=密du

    图7man足于gongshi(1),采yong统yi的球形ke粒的方形排布方shi。

    为了使gongshi(1)的原li更加具体化,可以把yi个丸料样品ping铺在yi个固定的面积謝iaoM枇涎坊岚琩aliang的丸粒。例如,10g的S110丸料包含了100000个丸料。想象yi下,举yi个例子,S110的丸料样品具觴ie膒ing均直jing为0.0110英cun,然后ping铺在yi个固定的面积中,其质liang为10.00g。如果样品丸義i闹眏ing增加1%,其它参数不便的情况下,样品的质liang会增加zhi10.10g。这样的yi个质liangbian化很rong易通过天pingce试出lai。

 

图7.在单位面积shang丸義ian眏ing和数liang的guanxi


    如果只是把丸料简单地倒入yi个圆盘中并不能形成yi个真正的单层丸料。图8显示了在圆盘中出蟴hi说诙阃枇弦yue拔尥枇蟩u域(ji图謝ie膆ei点和baisequ域)。可以通过使“第二层丸料”和“无丸料qu域”均衡的方shi很快地得到真正的单层丸料。单层丸義ian蔿iang的再xian性是很hao祄o杂?0g的丸料yi般xiao于0.1g。与简单的倾倒的方法相比,要得到真正的单层丸料需要更为复杂的糺i酢6杂诘ゲ阃枇xi腸e试方法可以通过数码相机fangda到计算机huo电视的屏膆uang辖xiaoⅫ/span>

 

图8.通过灯箱使yong单反相机拍照得到的S330丸料照片

丸料尺cunbian化性的分析方法

    表征丸料bian化性的两个有yong的方法就是柱状图和he须图。


柱状图

    柱状蚸i腔诎褄ong数据分成在相应范围na的多个数据的方法。图9和图10就是ce试69个S780丸粒重liang后得到的质liang与数liang的柱状图。把图9謝ie闹蔿iangce试结果换算成“近si球体”的直jing就得到了图10。

    采yong柱状图有利觴ie祝腿缤?和图10所示。采yong不同的参数就会得到不同的穤hi冀峁V蔿iangbian化柱状图中xiang较di值倾xie,而直jingbian化柱状图中出蟴hi怂濉4油枇xian衳uan取的ce试样品是通过不同直jing筛网筛分的方法得到的。很有可能样品是两种规格的丸料合成祄o恐止娓竦耐枇鲜浅蕏ian出正态穤hi嫉摹V某遚un、参数和范围du会qianglie地影响穤hi记叩闹掷唷Ⅻ/span>

    柱状图不会产生定liang参数的穤hi肌K亲頳a的特征就蕅iang梢猿蕏ian出yi种熟xi的视觉形象。通过柱状图分析得到的数据可以yonglai确定互补的参数,如范围、ping均值和标准偏差。


 

图9. 型hao为S780的丸義ian蔿iang与数liang的柱状图


 


图10. 型hao为S780的丸義ian眏ing与数liang的柱状图


he须图

    he须图可以生动地miao绘出从yi组celiang数据謝ie玫降奈甯霾问母爬āU馕甯霾问亲顇iao值、最da值、较di的四分位数(Q1),中位数和较gao地四分位数(Q3)。“中位数”是指yi组ce试数据謝ie闹屑渲担虼藋i半的数据会gao于中间值,yi半的数据会di于中间值。a姆治皇笔莄eliangzong数的四分zhiyi。因此,dang四分zhiyi的数据在“he子zhishang”而ling外四分zhi三在“he子zhi下”时,“he子”中包含了zongce试数据的yi半。Excel软件采yong其zi身的运算方shilai决定四分位数、最xiao值、最da值和中位数。

    图11显示了使yongExcel对yi组数据进行分析后得到的三个he须图。这可以说ming怎me在差yi中lai定liang地对比最重要的尺cun参数。

    和柱状图不yi样,因为he须蚸i怯隻ianliang(例如柱的尺cun、柱的数liang等)完全独立祄o虼薶e须蚸i峭耆凸鄣摹ang遇到yi些可能性的规范条 例时,那me这个特征会feichang的有yong了。

    在实ji应yong中采yonghe须图进行解释会更为rong易。特bie是遇到中间值在“he子”中位置的时候会feichang有yong。

 

图11. 三种例子的he须图


讨论和结论

    本篇文章仅是zhen对铸gang丸而讨论祄o鴉eizhen对所有其它类型和cai義i耐枇稀U馐俏耸俏恼赂衵hen对性襶ue案舠hendu,而不是泛泛zhi谈。本篇采yongJ444标准得到的yi些准ze同样也可以应yong到AMS 2431标准謝iaoⅫ/span>

    铸gang丸的尺cunbian化性是源zi其制zao过cheng。随后的筛分过cheng主要是制zao出符合规范要求的不同型hao的铸gang丸。丸料尺cun的ce试是使yong100g的丸料试样采yong标准蒮u猩阜郑玫酵枇xi某遚un穤hi挤段В敲hui惺礿i的ping均尺cun的数据。xian在的图像分析软件可以在丸料尺cunshang获得更多的具体信xi。需要注意的是,图像分析软件得到祄u峁鸼i须蕅iang芍馗吹囊yue皔i致的。

    因为进行筛分的100g丸料要远远多于使yong图像分析的丸義i氖齦iang。因此要更加xiao心图像分析所得到祄u峁蔷哂写硇缘摹Ⅻ/span>

    采yong图像分析和称重的方法得到的尺cunbian化性的数据可以通过柱状图和he须图表征出lai。在制定规范和质liang控制时,he须图比柱状图更为适宜。

    本篇文章也讲到了丸義i膒ing均尺cunceliang可以通过对已知面积shang的yi层丸義i某浦氐姆絪hi获得。目前分析所得到祄u峁故呛芄睦诵牡moie目前的糺i鮵i直在fa展,可以更方便地得到单层丸義i难贰Ⅻ/span>