CN105057608B - 一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法，该装置包括设备支撑座、安装在设备支撑座上的带有倾转功能的温控加热电炉、电机、多通道温度采集设备、与多通道温度采集设备相连的铠装热电偶、放置在温控加热电炉中的坩埚、高电压信号计时器。首先，采用差示扫描量热法检测出被测合金凝固过程中温度与固相率关系；其次，将坩埚预热到100‑250℃，固定好铠装热电偶，再将过热100‑120℃的合金液浇注到坩埚中，待合金液冷却3‑8秒后倾倒出坩埚中可流动合金，获得倾倒合金时刻所对应的可流动合金的温度，进而确定出该合金的固相率，所得固相率即为临界凝固系数。采用该装置和方法具有操作简便、结果可靠的特点。
Description
技术领域：
本发明属于合金铸造技术领域，具体的说就是提供一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法，采用本发明能够快速、准确的测试出合金的临界凝固系数，以便有效地预测该种合金的补缩行为。
背景技术：
铸造是现代工业的基础，铸件生产能力的高低直接影响着整个国家的工业水平，而铸造合金的充型和凝固是铸造工艺的根本技术问题。充型及凝固过程难以用肉眼观察和准确检测，给人们对铸造过程的了解带来很大困难。
为了定量的描述出合金在凝固过程中的流动行为及补缩特性，人为的定义了合金临界凝固系数的概念。合金临界凝固系数是指合金在充型过程中尽管随着温度降低有部分固相析出，但在一定程度上仍然具有流动能力，当固相量增大到一定量时，该合金不再具有流动性，合金不再具有流动性时所对应的固相分数即为临界凝固系数。
Journal of materials processing technology杂志2008年第197卷第1期中《Investigation of critical liquid fraction factor in nodular iron castings bycomputer simulation》一文指出，随着液态合金凝固分数增加，合金的流动能力逐渐降低，当液相分数降低到一个临界值时，合金不再具有流动性，通常将该液相分数的临界点称为临界液相分数(critical liquid fraction，简称CLF因子)。在铸造模拟软件中，也常采用该临界液相分数对应的固相分数为临界固相分数，本专利申请中采用合金的临界固相分数来表示合金临界凝固系数。
采用差示扫描量热分析法(DSC)可以检测出合金固、液相线区间温度与固相率之间的函数关系。《金属科学与工艺》期刊1998年第7卷第1期《二元固溶体型合金凝固过程中固相分数的变化规律》总结了前人在合金固相分数计算方面的研究工作，指出了所用计算式的适用范围，并提出了具有更好适用性的合金固相分数-温度(fs–T)函数。
铸造过程数值模拟技术在铸造工艺优化和铸件产品质量控制方面具有广泛的应用，迫切需要准确的基础物理数据以确保数值计算的准确性。作为反映铸件补缩行为的一个重要物理参量，合金临界凝固系数的准确程度直接影响铸造过程数值分析过程中对凝固收缩行为、铸造缺陷预测的准确性。由于合金临界凝固系数受合金类型、浇注温度、成形压力及铸型情况等因素影响，因此必须采用合适的实验方法检测合金的临界凝固系数该参数。
但到目前为止，还没有发现关于合金临界凝固系数测试的检测装置和方法，迫切需要开发新的检测装置和方法以获得该参数，以满足铸造工艺数值化设计和工艺优化的要求。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法，采用该装置和方法可以快速、准确的检测出合金临界凝固系数，而且具有工艺控制简单、操作方便的特点。
本发明的技术方案如下：
一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置，包括设备支撑座(1)、安装在设备支撑座(1)上的带有倾转功能的温控加热电炉(2)、电机(3)、多通道温度采集设备(4)、与多通道温度采集设备相连的铠装热电偶(6-9)、用于固定铠装热电偶位置的升降固定装置(5)、高电压信号计时器(14)、放置在温控加热电炉(2)中的坩埚(15)、与坩埚(15)相连接的控温热电偶(16)、加热电炉温度控制装置(17)；所述坩埚中盛装合金熔体。
所述坩埚(15)放置于温控电阻加热炉(2)中，坩埚底部固定测温热电偶(16)，通过温控电阻加热炉(2)对坩埚(15)及其内盛装的合金加热和控温。
所述铠装热电偶(6-9)为直径为0.5mm的铠装热电偶，均匀布置于坩埚内从坩埚中心到壁面的径向方向上，铠装热电偶(6-9)头部置于距离坩埚(15)底部三分之二坩埚高度的位置上。
所述高电压信号计时器(14)分别连接电机(3)和坩埚(15)中的合金，高电压计时器(14)记录操作时间并控制倾转台的倾转。
所述高电压信号计时器(14)在坩埚(15)内腔顶部设置有连接导线(11、12)，并通过电机连接线(13)与电机(3)相联。
一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的方法，首先，采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；然后，将放置于温控加热电炉(2)中的坩埚(15)预热到100-250℃并保温，调节并固定热电偶在坩埚中的径向分布和高度位置，并连接好铠装热电偶(6-9)与多通道温度采集设备(4)；其次，将过热100-120℃的合金液浇注到坩埚(15)中，待金属液冷却3-8秒后，倾倒出坩埚心部未凝固金属液，待坩埚中剩余金属冷却后取出铸件，并从高电压信号计时器(14)读取合金液凝固时间；然后，在记录的温度数据中获取移除金属液时刻铸锭(18)沿径向的温度分布，获得移除合金液时刻铠装热电偶(6-9)头部高度位置上沿铸锭(18)径向的温度分布；最后，沿热电偶顶部位置切断铸锭(18)，并测量出该位置处铸锭(18)内环直径，根据该时刻的温度分布确定出移除金属液时刻的铸件内环所对应的温度值，进而由已知金属凝固过程中温度与固相率的关系确定出具有流动能力合金的固相率，所确定出的固相率即为该合金的临界凝固系数。
所述方法中选用的坩埚(15)顶部内直径50mm，底部内直径为30mm，内高度为105mm。
所述方法中铠装热电偶(6-9)头部位于距离坩埚(15)底部70mm之间的位置，且铠装热电偶(6-9)沿坩埚(15)径向方向从坩埚(15)心部均匀布置至坩埚(15)内壁。
本发明中，首先要采用差示扫描量热法检测出合金凝固过程中温度与合金固相率之间的定量关系；其次，控制坩埚形状和温度，将坩埚温度控制在100-250℃，确保合金液在坩埚中从壁面向心部的顺序凝固；然后，将过热100-120℃的合金液浇注到坩埚中，记录下金属液凝固过程中温度变化曲线，在检测温度过程中采用高精度热电偶，测量坩埚中合金液凝固过程中温度随时间的变化，并获得不同时刻温度沿径向的温度分布；再次，将待测金属液冷却时间控制在3-8秒，通过高电压信号计时器控制合金凝固时间，当到达预设合金凝固时间时旋转试验平台立即倾倒剩余流动金属，最终获得中空的铸锭；最后，测量出所获得铸锭在热电偶头部位置高度上截面的内径尺寸，并根据剩余合金液体倾倒时刻沿径向的温度分布，获得剩余合金液倾倒时刻内环处的温度，并根据差示扫描量热法检测的该合金温度与合金固相率之间的定量关系，获得具有流动性的合金对应的固相率，所获得固相率即为该合金的临界凝固分数。
本发明的有益效果在于：
1.采用的检测方法根据重力铸造条件下的合金流动原理，建立顺序凝固条件，并准确测量合金熔体温度场，所测合金临界凝固系数准确度高。
2.采用该装置及方法检测合金临界凝固系数具有设备简单、操作方便的特点。
附图说明：
图1为测量合金临界凝固系数的装置示意图，图2为铸锭结构示意图。
其中：1为设备支撑座；2为带有倾转功能的温控加热电炉；3为电机；4为保温多通道温度采集设备；5为铸锭测温热电偶固定升降装置；6为铠装热电偶1；7为铠装热电偶2；8为铠装热电偶3；9为铠装热电偶4；10为坩埚盖板；11为信号连接线1；12为信号连接线2；13为电机连接线3；14为高电压信号计时型计时器；15为坩埚；16为坩埚测温热电偶；17为电阻炉温度控制装置；18为所获得的铸锭。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2，本发明所提供的合金临界凝固系数检测方法，包括以下工作步骤：
①采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；
②在电阻加热炉中熔化被测合金并净化除气，并加热至该合金液相线温度以上100‐120℃待用；
③安装好坩埚(15)，并将坩埚(15)加热至100-250℃，布置好坩埚中铠装热电偶(6-9)的位置，将其均布在从坩埚中心到边部的径向上，热电偶(6-9)头部位于距离坩埚(15)底部三分之二坩埚高度位置处；
④预设电压信号计时器(14)3-8秒，将合金液浇注满坩埚(15)，待坩埚(15)中金属液冷却3-8秒后，倾转试验平台翻转坩埚，倾倒处未完全凝固的金属液；
⑤待坩埚中铸锭(18)冷却后，取出铸锭(18)并沿铠装热电偶(6-9)头部位置切断坯料，并测量铸锭(18)内环直径；
⑥读取温度记录，获取熔体倾倒时刻铸锭在铠装热电偶(6-9)头部截面处的温度分布，并计算出熔体倾倒时刻铸锭(18)内环半径处的温度值；
⑦根据该合金凝固过程的温度与固相分数关系，获得熔体倾倒时刻铸锭内环半径处的固相率，该固相率即为该合金的临界固相分数。
实施例1
以亚共晶铝硅合金A356合金作为检测对象，首先采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；选用坩埚上部内径为60mm，下部内径为30mm，高为105mm，将其置于倾转试验台的加热炉中；使用热电偶固定升降装置(5)将热电偶(6-9)固定在距离坩埚(15)底部75mm的高度上，并均布在从坩埚(15)的内腔中心到坩埚(15)壁的径向位置上；连接好高电压信号计时型计时器(14)，熔化该亚共晶铝硅合金并加热至709℃(过热100℃)保温待用，并加热坩埚(15)至100℃；设定高电压信号计时型计时器(14)的时间为3秒，迅速将高温熔体浇满坩埚，3秒钟后倾转温控加热电炉(2)迅速倾转坩埚(15)倾倒出未完全凝固金属；待铸锭(18)冷却后，沿铠装热电偶(6-9)头部位置切断铸锭(18)，测量出所获得铸锭(18)在铠装热电偶(6-9)头部位置高度上截面的内径尺寸；根据剩余合金液体倾倒时刻沿径向的温度分布，获得剩余合金液倾倒时刻内环处的温度值为535℃，并根据被测金属凝固过程中温度与固相率关系的结果，获得具有流动性的合金对应的固相率为40％，所获得固相率即为该合金的临界凝固系数。
实施例2
以亚共晶铝硅合金A356合金作为检测对象，首先采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；选用坩埚上部内径为60mm，下部内径为30mm，高为105mm，将其置于倾转试验台的加热炉中；使用热电偶固定升降装置(5)将热电偶(6-9)固定在距离坩埚(15)底部75mm的高度上，并均布在从坩埚(15)的内腔中心到坩埚(15)壁的径向位置上；连接好高电压信号计时型计时器(14)，熔化该亚共晶铝硅合金并加热至719℃(过热110℃)保温待用，并加热坩埚(15)至180℃；设定高电压信号计时型计时器(14)的时间为5秒，迅速将高温熔体浇满坩埚，5秒钟后倾转温控加热电炉(2)迅速倾转坩埚(15)倾倒出未完全凝固金属液；待铸锭(18)冷却后，沿铠装热电偶(6-9)头部位置切断铸锭(18)，测量出所获得铸锭(18)在铠装热电偶(6-9)头部位置高度上截面的内径尺寸；根据剩余合金液体倾倒时刻沿铸锭(18)径向的温度分布，获得剩余合金液倾倒时刻内环处的温度值为537℃，并根据被测金属凝固过程中温度与固相率关系的结果，获得具有流动性的合金对应的固相率为42％，所获得固相率即为该合金的临界凝固系数。
实施例3
以亚共晶铝硅合金A356作为检测对象，首先采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；选用坩埚上部内径为60mm，下部内径为30mm，高为105mm，将其置于倾转试验台的加热炉中；使用热电偶固定升降装置(5)将热电偶(6-9)固定在距离坩埚(15)底部75mm的高度上，并均布在从坩埚(15)的内腔中心到坩埚(15)壁的径向位置上；连接好高电压信号计时型计时器(14)，熔化该亚共晶铝硅合金并加热至729℃(过热120℃)保温待用，并加热坩埚(15)至250℃；设定高电压信号计时型计时器(14)的时间为8秒，迅速将高温熔体浇满坩埚，8秒钟后倾转温控加热电炉(2)迅速倾转坩埚(15)倾倒出未完全凝固金属液；待铸锭(18)冷却后，沿铠装热电偶(6-9)头部位置切断铸锭(18)，测量出所获得铸锭(18)在铠装热电偶(6-9)头部位置高度上截面的内径尺寸；根据剩余合金液体倾倒时刻沿铸锭(18)径向的温度分布，获得剩余合金液倾倒时刻内环处的温度值为534℃，并根据被测金属凝固过程中温度与固相率关系的结果，获得具有流动性的合金对应的固相率为39％，所获得固相率即为该合金的临界凝固系数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的装置，其特征在于：包括设备支撑座、安装在设备支撑座上的带有倾转功能的温控电阻加热炉、电机、多通道温度采集设备、与多通道温度采集设备相连的铠装热电偶、用于固定铠装热电偶位置的升降固定装置、放置在温控电阻加热炉中的坩埚、所述坩埚中盛装合金熔体，连接电机和熔体的高电压信号计时器、与坩埚相连接的控温热电偶、与温控电阻加热炉相连接的温度控制装置；所述铠装热电偶直径为0.5mm，均匀布置于坩埚内从坩埚中心到内壁面的径向方向上，热电偶头部置于距离坩埚底部三分之二坩埚高度的位置上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述坩埚放置于温控电阻加热炉中，坩埚底部固定控温热电偶，通过温控电阻加热炉对坩埚进行加热和控温。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高电压信号计时器在坩埚内腔顶部设置有连接导线，并与电机相联。
4.一种用于重力铸造合金临界凝固系数检测的方法，首先，采用差示扫描量热法检测出被测金属凝固过程中温度与固相率的关系；然后，将放置于电阻加热设备中的坩埚预热到100 - 250 oC并保温，调节并固定控温热电偶在坩埚中的径向和高度位置，并连接好控温热电偶与多通道温度采集设备；其次，将过热100-120 oC的合金液浇注到坩埚中，待金属液冷却3-8秒后，倾倒出坩埚心部未凝固金属液，待坩埚中剩余金属冷却后取出铸件，并从高电压信号计时器读取合金液凝固时间；然后，在记录的温度数据中获取移除金属液时刻铸坯所处的热电偶头部高度位置上沿铸件径向的温度分布；最后，沿控温热电偶顶部位置切断铸坯，并测量出该位置处铸坯内环直径，根据所述温度分布确定出移除金属液时刻的铸件内环所对应的温度值，进而由已知金属凝固过程中温度与固相率的关系确定出具有流动能力合金的固相率，所确定出的固相率即为该合金的临界凝固系数。
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