CN111912872A - 一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，热裂模具的内部腔体包含连通的竖腔体和横腔体，横腔体的一端部连通于竖腔体上，横腔体的另一端固定有石墨环，热应力传递杆的一端通过石墨环固定，热应力传递杆的另一端连接在应力传感器上，热裂模具的竖腔体侧壁水平插入有温度传感器，温度传感器位于热裂模具内的端部位于热裂模具的热节处，应力传感器和温度传感器均通过数据线连接有数据采集系统，数据采集系统连接有计算机，热裂模具的外侧包覆有保温层，保温层的外侧纵向或横向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈。本装置结构简单、操作方便、效果明显，适用于多种合金磁场下的热裂行为研究。

Description

一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置

技术领域

本发明属于合金铸造性能测试技术领域和模具设计制造技术领域，特别涉及一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置。

背景技术

热裂作为一种常见的铸造缺陷通常发生在合金凝固末期，其存在会导致铸件的质量严重降低，并因此增加生产成本。热裂的形成是一个复杂的过程，简单来说在铸件的生产过程中，随着合金熔体的凝固收缩，通常伴随着铸型给予的应力约束，而当合金的强度不足以承受这个应力载荷，且没有足够的液相进行填充时，铸件便会有热裂纹萌生，并随着合金凝固的进行热裂纹不断扩展，最后导致铸件断裂，影响铸件的使用。因此，研究金属材料的热裂行为，采取有效措施防止热裂缺陷的产生，对提高铸造产品的质量具有重要的实际意义。

影响铸造热裂的因素有很多，如合金成分、凝固温度区间、凝固过程中的热传导、熔融金属间的对流和热应力分布、铸造工艺参数及铸件结构等，因此热裂研究的开展难度较高。为降低合金热裂倾向，研究人员在调整合金成分和铸件结构、调节铸造工艺参数(如浇注温度、模具温度和压头高度等)等方面已开展了一定的研究工作。目前，合金热裂敏感性的实验测试方法主要有热裂环法、临界尺寸法、临界载荷法及热裂线收缩仪等。

近年来研究表明，在合金熔体的凝固过程中施加磁场可以影响合金凝固过程，进而改善合金组织和力学性能，这为提高铸件质量提供了新思路。但受限于测试手段与装置的不足，无法对磁场下的合金熔体的热裂行为及相关热裂临界参数进行准确的描述及定量的测量，也无法定量地考察磁场参数(磁场强度、方向、位置等)对合金热裂敏感性的影响，一定程度上限制了人们通过静磁场、低频交变磁场或三相旋转磁场调控合金凝固及热裂行为的研究。

发明内容

发明目的

为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，有效定性和定量研究低频交变磁场对合金热裂行为的影响，并适用于多种合金体系。

技术方案

一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，包括励磁线圈、热裂模具、应力传递杆、应力传感器、温度传感器和数据采集系统；所述热裂模具和应力传感器皆设于底座的上端，热裂模具的内部腔体整体呈“T”型，热裂模具的内部腔体包含连通的竖腔体和横腔体，横腔体的一端部连通于竖腔体上，横腔体的另一端固定有石墨环，热应力传递杆的一端穿过了石墨环并通过石墨环固定，热应力传递杆穿过石墨环的端部位于横腔体内，热应力传递杆的另一端连接在应力传感器上，热裂模具的竖腔体侧壁水平插入有温度传感器，温度传感器位于热裂模具内的端部位于热裂模具的热节处，应力传感器和温度传感器均通过数据线连接有数据采集系统，数据采集系统连接有计算机，热裂模具的外侧包覆有保温层，保温层的外侧纵向或横向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈。优选的，所述应力传感器是固定在支架上的，支架将应力传感器支撑具有一定高度，使得热应力传递杆呈水平状态。

优选的，所述热裂模具经中心纵截面分为左和右两个半模，两个半模之间通过定位销连接固定，热裂模具的竖腔体外侧上端套有紧固套筒，紧固套筒的内腔与热裂模具的竖腔体连通，热裂模具的竖腔体外侧下端锁紧有固定卡具，固定卡具连接在底座上。

优选的，所述热裂模具和紧固套筒均为石墨材质。

优选的，所述固定卡具也分为左和右两个卡具组件，两个卡具组件相同朝向的一端皆铰接在底座上，两个卡具组件设有用于卡接热裂模具下端结构的卡固槽，两个卡具组件的两侧方设有电动推杆，电动推杆包括电动推杆主体和伸缩杆，伸缩杆伸缩时能够顶和钩在相对应侧的卡具组件上，电动推杆是固定在底座上的。

优选的，所述伸缩杆的上端铰接有一个钩块，钩块在钩取卡具组件状态下时的前端为弧形面。

优选的，施加的磁场为静磁场、低频交变磁场或三相旋转磁场，当施加的磁场为三相旋转磁场时，保温层的外侧只能纵向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈。

优选的，所述励磁线圈能够通入的电流为交流电时，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈能够通入的电流为直流电时，额定电流大小为：0.1-50A；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈能够通入的电流为三相交流电时，每相邻两相的相位差为120度，同相位线圈对称分布，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz，每相线圈匝数：100-300匝。

优选的，所述励磁线圈的内环面与保温层外层表面的距离为5-8mm。

优点及效果

1)本装置通过在合金熔体凝固过程中施加磁场，利用磁场的“超距作用”控制合金的凝固参数，进而考察磁场对合金热裂敏感性的影响规律，装置结构简单、操作方便、效果明显，适用于多种合金磁场下的热裂行为研究。

2)通过调整线圈匝数、交流电的电流强度和频率参数来改变磁场强度；通过在热裂模具的纵向主体部分或横向主体部分外放置励磁线圈来改变磁场方向，从而实现对不同磁场参数下合金热裂敏感性变化的研究。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的结构正视且部分剖的示意图(磁场纵向放置)；

图2为底座的右视结构示意图；

图3为本发明的结构俯视且部分剖的示意图(磁场纵向放置)；

图4为固定卡具和电动推杆结构的俯视示意图；

图5为本发明的结构正视且部分剖的示意图(磁场横向放置)；

图6为本发明的结构俯视且部分剖的示意图(磁场横向放置)；

图7为电动推杆上的钩块钩住固定卡具时的状态平面示意图；

图8为电动推杆主体和伸缩杆的立体结构示意图；

图9为钩块的立体结构示意图；

图10为电动推杆上的钩块钩住固定卡具时的状态立体示意图；

图11为钩块呈放倒状态时的电动推杆立体结构示意图；

图12为钩块呈站立状态时的电动推杆立体结构示意图；

图13为电动推杆的立体爆炸结构示意图。

附图标记说明：1.励磁线圈，2.紧固套筒，3.保温层，4.数据采集系统，5.计算机，6.支架，7.应力传感器，8.应力传递杆，9.石墨环，10.底座，11.热裂模具，12.温度传感器，13.固定卡具、14.电动推杆、15.卡固槽、141.电动推杆主体，142.伸缩杆、143.钩块、144.转轴、145.连接台、146.伸缩杆铰接部、147.钩块铰接部。

具体实施方式

如图1-图13所示，一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，包括励磁线圈1、热裂模具11、应力传递杆8、应力传感器7、温度传感器12和数据采集系统4；所述热裂模具11和应力传感器7皆设于底座10的上端，热裂模具11的内部腔体整体呈“T”型，热裂模具11包含纵向主体部分和横向主体部分，内部腔体包含连通的竖腔体和横腔体，横腔体的一端部连通于竖腔体上，横腔体的另一端固定有石墨环9，热应力传递杆8的一端穿过了石墨环9并通过石墨环9固定，热应力传递杆8穿过石墨环9的端部位于横腔体内，热应力传递杆8的另一端连接在应力传感器7上，应力传感器7是固定在支架6上的，支架6将应力传感器7支撑具有一定高度，使得热应力传递杆8呈水平状态。热裂模具11的竖腔体侧壁水平插入有温度传感器12，温度传感器12位于热裂模具11内的端部位于热裂模具11的热节处，即位于竖腔体和横腔体的交汇处，应力传感器7和温度传感器12均通过数据线连接有数据采集系统4，数据采集系统4连接有计算机5，通过数据采集系统4将测得的凝固应力及温度结果进行采集，并输入计算机5中用于分析合金的热裂敏感性。热裂模具11的外侧包覆有保温层3，保温层3的外侧纵向或横向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈1。

热裂模具11经中心纵截面分为左和右两个半模，两个半模之间通过定位销连接固定，热裂模具11的竖腔体外侧上端套有紧固套筒2，紧固套筒2的内腔与热裂模具11的竖腔体连通，紧固套筒2作为测试装置的浇口，紧固套筒2和模具纵向主体部分构成直浇道；热裂模具11的竖腔体外侧下端锁紧有固定卡具13，固定卡具13连接在底座10上。固定卡具13和紧固套筒2加固热裂模具11的链接紧固度，在热裂模具11外侧包裹保温层3用以减少热量损失。为保证磁通密度，所述热裂模具11和紧固套筒2均为石墨材质。固定卡具13也分为左和右两个卡具组件，两个卡具组件相同朝向的一端皆铰接在底座10上，两个卡具组件设有用于卡接热裂模具11下端结构的卡固槽15，两个卡具组件的两侧方设有电动推杆14，电动推杆14包括电动推杆主体141和伸缩杆142，伸缩杆142伸缩时能够顶和钩在相对应侧的卡具组件上，电动推杆14是固定在底座10上的，固定的方式为电动推杆主体141的两侧设有连接台145，连接台145设有螺丝沉头孔，并通过螺丝固定在底座10上。伸缩杆142的上端铰接有一个钩块143，钩块143在钩取卡具组件状态下时的前端为弧形面，弧形面在水平碰撞到物体的时候，该端部能够抬起。钩块143设有钩块铰接部147，伸缩杆142上端设有伸缩杆铰接部146，转轴144穿过钩块铰接部147和伸缩杆铰接部146将伸缩杆142和钩块143铰接。

施加的磁场为静磁场、低频交变磁场或三相旋转磁场，当施加的磁场为三相旋转磁场时，保温层3的外侧只能纵向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈1。励磁线圈1能够通入的电流为交流电时，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈1能够通入的电流为直流电时，额定电流大小为：0.1-50A；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈1能够通入的电流为三相交流电时，每相邻两相的相位差为120度，同相位线圈对称分布，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz，每相线圈匝数：100-300匝。励磁线圈1的内环面与保温层3外层表面的距离为5-8mm。

励磁线圈1中通入电流后会产生磁场，通过磁场的“超距作用”将电磁力作用于熔体，进而改变熔体在凝固过程中的应力场、温度场和流场等。通过结合数据采集系统4测得的凝固应力及温度等信息可准确测得合金在磁场下的固、液相线，枝晶搭接温度和热裂临界应力等信息。通过调节磁场的施加位置可研究不同磁场作用位置对合金熔体凝固过程中的应力场、温度场和流场等凝固参数的影响。

本发明组装和工作过程如下：

热裂模具11的左右两个半模通过定位销配合，由固定卡具13紧固并与底座10固定装配，模具上端由紧固套筒2紧固并与热裂模具11纵向主体组成直浇道。通过热裂模具11一端在铸型的热节处放置温度传感器12，另一端经石墨环9和应力传递杆8与应力传感器7相连。应力传感器7和温度传感器12均通过数据线与数据采集系统相连接，最后数据采集系统与计算机相连。热裂模具11外壁贴合保温层3后，在热裂模具11的纵向主体部分或横向主体部分放置环绕热裂模具11的励磁线圈1，励磁线圈1内环距保温层5-8mm。向线圈通入电流后，经紧固套筒2向热裂模具11内注入金属液，使金属液在磁场作用下凝固。等待金属液凝固后，将铸件取出，观察表面宏观裂纹，取样分析凝固组织。使用数据采集系统采集的数据绘制“时间-应力-温度”曲线，分析低频交变磁场作用下合金的热裂行为及热裂机理。

由于热裂模具11是在浇注后是高温的，所以在取出铸件的时候固定卡具13也会很烫，故在固定卡具的两侧设置了电动推杆14，也方便了固定卡具13的锁紧。希望将固定卡具13锁紧的时候，控制电动推杆14的伸缩杆142伸出(此时钩块143呈放倒状态和站立状态皆可，由于钩块143的前端是能够在水平碰撞的时候抬起的弧形面，在碰撞到平面的时候，也可以使钩块143前端抬起，不会影响到伸缩杆142的端部顶在固定卡具13的一侧)，两个伸缩杆142的端部顶在固定卡具13的两侧，将固定卡具13锁紧。在两个伸缩杆142的端部顶在固定卡具13的两侧时，希望将固定卡具13打开的时候，用棍子或其他物体将钩块143放倒，或在倒入金属液之前就将其放倒，控制电动推杆14的伸缩杆142缩回，即可将固定卡具13打开，且不会烫到手。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：包括励磁线圈(1)、热裂模具(11)、应力传递杆(8)、应力传感器(7)、温度传感器(12)和数据采集系统(4)；所述热裂模具(11)和应力传感器(7)皆设于底座(10)的上端，热裂模具(11)的内部腔体整体呈“T”型，热裂模具(11)的内部腔体包含连通的竖腔体和横腔体，横腔体的一端部连通于竖腔体上，横腔体的另一端固定有石墨环(9)，热应力传递杆(8)的一端穿过了石墨环(9)并通过石墨环(9)固定，热应力传递杆(8)穿过石墨环(9)的端部位于横腔体内，热应力传递杆(8)的另一端连接在应力传感器(7)上，热裂模具(11)的竖腔体侧壁水平插入有温度传感器(12)，温度传感器(12)位于热裂模具(11)内的端部位于热裂模具(11)的热节处，应力传感器(7)和温度传感器(12)均通过数据线连接有数据采集系统(4)，数据采集系统(4)连接有计算机(5)，热裂模具(11)的外侧包覆有保温层(3)，保温层(3)的外侧纵向或横向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈(1)。

2.根据权利要求1所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述应力传感器(7)是固定在支架(6)上的，支架(6)将应力传感器(7)支撑具有一定高度，使得热应力传递杆(8)呈水平状态。

3.根据权利要求1所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述热裂模具(11)经中心纵截面分为左和右两个半模，两个半模之间通过定位销连接固定，热裂模具(11)的竖腔体外侧上端套有紧固套筒(2)，紧固套筒(2)的内腔与热裂模具(11)的竖腔体连通，热裂模具(11)的竖腔体外侧下端锁紧有固定卡具(13)，固定卡具(13)连接在底座(10)上。

4.根据权利要求3所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述热裂模具(11)和紧固套筒(2)均为石墨材质。

5.根据权利要求3所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述固定卡具(13)也分为左和右两个卡具组件，两个卡具组件相同朝向的一端皆铰接在底座(10)上，两个卡具组件设有用于卡接热裂模具(11)下端结构的卡固槽(15)，两个卡具组件的两侧方设有电动推杆(14)，电动推杆(14)包括电动推杆主体(141)和伸缩杆(142)，伸缩杆(142)伸缩时能够顶和钩在相对应侧的卡具组件上，电动推杆(14)是固定在底座(10)上的。

6.根据权利要求5所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述伸缩杆(142)的上端铰接有一个钩块(143)，钩块(143)在钩取卡具组件状态下时的前端为弧形面。

7.根据权利要求1所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：施加的磁场为静磁场、低频交变磁场或三相旋转磁场，当施加的磁场为三相旋转磁场时，保温层(3)的外侧只能纵向环绕放置有用于施加磁场的励磁线圈(1)。

8.根据权利要求7所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述励磁线圈(1)能够通入的电流为交流电时，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈(1)能够通入的电流为直流电时，额定电流大小为：0.1-50A；线圈匝数：200-500匝；励磁线圈(1)能够通入的电流为三相交流电时，每相邻两相的相位差为120度，同相位线圈对称分布，额定电流大小为：0.1-50A；额定电流频率为：0.1-50Hz，每相线圈匝数：100-300匝。

9.根据权利要求7或8所述的施加磁场作用的合金热裂敏感性测试装置，其特征在于：所述励磁线圈(1)的内环面与保温层(3)外层表面的距离为5-8mm。

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