CN114324449A - 新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型铸造模具试验装置，包括铸造模具、热电偶及数据采集器。铸造模具设有型腔、进液通道、冒口及浇注系统，进液通道与型腔的底部连通，型腔具有多个子腔体，多个子腔体孔径逐渐增大，冒口与孔径最大的子腔体连通，浇注系统与进液通道连通，浇注系统和型腔之间具有空腔。热电偶安装于铸造模具上且伸入到子腔体内，数据采集器的输入端与热电偶连接。本发明还公开了一种新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法。上述新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法，可以在金属材料凝固过程中产生单一影响因素，即冷却速率，进而可以研究冷却速率对缩松形貌、尺寸和分布的影响规律，在实际应用中对缩松缺陷进行调控。

Description

新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体涉及一种新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法。

背景技术

在铸造成形过程中，高温液态金属通过流动填充模具型腔。当温度降低到室温后，获得依赖于铸造模具型腔形状的铸件。液态金属在冷却凝固过程中，由于受到各种因素影响，会产生气孔、缩松、缩孔、夹杂、冷隔等铸造缺陷，恶化材料的力学性能。

其中缩松缺陷很大程度上取决于合金的凝固区间、体积收缩及工艺条件等。从合金凝固特征角度而言，合金的凝固区间越宽，凝固过程产生的体积收缩越大，则缩松缺陷形成倾向性越大；从合金铸造工艺条件角度而言，合金凝固过程中冷却速率越大，温度梯度越小，则缩松缺陷形成的倾向性也越大。

为了能够分析冷却速率对缩松缺陷形成倾向性的影响，应使其他因素的影响尽可能小。但当前大部分金属型铸造模具，浇注过程中存在温度分布不均匀的情况，增加了缩松问题的复杂性；同时，浇注过程中气体不能从熔体中逸出时，便会成为气孔，改变缩松形成倾向性，对缩松形成倾向性的影响规律研究造成干扰。

发明内容

基于此，有必要针对现有的金属铸造模具，温度分布不均匀，以及浇注过程中气体不能从熔体中逸出的问题，提供一种新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法。

一种新型铸造模具试验装置，包括：

铸造模具，设有型腔、进液通道、冒口及浇注系统，所述进液通道与所述型腔的底部连通，所述型腔具有多个子腔体，多个所述子腔体同轴设置且朝远离所述进液通道的方向孔径逐渐增大，所述冒口与孔径最大的所述子腔体连通，所述浇注系统与所述进液通道连通，所述浇注系统和所述型腔之间具有空腔，以将所述浇注系统和所述型腔相互间隔；

热电偶，安装于所述铸造模具上且伸入到所述子腔体内，每个所述子腔体均对应安装有所述热电偶，且多个所述热电偶的采集端形成的直线与所述子腔体的轴线平行；及

数据采集器，所述数据采集器的输入端与所述热电偶连接。

在其中一个实施例中，所述铸造模具包括第一子模具和第二子模具，所述第一子模具和所述第二子模具拼接形成所述铸造模具，所述子腔体关于所述第一子模具和所述第二子模具的拼接面对称。

在其中一个实施例中，所述第一子模具设有定位孔，所述第二子模具设有定位柱，所述定位柱插接于所述定位孔内；或

所述第一子模具设有定位柱，所述第二子模具设有定位孔，所述定位柱插接于所述定位孔内。

在其中一个实施例中，所述浇注系统及所述进液通道关于所述第一子模具和所述第二子模具的拼接面对称。

在其中一个实施例中，所述铸造模具开设有安装孔，所述安装孔连通所述子腔体和外界，每个所述子腔体均对应设有所述安装孔，所述热电偶安装于所述安装孔内。

在其中一个实施例中，所述进液通道朝靠近所述型腔的方向孔径逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述子腔体的形状为圆柱体。

一种上述任意一项所述的新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法，包括以下步骤：

将铸造模具进行预热，然后将热电偶安装于所述铸造模具上，所述热电偶伸入到子腔体内，打开数据采集器；

将熔融金属浇注到浇注系统内，熔融金属经进液通道填充到所述子腔体内，数据采集器采集金属从开始浇注到凝固结束过程中的时间-温度曲线；

对铸件不同直径部分分别进行取样，对取得的试样进行密度测量并计算该试样的缩松体积分数，并对同一直径处每组试件的缩松体积分数取平均，得到铸件该直径处的缩松缺陷含量；

根据得到的时间-温度曲线，计算出铸件不同直径处的冷却速率，根据所述冷却速率和缩松缺陷含量，建立冷却速率与缩松缺陷含量定量关系；

分析铸件各直径处冷却速率与缩松缺陷含量的联系，得出冷却速率对该金属缩松形成倾向性的影响规律，在实际应用中对缩松缺陷进行调控。

在其中一个实施例中，所述将铸造模具进行预热，然后将热电偶安装于新型铸造模具试验装置上的步骤具体为：

根据合金金属性，将铸造模具预热到200℃，然后将热电偶插入到安装孔内，热电偶伸入到子腔体内，且使热电偶的采集端形成的直线与子腔体的轴线平行。

在其中一个实施例中，所述对铸件不同直径部分分别进行取样的步骤具体为：

根据子腔体内径的不同将铸件各部分进行分割，对铸件同一直径处分别取若干组试样。

上述新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法至少具有以下优点：

1、浇注系统和型腔之间具有空腔，空腔将浇注系统和型腔相互间隔开，型腔中的金属在降温凝固过程中，不会受到浇注系统中高温金属的传导换热影响，铸造模具温度均匀，不会增加缩松问题的复杂性。

2、浇注系统内浇注的液态金属经进液通道进入到型腔内，铸造模具采用反重力浇注，气体可以从熔体中逸出，不会干扰缩松形成倾向性的影响规律研究。同时，进液通道朝靠近型腔的方向孔径逐渐减小，可以减少金属液扰动，消除气体卷入对缩松形成过程的影响。

3、多个子腔体同轴设置且朝远离进液通道的方向孔径逐渐增大，可以在金属凝固过程中因壁厚不同产生不同的冷却速率，因此可以研究冷却速率对缩松缺陷的影响规律。并且，根据不同横截面积中缩松的分布为研究冷却速率对合金缩松倾向性的影响提供指导，进而在后续铸造成形过程中对同一合金成分不同冷却速率合金的凝固条件等进行优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一实施方式中新型铸造模具试验装置的结构示意图；

图2为图1中铸造模具的第一子模具的结构示意图；

图3为图1中铸造模具的第二子模具的结构示意图；

图4为图3所示第二子模具的俯视图；

图5为一实施方式中新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法的流程图。

附图标记：

10-铸造模具，102-第一子模具，104-第二子模具，11-型腔，112-子腔体，12-进液通道，13-冒口，14-浇注系统，15-空腔，16-安装孔，172-定位柱，174-定位孔，20-热电偶，30-数据采集器，40-电脑。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的新型铸造模具试验装置，可以在金属材料凝固过程中产生单一因素，即冷却速率，可以研究冷却速率对缩松形貌、尺寸和分布的影响规律，进而对缩松缺陷进行调控。具体地，该新型铸造模具试验装置包括铸造模具10、热电偶20及数据采集器30。

请一并参阅图2，铸造模具10设有型腔11、进液通道12、冒口13及浇注系统14。进液通道12与型腔11的底部连通，熔融金属在型腔11内凝固冷却成型为铸件。型腔11具有多个子腔体112，多个子腔体112同轴设置，且多个子腔体112朝远离进液通道12的方向孔径逐渐增大，冒口13与孔径最大的子腔体112连通。浇注系统14与进液通道12连通，浇注系统14与型腔11之间具有空腔15，以将浇注系统14和型腔11相互间隔。

其中，熔融金属浇注到浇注系统14内后，熔融金属经进液通道12填充到子腔体112内，由于进液通道12位于型腔11的底部，因此铸造模具10采用反重力浇注，熔融金属内的气体可以从熔体中逸出，最后气体从冒口13逸出到外界。型腔11在不同高度具有不同的横截面积，金属在凝固过程中，可以因壁厚不同产生的冷却速率。浇注系统14和型腔11之间具有空腔15，空腔15将浇注系统14和型腔11相互间隔开，型腔11中的金属在降温凝固过程中，不会受到浇注系统14中高温金属的传导换热影响，铸造模具10温度均匀，不会增加缩松问题的复杂性。

一实施方式中，进液通道12朝靠近型腔11的方向孔径逐渐减小。液体扰动不可避免地会卷入气体，仍会随着型腔11充填过程进入型腔11，本实施方式中，进液通道12朝靠近型腔11的方向孔径逐渐减小，因此可以减少金属液扰动，消除气体卷入对缩松形成过程的影响。子腔体112的形状为圆柱体，型腔11的形状为圆柱阶梯。

请参阅图2及图3，一实施方式中，铸造模具10包括第一子模具102和第二子模具104，第一子模具102和第二子模具104拼接形成铸造模具10，子腔体112关于第一子模具102和第二子模具104的拼接面对称。子腔体112关于拼接面对称设计，可以消除铸造模具10几何因素对缩松形成规律研究的干扰。

请一并参阅图4，在上述实施例的基础上，进一步地，浇注系统14及进液通道12关于第一子模具102和第二子模具104的拼接面对称，即浇注系统14和进液通道12位于对称面处，第一子模具102和第二子模具104为相互对称结构。浇注系统14和进液通道12内金属液的热传导对于第一子模具102和第二子模具104相同，可以避免铸造模具10温度分布不均匀，增加缩松问题的复杂性。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一子模具102设有定位柱172，第二子模具104设有定位孔174，第一子模具102和第二子模具104拼接时，定位柱172插设于定位孔174内，可以便于第一子模具102和第二子模具104的拼接。可以理解的是，在另一实施方式中，也可以是第一子模具102设有定位孔174，第二子模具104设有定位柱172，定位柱172插设于定位孔174内。

请再次参阅图1，热电偶20安装于铸造模具10上，且热电偶20伸入到子腔体112内，每个子腔体112均对应安装有热电偶20，且多个热电偶20的采集端形成的直线与子腔体112的轴线平行。热电偶20用于测量子腔体112内的温度，多个热电偶20的采集端形成的直线与子腔体112的轴线平行，以保证温度采集点在型腔11中心区域的相对位置一致。

请参阅图2及图3，在一实施方式中，铸造模具10开设有安装孔16，安装孔16连通子腔体112和外界，每个子腔体112均对应与安装孔16，热电偶20安装于安装孔16内，实现热电偶20安装于铸造模具10上，且伸入到子腔体112内。进一步地，安装孔16的一部分设于第一子模具102上，安装孔16的另一部分设于第二子模具104上，第一子模具102和第二子模具104拼接时，形成整个安装孔16。

数据采集器30的输入端与热电偶20连接，数据采集器30用于接收并记录热电偶20测量的温度数据。数据采集器30最后可以将温度数据传输至电脑40，进行后后续的处理和计算。

请参阅图5，本发明还提供一种上述新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法，包括以下步骤：

步骤S110：将铸造模具10进行预热，然后将热电偶20安装于铸造模具10上，热电偶20伸入到子腔体112内，打开数据采集器30。

具体地，将铸造模具10拼接完成后，铸造模具10需要根据合金的金属性进行预热，一般预热温度为200℃，以减少和降低铸造模具10温差对实验结果的影响。然后将热电偶20插入到安装孔16内，需保证热电偶20的采集端形成的直线与子腔体112的轴线平行，即热电偶20的采集端位于型腔11的同一铅垂线上，以保证温度采集点在型腔11中心区域的相对位置一致。热电偶20安装完成后，将热电偶20与数据采集器30的输入端连接，打开数据采集器30，待浇注时进行温度采集。

步骤S120：将熔融金属浇注到浇注系统14内，熔融金属经进液通道12填充到子腔体112内，数据采集器30采集金属从开始浇注到凝固过程中的时间-温度曲线。

具体地，将合金放入熔炼炉中进行加热，加热温度依照合金熔点进行确定，待合金完全熔化后，将熔融金属浇注到浇注系统14中，进液通道12实现反重力浇注，熔融金属逐渐填充多个子腔体112，熔融金属内的气体通过冒口13排出。此时，数据采集器30采集合金从开始浇注到凝固结束过程中的时间-温度曲线。

步骤S130：对铸件不同直径部分分别进行取样，对取样的试样进行密度测量并计算该试样的缩松体积分数，并对同一直径处每组试样的缩松体积分数取平均，得到铸件该直径处的缩松体积含量。

具体地，根据子腔体112内径的不同将铸件各部分进行分割，对铸件同一直径处分别取若干组试样。然后，借助阿基米德浮力法对试样进行密度测量并计算该试样缩松体积分数，将同一直径处每组试样缩松体积分数取平均值，即为该铸件直径处的缩松缺陷含量。

步骤S140：根据得到的时间-温度曲线，计算出铸件不同直径处的冷却速率，根据冷却速率和缩松体积含量，建立冷却速率与缩松缺陷含量定量关系。

具体地，将数据采集器30中得到的时间-温度曲线进行处理，并分别计算出铸件各直径处的冷却速率，并将上述步骤S130中铸件不同直径处缩松缺陷含量与冷却速率相结合，建立冷却速率与缩松缺陷含量定量关系。

步骤S150：分析铸件各直径处冷却速率与缩松缺陷含量的联系，得出冷却速率对该金属缩松形成倾向性的影响规律，在实际应用中对缩松缺陷进行调控。

具体地，分析铸件各直径处冷却速率与收缩率间的联系，结合缩松预测准则，如Niyama准则等，得出冷却速率对该合金缩松形成倾向性的影响规律，在实际应用中对缩松缺陷进行调控。

上述新型铸造模具试验装置及其对缩松的控制方法，可以对同一合金成分，但具有不同冷却速率的合金之间进行定性分析。通过对同一合金铸件不同直径处进行横截面取样，对比试样的缩松分布参数，可以对同一合金不同冷却速率合金之间的缩松缺陷形成倾向性进行定性分析，进而在后续铸造成形过程中，对同一合金成分不同冷却速率合金的凝固条件等进行优化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种新型铸造模具试验装置，其特征在于，包括：

铸造模具，设有型腔、进液通道、冒口及浇注系统，所述进液通道与所述型腔的底部连通，所述型腔具有多个子腔体，多个所述子腔体同轴设置且朝远离所述进液通道的方向孔径逐渐增大，所述冒口与孔径最大的所述子腔体连通，所述浇注系统与所述进液通道连通，所述浇注系统和所述型腔之间具有空腔，以将所述浇注系统和所述型腔相互间隔；

热电偶，安装于所述铸造模具上且伸入到所述子腔体内，每个所述子腔体均对应安装有所述热电偶，且多个所述热电偶的采集端形成的直线与所述子腔体的轴线平行；及

数据采集器，所述数据采集器的输入端与所述热电偶连接。

2.根据权利要求1所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述铸造模具包括第一子模具和第二子模具，所述第一子模具和所述第二子模具拼接形成所述铸造模具，所述子腔体关于所述第一子模具和所述第二子模具的拼接面对称。

3.根据权利要求2所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述第一子模具设有定位孔，所述第二子模具设有定位柱，所述定位柱插接于所述定位孔内；或

所述第一子模具设有定位柱，所述第二子模具设有定位孔，所述定位柱插接于所述定位孔内。

4.根据权利要求2所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述浇注系统及所述进液通道关于所述第一子模具和所述第二子模具的拼接面对称。

5.根据权利要求1所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述铸造模具开设有安装孔，所述安装孔连通所述子腔体和外界，每个所述子腔体均对应设有所述安装孔，所述热电偶安装于所述安装孔内。

6.根据权利要求1所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述进液通道朝靠近所述型腔的方向孔径逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的新型铸造模具试验装置，其特征在于，所述子腔体的形状为圆柱体。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铸造模具进行预热，然后将热电偶安装于所述铸造模具上，所述热电偶伸入到子腔体内，打开数据采集器；

将熔融金属浇注到浇注系统内，熔融金属经进液通道填充到所述子腔体内，数据采集器采集金属从开始浇注到凝固结束过程中的时间-温度曲线；

对铸件不同直径部分分别进行取样，对取得的试样进行密度测量并计算该试样的缩松体积分数，并对同一直径处每组试件的缩松体积分数取平均，得到铸件该直径处的缩松缺陷含量；

根据得到的时间-温度曲线，计算出铸件不同直径处的冷却速率，根据所述冷却速率和缩松缺陷含量，建立冷却速率与缩松缺陷含量定量关系；

分析铸件各直径处冷却速率与缩松缺陷含量的联系，得出冷却速率对该金属缩松形成倾向性的影响规律，在实际应用中对缩松缺陷进行调控。

9.根据权利要求8所述的新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法，其特征在于，所述将铸造模具进行预热，然后将热电偶安装于新型铸造模具试验装置上的步骤具体为：

根据合金金属性，将铸造模具预热到200℃，然后将热电偶插入到安装孔内，热电偶伸入到子腔体内，且使热电偶的采集端形成的直线与子腔体的轴线平行。

10.根据权利要求6所述的新型铸造模具试验装置对缩松的控制方法，其特征在于，所述对铸件不同直径部分分别进行取样的步骤具体为：

根据子腔体内径的不同将铸件各部分进行分割，对铸件同一直径处分别取若干组试样。

Images