CN115319047A - 一种亚快速凝固试验样品制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚快速凝固试验样品制备装置及方法，涉及亚快速凝固技术领域，该装置包括：模具组件，模具组件包括板体和两个夹块，板体的上端开设有U形通槽，U形通槽的顶端开放，形成浇口，板体的两侧表面上沿U形通槽的外周设置有气道凹槽结构，气道凹槽结构的一端与U形通槽连通，气道凹槽结构的另一端延伸至板体的下端的边缘，形成开放式的槽口，两个夹块分别可拆卸地设置在板体的两侧，并在板体的两侧的气道凹槽结构处形成气道，气道在槽口处形成气道口；抽气组件，用于与气道口连接；解决现有亚快速凝固试验样品制备装置结构复杂、成本高、操作繁琐、试验耗时长的问题。
Description
技术领域
本发明属于亚快速凝固试验技术领域，更具体地，涉及一种亚快速凝固试验样品制备装置及方法。
背景技术
亚快速凝固工艺的主要特点是冷速快，常用于制备晶粒细小、成分偏析轻的各类金属材料和部件。包括压铸、薄带连铸在内的亚快速凝固制备与加工工艺已获得广泛应用。近年来，各种成分较复杂的新型铝合金、镁合金的出现，给传统的压铸工艺带来了巨大挑战和机遇。随着合金成分设计的不断优化和调整，对于新型合金亚快速凝固过程的研究越来越引起人们的关注。只有深入揭示亚快速凝固过程中的微观组织演化和成分分布规律，才可能制定合理的制备工艺参数，获得优良的亚快速凝固微观组织和合金性能。
为了获得亚快速凝固试样，人们设计制造了各种亚快速凝固试验样品制备装置。包括真空薄带吸铸装置，深过冷液滴亚快速凝固装置等。然而，这些装置大都结构复杂、制造成本较高，操作工序多、实验耗时较长或者所制备的样品尺寸小，难以实现力学性能测试等。这些装置现状在一定程度上制约了亚快速凝固研究的广泛开展，导致一些中小型压铸企业或科研单位难以进行系统深入的实验研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种亚快速凝固试验样品制备装置及方法，解决现有亚快速凝固试验样品制备装置结构复杂、成本高、操作繁琐、试验耗时长的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种亚快速凝固试验样品制备装置，该装置包括：
模具组件，所述模具组件包括板体和两个夹块，所述板体的上端开设有U形通槽，所述U形通槽的顶端开放，形成浇口，所述板体的两侧表面上沿所述U形通槽的外周设置有气道凹槽结构，所述气道凹槽结构的一端与所述U形通槽连通，所述气道凹槽结构的另一端延伸至所述板体的下端的边缘，形成开放式的槽口，两个所述夹块分别可拆卸地设置在所述板体的两侧，并在所述板体的两侧的所述气道凹槽结构处形成气道，所述气道在所述槽口处形成气道口；
抽气组件，用于与所述气道口连接。
可选地，所述气道凹槽结构包括第一气道凹槽、第二气道凹槽和第三气道凹槽，多个所述第一气道凹槽竖向设置在所述U形通槽的两侧，每个所述第一气道凹槽通过多个所述第二气道凹槽与所述U形通槽连通，多个所述第三气道凹槽竖向设置在所述U形通槽的下方，所述第一气道凹槽和所述第三气道凹槽的下端均延伸至所述板体的下端边缘，形成开放式的所述槽口。
可选地，所述第二气道凹槽倾斜设置，所述第二气道凹槽靠近所述U形通槽的一端高于其另一端。
可选地，所述第一气道凹槽、所述第二气道凹槽的槽深为0.2-0.4mm，所述第三气道凹槽的槽深为0.3-0.5mm，所述第二气道凹槽的轴线与竖直方向形成的夹角为30-60°。
可选地，所述板体的长度为80-160mm，所述板体的宽度为80-160mm，所述板体的厚度为1-5mm，所述U形通槽竖向高度为40-100mm，所述U形通槽的横向宽度为10-20mm。
可选地，所述模具组件的上方可拆卸地设置有浇模部件，所述浇模部件内设置有浇道，所述浇道呈漏斗状，所述浇道的下端与所述浇口连通。
可选地，所述板体和所述夹块的材料均为紫铜，所述浇模部件的材料为石墨。
可选地，所述抽气组件包括抽气泵，所述抽气泵上连接有抽气管和控制单元，所述控制单元用于控制所述抽气泵的运行功率。
可选地，所述模具组件的下方设置有台板，所述台板的中部设置有通孔，所述通孔的上端与所述气道口连接，所述通孔的下端与所述抽气管连接，所述台板与所述模具组件之间设置有耐高温密封胶。
本发明还提供一种亚快速凝固试验样品制备方法，利用上述的亚快速凝固试验样品制备装置，该方法包括：
将夹块固定在板体的两侧；
将抽气组件与气道口连接并启动抽气组件进行抽气；
通过浇口向U形通槽内注入金属熔体；
经过设定时长后拆卸所述板体两侧的所述夹块，取出凝固试样。
本发明提供一种亚快速凝固试验样品制备装置及方法，其有益效果在于：该装置通过带有U形通槽和气道凹槽结构的板体作为模具组件的核心部件，板体两侧可拆卸设置夹块，通过夹块与板体两侧的贴合，在U形通槽内形成模腔，U形通槽内部的模腔用于容纳金属熔体，用于凝固试样的成型，在气道凹槽结构处形成气道，抽气组件能够通过气道进行抽气，实现金属熔体的充型；通过改变板体的厚度可以制备不同厚度的亚快速凝固试样，通过调整抽气组件的抽气功率和改变金属熔体的浇注温度可以实现不同充型速度和不同金属熔体温度条件下的亚快速凝固实验，所制备凝固试样的凝固速度可在较宽范围内调整，凝固试样不仅可用于微观组织观察，也可用于制备力学拉伸板状试样，可满足亚快速凝固研究的需求；该装置结构简单、成本低廉、易于操作、制备效率高。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种亚快速凝固试验样品制备装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种亚快速凝固试验样品制备装置的板体的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种亚快速凝固试验样品制备方法的流程图。
附图标记说明：
1、板体；2、夹块；3、U形通槽；4、槽口；5、第一气道凹槽；6、第二气道凹槽；7、第三气道凹槽；8、浇模部件；9、浇道；10、抽气泵；11、台板；12、通孔；13、抽气管；14、耐高温密封胶；15、夹具。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明提供一种亚快速凝固试验样品制备装置，该装置包括：
模具组件，模具组件包括板体1和两个夹块2，板体1的上端开设有U形通槽3，U形通槽3的顶端开放，形成浇口，板体1的两侧表面上沿U形通槽3的外周设置有气道凹槽结构，气道凹槽结构的一端与U形通槽3连通，气道凹槽结构的另一端延伸至板体1的下端的边缘，形成开放式的槽口4，两个夹块2分别可拆卸地设置在板体1的两侧，并在板体1的两侧的气道凹槽结构处形成气道，气道在槽口4处形成气道口；
抽气组件，用于与气道口连接。
具体的，为解决现有亚快速凝固试验样品制备装置结构复杂、成本高、操作繁琐、试验耗时长的问题；本发明提供的亚快速凝固试验样品制备装置通过带有U形通槽3和气道凹槽结构的板体1作为模具组件的核心部件，板体1两侧可拆卸设置夹块2，通过夹块2与板体1两侧的贴合，在U形通槽3内形成模腔，U形通槽3内部的模腔用于容纳金属熔体，用于凝固试样的成型，在气道凹槽结构处形成气道，抽气组件能够通过气道进行抽气，实现金属熔体的充型；通过改变板体1的厚度可以制备不同厚度的亚快速凝固试样，通过调整抽气组件的抽气功率和改变金属熔体的浇注温度可以实现不同充型速度和不同金属熔体温度条件下的亚快速凝固实验，所制备凝固试样的凝固速度可在较宽范围内调整，凝固试样不仅可用于微观组织观察，也可用于制备力学拉伸板状试样，可满足亚快速凝固研究的需求；该装置结构简单、成本低廉、易于操作、制备效率高。
可选地，气道凹槽结构包括第一气道凹槽5、第二气道凹槽6和第三气道凹槽7，多个第一气道凹槽5竖向设置在U形通槽3的两侧，每个第一气道凹槽5通过多个第二气道凹槽6与U形通槽3连通，多个第三气道凹槽7竖向设置在U形通槽3的下方，第一气道凹槽5和第三气道凹槽7的下端均延伸至板体1的下端边缘，形成开放式的槽口4。
具体的，如图2所示，气道凹槽结构为四个第一气道凹槽5、多个第二气道凹槽6和多个第三气道凹槽7形成的气道凹槽连接网式结构，为使得第一气道凹槽5和第三气道凹槽7在板体1的下端边缘处形成的槽口4比较紧凑，处于U形通槽3两侧的第一气道凹槽5的下部向靠近第三气道凹槽7的方向倾斜；多个第二气道凹槽6作为第一气道凹槽5的分支凹槽与U形通槽3的不同位置连通，提高抽气的均匀性，提高充型质量。
可选地，第二气道凹槽6倾斜设置，第二气道凹槽6靠近U形通槽3的一端高于其另一端。
可选地，第一气道凹槽5、第二气道凹槽6的槽深为0.2-0.4mm，第三气道凹槽7的槽深为0.3-0.5mm，第二气道凹槽6的轴线与竖直方向形成的夹角为30-60°。
具体的，通过合理的气道凹槽结构的分布及深度，能够实现气体可通过而熔体不可通过这样的理想效果，能够使得其所制备的凝固试样充型完整、无明显氧化夹杂等缺陷、晶粒细小、力学性能优异，可用于包括压铸等亚快速凝固过程的研究。
可选地，板体1的长度为80-160mm，板体1的宽度为80-160mm，板体1的厚度为1-5mm，U形通槽3竖向高度为40-100mm，U形通槽3的横向宽度为10-20mm。
具体的，该装置所制备的凝固试样的冷却速度范围为50～500℃/s，基本覆盖了压铸工艺条件下的冷速范围；凝固试样尺寸可在长度40～100mm,宽度10～20mm，厚度1～5mm范围内根据需要进行调整，凝固试样可加工力学拉伸板状试样，满足亚快速凝固研究的需求。
可选地，模具组件的上方可拆卸地设置有浇模部件8，浇模部件8内设置有浇道9，浇道9呈漏斗状，浇道9的下端与浇口连通。
可选地，板体1和夹块2的材料均为紫铜，浇模部件8的材料为石墨。
具体的，夹块2靠近板体1的表面为平面，金属熔体浇入石墨浇道9，在重力和气泵吸力共同作用下能够实现金属熔体在模具组件中的充型与亚快速凝固。
可选地，抽气组件包括抽气泵10，抽气泵10上连接有抽气管13和控制单元，控制单元用于控制抽气泵10的运行功率。
具体的，基于该装置模具组件和抽气组件的设置，该装置无需真空条件，采用普通工业抽气泵10即可实现金属熔体完美充型，极大改善了实验的便利性，节省了实验时间，提高了实验效率，为灵活、快速获得亚快速凝固样品提供了便利条件。
可选地，模具组件的下方设置有台板11，台板11的中部设置有通孔12，通孔12的上端与气道口连接，通孔12的下端与抽气管13连接，台板11与模具组件之间设置有耐高温密封胶14。
具体的，台板11为不锈钢板，为保证通过的上端与气道口的连接的密封性，在台板11与模具组件之间设置耐高温密封胶14。
如图3所示，本发明还提供一种亚快速凝固试验样品制备方法，利用上述的亚快速凝固试验样品制备装置，该方法包括：
将夹块2固定在板体1的两侧；
将抽气组件与气道口连接并启动抽气组件进行抽气；
通过浇口向U形通槽3内注入金属熔体；
经过设定时长后拆卸板体1两侧的夹块2，取出凝固试样。
具体的，本发明提供的亚快速凝固试验样品制备方法实施时，利用上述亚快速凝固试验样品制备装置，以金属熔体的材料为MgGdY镁合金为例，板体1厚度为2.0mm，操作过程为：通过夹具15如C口钳将夹块2固定在板体1的两侧，形成模具组件；将模具组件通过耐高温密封胶14连接在台板11上，使得气道口与通孔12的一端密封连接；将抽气管13连接在通孔12的另一端，将浇模部件8安装在模具组件的上方，使得浇道9的下端与浇口连通；启动抽气泵10，功率设置为800W，在电阻炉中将镁合金熔化并以720℃状态浇入浇道9，在抽气泵10吸力和重力共同作用下实现镁合金熔体在模具组件中的充型与亚快速凝固(浇铸时通入99.5％二氧化碳与0.5％六氟化硫混合气进行气氛保护)；凝固结束后等待2分钟，拆开模具组件，取出凝固试样，切除浇道9金属，获得亚快速凝固试样；可以切取样品厚度方向截面进行金相观察，制取片状拉伸试样进行室温拉伸测试。该示例采用上述亚快速凝固试样制备装置制备的凝固试样进行宏观和微观观察，发现熔体充型完整，凝固试样表面无氧化或夹杂，金相分析表明晶粒组织细小均匀，平均晶粒尺寸约30微米，凝固试样力学性能优异，铸态拉伸抗拉强度293.5Mpa，屈服强度258.8MPa，延伸率12.0％。
金属熔体的材料为AlMgSi铝合金为例，板体1厚度为3.0mm，操作过程为：通过夹具15如C口钳将夹块2固定在板体1的两侧，形成模具组件；将模具组件通过耐高温密封胶14连接在台板11上，使得气道口与通孔12的一端密封连接；将抽气管13连接在通孔12的另一端，将浇模部件8安装在模具组件的上方，使得浇道9的下端与浇口连通；启动抽气泵10，功率设置为1000W，在电阻炉中将镁合金熔化并以720℃状态浇入浇道9，在抽气泵10吸力和重力共同作用下实现镁合金熔体在模具组件中的充型与亚快速凝固；凝固结束后等待3分钟，拆开模具组件，取出凝固试样，切除浇道9金属，获得亚快速凝固试样；可以切取样品厚度方向截面进行金相观察，制取片状拉伸试样进行室温拉伸测试。该示例采用上述亚快速凝固试样制备装置制备的凝固试样进行宏观和微观观察，发现熔体充型完整，凝固试样表面无氧化或夹杂，金相分析表明晶粒组织细小均匀，平均晶粒尺寸约42微米，凝固试样力学性能优异，铸态拉伸抗拉强度310.5Mpa，屈服强度198.7MPa，延伸率13.3％。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，该装置包括：
模具组件，所述模具组件包括板体和两个夹块，所述板体的上端开设有U形通槽，所述U形通槽的顶端开放，形成浇口，所述板体的两侧表面上沿所述U形通槽的外周设置有气道凹槽结构，所述气道凹槽结构的一端与所述U形通槽连通，所述气道凹槽结构的另一端延伸至所述板体的下端的边缘，形成开放式的槽口，两个所述夹块分别可拆卸地设置在所述板体的两侧，并在所述板体的两侧的所述气道凹槽结构处形成气道，所述气道在所述槽口处形成气道口；
抽气组件，用于与所述气道口连接。
2.根据权利要求1所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述气道凹槽结构包括第一气道凹槽、第二气道凹槽和第三气道凹槽，多个所述第一气道凹槽竖向设置在所述U形通槽的两侧，每个所述第一气道凹槽通过多个所述第二气道凹槽与所述U形通槽连通，多个所述第三气道凹槽竖向设置在所述U形通槽的下方，所述第一气道凹槽和所述第三气道凹槽的下端均延伸至所述板体的下端边缘，形成开放式的所述槽口。
3.根据权利要求1所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述第二气道凹槽倾斜设置，所述第二气道凹槽靠近所述U形通槽的一端高于其另一端。
4.根据权利要求3所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述第一气道凹槽、所述第二气道凹槽的槽深为0.2-0.4mm，所述第三气道凹槽的槽深为0.3-0.5mm，所述第二气道凹槽的轴线与竖直方向形成的夹角为30-60°。
5.根据权利要求1所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述板体的长度为80-160mm，所述板体的宽度为80-160mm，所述板体的厚度为1-5mm，所述U形通槽竖向高度为40-100mm，所述U形通槽的横向宽度为10-20mm。
6.根据权利要求1所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述模具组件的上方可拆卸地设置有浇模部件，所述浇模部件内设置有浇道，所述浇道呈漏斗状，所述浇道的下端与所述浇口连通。
7.根据权利要求6所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述板体和所述夹块的材料均为紫铜，所述浇模部件的材料为石墨。
8.根据权利要求1所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述抽气组件包括抽气泵，所述抽气泵上连接有抽气管和控制单元，所述控制单元用于控制所述抽气泵的运行功率。
9.根据权利要求8所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，所述模具组件的下方设置有台板，所述台板的中部设置有通孔，所述通孔的上端与所述气道口连接，所述通孔的下端与所述抽气管连接，所述台板与所述模具组件之间设置有耐高温密封胶。
10.一种亚快速凝固试验样品制备方法，利用根据权利要求1-9任一项所述的亚快速凝固试验样品制备装置，其特征在于，该方法包括：
将夹块固定在板体的两侧；
将抽气组件与气道口连接并启动抽气组件进行抽气；
通过浇口向U形通槽内注入金属熔体；
经过设定时长后拆卸所述板体两侧的所述夹块，取出凝固试样。
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