CN105081283B - 一种用于低压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低压铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法,该装置包括倾转实验平台、对开模具及加热控温装置、多通道测温装置、高电压信号计时器、密闭腔体、抽真空***。首先,采用差示扫描量热法测出被测合金温度与固相率的关系;然后,将模具预热到100‑250℃,合金熔体过热100‑120℃;其次,待过热合金熔体浇满模具后迅速将封闭腔体抽真空至20‑80Kpa,待合金熔体冷却3‑8秒后倒出未完全凝固金属液;然后,获得移除合金液时刻铸件在铠装热电偶头部高度位置上固液界面的温度,进而确定出具有流动能力的合金固相率,该固相率即为临界凝固系数。采用该方法和装置具有数据可靠、操作方便的特点。
Description
技术领域:
本发明属于铸造技术领域,具体的说就是提供一种用于压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、准确的测试出低压铸造合金的临界凝固系数,以便有效地预测该种合金在低压铸造过程中的补缩行为。
背景技术:
铸造技术是现代工业的基础,铸件生产能力的高低直接影响着整个国家的工业水平。低压铸造技术是使液体金属在较低压力作用下充填型腔,以形成铸件的一种方法,也是实现铸件少余量、无余量加工,同时也是汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施。低压铸造合金的充型和凝固是低压铸造工艺的根本技术问题,而且充型及凝固过程难以用肉眼观察和准确检测,给铸造工艺设计和工艺过程控制带来很大困难。
为了准确描述合金在凝固过程中的流动行为及补缩特性,人为定义了合金临界凝固系数的概念。Journal of materials processing technology(材料加工技术杂志)2008年第197卷第1期中《Investigation of critical liquid fraction factor in nodulariron castings by computer 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凝固固相系数来表示合金临界液相分数。
采用差示扫描量热分析法(DSC)可以检测出合金在固、液相线区间温度与固相率之间对应的函数关系。《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应用广泛。为了确保数值计算结果的准确性,迫切需要采用准确的基础物理数据。作为反映合金补缩特征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,还没有发现关于低压铸造过程中的测试合金临界凝固系数装置和方法,迫切需要开发新的检测装置和方法以获得该参数,以满足低压铸造工艺数值化设计和低压铸造过程控制的要求。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种用于低压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、准确的检测出合金在压力铸造条件下的临界凝固系数,而且具有控制方便、操作简单的特点。
本发明的技术方案如下:
一种用于低压铸造合金临界凝固系数检测的装置,包括设备支架1、倾转实验平台2、电机3、安装在倾转实验平台2上的对开模具21、22、连接对开动模21的液压缸19、与对开模具相连接的测温热电偶23、多通道温度采集设备7、与多通道温度采集设备相连的铠装热电偶9-12、高电压信号计时型计时器17、位于模具上方的封闭腔体14、与封闭腔体相连接的真空罐5、真空压力表6、与真空罐相连接的真空泵4、连接真空罐5的电磁阀8,封闭腔体14的卸真空电磁阀13、带有控制单元的综合控制柜24,所述模具中浇注合金熔体。
所述对开模具21、22安装有电阻加热棒和测温热电偶23,并连接综合控制柜24,实现加热和控温。
所述铠装热电偶9-12为直径为0.5mm的镍铬-镍硅热电偶,均匀布置于对开模具21、22型腔内从型腔中心到壁面的径向方向上,铠装热电偶9-12头部置于距离型腔底部三分之二型腔高度的位置上。
所述高电压信号计时型计时器17分别连接倾转实验平台2和对开模具21、22型腔中的合金,高电压信号计时型计时器17记录操作时间。
所述高电压信号计时型计时器(17)在模具内腔顶部设置有连接导线15、16,并与倾转试验平台2相连。
所述对开模具21、22及铠装热电偶9-12位于封闭腔体14中,所述封闭腔体14通过电磁阀8与真空罐5相连接。
所述真空罐5与真空泵4相连接,并连接真空压力表6。
所述综合控制柜24与倾转实验平台2、高电压信号计时型计时器17、真空泵4、对开模具21、22相连,控制各装置协同动作。
一种用于低压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,将对开模具21、22预热到100-250℃并保温,调节并固定铠装热电偶9-12在对开模具21、22型腔中的径向分布和高度位置,并连接好热电偶9-12和多通道温度采集设备7;其次,启动真空泵4,将真空罐抽真空至20-80KPa;再次,将过热100 -120℃的合金液浇注到对开模具21、22型腔中,并立即打开连接真空罐5与封闭腔体14的电磁阀8,待金属液冷却3-8 秒后,倾倒出对开模具21、22型腔心部未凝固金属液,待对开模具21、22中剩余金属冷却后,关闭真空罐5与封闭腔体14的电磁阀8并打开卸真空电磁阀13卸掉封闭腔体14的真空,取出铸锭,并从高电压信号计时型计时器17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沿径向的温度分布,获得移除合金液时刻铸锭所处的铠装热电偶9-12头部高度位置上沿铸锭径向的温度分布;最后,沿铠装热电偶9-12顶部位置切断铸锭27,并测量出该位置处铸锭27内环直径,根据该时刻的温度分布确定出移除金属液时刻铸锭27内环所对应的温度,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。
所述方法中的对开模具21、22型腔的顶部内直径60mm,底部内直径为30mm,内高度为105mm,并通过浇注***与该对开模具型腔相连接。
所述方法中铠装热电偶9-12头部位于距离对开模具21、22型腔底部75mm的位置,且铠装热电偶9-12沿对开模具21、22型腔径向方向从对开模具21、22型腔心部开始均匀布置至对开模具21、22内壁面。
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,设计好对开模具的形状和尺寸,将对开模具温度控制在100-250℃,确保合金液在模具内腔中从模具边部向心部顺序凝固;然后,将过热100-120℃的合金液浇注到模具中,并立即在封闭腔体中形成真空度为20-80KPpa的真空,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,测量模具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型计时器控制合金凝固时间,当浇注满型腔时立即打开连接封闭腔体与真空罐的电磁阀;进而,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,最终获得中空铸锭,卸掉封闭腔体的真空,取出铸锭;最后,测量出所获得铸锭在热电偶(9-12)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.所采用的检测方法参照了低压铸造条件下的合金流动行为,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可靠、操作方便的特点。
附图说明:
图1为合金流动特性测试装置示意图,图2为对开模具的剖视图,图3为对开模具的右视图,图4为铸锭结构示意图。
其中:1为设备支架;2为倾转实验平台;3为电机;4为真空泵; 5为真空罐;6为真空压力表;7为多通道温度采集设备;8为电磁阀;9为铠装热电偶1;10为铠装热电偶2;11为铠装热电偶3;12为铠装热电偶4;13为卸真空电磁阀;14为封闭腔体;15为高电压信号计时型计时器连接线1;16为高电压信号计时型计时器连接线2;17 为高电压信号计时型计时器;18为控制总线;19为液压缸;20为加热棒;21为对开动模;22为对开定模;23为测温热电偶;24为综合控制柜,25为定位销、26为定位孔,27为铸锭。
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、图2、图3和图4,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,并进行净化和除气处理,然后加热至该合金液相线温度以上100-120℃待用;
③安装好对开模具和封闭腔体,并将对开模具加热至100- 250℃,布置好坩埚中铠装热电偶的位置,将其均布在从模具内腔中心到边部的径向方向上,热电偶头部位于距离坩埚底部三分之二模具内腔高度位置处;
④关闭连接真空罐与封闭腔体之间的电磁阀,启动真空泵,将真空罐抽真空至20-80Kpa;
⑤预设电压信号计时器3-8秒,将合金液浇注满模具后立即打开真空罐与封闭腔体的电磁阀,待坩埚中金属液冷却3-8秒后,倾转试验平台翻转模具,倾倒处未完全凝固的金属液;
⑥待对开模具中铸锭冷却后,关闭真空罐与封闭腔体之间的电磁阀,并打开封闭腔体的卸真空电磁阀卸掉封闭腔体中的真空,取出铸锭并沿热电偶头部位置切断坯料,并测量铸锭内环直径;
⑦读取铸锭凝固过程的温度记录,获取熔体倾倒时刻铸锭在热电偶头部截面处的温度分布,并通过线性拟合获得熔体倾倒时刻铸锭内环半径处的温度值;
⑧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ZL101合金作为检测对象,首先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;选用对开模具21、22型腔上内径为60mm,下内径为30mm,高为105mm,将其置于倾转试验台2上;并将铠装热电偶9-12固定在距离对开模具21、22底部75mm的高度上,并均布在对开模具21、22的型腔中心到坩埚壁的径向位置上;连接好高电压信号计时型计时器17的连接线15、16;在电阻炉中熔化该亚共晶铝硅合金ZL101 并加热至713℃(过热100℃)保温待用,并加热对开模具21、 22至100℃;设定高电压信号计时型计时器17的时间为3秒,并关闭卸真空电磁阀13和打开连接封闭腔体14与真空罐5之间的电磁阀8,启动真空泵4将真空罐5压力降低至20Kpa,迅速将高温熔体浇满对开模具21、22的型腔,立即打开连接真空罐5与封闭腔体14之间的电磁阀8,3秒钟后倾转试验台2迅速倾倒出对开模具21、22型腔中未完全凝固金属液;待凝固冷却后获得铸锭27,打开卸真空电磁阀13取出铸锭,沿铠装热电偶9-12的头部位置切断铸锭27,测量出所获得铸锭27在铠装热电偶9-12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585℃,并根据合金的DSC检测结果,获得具有流动性的合金对应的固相率为60%,所获得固相率即为该合金在该压力条件下的临界凝固系数。
实施例2
以亚共晶铝硅合金A356作为检测对象,首先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;选用对开模具21、 22型腔上内径为60mm,下内径为30mm,高为105mm,将其置于倾转试验台2上;并将铠装热电偶9-12固定在距离对开模具21、 22底部75mm的高度上,并均布在对开模具21、22的型腔中心到坩埚壁的径向位置上;连接好高电压信号计时型计时器17的连接线15、16;在电阻炉中熔化该亚共晶铝硅合金A356并加热至719℃(过热110℃)保温待用,并加热对开模具21、22至180 ℃;设定高电压信号计时型计时器17的时间为5秒,并关闭卸真空电磁阀13和打开连接封闭腔体14与真空罐5之间的电磁阀8,启动真空泵4将真空罐5压力降低至50Kpa,迅速将高温熔体浇满对开模具21、22的型腔,立即打开连接真空罐5与封闭腔体14之间的电磁阀8,5秒钟后倾转试验台2迅速倾倒出对开模具21、22型腔中未完全凝固金属液;待凝固冷却后获得铸锭27,打开卸真空电磁阀13取出铸锭,沿铠装热电偶9-12的头部位置切断铸锭27,测量出所获得铸锭27在铠装热电偶9-12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568℃,并根据合金的DSC检测结果,获得具有流动性的合金对应的固相率为58%,所获得固相率即为该合金在该压力条件下的临界凝固系数。
实施例3
以亚共晶铝硅合金A356合金作为检测对象,首先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;选用对开模具21、22型腔上内径为60mm,下内径为30mm,高为105mm,将其置于倾转试验台2上;并将铠装热电偶9-12固定在距离对开模具21、22底部75mm的高度上,并均布在对开模具21、22的型腔中心到坩埚壁的径向位置上;连接好高电压信号计时型计时器17的连接线15、16;在电阻炉中熔化该亚共晶铝硅合金A356 合金并加热至729℃(过热120℃)保温待用,并加热对开模具21、 22至250℃;设定高电压信号计时型计时器17的时间为3秒,并关闭卸真空电磁阀13和打开连接封闭腔体14与真空罐5之间的电磁阀8,启动真空泵4将真空罐5压力降低至80Kpa,迅速将高温熔体浇满对开模具21、22的型腔,立即打开连接真空罐5与封闭腔体14之间的电磁阀8,3秒钟后倾转试验台2迅速倾倒出对开模具21、22型腔中未完全凝固金属液;待凝固冷却后获得铸锭27,打开卸真空电磁阀13取出铸锭,沿铠装热电偶9-12的头部位置切断铸锭27,测量出所获得铸锭27在铠装热电偶9-12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565℃,并根据合金的DSC检测结果,获得具有流动性的合金对应的固相率为50%,所获得固相率即为该合金在该压力条件下的临界凝固系数。
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 (8)
1.一种用于低压铸造合金临界凝固系数检测的装置,包括设备支架、倾转实验平台、电机、安装在倾转实验平台上的对开模具、连接在对开模具上的液压缸、与对开模具相连接的测温热电偶、铠装热电偶、与铠装热电偶相连的多通道温度采集设备、位于对开 模具上方的封闭腔体、与封闭腔体相连接的真空罐、真空压力表、与真空罐相连接的真空泵、连接真空罐的电磁阀,封闭腔体的卸真空电磁阀、与电机和对开模具型腔金属相连的高电压信号计时型计时器、与电机和电磁阀以及测温热电偶相连的综合控制柜,所述对开 模具中盛装合金熔体;所述铠装热电偶为直径为0.5mm的镍铬-镍硅热电偶,均匀布置于对开模具型腔内从型腔中心到壁面的径向方向上,铠装热电偶头部置于距离型腔底部三分之二型腔高度的位置上。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于:所述对开模具安装有电阻加热棒和测温热电偶,所述对开模具型腔的顶部内直径60mm,底部内直径为30mm,内高度为105mm,并通过浇注***与对开模具型腔相连接。
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型计时器分别连电机和对开模具型腔中的合金。
4.如权利要求1所述的装置,其特征在于:所述对开模具及铠装热电偶位于封闭腔体中,所述封闭腔体通过电磁阀与真空罐相连接,所述真空罐与真空泵相连接,并连接真空压力表。
5.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型计时器在对开 模具内腔顶部设置有连接导线,并与倾转实验 平台相连。
6.如权利要求1所述的装置,其特征在于:所述综合控制柜与电机、高电压信号计时型计时器、电磁阀、真空泵、对开模具相连。
7.一种用于低压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,将对开模具预热到100-250℃并保温,调节并固定铠装热电偶在对开模具型腔中的径向分布和高度位置,并连接好热电偶与多通道温度采集设备;其次,启动真空泵,将真空罐抽真空至20-80KPa;再次,将过热100-120℃的合金液浇注到对开模具型腔中,并立即打开连接真空罐与封闭腔体的电磁阀,待金属液冷却3-8秒后,倾倒出对开模具型腔心部未凝固金属液,待对开模具中剩余金属冷却后,关闭真空罐与封闭腔体的电磁阀并打开卸真空电磁阀卸掉封闭腔体的真空,取出铸锭,并从高电压信号计时型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锭沿径向的温度分布,获得移除合金液时刻铸锭所处的铠装热电偶头部高度位置上沿铸锭径向的温度分布;最后,沿铠装热电偶顶部位置切断铸锭,并测量出该位置处铸锭内环直径,根据该时刻的温度分布确定出移除金属液时刻铸锭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。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于:在浇注金属液前,综合控制柜预设金属液冷却时间和压力,当金属液填充满对开 模具型腔时,高电压信号计时型计时器开始计时,并立即打开连接封闭腔体与真空罐之间的电磁阀,并启动真空泵保持真空泵处于设定压力,一旦到达预设冷却时间,立即启动电机,倾转安装在倾转实验平台上的对开模具倒出仍具有流动性的合金,再关闭连接封闭腔体与真空罐之间的电磁阀并打开封闭腔体的卸真空电磁阀,取出铸锭。
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Granted publication date: 20171010 Termination date: 20180911 |