专利名称：用于确定金属熔体的热裂倾向性的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定金属熔体的热裂倾向性的设备，包括铸 模，所述铸模具有第一子空间和第二子空间，所述第二子空间形成为具 有第一端和第二端的管状部，所述第一端连接到所述第一子空间；测量 元件，所述测量元件延伸到所述管状部的所述第二端中；以及测量装置， 所述测量装置用于记录所述测量元件上的力和/或所述测量元件在所述 管状部的延伸方向上的位置变化，所述测量装置与所述测量元件耦合.
背景技术：
热裂是金属熔体凝固中的突出问题。热裂是用来表示在固相线温度
晶间间断的术语.热裂紋可能极微小或延伸几毫米或甚至几厘米。无论 如何，它们代表意欲至少部分地由凝固的金属熔体制成的工件的缺陷。
特别是对于带铸或具有可比性的连铸工艺，了解熔体的热裂倾向性 是很重要的，因为其对铸件的强度有直接影响。这种了解对于焊接或特 定焊接方法的使用也很重要，因为其对焊接的耐久性有直接影响。
过去，已做出许多努力来确定钢、特别是铝合金的热裂倾向性。然 而，目前还没有在充分理解或者甚至模拟热裂倾向性的现象上取得任何 成就.也没有能够可靠地确定热裂倾向性的i殳备。
在处理铸模中的金属熔体的凝固过程时，目前典型的方法是，不仅 要测量并在评价中考虑化学成分，还要测量并在评价中考虑熔化参数， 比如熔池温度、铸模温度、在凝固过程中的温度变化和在凝固过程中铸 模中由于收缩而产生的力。也可通过对出现裂紋的区域中的材料、其尺 寸和形态进行目测而作出纯定性评估。
热裂紋关于其尺寸而被定性地表征。 一般在可用肉眼看到的裂紋、 可借助于一些诸如放大镜这样的装置看到的裂紋和只能在显微镜下看 到的裂紋之间进行区分.裂紋的长度也经常被用作热裂倾向性的评判标准。已知的测试方法的共同之处在于，虽然它们能够评估裂紋的出现及 其尺寸，但是它们不能对张力并从而对因此形成的应力下结论。然而， 了解张力和应力允许定性地确定未来出现裂紋的倾向性或者允许预测 它们的进一步行为。
迄今为止，热裂倾向性是借助于其中例如测量流动长度的铸模来定 性地确定的。凝固的材料最多到达的不会出现裂紋的长度在此作为特征 数。该数值对于铸模的几何形状(即铸造通道和所选的浇铸系统的横截 面)是特定的。制造铸模的材料对于相应的测试装置也是特定的。制造 铸模的材料例如可以是钢一一如果例如将铸模设计为永久模具，或者 沙。在后一种情形中，还要将沙的颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、含水量、 粘合剂以及沙的密实度和成分考虑进去作为进一步的参数。还将熔池温 度和铸模温度确定为额外的特征值。
已知的用于确定热裂倾向性的铸模基于环形几何形状，其中外径保 持恒定而内径可变。在凝固过程中，材料收缩到芯上，且取决于壁厚、 熔池温度、铸模温度和化学成分，可形成裂紋。这种铸模特别容易在浇 铸区域出问题，因为那里的状态通常是不可再现的。
在S. Instone等人在//!,mta^ma/ Jo"i7ifl/ Cto ikfCfl/s及ese"rc/r (12 (2000) 441-456 )发表的"7V嫌fl/;/mm似s cAflracte由7ig ^"s,7e rfeve/o/;附ewf fl d ZrW crflcAi/fg /"幼e附ms一 ^ we" 中，描述了洗 口位于中心的H形铸模，其中将张力测试机也结合于系统中。这用来结 合力并试图对热裂倾向性作出结论，同时考虑了在特定力和已知的温度 分布下出现的裂紋。
除此之外，还使用了具有第一容纳空间和管状测量空间的铸模。在 这些模具的情形中，热区通常出现在第一接收空间和管状测量空间之间 的连接区域中。热区是在凝固工艺过程中熔体的积聚，其通常出现在距 离铸模冷壁最远的铸模的空间的中央区域中。在这些铸模的情形中，在 杆的长度上测量熔体在凝固过程中的收缩行为。这里也一样，参数是熔 池温度和铸模温度以及熔体的化学成分.热裂倾向性另外受到热区的热 含量的影响。
G. Cao、 S. Kou在M^fl//"rg/cfl/ fl/irf M"她r/fl/s 7Vfl/isfl"iVws 广37A(2006) 3647-3663 )发表的"ff^ te肌Vig 6>/temfli^ A^-K7" c"幼Vigs" 中描述了一种根据权利要求的前序部分的装置。其中，Cao和Kou描述了 用铸模的杆形子空间直接测量在凝固过程出现的张力以及合力。Y. Wang 等Ajt AffltenVi/s丄^tefs (53 (2002) 35-39 )发表的"/wfefSfti/iflf/"g 6>/f/re ZrW tefln'"g附ec/ffl/i/s挑//I m"g/fw'"附中也描述了 一种用来确定 热裂倾向性的具有杆形铸模几何形状的测试装置。
然而，在使用该设备的情况下，取决于凝固材料的温度和铸模的温 度，并最终取决于两者的收缩行为，在凝固材料和铸模的内壁之间会出 现相当大的摩擦力。在一些情况下使用的润滑剂伴随它们带来进一步的 困难，即难以解释测量到的值。由于以此方式出现的摩擦力，几乎不可 能作出有意义的解释。
所有目前已知的设备允许对热裂倾向性的一定的评估。然而，由于 出现摩擦力，所以无一适合于热裂倾向性的精确定量和定性的确定。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于确定金属熔体的热裂倾向性的设 备，其允许对各种金属熔体的热裂倾向性的改进的定量和定性确定。
通过根据权利要求1的特征的设备实现此目的。有利的实施方式是 从属权利要求的主题。
本发明提供一种用于确定金属熔体的热裂倾向性的设备，包括铸 模，所述铸模具有第一子空间和第二子空间，所述第二子空间形成为具 有第一端和第二端的管状部，所述第一端连接到所述第一子空间；测量 元件，所述测量元件延伸到所述管状部的所述第二端中；以及测量装置， 所述测量装置用于记录所述测量元件上的力和/或所述测量元件在所述 管状部的延伸方向上的位置变化，所述测量装置与所述测量元件耦合， 其特征在于，所述管状部的横截面在所述管状部的大致可在整个长度上 选取的每个子部中沿着所述笫二端的方向是减小的。
此处，术语"铸模"涵盖所有适于在其内部空间中容纳或接收或在 其中形成金属熔体的容器。此处，术语"空间"实质上是指可用于容纳熔体的内部空间。此处 铸模的内部空间由至少两个子空间组成。
"所述管状部的横截面在所述管状部的大致可在整个长度上选取 的每个子部中沿着所述第二端的方向是减小的"的表征特征实质上可解 释为意味着在管状部的整个长度上基本上没有这样一个子部，其横截面 在管状部的延伸方向上是恒定的。这避免了由凝固材料和铸模的壁之间 的摩擦力造成的虚假测量。例如，管状部可具有圃形横截面，其直径在 每个子部中朝着第二端减小，所以该部分为截头圃锥形。
与已知的测量设备相比，根据本发明的设备的优点尤其在于凝固材 料相对于铸模的收缩主要在管状部的延伸方向上有影响，这致使凝固材 料立刻与铸模的壁分离，从而不会在凝固的熔体和铸模的壁之间测量到 摩擦效应。
此外，测量是独立于铸模本身的收缩行为的，因为铸模中的熔体一 般比铸模本身的材料收缩得更多。
根据本发明的设备主要是为确定镁熔体的热裂倾向性而开发。然 而，由于测试装置和所确定的特征值的原因，该设备不仅可用于镁合金， 还可用于铝、锌和非铁金属以及用于钢和其它金属熔体。
根据本发明的几何形状和使用各种各样的铸模材料的可行性意味 着该设备允许对在凝固过程中的所有材料进行测量。因此，首次获得了 用于确定热裂倾向性的可标准化的测量元件。因此不仅可进行定性评 估，而且可同时进行定量评估。这也首次允许对各种材料的热裂倾向性 进行直接对比。
本发明的突出优点是同时检测试样中的裂紋和因而产生的张力或 应力变化。对热裂倾向性可实现定性和定量结论。
除化学成分外，还用该设备测量熔化参数，比如熔池温度、铸模温 度、在凝固过程中的温度变化和在凝固过程中在铸模中由于收缩而产生 的力，并在评价中对溶化参数加以考虑。另外，可同时对裂紋的出现、 其尺寸、形态和随时间推移的行为进行材料的纯定性评估。为了最小化流体静压影响或者由重力引起的对测量的其它影响，如 果管状部大致沿水平方向延伸则是有利的。
温度测量元件优选地沿着管状部的延伸方向设置.这些温度测量元 件一方面可起到基于评价的目的而记录温度的作用。另一方面，它们可 用于调节铸模的壁的温度，并且相应地调节凝固的熔体的温度。为此， 如果在第一子空间中设置至少一个温度测量元件则是有利的。该温度测 量元件例如可伸缩地插入铸模的内部空间，以便可测量在第 一子空间和 第二子空间之间的连接区域中的热区处的温度。
如果第 一子空间和/或第二子空间设置有加热装置和/或冷却装置， 则有利于温度调节和控制。这允许以特定方式控制熔体的凝固过程。就
这一点而言，如果以如下方式控制管状部的温度则是特别有利的第二 端比第一端的温度低，因此熔体首先在第二端凝固并从而以抗张方式连 接到测量元件。这允许在凝固过程的最早可能阶段精确地进行对由熔体 的收缩行为引起的张力的测量。
通气孔优选地设置在管状部的第二端，以便优选地大致沿水平方向 延伸的管状部中的空气能够在熔体进入该管状部时排出。该通气孔例如 可以是测量元件上在上侧沿着测量元件的延伸方向延伸的切口。
该设备优选地具有至少部分位于铸模上方的浇铸系统，铸模的第一 子空间设计用于从浇铸系统接收金属熔体。这种情况下，熔体在浇铸系 统中形成，并且当熔体和铸模处于适当的温度时，熔体经下出口被引导 到铸模的第一子空间中。因此，第一子空间有利地具有用于从位于其上 方的浇铸系统接收熔体的上开口 。 一旦熔体的高度已经达到在铸模的第 一子空间和第二子空间之间的连接区域，那么熔体也分布到第二子空间 中。
为了使测量元件能够尽可能没有摩擦地沿轴向方向移动，优选地在 例如由石墨或陶瓷制成的套管中以较小的摩擦接触相对于铸模引导测 量元件。
为了读取和评价测量结果，测量装置和任何温度测量元件优选地连 接到计算机控制的读取系统并可通过该系统进行读取。
下面基于图l至图4详细说明本发明的有利实施方式。
图l示意性地示出根据本发明的设备的有利实施方式的装置。
图2示出穿过根据本发明的设备的有利实施方式的铸模的竖直纵断面。
图3示出穿过根据本发明的设备的有利实施方式的铸模的水平纵断面。
图4示出曲线图形式的测量结果，其中图示了对于两种不同的测试 测量到的随着时间变化的张力和温度。
具体实施例方式
图1示意性地示出用于确定金属熔体的热裂倾向性的设备的整体装 置。该设备的主要构件设置在稳定的水平平台l上。保持装置3从水平 平台l竖直地延伸至一侧，其作用是将浇铸系统5紧固在铸模7上方。 浇铸系统5大致包括设计为具有可加热壁的熔炉9的圃筒形容器。熔炉 9具有上开口，上开口可用于填充可在熔炉内熔化的金属材料IO。填充 后，上入口可由盖子ll封闭。熔炉9在下侧具有出口 13，该出口 13 可用封闭系统15将其打开和封闭。在此实施方式中，封闭系统15为塞 子17，其可借助于竖直延伸的杆19上升或下降，杆19在上侧经盖子 11中的中央衬套从熔炉9引至外部。在图1中示出的塞子17的下降位 置，在下侧的出口 13被封闭，且金属熔体10不能离开。为了调节加热 温度和/或为了确定金属熔体10是否已达到适当温度，温度测量元件21 以内镜方式或伸缩方式经盖子11浸入金属熔体10中。为此，温度测量 元件21经由通信链路连接到由计算机23控制的读取系统25。
铸模7设置在熔炉9的出口 13下方，以便当塞子17上升时熔体10 可经出口 13流入铸模7中。铸模7具有两个子空间，第一子空间27为 大致圆筒形的容器，其在上侧具有开口用于从熔炉9接收熔体10。第二 子空间27以管状部29的形式大致水平地远离第一子空间27延伸。管 状部29具有连接到第一子空间27的下部区域的第一端31和测量元件35伸入其中的第二端33。当从在上侧的熔炉9填充铸模7时，首先填 充第一子空间27，直至达到熔体10流入管状部29中的填充高度。为了 测量，管状部29必须被填满。
在图2和图3中可更清晰地看到管状部29的横截面在管状部29的 大致可在整个长度上选取的每个子部中沿着第二端33的方向是减小的。 在此实施方式中，圆形橫截面的直径在管状部29的整体长度上减小并 具有从第一端31朝着第二端33的大约3。的圆锥角。
铸模7的外表面区域的大部分装有加热或冷却系统37，以便铸模7 的温度既在第一子空间27中和在管状部29中都可以得到适当地控制。 这允许以特定的方式控制熔体10在铸模7中的凝固行为。为了调节加 热或冷却系统37并且基于评价的目的，铸模7还装有温度测量元件39、 41、 43、 45、 47，这些测量元件分別经由通信链路连接到计算机控制的 读取系统25。温度测量元件39测量铸模7的第一子空间27的温度。三 个温度测量元件43、 45、 47测量管状部29在沿管状部29的延伸方向 的各个区域中的温度。温度测量元件47在这种情况下设置在管状部29 的第二端33处。温度测量元件41以伸缩方式或内镜方式经第一子空间 27引导至第一子空间27和管状部29之间的连接区域中。这允许使用温 度测量元件41来测量在热区处的熔体10的温度。
测量元件35位于管状部29的第二端33，测量元件35大致沿着管 状部29的延伸方向同轴地以活塞的形式延伸，并相对于铸模7通过较 小的摩擦接触在例如由石墨或陶瓷制成的套管49中被引导。测量元件 35因此沿轴向方向以可移动的方式安装。为了读取在管状部29的延伸 方向上的力和/或位置，测量元件35与测量装置51耦接。测量装置51 在这种情况下具有万向接头53和杆形传输元件55,万向接头53将测量 元件35连接至传送元件55。传送元件55将沿轴向方向的位置变化和/ 或力传送至力或位置测量仪器57。力或位置测量仪器57同样经由通信 链路连接到计算机控制的读取系统25用于读取和评价测量数据。
铸模7和力或位置测量仪器57相对于平台1具有限定的位置，它 们优选地固定地连接至平台1。铸模7和/或力或位置测量仪器57也可 沿管状部29的延伸方向以可移动方式连接至平台1。诚然，这必然需要 精确校准轴向位置。然而，额外的撕裂力然后例如可通过受控步进马达施加在熔体19上，以引起裂紋和/或测量材料在特定应力下的承栽能力。 类似地，浇铸系统5可以以可竖直地调节的方式连接至保持装置3，以 便在初始铸造过程中可以设定熔体10的滴落高度并将该滴落高度适当 地与使用的材料匹配。整个设备可设计成例如横向宽度小于1米的台式 实验(benchtop experiment),朝第二端33逐渐变细的管状部29例如 可具有大约20cm的长度和在12mm到8mm之间的直径。
图2和图3分别示出穿过铸模7的竖直和水平纵断面。图中为了清 楚起见示出了管状部29从第一端31朝第二端33的圃锥角6。大致水 平地延伸的管状部29的第二端33由支撑件59从下方支撑，支撑件59 连接至平台1,铸模7的第一子空间27也连接至平台1。测量元件35 在上侧具有沿测量元件35的延伸方向延伸的切口形式的通气孔61。通 气孔61允许大致水平地延伸的管状部29在填充熔体10的过程中的通 气。
使用图示的设备执行下述用于确定金属熔体的热量倾向性的方法。 首先，将待测试的具有已知化学成分的金属材料IO(例如含铝3%的镁) 填充到熔炉9内。材料IO的量必须足以以液态形式充分填充铸模7，以 允许管状部29被充满。然后将熔炉9加热至高于材料10的熔点的温度， 例如加热至715t:。同时，将铸模7预热至例如350t:的温度，以便能 够控制熔体10以后在铸模7中的凝固行为。
一旦温度测量元件21、 39、 43、 45、 47指示适当的温度，就可开 始初始铸造。封闭熔炉9的下侧上的出口 13的塞子17借助于杆19上 升，以便金属熔体10可经出口 13流入位于其下方的铸模7的第一子空 间27中。熔体10从而也分布到管状部29内，管状部29以其第一端31 连接至铸模7的第一子空间27。由于铸模7的温度在熔点以下，所以熔 体开始在铸模7中凝固。这首先发生在铸模7的壁处，所述壁比熔体的 温度低，并且此后向内继续进行。由于在管状部29的第二端33处的小 直径、距第一子空间27的最远距离和/或加热或冷却系统37的适当温 度控制，熔体10首先在管状部29的第二端33处凝固，测量元件35延 伸到笫二端33中。凝固的效果是在凝固的熔体10和测量元件35之间 形成非正的连接，从而形成抗张连接。在凝固过程中，金属材料10收 缩。这在管状部29的延伸方向上尤为明显。铸模7本身在其冷却时同样也收缩，但是比经过从液体到固体的相变的材料10少许多倍。因此， 测量元件35借助于凝固的熔体10和测量元件35之间的抗张连接被拉 入管状部29内。
在径向方向上，几乎注意不到管状部29中凝固材料的收缩。管状 部29的锥形然后防止铸模7的壁和凝固的材料IO之间的摩擦效应。这 是因为圆锥角致使材料立刻与壁分离，并且由于沿轴向方向的明显收缩 而使材料不会沿壁拉动其本身。结果，测量元件35上的张力的测量比 使用传统装置时要精确许多倍。于是可使用测量元件35来测量材料10 的收缩带来的张力或者材料10的长度变化。
在凝固过程中，热区(即第一子空间27和管状部29之间的连接区 域)处的温度也被记录。在该区域中，熔体10保持液态的时间最长， 并且此处出现热裂紋的概率最高。为了测量温度，温度测量元件41通 过铸模27上的孔以伸缩方式或内镜方式被引导穿过第一子空间27而进 入第一子空间27和管状部29之间的连接区域中。温度测量元件41耐 热且设置有相应的材料，比如陶瓷。
在凝固过程中，由计算机23控制的读取系统25读取用温度测量元 件39、 41、 43、 45、 47测量到的作为时间的函数的温度以及用力或位 置测量仪器57测量到的测量元件35上的张力或者后者的位置变化。
图4示出两个测试的结果，这两个测试都是在含铝3%的镁熔体、 熔化温度为7501C以及铸模温度为350匸的情况下执行的。张力和热区 温度是对照时间图示的。实曲线与第一测试相关而虚曲线与第二测试相 关。箭头分别示出可应用于曲线的轴。在凝固阶段开始的较陡峭的上升 之后，力近似恒定地增加，而温度的表现呈相应相反的形式。在温度在 开始时初始上升至超过600"C并在凝固阶段开始时剧烈下降至约5001C 之后，温度较恒定地下降。发现根据本发明的设备首次允许热裂倾向性 的可再现的定量确定，因为两个测试的测量结果在测量误差的限度内是 一致的。
热裂紋的出现将在力曲线中自身显示为阶梯式下降或突然下降。因 此，在测试中测量到的最大张力取决于是否已出现一个或更多的热裂紋 以及它们的形式和范围。因此，在定义的凝固间隔之后测量到的最大力为热裂紋的尺寸和/或数目的定量量度。例如，已发现在含铝1%的镁熔
体和热区温度为300C的情况下，小于卯ON的张力表示存在大的热裂 紋。已通过目测证实这一点。此处尺寸正好适当的裂紋允许测量到900N 至1100N的张力，而不存在热裂紋或者仅存在4艮小的裂紋允许测量到超 过1100N的张力。
权利要求
1.一种用于确定金属熔体(10)的热裂倾向性的设备，包括铸模(7)，所述铸模(7)具有第一子空间(27)和第二子空间，所述第二子空间形成为具有第一端(31)和第二端(33)的管状部(29)，所述第一端(31)连接到所述第一子空间(27)；测量元件(35)，所述测量元件(35)延伸到所述管状部(29)的所述第二端(33)中；以及测量装置(51)，所述测量装置(51)用于记录所述测量元件(35)上的力和/或所述测量元件(35)在所述管状部(29)的延伸方向上的位置变化，所述测量装置(51)与所述测量元件(35)耦合，其特征在于，所述管状部(29)的横截面在所述管状部(29)的大致可在整个长度上选取的每个子部中沿着所述第二端(33)的方向是减小的。
2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述管状部(29)大 致沿水平方向延伸。
3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，沿所述管状部(29 ) 的延伸方向设置有温度测量元件(43， 45， 47)。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，至少一 个温度测量元件(41)设置在所述笫一子空间(27)中。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述第 一子空间(27)设置有加热装置(37),
6. 如权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述第 一子空间(27)设置有冷却装置(37)。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述管 状部(29 )设置有加热装置(37 )。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述管 状部(29 )设置有加热装置(37 )。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，在所述 管状部(29 )的第二端(33 )设置有通气孔(61 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定金属熔体的热裂倾向性的设备，包括铸模，所述铸模具有第一子空间和第二子空间，所述第二子空间形成为具有第一端和第二端的管状部，所述第一端连接到所述第一子空间；测量元件，所述测量元件延伸到所述管状部的所述第二端中；以及测量装置，所述测量装置用于记录所述测量元件上的力和/或所述测量元件在所述管状部的延伸方向上的位置变化，所述测量装置与所述测量元件耦合。允许热裂倾向性的改善的定量和定性确定这一目的通过如下结构实现所述管状部的横截面在所述管状部的大致可在整个长度上选取的每个子部中沿着所述第二端的方向是减小的。
文档编号B22D46/00GK101618456SQ20091015872
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月4日
发明者卡尔·乌尔里希·凯纳, 奥利弗·乌特克, 威利·普内森, 甄子胜, 诺贝特·霍特 申请人:Gkss-盖斯特哈赫特研究中心有限责任公司