一种磁场下的凝固取向装置的制作方法

本发明属于电磁铸造技术领域，特别是涉及一种磁场下的凝固取向装置。

背景技术：

金属熔体凝固时的凝固组织会受到温度场的分布和磁场方向的影响，熔体内温度梯度的大小和方向决定了凝固组织的尺寸和生长方向，而磁场方向与凝固组织生长方向的不同夹角也决定了熔体凝固组织的不同效果。但现有的磁场环境下真空浇注实验中所采用的试样多为长方体或圆柱体，使用其进行金属熔体的凝固过程实验时，由于冷却过程中金属熔体宏观的温度梯度为某一个单一的方向，因此每次实验只能研究单一凝固组织生长方向与磁场方向的关系，且温度梯度很难控制，若要研究多个不同凝固组织生长方向与磁场方向夹角之间的关系，则需要做大量的实验，不仅浪费原材料和能源，还大大降低了实验效率。因此，需要一种新的装置来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种磁场下的凝固取向装置，该装置结构简单，使用方便，可在一次实验中实现对多个不同凝固组织生长方向与磁场方向夹角关系的研究。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁场下的凝固取向装置，包括圆柱形的冷却铜模、壳体、第一法兰、第二法兰和密封盖，所述冷却铜模顶部与壳体底部通过第二法兰连接，所述壳体顶部通过第一法兰与密封盖连接，所述第一法兰上设置有充气孔，壳体内固定有坩埚，所述坩埚与壳体之间留有圆环形间隙，所述间隙与第一法兰内空间连通，坩埚外壁缠绕有感应加热线圈，坩埚底部开设有浇铸口，坩埚内设置有第一热电偶和浇铸控制杆，所述浇铸控制杆穿透密封盖且可相对密封盖上下移动，浇铸控制杆向下移动时可将浇铸口封堵，壳体底部与浇铸口对应位置开有通孔，壳体底部还开有通气孔，所述通气孔将间隙与第二法兰内空间连通，所述第二法兰上设置有排气孔，所述冷却铜模外侧设置有稳恒磁场发生器，冷却铜模底板的上表面设置有与其内壁同心的圆环形凹槽，所述圆环形凹槽内安装有石英管，所述石英管顶部安装有圆锥形分流器，所述圆锥形分流器的顶点向上且对准浇铸口处。

所述石英管内安装有电阻加热线圈，所述电阻加热线圈内设置有第二热电偶。

所述电阻加热线圈的功率可调，其加热温度范围为20℃～1000℃。

所述冷却铜模底板的上表面设置有多组同心的圆环形凹槽。

所述第一法兰与第二法兰均设有冷却结构，其冷却方式为水冷。

所述冷却铜模采用的冷却方式为水冷。

所述密封盖上设置有窥视孔，所述窥视孔处安装有耐热玻璃。

所述浇铸控制杆与密封盖之间设置有橡胶密封圈。

所述圆锥形分流器选用石墨材质。

所述稳恒磁场发生器所产生的磁场强度范围为0.1T～6T。

本发明的有益效果：

本发明供了一种磁场下的凝固取向装置，该装置结构简单，使用方便。由于石英管与冷却铜模内壁形成圆柱环空间，浇铸后可形成圆柱环铸件，圆柱环铸件的组织凝固方向是沿径向从外向内生长，而稳恒磁场发生器产生的磁场方向是恒定的，圆柱环铸件不同位置的枝晶生长方向与磁场夹角均不同，因此，可在一次实验中实现对多个不同凝固组织生长方向与磁场方向夹角关系的研究，从而减少实验次数，提高实验效率。

附图说明

图1是本发明磁场下的凝固取向装置的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的B-B剖视图；

图中：1-冷却铜模，2-壳体，3-第一法兰，4-第二法兰，5-密封盖，6-充气孔，7-坩埚，8-感应加热线圈，9-浇铸口，10-第一热电偶，11-浇铸控制杆，12-通孔，13-通气孔，14-排气孔，15-稳恒磁场发生器，16-圆环形凹槽，17-石英管，18-圆锥形分流器，19-电阻加热线圈，20-第二热电偶，21-窥视孔，22-耐热玻璃，23-橡胶密封圈，24-第一进水口，25-第一出水口，26-第二进水口，27-第二出水口，28-第三进水口，29-第三出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种磁场下的凝固取向装置，属于电磁铸造技术领域，用于研究多个不同凝固组织生长方向与磁场方向夹角间的关系。

本发明的磁场下的凝固取向装置包括圆柱形的冷却铜模1、壳体2、第一法兰3、第二法兰4和密封盖5，冷却铜模1顶部与壳体2底部通过第二法兰4连接，壳体2顶部通过第一法兰3与密封盖5连接。第一法兰3上设置有充气孔6，充气孔6用于向装置内充入保护性气体以保护装置内熔炼及浇铸时的气氛，防止装置内金属在高温状态下被氧化，在本实施例中，通过充气孔6向装置内充入氩气。第二法兰4上设置有排气孔14，排气孔14用于将装置内的气体排出，使装置内形成真空，防止金属在高温下被装置内的空气氧化。第一法兰3与第二法兰4均设有冷却结构，其冷却方式为水冷。在本实施例中，第一法兰3与第二法兰4均采用双层结构，双层结构用于通过冷却水，其中第一法兰3上设有第一进水口24与第一出水口25，第二法兰4上设有第二进水口26与第二出水口27。

壳体2内固定有坩埚7，坩埚7用于将实验所需固态金属加热熔化，在本实施例中，坩埚7选用的是刚玉坩埚。坩埚7与壳体2之间留有圆环形间隙，间隙与第一法兰3内空间连通。坩埚7外壁缠绕有感应加热线圈8，感应加热线圈8用于对坩埚7内的固态金属进行加热，坩埚7底部开设有浇铸口9，熔化后的金属从浇铸口9流入冷却铜模1内。坩埚7内设置有第一热电偶10和浇铸控制杆11，第一热电偶10用于检测坩埚7内的加热温度，浇铸控制杆11穿透密封盖5且可相对密封盖5上下移动，浇铸控制杆11与密封盖5之间设置有橡胶密封圈23。密封盖5上设置有窥视孔21，用于查看坩埚7内的金属熔化情况，窥视孔21处安装有耐热玻璃22，以隔绝外部空气通过窥视孔21进入装置内。浇铸控制杆11向下移动时可将浇铸口9封堵，通过浇铸控制杆11的升降可实现金属由坩埚7向冷却铜模1内的浇铸，且结构简单，使用方便。壳体2底部与浇铸口9对应位置开有通孔12，通孔12使浇铸口9中流出的熔融状态金属顺利流入冷却铜模1内。壳体2底部还开有通气孔13，通气孔13将间隙与第二法兰4内空间连通，通气孔13使整个装置内的气体相连通。冷却铜模1外侧设置有稳恒磁场发生器15，在本实施例中，稳恒磁场发生器15所产生的磁场强度范围为0.1T～6T。

冷却铜模1底板的上表面设置有与其内壁同心的圆环形凹槽16，圆环形凹槽16内安装有石英管17，用以浇铸时在冷却铜模1内形成圆柱环铸件。在本实施例中，冷却铜模1底板的上表面设置有多组同心的圆环形凹槽16，用来配合安装不同直径尺寸的石英管17，以形成不同内径的圆柱环铸件来配合不同实验条件的需求。石英管17内设置有温度调节装置，用以控制熔融金属在凝固时的温度梯度分布，使熔体组织沿圆柱环铸件的径向由外向内冷却生长，并根据需要进行调节。在本实施例中，石英管17内安装有电阻加热线圈19，电阻加热线圈19的功率可调，其加热温度范围为20℃～1000℃，从而可研究不同温度梯度下的金属熔体组织的凝固情况，电阻加热线圈19内设置有第二热电偶20，第二热电偶20用以检测电阻加热线圈19的加热温度。石英管17顶部安装有圆锥形分流器18，圆锥形分流器18的顶点向上且对准浇铸口9处，圆锥形分流器18可使熔化后的金属均匀分散于冷却铜模1内。在本实施例中，圆锥形分流器18选用石墨材质，因为石墨材质具有耐高温、加工容易等优点，且石墨材质不会与金属材质发生反应，保证了凝固后圆柱环铸件材质的纯净。冷却铜模1采用的冷却方式为水冷，在本实施例中，冷却铜模1设置有双层结构，双层结构内通有冷却水，冷却水用于对冷却铜模1以及内部的熔融金属进行冷却，冷却铜模1上设置有第三进水口28与第三出水口29。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程。

实验开始前，先打开密封盖5，将浇铸控制杆11插入浇铸口9内，在坩埚7内加入配比后的固体金属合金料，再合上密封盖5，并向第一法兰3、第二法兰4和冷却铜模1内通入冷却水，冷却水通过第一进水口24、第二进水口26和第三进水口28进入，通过第一出水口25、第二出水口27和第三出水口29流出。之后，通过排气孔14将装置内的气体排出，形成真空，再经充气孔6向装置内充入氩气，氩气通过坩埚7与壳体2的间隙与通气孔13进入冷却铜模1内，从而在整个装置内充满氩气，防止高温实验时金属被氧化。

开始实验时，将感应加热线圈8和电阻加热线圈19加热到指定温度，并启动稳恒磁场发生器15，开始生磁。坩埚7内的固体金属合金料在感应加热线圈8的加热下开始熔化，通过窥视孔21可查看坩埚7内金属合金料的熔化情况，感应加热线圈8产生的涡流在使金属合金料熔化的同时，还可以起到搅拌的作用，使得熔化后的金属合金料保持较好的流动性。在坩埚7内的金属合金料达到浇铸条件后，上移浇铸控制杆11，使熔化后的金属合金料能够通过浇铸口9及通孔12向冷却铜模1内进行浇铸。圆锥形分流器18使浇铸的金属合金料均匀分散至冷却铜模1内，金属合金料在冷却铜模1内凝固成圆柱环铸件，凝固过程中，由于冷却水和电阻加热线圈19的作用，圆柱环铸件内形成沿径向的温度梯度，使凝固组织的晶枝沿径向由外向内生长，由于稳恒磁场发生器15产生的磁场方向是恒定不变的，因此圆柱环铸件不同位置组织生长方向与磁场方向呈现不同的角度。

浇铸实验结束后静置半小时，待圆柱环铸件完全凝固以后，将冷却铜模1从装置上拆下，并从中取出圆柱环铸件。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。