一种用于低压铸造合金临界凝固系数检测的装置和方法
【技术领域】
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[0001]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】
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[0002]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。
[0003]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 I 期中〈〈Investigat1n of critical liquid fract1n factor in nodulariron castings by computer simulat1n》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 fract1n，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。
[0004]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I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。
[0005]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。
[0006]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】
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[0007]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。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]—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(I)、倾转实验平台(2)、电机(3)、安装在倾转实验台(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)、高电压信号计时器(17)、位于模具上方的密闭腔体(14)、与密闭腔体相连接的真空罐(5)、真空压力表(6)、与真空罐相联接的抽真空设备(4)、联接真空罐(5)的电磁阀(8)，密闭腔体(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。
[0010]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。
[0011]所述铠装热电偶(9-12)为直径为0.5_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。
[0012]所述高电压信号计时器(17)分别联接倾转实验平台(2)和对开模具(21、22)型腔中的合金，高电压计时器(17)记录操作时间。
[0013]所述高电压信号计时器(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)相联。
[0014]所述对开模具(21、22)及铠装热电偶(9-12)位于密闭腔体(14)中，所述封闭腔体(14)通过电磁阀⑶与真空罐(5)相联接。
[0015]所述真空罐(5)与抽真空设备(4)相连接，并联接真空压力表(6)。
[0016]所述综合控制柜(24)与倾转实验台(2)、高电压信号计时器(17)、抽真空设备
(4)、对开模具(21、22)相联，控制各装置协同动作。
[0017]—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°C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，启动真空栗(3)，将真空罐抽真空至20-80KPa ;再次，将过热100-120°C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)与密闭腔体(14)的电磁阀⑶并打开卸真空电磁阀(13)卸掉密闭腔体(14)的真空，取出铸件，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坯沿径向的温度分布，获得移除合金液时刻铸件所处的铠装热电偶(9-12)头部高度位置上沿铸件径向的温度分布；最后，沿铠装热电偶(9-12)顶部位置切断铸坯(27)，并测量出该位置处铸坯(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件(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。
[0018]所述方法中的对开模具(21、22)腔体的顶部内直径60_，底部内直径为30_，内高度为105_，并通过浇注系统与该模腔相联接。
[0019]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。
[0020]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 °C，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°C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器控制合金凝固时间，当浇注满型腔时立即打开联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。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]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。
[0023]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】
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[0024]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。
[0025]其中:1为设备支架；2为倾转实验平台；3为电机；4为真空栗；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I ;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联接线I ;16为高电压信号计时型计时器联接线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】
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[0026]下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
[0027]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:
[0028]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；
[0029]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°C待用；
[0030]③安装好对开模具和封闭腔体，并将对开模具加热至100_250°C，布置好坩祸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祸底部三分之二模具内腔高度位置处；
[0031]④关闭连接真空罐与封闭腔体之间的电磁阀，启动真空栗，将真空罐抽真空至20_80Kpa ;
[0032]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