一种测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法

1.本申请涉及合金凝固领域，具体而言，涉及测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法。


背景技术：

2.在金属材料的制造过程中，金属材料的凝固一直是最基础最重要的环节之一。在合金成分确定的前提下，铸件或铸锭的性能主要取决于合金的凝固组织，而冷却速度是影响合金凝固过程中形核与长大的重要因素。因此，为获得理想的凝固组织，需对不同冷速下合金的凝固行为进行研究，以建立起凝固过程冷速与相应合金凝固组织间的内在联系，理清针对相应合金为获得某凝固组织应采取的凝固冷却速度范围(窗口)。
3.当前，在实验室多采用的是将目标合金熔炼后，采用相应工艺在某一冷速下进行凝固，并结合凝固过程中合金冷却曲线测试与相应凝固组织表征来分析该冷速下合金的相应凝固行为。毫无疑问，为了分析冷速对合金凝固行为的影响，势必要在不同冷速下重复进行以上实验，其实验周期长，成本高。此外，不同冷速下重复以上实验亦难以做到其它因素条件完全相同，即实验结果中不可避免地残存有其它因素的影响。


技术实现要素：

4.本申请的目的在于提供一种测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法，能够在同一实验过程中对不同冷却速度下凝固的合金进行检测，有利于缩短实验周期，节约实验成本，提高分析结果的准确性与可信度。
5.本申请的实施例是这样实现的：
6.本申请实施例提供了一种测量不同冷速下合金凝固行为的装置，其包括内设有模腔的石墨模具、用于开闭模腔的石墨模具盖、套设于石墨模具外壁的水冷缸套、分别设于石墨模具盖顶面和石墨模具底面的上石棉毡和下石棉毡、多个热电偶及用于接收热电偶检测信号的温度采集系统，模腔由多个圆柱形的检测腔依次同轴连通组成，各个检测腔的横截面的面积不同，每个检测腔内均设有测温点，每个测温点沿对应检测腔的径向与石墨模具内壁之间的距离相等，每个测温点与对应检测腔顶面和底面的距离均相等，多个热电偶分别用于对各个测温点的合金温度进行检测。
7.在一些可选的实施方案中，模腔由从下至上横截面积逐渐增大的多个检测腔依次同轴连通组成。
8.在一些可选的实施方案中，热电偶贯穿石墨模具盖和上石棉毡布置，热电偶上套设有紧固橡胶圈，紧固橡胶圈的底部抵压上石棉毡的顶部。
9.在一些可选的实施方案中，模腔沿竖直方向的投影位于上石棉毡和下石棉毡内。
10.在一些可选的实施方案中，水冷缸套内设有冷却腔及设于冷却腔内的螺旋形的冷却水道，冷却水道连通有进水口，冷却腔连通有出水口。
11.在一些可选的实施方案中，石墨模具和水冷缸套之间设有ga
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sn冷却液。
12.在一些可选的实施方案中，石墨模具的底部向外扩张形成凸起部，水冷缸套的底部向内凹陷形成凹陷部，凸起部和凹陷部通过螺纹连接，石墨模具的顶部外壁和水冷缸套的顶部内壁之间灌注有ga
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in
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sn冷却液，凸起部的顶面设有密封垫。
13.本申请还提供了一种测量不同冷速下合金凝固行为的方法，其是使用上述的测量不同冷速下合金凝固行为的装置进行的，包括以下步骤：
14.向水冷缸套内通入冷却水，待水冷缸套的出水口有冷却水流出后向模腔内灌注熔化的合金熔体，通过温度采集系统接收各个热电偶检测的合金冷却过程中温度变化，得到合金凝固冷却曲线；
15.待合金冷却至室温后，取出合金铸锭，在各个热电偶的测温点附近取样，分析各个试样的凝固组织特征；
16.综合各个试样的凝固组织特征与相应的合金凝固冷却曲线表征结果，分析合金于不同冷速下的凝固行为。
17.本申请的有益效果是：本实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置包括内设有模腔的石墨模具、用于开闭模腔的石墨模具盖、套设于石墨模具外壁的水冷缸套、分别设于石墨模具盖顶面和石墨模具底面的上石棉毡和下石棉毡、多个热电偶及用于接收热电偶检测信号的温度采集系统，模腔由多个圆柱形的检测腔依次同轴连通组成，各个检测腔的横截面的面积不同，每个检测腔内均设有测温点，每个测温点沿对应检测腔的径向与石墨模具内壁之间的距离相等，每个测温点与对应检测腔顶面和底面的距离均相等，多个热电偶分别用于对各个测温点的合金温度进行检测。本实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法能够在同一实验过程中对不同冷却速度下凝固的合金进行检测，有利于缩短实验周期，节约实验成本，提高分析结果的准确性与可信度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本申请实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置的剖视图；
20.图2为本申请实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置中石墨模具的结构示意图；
21.图3为本申请实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置中水冷缸套的剖视图。
22.图中：100、石墨模具；101、模腔；102、凸起部；110、石墨模具盖；120、水冷缸套；121、冷却腔；122、冷却水道；123、进水口；124、出水口；125、凹陷部；130、上石棉毡；140、下石棉毡；150、ga
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sn冷却液；160、k型热电偶；170、温度采集系统；180、紧固橡胶圈；190、密封垫；200、测温点。
具体实施方式
23.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例
中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
24.因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
25.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
28.在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
29.在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.以下结合实施例对本申请的测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法的特征和性能作进一步的详细描述。
31.如图1、图2和图3所示，本申请实施例提供一种测量不同冷速下合金凝固行为的装置，其包括内设有模腔101的石墨模具100、用于开闭模腔101的石墨模具盖110、套设于石墨模具100外壁的水冷缸套120、分别设于石墨模具盖110顶面和石墨模具100底面的上石棉毡130和下石棉毡140、设于石墨模具100和水冷缸套120之间的ga
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sn冷却液150、五个k型热电偶160及用于接收k型热电偶160检测信号的温度采集系统170，模腔101由五个圆柱形的检测腔依次同轴连通组成，五个检测腔的直径从下至上逐渐增大，每个检测腔内均设有一个测温点200，五个k型热电偶160分别用于对五个测温点200的合金温度进行检测，各个测温点200沿对应检测腔的径向与最接近的石墨模具100内壁之间的距离相等，各个测温点
200与对应的检测腔顶部和底部之间的间距相等。每个k型热电偶160均贯穿石墨模具盖110和上石棉毡130布置，k型热电偶160上套设有紧固橡胶圈180，紧固橡胶圈180的底部抵压上石棉毡130的顶部，模腔101沿竖直方向的投影均位于上石棉毡130和下石棉毡140内，水冷缸套120内设有冷却腔121及设于冷却腔121内的螺旋形的冷却水道122，冷却水道122连通有进水口123，冷却腔121连通有出水口124；石墨模具100的底部向外扩张形成圆环形的凸起部102，水冷缸套120的底部向内凹陷形成凹陷部125，凸起部102和凹陷部125通过螺纹连接，石墨模具100的顶部外壁和水冷缸套120的顶部内壁之间灌注有ga
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sn冷却液150，凸起部102的顶面设有密封垫190。其中，石墨模具100底壁中部厚度和石墨模具盖110顶壁中部厚度相等且均为5mm，上石棉毡130和下石棉毡140的厚度相等且均为5mm，水冷缸套120由内外圆柱面和上下环形表面拼焊而成；ga
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sn冷却液150与模腔101在石墨模具100侧壁上投影高度相同且重合，冷却水道122采用螺旋等间隔布置并通过点焊的方式固定于水冷缸套120的内外圆柱面之间，进水口123与螺旋形的冷却水道122通过焊接相通。
32.本申请还提供了一种测量不同冷速下合金凝固行为的方法，其是使用上述的测量不同冷速下合金凝固行为的装置进行的，包括以下步骤：
33.将环形的密封垫190放置于石墨模具100的凸起部102的顶面，随后将水冷缸套120套设于石墨模具100外旋转，使石墨模具100底部的凸起部102和水冷缸套120底部的凹陷部125通过螺纹连接，并使石墨模具100和水冷缸套120夹紧密封垫190，将上石棉毡130和下石棉毡140分别安装于石墨模具盖110顶面和石墨模具100底面，将ga
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sn冷却液150灌注于石墨模具100的顶部外壁和水冷缸套120的顶部内壁之间；
34.在石墨模具100的模腔101的五个检测腔内分别设置测温点200，每个测温点200沿对应检测腔的径向离石墨模具100内壁的最近一侧的距离相等且均为5mm，同时每个测温点200均位于对应的检测腔沿轴线方向高度的中间，将五个k型热电偶160分别贯穿石墨模具盖110和上石棉毡130，并在五个k型热电偶160上分别套设紧固橡胶圈180，使紧固橡胶圈180的底部抵压上石棉毡130的顶部，并使石墨模具盖110盖设密封模腔101时五个k型热电偶160分别对五个测温点200进行测温，将五个k型热电偶160分别通过导线与温度采集系统170电连接；
35.通过进水口123向水冷缸套120的冷却水道122内通入冷却水，待冷却水经冷却水道122进入冷却腔121后经出水口124排出后，向模腔101内灌注完全熔化的待测合金熔体，盖上石墨模具盖110盖设密封模腔101，通过温度采集系统170接收各个k型热电偶160检测的合金冷却温度变化，得到合金凝固冷却曲线；
36.待合金冷却至室温后，取出合金铸锭，采用电火花线切割技术切割合金铸锭，并在各个k型热电偶160的测温点附近取样，分析各个试样的凝固组织特征；
37.综合各个试样的凝固组织特征与相应的合金凝固冷却曲线表征结果，分析合金于不同冷速下的凝固行为。
38.本实施例提供的测量不同冷速下合金凝固行为的装置及方法设置有石墨模具100、对石墨模具100外壁进行热传导冷却的水冷缸套120和五个k型热电偶160，模腔101由五个不同横截面积的检测腔依次同轴连通形成，五个k型热电偶160分别用于对各个检测腔内合金冷却速度进行检测，该装置能够实现在一次检测过程中对合金不同冷速下凝固行为的分析，从而有效的缩短了实验周期，节约实验成本，提高分析结果的准确性与可信度。
39.其中，石墨模具100内的模腔101具有多个不同横截面积的同轴连通的圆柱形的检测腔能够提供具有不同冷却速度的合金凝固过程，其原理如下：
40.某微小时间(dt)内合金散热为：
41.q
t
＝mc.dt
42.其中q1为dt时间内合金散失的热量，m为考察单元合金质量，c为合金比热容，dt为合金在时间dt内的温度变化；
43.同一时间dt内由石墨模具100侧壁导出的热量q2为：
[0044][0045]
其中a为导热面积，λ为石墨模具100导热系数，d为石墨模具100相应截面厚度，t为石墨模具100内壁附近合金于考察时刻的温度，t0为石墨模具100外侧温度；
[0046]
由于石墨模具100上下部均装有隔热的上石棉毡130和下石棉毡140，故凝固过程合金热量基本全由石墨模具100的侧壁导出，经ga
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sn冷却液150、水冷缸套120内壁后由循环冷却水带走。根据能量守恒(q1＝q2)，可得
[0047][0048]
由上式可知，石墨模具100内壁附近合金凝固过程冷却速度与相应侧壁厚度d成反比，在同一个石墨模具100上采用变截面厚度设计，即可实现在同一实验中同一石墨模具100内不同位置获得所需不同冷却速度。此外，由上式还可以看出，合金冷却速度还受石墨模具100外侧温度t0的影响，t0越低，冷速越快。t0主要受ga
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sn冷却强度的影响，并最终受制于循环冷却水的水温与流速。因此，在实际操作过程中，设计好变截面厚度石墨模具后，还可通过对循环冷却水的控制实现对各测温点实际冷却速度的微调，使之趋近于预设冷速。
[0049]
其中，通过在石墨模具100和水冷缸套120之间的设置ga
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sn冷却液150，能够增强石墨模具100和水冷缸套120之间的热量交换速度，缩短实验周期，节约实验成本。
[0050]
在其他可选的实施例中，石墨模具100底壁中部厚度和石墨模具盖110顶壁中部厚度相等且还可以为5～7mm，上石棉毡130和下石棉毡140的厚度相等且还可以为4～5mm。
[0051]
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。