[发明专利]一种金属熔体冷却全过程动态体收缩-膨胀特性测定装置及测定方法

说明书

一种金属熔体冷却全过程体收缩‑膨胀特性测定装置。该测定装置采用垂直测定方式，使试棒与型腔之间正压力减小，从而最大程度的减少金属熔体冷却过程与铸型内壁的摩擦，使得测量结果更准确。可通过温度‑密度对应关系准确测量金属熔体冷却全过程动态体收缩‑膨胀特性，该测定方法对金属铸造领域铸件质量和尺寸精确控制有重要意义。

技术领域

本发明属于铸造领域，尤其涉及一种铸造合金熔体冷却全过程动态体收缩-膨胀特性测定装置及其方法。

背景技术

铸造合金(如铸钢、铸铁)从液态冷却到常温过程中会产生塑性变形、内应力及裂纹等缺陷，这与液态金属冷却过程的收缩、膨胀密切相关。以铸钢为例，钢液冷却到常温经历三个连续的收缩过程：液态收缩、凝固收缩和固态收缩，体收缩是3个阶段收缩的总和。而铸铁在凝固过程，不仅会产生收缩，还由于析出石墨而产生体积膨胀，特别是球墨铸铁在共晶转变过程中石墨相的析出，会产生体积膨胀，具体而言，球墨铸铁冷却过程会经历液态收缩、共晶膨胀和固态收缩3个阶段。铸造合金冷却过程的收缩、膨胀特性直接影响冶金质量好坏，研究铸造合金冷却过程体收缩-膨胀特性对提高铸件冶金质量具有重要意义。

通常对于铸造合金冷却过程尺寸变化的测定方式是通过测量与合金熔体铸接的测量杆的变化，进而得到合金固态收缩过程的线收缩量的变化，该方法无法完整测定合金熔体冷却过程收缩和膨胀特性，如液态收缩、凝固收缩和共晶膨胀等。此外，对于固态收缩过程的收缩率测定受到样品与模具之间摩擦力的影响。因此，设计一种体积小巧，操作简便，能够准确测量金属熔体冷却全过程体收缩特性的装置有重要意义。

CN108152107A公开了一种3D打印仿真模拟用金属材料热收缩参数测量装置，包括数据采集分析系统、位移传感器、滑块、螺栓、热电偶及T型槽，所述T型槽用于盛装金属熔体，所述滑块位于T型槽内，且可沿T型槽滑动，所述螺栓连接在滑块上，使用时螺栓伸入金属熔体内部，金属熔体凝固收缩时通过螺栓带动滑块滑动，所述位移传感器与滑块连接，用于采集滑块的位移数据，所述热电偶设置在T型槽内，用于采集T型槽内熔体温度变化数据，所述数据采集分析系统与位移传感器及热电偶连接，接收采集到的温度数据与位移数据，并进行处理，最终确定金属凝固过程中的温度与位移关系曲线，从而表征金属材料的热收缩参数。所述可用于金属及其合金的热收缩参数的测量。

CN102661966A公开了一种金属收缩过程中线收缩率及热应力测量方法及装置。将试样在坩埚内原位熔化后凝固，实现不同冷却条件下的凝固，降温过程中试样均匀凝固，轴向温度梯度低，测量的热收缩曲线和热应力值准确，凝固过程中线收缩率及热应力可通过应力传感器和位移传感器同时测量，实现连续实时测量，与实际凝固过程对应。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属熔体冷却全过程体收缩-膨胀特性的测定方法，能够测定液相阶段、固-液两相阶段、固相阶段待测样品的动态温度、动态体收缩-膨胀量、动态体收缩-膨胀速率、动态缩孔体积。

为实现上述目的，本发明公开了一种金属熔体冷却全过程体收缩-膨胀特性测定装置，包括金属型模具(1)，设置于金属型模具(1)测量孔上方的第一三维位移测量仪(2)，金属型模具(1)置于第一称重平台(21)上，第一称重平台(21)下方设置第一压力传感器(19)，砂型模具(26)，金属型(3)中心设置砂型样品室(24)，砂型样品室(24)周围设置螺旋形电阻加热器(5)，砂型模具(26)上方设置第二三维位移测量仪(16)，砂型模具(26)置于第二称重平台(25)上方，第二称重平台(25)下方设置第二压力传感器(12)；第一三维位移测量仪(2)、第二三维位移测量仪(16)、第一压力传感器(19)、第二压力传感器(12)分别与控制记录仪(6)连接。

所述金属型模具(1)包括金属型模具开合模所用的金属型模具把手(7)、金属型模具铰链(8)和金属型模具销锁紧机构(9)，金属型样品室(4)底部设置第一金属熔体测温热电偶(23)用于测定金属型样品室(4)内金属熔体的温度，第一压力传感器(19)用于测定金属型样品室(4)内金属熔体的重量变化，第一平台稳定装置(20)用来保持称重平台的稳定。