一种动态测量液态金属充型阻力的装置及测量方法

1.本发明涉及一种动态测量液态金属充型阻力的装置和方法，属于冶金领域。
技术背景
2.液态金属充满型腔作为铸件成形的第一阶段，充型的好坏直接影响着铸件的最终质量，在充型不利的情况下，铸件易产生浇不足、冷隔、卷入性气孔和夹杂等缺陷。液态金属的充型能力会受到铸型性质、浇注条件、铸件结构的影响，随着液态金属温度的降低，以及金属液自下而上充型过程中充型压头的降低，自身的充型能力也会下降，充型阻力逐渐增加。
3.当铸型性质、浇注条件、铸件结构一定的情况下，如何通过评价液态金属的充型能力成为了一个重要参考。外界条件一定的情况下，液态金属在铸造充型过程中所受到的阻力，称其为充型阻力。充型阻力阻碍液态金属充满型腔，不利于获得形状完整、轮廓清晰健全的铸件。在铸型条件、铸件结构、浇注条件恒定的前提下，充型阻力只与液态金属的自身性质有关，如化学成分、结晶特点、结晶潜热、晶粒形状、物理性质(热导率、比热容、密度、表面张力、黏度)。液态金属充型过程中液态金属充型阻力越大，液态金属充型能力就越差。在工业生产中，当具有复杂结构、复杂壁厚的工件需要铸造成型时，在工件正式浇铸制备之前，可考察充型阻力，从而对该成分及铸造工艺下的液态金属进行充型能力的评估，并据此对成分及铸造工艺参数进行及时的调整，避免正式浇铸制备所得铸件形状不完整，降低铸造成型失败的可能性，有利于工业生产控制成本。已有的液态金属充型能力表征方法，是通过液态金属从浇入铸型至停止流动时所流过的距离来表征，往往不能动态的体现出整个充型过程中的液态金属充型能力的变化，也不能体现充型过程中充型能力随温度的变化关系，更不能体现充型过程中充型能力与充型压头之间的联系，使得对液态金属充型能力的预测和评估出现偏差。
4.cn102974807a公开了一种提高液态金属充型能力的方法及装置，将模具/铸型设计为导电模具/铸型，直流电流的阳极接液态金属端，阴极接导电模具/铸型端，在液态金属充型过程中，对液态金属端和导电模具/铸型端施加直流电流。装置包括加热浇包、拔塞、钨电极、直流电源、金属模具和模具型腔；该装置不需改变金属的化学成分，可以提高液态导电材料的充型能力。
5.cn207372262u公开了一种真空吸铸工艺充型时间简易测量装置，该测量装置应用吸铸充型过程中液态金属在充型过程中重量的变化，用高灵敏度电子吊秤显示吸铸室的净重变化，通过高速摄像机拍摄记录电子吊秤显示的净重变化图像，通过图像分析充型初始重量的开始时刻和充型充满不变重量的结束时刻，得到吸铸整个铸件的充型时间。该装置在无法直接观察过程的充型时间测量中具有优势。
6.目前的液体金属充型能力都是基于事后观察，无法在充型前做出预测和判断。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了一种关于动态测量液态金属充型阻力的装置及方法。所述装置通过动态测量电路中电流的变化来表示液态金属充型过程中位移的变化，将位移关于时间进行二次微分，可得充型阻力随时间的变化曲线；由热电偶测得液态金属在充型过程中的温度变化，即可得到液态金属充型阻力与时间、温度的变化关系；亦可对比三种不同充型压头条件下液态金属的充型阻力。
8.当铸型性质、浇注条件、铸件结构一定的情况下，测得液态金属充型过程中充型阻力与时间、温度、充型压头的变化关系，为预测一定充型条件下某种液态金属的充型能力提供数据参考。
9.本发明的一个方面，提供一种动态测量液态金属充型阻力的装置，包括石英管(1)、浇口(2)、固定底座(3)、直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)、数据实时采集及处理模块(7)、电脑(8)、电阻丝(9)、导线(10)、数据传输线(11)；其中石英管(1)被固定在固定底座(3)的凹槽中，石英管(1)水平段上方有开口，以便放置电阻丝(9)；电阻丝(9)首端、末端被接入测试电路中，该测试电路中直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)相互串联，直流稳压电源(4)给测试电路供电，电流表(6)测量回路中的电流值，当电阻丝全部被融化时，电路中阻值较小，保护电阻(5)可起到保护电路的作用；热电偶(12)插入石英管内用于实时测量液态金属温度；数据实时采集及处理模块(7)的作用是每间隔一定的时间对电流值及热电偶(12)进行数据采集并处理；电脑(8)用于实时显示并记录充型阻力随时间变化的曲线、测温点的温度随时间的变化曲线。
10.优选的，所述热电偶(12)的数量为6-12个，优选8-10个，更优选为9个。
11.优选的，所述石英管(1)包括一个垂直段、n个水平段和(n-1)个过渡段，石英管的起始位置为喇叭形开口的浇口(2)，浇口(2)连接垂直段，然后依次连接第一水平段、第一过渡段、第二水平段、第二过渡段、第三水平段，直到第n-1过渡段、第n水平段；其中每一个水平段的水平位置依次升高，过渡段为倾斜设置，用于连接两个相邻的水平段。
12.优选的，所述石英管(1)包括一个垂直段、3个水平段和2个过渡段。
13.本发明的另一方面，提供一种利用所述装置测量液态金属充型阻力方法，包括以下步骤：
14.(1)在开始浇注之前，将石英管固定在固定顶底座上，在各测温点安装好热电偶，将电阻丝通过石英管水平段上方的开口放入石英管内，并连接测试电路，开启直流稳压电源、数据实时采集及处理模块、电脑；优选的，测温点的数量为6-15个，优选为9-12个。
15.(2)输入电阻丝截面积sr，电阻率ρr，恒定电压u，保护电阻r1，电阻丝总长度l，常数k；
16.(3)开始浇铸；
17.(4)液态金属自浇口流入型腔后，逐渐的充满型腔，在金属液充型过程中,热电偶依次响应，实时测量所在位置的温度并输送到采集模块；电阻丝被电阻值可被忽略的金属液逐渐融化,使测定电阻丝阻值r
t
及回路电流i
t
产生变化，并被数据实时采集模块采集；
18.(5)通过数据实时采集及处理模块每隔一段时间对电流值i
t
进行采集并处理，可得到充型阻力f
t
随时间变化的曲线，温度随时间变化的曲线，进而可得到在不同的时间点充型阻力f
t
随温度的变化曲线，并在电脑端显示出来并记录。
19.(6)通过数据实时采集及处理模块记录充型阻力f
t
突增的时刻t1、t220.液态金属自浇口流入型腔，液态金属逐渐充满型腔，在金属液充型过程中，热电偶依次响应并将测温位置的温度被实时上传，通过测量和记录充型过程中不同时刻的电流值计算出充型阻力f
t
。
21.所述方法的基本原理为，置于型腔底部的电阻丝被电阻值可被忽略的金属液逐渐融化,使测定电阻丝逐渐变短，根据电阻定律，电阻丝长度变短将导致其电阻值r
t
逐渐减小，直到金属液充满型腔，电阻丝被全部融化r
t
＝0，由欧姆定理可知此时测量回路中电流值达到最大。在整个充型过程中不同时刻t的电流值i
t
均有相对应的电阻丝长度，而该液态金属充型距离lc则为电阻丝总长与剩余电阻丝长度之差，通过数据实时采集及处理模块每隔一段时间对电流值i
t
进行采集并处理，可得到液态金属充型距离lc随时间t变化的曲线，对lc进行关于时间t二次积分，可得液态金属充型过程中的加速度ac随时间t变化的曲线，而充型阻力f
t1
、f
t2
、f
t3
则为ρgs
·
a1、ρgs
·
a2、ρgs
·
a3与ρs
·
lc·ac
的差，据此可得f
t
随时间t变化的曲线,从而实现了该液态金属充型阻力的测量。
22.以石英管包括三个水平段为例，充型阻力计算公式如下：
[0023][0024]
其中：t为时间；i
t
为测试电路中电流；u为电路中恒定电压；r1为保护电阻，ρr为电阻率，sr为电阻丝截面积，l为测定电阻丝总长度,s为液流截面积，ρ为液态金属密度,g为重力加速度，a1为直浇道高度,a2为第二段型腔距浇口的高度,a3为第三段型腔距浇口的高度。
[0025]
当金属液依次流过具有多个与不同高度的型腔时，充型压头逐渐降低，同时也伴随着金属液温度的进一步降低，充型阻力持续增加，其充型能力也在不断的发生变化。同理，在三个不同的充型压头条件下，可得f
t1
、f
t2
、f
t3
随时间t变化的曲线,从而实现了该液态金属在三个不同的充型压头条件下充型阻力的测量。记录金属液分别初次流经各个热电偶的时间t与温度t,以t时刻下的温度t与充型阻力f
t
为x、y轴即可得到在三个不同的充型压头条件下，可得f
t1
、f
t2
、f
t3
随温度t变化的曲线。
[0026]
本发明的有益技术效果：
[0027]
(1)提出充型阻力的概念，来更直接的表征液态金属的充型能力；将充型能力与温度、充型压头均联系了起来，更贴近实际浇注过程，所得数据应用更加广泛，更具说服力；
[0028]
(2)可用于评价多种金属的的充型能力；
[0029]
(3)可实现数据实时采集并在电脑端显示更加直观和准确。
附图说明
[0030]
图1是液态金属充型阻力测试装置主视剖面图；其中石英管(1)、浇口(2)、固定底
座(3)、直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)、数据实时采集及处理模块(7)、电脑(8)、测定电阻丝(9)、导线(10)、数据传输线(11)；热电偶(12)；
[0031]
图2是液态金属充型阻力测试装置俯视图；
[0032]
图3是具体实施流程示意图；
[0033]
图4是实施例2得到的充型阻力随时间变化趋势图；
[0034]
图5是实施例2得到的充型阻力随温度变化趋势图；
[0035]
图6是实施例3得到的充型阻力随时间变化趋势图；
[0036]
图7是实施例3得到的充型阻力随时间变化趋势图。
具体实施方式
[0037]
实施例1
[0038]
一种动态测量液态金属充型阻力的装置，包括石英管(1)、浇口(2)、固定底座(3)、直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)、数据实时采集及处理模块(7)、电脑(8)、电阻丝(9)、导线(10)、数据传输线(11)；其中石英管(1)被固定在固定底座(3)的凹槽中，石英管(1)水平段上方有开口，以便放置电阻丝(9)；电阻丝(9)首端、末端被接入测试电路中，该测试电路中直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)相互串联，直流稳压电源(4)给测试电路供电，电流表(6)测量回路中的电流值，当电阻丝全部被融化时，电路中阻值较小，保护电阻(5)可起到保护电路的作用；热电偶(12)插入石英管内用于实时测量液态金属温度；数据实时采集及处理模块(7)的作用是每间隔一定的时间对电流值及热电偶(12)进行数据采集并处理；电脑(8)用于实时显示并记录充型阻力随时间变化的曲线、测温点的温度随时间的变化曲线。
[0039]
实施例2
[0040]
利用实施例1提供的装置对液态金属的充型阻力进行测试，步骤如下：
[0041]
(1)在开始浇注之前，将石英管固定在固定顶底座上，在9个测温点安装好热电偶，将电阻丝通过石英管水平段上方的开口放入石英管内，并连接测试电路，开启直流稳压电源、数据实时采集及处理模块、电脑；
[0042]
(2)输入电阻丝截面积sr＝0.196mm2，电阻率ρr＝2.36ω/m，恒定电压u＝20v，保护电阻r1＝10ω，电阻丝总长度l＝1000mm，金属液密度ρ＝7.3g/cm3,液流截面积s＝314mm2，直浇道高度a1＝200mm,第二段型腔距浇口的高度a2＝150mm,第三段型腔距浇口的高度a3＝100mm；
[0043]
(3)采用灰铸铁ht200材质(c:3.0-3.6、si:1.4-2.2、mn:0.6-1.0、p≤0.15、s≤0.12)进行熔炼，孕育完成后,1356℃开始浇注；
[0044]
(4)液态金属自浇口流入型腔后，逐渐的充满型腔。在金属液充型过程中,9个热电偶依次得到相应，从而9个测温位置的温度被实时的采集并显示；电阻丝被电阻值可被忽略的金属液逐渐融化,使测定电阻丝阻值r
t
及回路电流i
t
产生变化，并被数据实时采集模块采集；
[0045]
(5)通过数据实时采集及处理模块每隔一段时间对电流值i
t
进行采集并处理，可得到充型阻力f
t
随时间变化的曲线，温度随时间变化的曲线，进而可得到在不同的时间点充型阻力f
t
随温度的变化曲线，并在电脑端显示出来并记录。
[0046]
(6)通过数据实时采集及处理模块记录充型阻力f
t
突增的时刻t1、t2。
[0047]
测试流程如下：
[0048]
液态金属自浇口流入型腔，液态金属逐渐充满型腔，在金属液充型过程中，热电偶依次响应并将测温位置的温度被实时上传，通过测量和记录充型过程中不同时刻的电流值计算出充型阻力f
t
。测试结果如下所示，其中t1＝1343℃、t2＝1322℃、t3＝1301℃、t4＝1270℃、t5＝1254℃、t6＝1240℃、t7＝1193℃、t8＝1180℃、t9＝1169℃。
[0049]
计算公式如下：
[0050][0051]
其中：t为时间；i
t
为测试电路中电流；u为电路中恒定电压；r1为保护电阻，ρr为电阻率，sr为电阻丝截面积，l为测定电阻丝总长度,s为液流截面积，ρ为液态金属密度,g为重力加速度，a1为直浇道高度,a2为第二段型腔距浇口的高度,a3为第三段型腔距浇口的高度。
[0052]
实施例3
[0053]
利用实施例1提供的装置对液态金属的充型阻力进行测试，步骤如下：
[0054]
(1)在开始浇注之前，将石英管固定在固定顶底座上，在9个测温点安装好热电偶，将电阻丝通过石英管水平段上方的开口放入石英管内，并连接测试电路，开启直流稳压电源、数据实时采集及处理模块、电脑；
[0055]
(2)输入电阻丝截面积sr＝0.196mm2，电阻率ρr＝2.36ω/m，恒定电压u＝20v，保护电阻r1＝10ω，电阻丝总长度l＝1000mm，金属液密度ρ＝7.8g/cm3,液流截面积s＝314mm2，直浇道高度a1＝200mm,第二段型腔距浇口的高度a2＝150mm,第三段型腔距浇口的高度a3＝100mm；
[0056]
(3)采用低碳铸钢材质(c:0.15-0.3、si:0.3-0.5、mn:0.4-0.8、p≤0.1、s≤0.1)进行熔炼，1485℃进行浇注；
[0057]
(4)液态金属自浇口流入型腔后，逐渐的充满型腔。在金属液充型过程中,金属液只能充满前两段型腔，自左至右6个热电偶依次得到相应，从而6个测温位置的温度被实时的采集并显示；电阻丝被电阻值可被忽略的金属液逐渐融化,使测定电阻丝阻值r
t
及回路电流i
t
产生变化，并被数据实时采集模块采集；
[0058]
(5)通过数据实时采集及处理模块每隔一段时间对电流值i
t
进行采集并处理，可得到充型阻力f
t
随时间变化的曲线，温度随时间变化的曲线，进而可得到在不同的时间点充型阻力f
t
随温度的变化曲线，并在电脑端显示出来并记录。
[0059]
(6)通过数据实时采集及处理模块记录充型阻力f
t
突增的时刻t1，由于金属液只能充满前两段型腔，故没有t2时刻。
[0060]
测试流程如下：
[0061]
液态金属自浇口流入型腔，液态金属逐渐充满型腔，在金属液充型过程中，热电偶依次响应并将测温位置的温度被实时上传，通过测量和记录充型过程中不同时刻的电流值计算出充型阻力f
t
。测试结果如下所示，其中t1＝1463℃、t2＝1451℃、t3＝1440℃、t4＝1429℃、t5＝1420℃、t6＝1413℃。
[0062]
由于金属液只能充满前两段型腔，故没有f
t3
的数值，计算公式如下：
[0063][0064]
其中：t为时间；i
t
为测试电路中电流；u为电路中恒定电压；r1为保护电阻，ρr为电阻率，sr为电阻丝截面积，l为测定电阻丝总长度,s为液流截面积，ρ为液态金属密度,g为重力加速度，a1为直浇道高度,a2为第二段型腔距浇口的高度。
[0065]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种动态测量液态金属充型阻力的装置，包括石英管(1)、浇口(2)、固定底座(3)、直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)、数据实时采集及处理模块(7)、电脑(8)、电阻丝(9)、导线(10)、数据传输线(11)；其中石英管(1)被固定在固定底座(3)的凹槽中，石英管(1)水平段上方有开口，以便放置电阻丝(9)；电阻丝(9)首端、末端被接入测试电路中，该测试电路中直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)相互串联，直流稳压电源(4)给测试电路供电，电流表(6)测量回路中的电流值，当电阻丝全部被融化时，电路中阻值较小，保护电阻(5)可起到保护电路的作用；热电偶(12)插入石英管内用于实时测量液态金属温度；数据实时采集及处理模块(7)的作用是每间隔一定的时间对电流值及热电偶(12)进行数据采集并处理；电脑(8)用于实时显示并记录充型阻力随时间变化的曲线、测温点的温度随时间的变化曲线。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述热电偶(12)的数量为6-12个。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述热电偶(12)的数量为8-10个。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述石英管(1)包括一个垂直段、n个水平段和(n-1)个过渡段，石英管的起始位置为喇叭形开口的浇口(2)，浇口(2)连接垂直段，然后依次连接第一水平段、第一过渡段、第二水平段、第二过渡段、第三水平段，直到第n-1过渡段、第n水平段。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于其中每一个水平段的水平位置依次升高，过渡段为倾斜设置，用于连接两个相邻的水平段。6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述石英管(1)包括一个垂直段、3个水平段和2个过渡段。7.一种利用如权利要求1-6任一项所述装置测量液态金属充型阻力方法，包括以下步骤：(1)在开始浇注之前，将石英管固定在固定顶底座上，在各测温点安装好热电偶，将电阻丝通过石英管水平段上方的开口放入石英管内，并连接测试电路，开启直流稳压电源、数据实时采集及处理模块、电脑；(2)输入电阻丝截面积s
r
，为电阻率ρ
r
，恒定电压u，保护电阻r1，电阻丝总长度l，液态金属密度ρ
，
液流截面积s，直浇道高度a1,第二段型腔距浇口的高度a2,第三段型腔距浇口的高度a3；(3)开始浇铸；(4)液态金属自浇口流入型腔后，逐渐的充满型腔，在金属液充型过程中,热电偶依次响应，实时测量所在位置的温度并输送到采集模块；电阻丝被电阻值可被忽略的金属液逐渐融化,使测定电阻丝阻值r
t
及回路电流i
t
产生变化，并被数据实时采集模块采集；(5)通过数据实时采集及处理模块每隔一段时间对电流值i
t
进行采集并处理，可得到充型阻力f
t
随时间变化的曲线，温度随时间变化的曲线，进而可得到在不同的时间点充型阻力f
t
随温度的变化曲线，并在电脑端显示出来并记录；(6)通过数据实时采集及处理模块记录充型阻力f
t
突增的时刻t1、t2。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当石英管包括三个水平段时，充型阻力f
t
的计算公式如下：
其中：t为时间；i
t
为测试电路中电流；u为电路中恒定电压；r1为保护电阻，ρ
r
为电阻率，s
r
为电阻丝截面积，l为测定电阻丝总长度,s为液流截面积，ρ为液态金属密度,g为重力加速度，a1为直浇道高度,a2为第二段型腔距浇口的高度,a3为第三段型腔距浇口的高度。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中测温点的数量为6-15个，优选为9-12个。

技术总结
一种动态测量液态金属充型阻力的装置，包括石英管(1)、浇口(2)、固定底座(3)、直流稳压电源(4)、保护电阻(5)、电流表(6)、数据实时采集及处理模块(7)、电脑(8)、电阻丝(9)、导线(10)、数据传输线(11)。使用该装置动态测量液态金属充型阻力的方法，通过动态测量电路中电流的变化来表示液态金属充型过程中位移变化，将位移关于时间进行二次微分，可得充型阻力随时间的变化曲线。该装置可以为预测一定充型条件下各种液态金属的充型能力提供参考。件下各种液态金属的充型能力提供参考。件下各种液态金属的充型能力提供参考。


技术研发人员：陈湘茹 侯智伦 赵龙 翟敢超 张洪瑞 刘海宁 李仁兴 李莉娟 翟启杰
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.01.17
技术公布日：2023/7/11