用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備的制作方法

專利名稱：用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備，包括鑄 模，所述鑄模具有第一子空間和第二子空間，所述第二子空間形成為具 有第一端和第二端的管狀部，所述第一端連接到所述第一子空間；測量 元件，所述測量元件延伸到所述管狀部的所述第二端中；以及測量裝置， 所述測量裝置用于記錄所述測量元件上的力和/或所述測量元件在所述 管狀部的延伸方向上的位置變化，所述測量裝置與所述測量元件耦合.
背景技術：
熱裂是金屬熔體凝固中的突出問題。熱裂是用來表示在固相線溫度
晶間間斷的術語.熱裂紋可能極微小或延伸幾毫米或甚至幾厘米。無論 如何，它們代表意欲至少部分地由凝固的金屬熔體制成的工件的缺陷。
特別是對于帶鑄或具有可比性的連鑄工藝，了解熔體的熱裂傾向性 是很重要的，因為其對鑄件的強度有直接影響。這種了解對于焊接或特 定焊接方法的使用也很重要，因為其對焊接的耐久性有直接影響。
過去，已做出許多努力來確定鋼、特別是鋁合金的熱裂傾向性。然 而，目前還沒有在充分理解或者甚至模擬熱裂傾向性的現象上取得任何 成就.也沒有能夠可靠地確定熱裂傾向性的i殳備。
在處理鑄模中的金屬熔體的凝固過程時，目前典型的方法是，不僅 要測量并在評價中考慮化學成分，還要測量并在評價中考慮熔化參數， 比如熔池溫度、鑄模溫度、在凝固過程中的溫度變化和在凝固過程中鑄 模中由于收縮而產生的力。也可通過對出現裂紋的區域中的材料、其尺 寸和形態進行目測而作出純定性評估。
熱裂紋關于其尺寸而被定性地表征。 一般在可用肉眼看到的裂紋、 可借助于一些諸如放大鏡這樣的裝置看到的裂紋和只能在顯微鏡下看 到的裂紋之間進行區分.裂紋的長度也經常被用作熱裂傾向性的評判標準。已知的測試方法的共同之處在于，雖然它們能夠評估裂紋的出現及 其尺寸，但是它們不能對張力并從而對因此形成的應力下結論。然而， 了解張力和應力允許定性地確定未來出現裂紋的傾向性或者允許預測 它們的進一步行為。
迄今為止，熱裂傾向性是借助于其中例如測量流動長度的鑄模來定 性地確定的。凝固的材料最多到達的不會出現裂紋的長度在此作為特征 數。該數值對于鑄模的幾何形狀(即鑄造通道和所選的澆鑄系統的橫截 面)是特定的。制造鑄模的材料對于相應的測試裝置也是特定的。制造 鑄模的材料例如可以是鋼一一如果例如將鑄模設計為永久模具，或者 沙。在后一種情形中，還要將沙的顆粒尺寸、顆粒尺寸分布、含水量、 粘合劑以及沙的密實度和成分考慮進去作為進一步的參數。還將熔池溫 度和鑄模溫度確定為額外的特征值。
已知的用于確定熱裂傾向性的鑄模基于環形幾何形狀，其中外徑保 持恒定而內徑可變。在凝固過程中，材料收縮到芯上，且取決于壁厚、 熔池溫度、鑄模溫度和化學成分，可形成裂紋。這種鑄模特別容易在澆 鑄區域出問題，因為那里的狀態通常是不可再現的。
在S. Instone等人在//!,mta^ma/ Jo"i7ifl/ Cto ikfCfl/s及ese"rc/r (12 (2000) 441-456 )發表的"7V嫌fl/;/mm似s cAflracte由7ig ^"s,7e rfeve/o/;附ewf fl d ZrW crflcAi/fg /"幼e附ms一 ^ we" 中，描述了洗 口位于中心的H形鑄模，其中將張力測試機也結合于系統中。這用來結 合力并試圖對熱裂傾向性作出結論，同時考慮了在特定力和已知的溫度 分布下出現的裂紋。
除此之外，還使用了具有第一容納空間和管狀測量空間的鑄模。在 這些模具的情形中，熱區通常出現在第一接收空間和管狀測量空間之間 的連接區域中。熱區是在凝固工藝過程中熔體的積聚，其通常出現在距 離鑄模冷壁最遠的鑄模的空間的中央區域中。在這些鑄模的情形中，在 桿的長度上測量熔體在凝固過程中的收縮行為。這里也一樣，參數是熔 池溫度和鑄模溫度以及熔體的化學成分.熱裂傾向性另外受到熱區的熱 含量的影響。
G. Cao、 S. Kou在M^fl//"rg/cfl/ fl/irf M"她r/fl/s 7Vfl/isfl"iVws 廣37A(2006) 3647-3663 )發表的"ff^ te肌Vig 6>/temfli^ A^-K7" c"幼Vigs" 中描述了一種根據權利要求的前序部分的裝置。其中，Cao和Kou描述了 用鑄模的桿形子空間直接測量在凝固過程出現的張力以及合力。Y. Wang 等Ajt AffltenVi/s丄^tefs (53 (2002) 35-39 )發表的"/wfefSfti/iflf/"g 6>/f/re ZrW tefln'"g附ec/ffl/i/s挑//I m"g/fw'"附中也描述了 一種用來確定 熱裂傾向性的具有桿形鑄模幾何形狀的測試裝置。
然而，在使用該設備的情況下，取決于凝固材料的溫度和鑄模的溫 度，并最終取決于兩者的收縮行為，在凝固材料和鑄模的內壁之間會出 現相當大的摩擦力。在一些情況下使用的潤滑劑伴隨它們帶來進一步的 困難，即難以解釋測量到的值。由于以此方式出現的摩擦力，幾乎不可 能作出有意義的解釋。
所有目前已知的設備允許對熱裂傾向性的一定的評估。然而，由于 出現摩擦力，所以無一適合于熱裂傾向性的精確定量和定性的確定。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設 備，其允許對各種金屬熔體的熱裂傾向性的改進的定量和定性確定。
通過根據權利要求1的特征的設備實現此目的。有利的實施方式是 從屬權利要求的主題。
本發明提供一種用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備，包括鑄 模，所述鑄模具有第一子空間和第二子空間，所述第二子空間形成為具 有第一端和第二端的管狀部，所述第一端連接到所述第一子空間；測量 元件，所述測量元件延伸到所述管狀部的所述第二端中；以及測量裝置， 所述測量裝置用于記錄所述測量元件上的力和/或所述測量元件在所述 管狀部的延伸方向上的位置變化，所述測量裝置與所述測量元件耦合， 其特征在于，所述管狀部的橫截面在所述管狀部的大致可在整個長度上 選取的每個子部中沿著所述笫二端的方向是減小的。
此處，術語"鑄模"涵蓋所有適于在其內部空間中容納或接收或在 其中形成金屬熔體的容器。此處，術語"空間"實質上是指可用于容納熔體的內部空間。此處 鑄模的內部空間由至少兩個子空間組成。
"所述管狀部的橫截面在所述管狀部的大致可在整個長度上選取 的每個子部中沿著所述第二端的方向是減小的"的表征特征實質上可解 釋為意味著在管狀部的整個長度上基本上沒有這樣一個子部，其橫截面 在管狀部的延伸方向上是恒定的。這避免了由凝固材料和鑄模的壁之間 的摩擦力造成的虛假測量。例如，管狀部可具有圃形橫截面，其直徑在 每個子部中朝著第二端減小，所以該部分為截頭圃錐形。
與已知的測量設備相比，根據本發明的設備的優點尤其在于凝固材 料相對于鑄模的收縮主要在管狀部的延伸方向上有影響，這致使凝固材 料立刻與鑄模的壁分離，從而不會在凝固的熔體和鑄模的壁之間測量到 摩擦效應。
此外，測量是獨立于鑄模本身的收縮行為的，因為鑄模中的熔體一 般比鑄模本身的材料收縮得更多。
根據本發明的設備主要是為確定鎂熔體的熱裂傾向性而開發。然 而，由于測試裝置和所確定的特征值的原因，該設備不僅可用于鎂合金， 還可用于鋁、鋅和非鐵金屬以及用于鋼和其它金屬熔體。
根據本發明的幾何形狀和使用各種各樣的鑄模材料的可行性意味 著該設備允許對在凝固過程中的所有材料進行測量。因此，首次獲得了 用于確定熱裂傾向性的可標準化的測量元件。因此不僅可進行定性評 估，而且可同時進行定量評估。這也首次允許對各種材料的熱裂傾向性 進行直接對比。
本發明的突出優點是同時檢測試樣中的裂紋和因而產生的張力或 應力變化。對熱裂傾向性可實現定性和定量結論。
除化學成分外，還用該設備測量熔化參數，比如熔池溫度、鑄模溫 度、在凝固過程中的溫度變化和在凝固過程中在鑄模中由于收縮而產生 的力，并在評價中對溶化參數加以考慮。另外，可同時對裂紋的出現、 其尺寸、形態和隨時間推移的行為進行材料的純定性評估。為了最小化流體靜壓影響或者由重力引起的對測量的其它影響，如 果管狀部大致沿水平方向延伸則是有利的。
溫度測量元件優選地沿著管狀部的延伸方向設置.這些溫度測量元 件一方面可起到基于評價的目的而記錄溫度的作用。另一方面，它們可 用于調節鑄模的壁的溫度，并且相應地調節凝固的熔體的溫度。為此， 如果在第一子空間中設置至少一個溫度測量元件則是有利的。該溫度測 量元件例如可伸縮地插入鑄模的內部空間，以便可測量在第 一子空間和 第二子空間之間的連接區域中的熱區處的溫度。
如果第 一子空間和/或第二子空間設置有加熱裝置和/或冷卻裝置， 則有利于溫度調節和控制。這允許以特定方式控制熔體的凝固過程。就
這一點而言，如果以如下方式控制管狀部的溫度則是特別有利的第二 端比第一端的溫度低，因此熔體首先在第二端凝固并從而以抗張方式連 接到測量元件。這允許在凝固過程的最早可能階段精確地進行對由熔體 的收縮行為引起的張力的測量。
通氣孔優選地設置在管狀部的第二端，以便優選地大致沿水平方向 延伸的管狀部中的空氣能夠在熔體進入該管狀部時排出。該通氣孔例如 可以是測量元件上在上側沿著測量元件的延伸方向延伸的切口。
該設備優選地具有至少部分位于鑄模上方的澆鑄系統，鑄模的第一 子空間設計用于從澆鑄系統接收金屬熔體。這種情況下，熔體在澆鑄系 統中形成，并且當熔體和鑄模處于適當的溫度時，熔體經下出口被引導 到鑄模的第一子空間中。因此，第一子空間有利地具有用于從位于其上 方的澆鑄系統接收熔體的上開口 。 一旦熔體的高度已經達到在鑄模的第 一子空間和第二子空間之間的連接區域，那么熔體也分布到第二子空間 中。
為了使測量元件能夠盡可能沒有摩擦地沿軸向方向移動，優選地在 例如由石墨或陶瓷制成的套管中以較小的摩擦接觸相對于鑄模引導測 量元件。
為了讀取和評價測量結果，測量裝置和任何溫度測量元件優選地連 接到計算機控制的讀取系統并可通過該系統進行讀取。


下面基于圖l至圖4詳細說明本發明的有利實施方式。
圖l示意性地示出根據本發明的設備的有利實施方式的裝置。
圖2示出穿過根據本發明的設備的有利實施方式的鑄模的豎直縱斷面。
圖3示出穿過根據本發明的設備的有利實施方式的鑄模的水平縱斷面。
圖4示出曲線圖形式的測量結果，其中圖示了對于兩種不同的測試 測量到的隨著時間變化的張力和溫度。
具體實施例方式
圖1示意性地示出用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備的整體裝 置。該設備的主要構件設置在穩定的水平平臺l上。保持裝置3從水平 平臺l豎直地延伸至一側，其作用是將澆鑄系統5緊固在鑄模7上方。 澆鑄系統5大致包括設計為具有可加熱壁的熔爐9的圃筒形容器。熔爐 9具有上開口，上開口可用于填充可在熔爐內熔化的金屬材料IO。填充 后，上入口可由蓋子ll封閉。熔爐9在下側具有出口 13，該出口 13 可用封閉系統15將其打開和封閉。在此實施方式中，封閉系統15為塞 子17，其可借助于豎直延伸的桿19上升或下降，桿19在上側經蓋子 11中的中央襯套從熔爐9引至外部。在圖1中示出的塞子17的下降位 置，在下側的出口 13被封閉，且金屬熔體10不能離開。為了調節加熱 溫度和/或為了確定金屬熔體10是否已達到適當溫度，溫度測量元件21 以內鏡方式或伸縮方式經蓋子11浸入金屬熔體10中。為此，溫度測量 元件21經由通信鏈路連接到由計算機23控制的讀取系統25。
鑄模7設置在熔爐9的出口 13下方，以便當塞子17上升時熔體10 可經出口 13流入鑄模7中。鑄模7具有兩個子空間，第一子空間27為 大致圓筒形的容器，其在上側具有開口用于從熔爐9接收熔體10。第二 子空間27以管狀部29的形式大致水平地遠離第一子空間27延伸。管 狀部29具有連接到第一子空間27的下部區域的第一端31和測量元件35伸入其中的第二端33。當從在上側的熔爐9填充鑄模7時，首先填 充第一子空間27，直至達到熔體10流入管狀部29中的填充高度。為了 測量，管狀部29必須被填滿。
在圖2和圖3中可更清晰地看到管狀部29的橫截面在管狀部29的 大致可在整個長度上選取的每個子部中沿著第二端33的方向是減小的。 在此實施方式中，圓形橫截面的直徑在管狀部29的整體長度上減小并 具有從第一端31朝著第二端33的大約3。的圓錐角。
鑄模7的外表面區域的大部分裝有加熱或冷卻系統37，以便鑄模7 的溫度既在第一子空間27中和在管狀部29中都可以得到適當地控制。 這允許以特定的方式控制熔體10在鑄模7中的凝固行為。為了調節加 熱或冷卻系統37并且基于評價的目的，鑄模7還裝有溫度測量元件39、 41、 43、 45、 47，這些測量元件分別經由通信鏈路連接到計算機控制的 讀取系統25。溫度測量元件39測量鑄模7的第一子空間27的溫度。三 個溫度測量元件43、 45、 47測量管狀部29在沿管狀部29的延伸方向 的各個區域中的溫度。溫度測量元件47在這種情況下設置在管狀部29 的第二端33處。溫度測量元件41以伸縮方式或內鏡方式經第一子空間 27引導至第一子空間27和管狀部29之間的連接區域中。這允許使用溫 度測量元件41來測量在熱區處的熔體10的溫度。
測量元件35位于管狀部29的第二端33，測量元件35大致沿著管 狀部29的延伸方向同軸地以活塞的形式延伸，并相對于鑄模7通過較 小的摩擦接觸在例如由石墨或陶瓷制成的套管49中被引導。測量元件 35因此沿軸向方向以可移動的方式安裝。為了讀取在管狀部29的延伸 方向上的力和/或位置，測量元件35與測量裝置51耦接。測量裝置51 在這種情況下具有萬向接頭53和桿形傳輸元件55,萬向接頭53將測量 元件35連接至傳送元件55。傳送元件55將沿軸向方向的位置變化和/ 或力傳送至力或位置測量儀器57。力或位置測量儀器57同樣經由通信 鏈路連接到計算機控制的讀取系統25用于讀取和評價測量數據。
鑄模7和力或位置測量儀器57相對于平臺1具有限定的位置，它 們優選地固定地連接至平臺1。鑄模7和/或力或位置測量儀器57也可 沿管狀部29的延伸方向以可移動方式連接至平臺1。誠然，這必然需要 精確校準軸向位置。然而，額外的撕裂力然后例如可通過受控步進馬達施加在熔體19上，以引起裂紋和/或測量材料在特定應力下的承栽能力。 類似地，澆鑄系統5可以以可豎直地調節的方式連接至保持裝置3，以 便在初始鑄造過程中可以設定熔體10的滴落高度并將該滴落高度適當 地與使用的材料匹配。整個設備可設計成例如橫向寬度小于1米的臺式 實驗(benchtop experiment),朝第二端33逐漸變細的管狀部29例如 可具有大約20cm的長度和在12mm到8mm之間的直徑。
圖2和圖3分別示出穿過鑄模7的豎直和水平縱斷面。圖中為了清 楚起見示出了管狀部29從第一端31朝第二端33的圃錐角6。大致水 平地延伸的管狀部29的第二端33由支撐件59從下方支撐，支撐件59 連接至平臺1,鑄模7的第一子空間27也連接至平臺1。測量元件35 在上側具有沿測量元件35的延伸方向延伸的切口形式的通氣孔61。通 氣孔61允許大致水平地延伸的管狀部29在填充熔體10的過程中的通 氣。
使用圖示的設備執行下述用于確定金屬熔體的熱量傾向性的方法。 首先，將待測試的具有已知化學成分的金屬材料IO(例如含鋁3%的鎂) 填充到熔爐9內。材料IO的量必須足以以液態形式充分填充鑄模7，以 允許管狀部29被充滿。然后將熔爐9加熱至高于材料10的熔點的溫度， 例如加熱至715t:。同時，將鑄模7預熱至例如350t:的溫度，以便能 夠控制熔體10以后在鑄模7中的凝固行為。
一旦溫度測量元件21、 39、 43、 45、 47指示適當的溫度，就可開 始初始鑄造。封閉熔爐9的下側上的出口 13的塞子17借助于桿19上 升，以便金屬熔體10可經出口 13流入位于其下方的鑄模7的第一子空 間27中。熔體10從而也分布到管狀部29內，管狀部29以其第一端31 連接至鑄模7的第一子空間27。由于鑄模7的溫度在熔點以下，所以熔 體開始在鑄模7中凝固。這首先發生在鑄模7的壁處，所述壁比熔體的 溫度低，并且此后向內繼續進行。由于在管狀部29的第二端33處的小 直徑、距第一子空間27的最遠距離和/或加熱或冷卻系統37的適當溫 度控制，熔體10首先在管狀部29的第二端33處凝固，測量元件35延 伸到笫二端33中。凝固的效果是在凝固的熔體10和測量元件35之間 形成非正的連接，從而形成抗張連接。在凝固過程中，金屬材料10收 縮。這在管狀部29的延伸方向上尤為明顯。鑄模7本身在其冷卻時同樣也收縮，但是比經過從液體到固體的相變的材料10少許多倍。因此， 測量元件35借助于凝固的熔體10和測量元件35之間的抗張連接被拉 入管狀部29內。
在徑向方向上，幾乎注意不到管狀部29中凝固材料的收縮。管狀 部29的錐形然后防止鑄模7的壁和凝固的材料IO之間的摩擦效應。這 是因為圓錐角致使材料立刻與壁分離，并且由于沿軸向方向的明顯收縮 而使材料不會沿壁拉動其本身。結果，測量元件35上的張力的測量比 使用傳統裝置時要精確許多倍。于是可使用測量元件35來測量材料10 的收縮帶來的張力或者材料10的長度變化。
在凝固過程中，熱區(即第一子空間27和管狀部29之間的連接區 域)處的溫度也被記錄。在該區域中，熔體10保持液態的時間最長， 并且此處出現熱裂紋的概率最高。為了測量溫度，溫度測量元件41通 過鑄模27上的孔以伸縮方式或內鏡方式被引導穿過第一子空間27而進 入第一子空間27和管狀部29之間的連接區域中。溫度測量元件41耐 熱且設置有相應的材料，比如陶瓷。
在凝固過程中，由計算機23控制的讀取系統25讀取用溫度測量元 件39、 41、 43、 45、 47測量到的作為時間的函數的溫度以及用力或位 置測量儀器57測量到的測量元件35上的張力或者后者的位置變化。
圖4示出兩個測試的結果，這兩個測試都是在含鋁3%的鎂熔體、 熔化溫度為7501C以及鑄模溫度為350匸的情況下執行的。張力和熱區 溫度是對照時間圖示的。實曲線與第一測試相關而虛曲線與第二測試相 關。箭頭分別示出可應用于曲線的軸。在凝固階段開始的較陡峭的上升 之后，力近似恒定地增加，而溫度的表現呈相應相反的形式。在溫度在 開始時初始上升至超過600"C并在凝固階段開始時劇烈下降至約5001C 之后，溫度較恒定地下降。發現根據本發明的設備首次允許熱裂傾向性 的可再現的定量確定，因為兩個測試的測量結果在測量誤差的限度內是 一致的。
熱裂紋的出現將在力曲線中自身顯示為階梯式下降或突然下降。因 此，在測試中測量到的最大張力取決于是否已出現一個或更多的熱裂紋 以及它們的形式和范圍。因此，在定義的凝固間隔之后測量到的最大力為熱裂紋的尺寸和/或數目的定量量度。例如，已發現在含鋁1%的鎂熔
體和熱區溫度為300C的情況下，小于卯ON的張力表示存在大的熱裂 紋。已通過目測證實這一點。此處尺寸正好適當的裂紋允許測量到900N 至1100N的張力，而不存在熱裂紋或者僅存在4艮小的裂紋允許測量到超 過1100N的張力。
權利要求
1.一種用于確定金屬熔體(10)的熱裂傾向性的設備，包括鑄模(7)，所述鑄模(7)具有第一子空間(27)和第二子空間，所述第二子空間形成為具有第一端(31)和第二端(33)的管狀部(29)，所述第一端(31)連接到所述第一子空間(27)；測量元件(35)，所述測量元件(35)延伸到所述管狀部(29)的所述第二端(33)中；以及測量裝置(51)，所述測量裝置(51)用于記錄所述測量元件(35)上的力和/或所述測量元件(35)在所述管狀部(29)的延伸方向上的位置變化，所述測量裝置(51)與所述測量元件(35)耦合，其特征在于，所述管狀部(29)的橫截面在所述管狀部(29)的大致可在整個長度上選取的每個子部中沿著所述第二端(33)的方向是減小的。
2. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述管狀部(29)大 致沿水平方向延伸。
3. 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，沿所述管狀部(29 ) 的延伸方向設置有溫度測量元件(43， 45， 47)。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的設備，其特征在于，至少一 個溫度測量元件(41)設置在所述笫一子空間(27)中。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的設備，其特征在于，所述第 一子空間(27)設置有加熱裝置(37),
6. 如權利要求1至5中任一項所述的設備，其特征在于，所述第 一子空間(27)設置有冷卻裝置(37)。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的設備，其特征在于，所述管 狀部(29 )設置有加熱裝置(37 )。
8. 如權利要求1至7中任一項所述的設備，其特征在于，所述管 狀部(29 )設置有加熱裝置(37 )。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的設備，其特征在于，在所述 管狀部(29 )的第二端(33 )設置有通氣孔(61 )。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定金屬熔體的熱裂傾向性的設備，包括鑄模，所述鑄模具有第一子空間和第二子空間，所述第二子空間形成為具有第一端和第二端的管狀部，所述第一端連接到所述第一子空間；測量元件，所述測量元件延伸到所述管狀部的所述第二端中；以及測量裝置，所述測量裝置用于記錄所述測量元件上的力和/或所述測量元件在所述管狀部的延伸方向上的位置變化，所述測量裝置與所述測量元件耦合。允許熱裂傾向性的改善的定量和定性確定這一目的通過如下結構實現所述管狀部的橫截面在所述管狀部的大致可在整個長度上選取的每個子部中沿著所述第二端的方向是減小的。
文檔編號B22D46/00GK101618456SQ20091015872
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月3日 優先權日2008年7月4日
發明者卡爾·烏爾里希·凱納, 奧利弗·烏特克, 威利·普內森, 甄子勝, 諾貝特·霍特 申請人:Gkss-蓋斯特哈赫特研究中心有限責任公司