利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备及方法

摘要

本发明公开了一种利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备及方法，该设备包括熔体、挡板、不锈钢模、平台、导流器、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模、氩气阀、分子泵阀、机械泵阀、空气阀、不锈钢腔体，熔体位于挡板上，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模都与导流器相连，平台固定在铜模下方与不锈钢模下方，氩气阀、分子泵阀、机械泵阀、空气阀都位于不锈钢腔体的侧面，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模、导流器、平台都位于一个不锈钢腔体内。本发明能够大幅度地减少实验次数和时间，实现快速优化或者筛选凝固工艺参数，极大地提高了实验和研究的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备样品的设备及方法，特别是涉及一种利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备及方法。

背景技术

金属作为当代人类物质文明的奠基材料，由于其具有良好的导电导热，耐候耐蚀性能，较高的强度硬度，优良的塑性韧性，此外它还可铸造、冲压、焊接，成型性能优异，故被人们广泛的应用于机械，建筑，轨道交通，航空航天和医疗卫生等各个领域，进而成为现代科学技术和工业中最重要的材料。

凝固是金属材料的重要加工技术，它是从液态金属获得固态金属的必经过程，这一过程决定了得到的固态金属的微观结构，组织形态，故直接影响金属的一系列性能。因此，无论是传统的模铸还是已经得到广泛应用的连铸，凝固过程的控制是否得当都直接关系到铸件质量的好坏。而液态金属的结晶过程中，重要的两个环节—形核和晶粒长大都与温度有关：前者需要过冷度提供驱动力，后者影响晶粒长大的程度，从而决定了冷速是金属凝固的核心参数。

冷却速度足够慢，原子有充分的时间进行扩散，金属凝固接近平衡凝固过程；冷却速度足够快，原子还未扩散至应到的点阵位置，液态金属就已经凝固成固态，而固相中原子的扩散极其有限，因此金属凝固只能达到非平衡凝固。在实际的工艺过程中，往往需要研究不同冷速对金属凝固组织和性能的影响，进而，在优化工艺参数时，从宽冷速范围内选择最优参数。因此，若能够一次性获得宽冷速范围品将极大地提高研究效率和加快工艺参数的优化选择。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备及方法，其能够大幅度地减少实验次数和时间，实现快速优化或者筛选凝固工艺参数，极大地提高了实验和研究的效率。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备，其特征在于，其包括熔体、挡板、不锈钢模、平台、导流器、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模、氩气阀、分子泵阀、机械泵阀、空气阀、不锈钢腔体，熔体位于挡板上，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模都与导流器相连，平台固定在铜模下方与不锈钢模下方，氩气阀、分子泵阀、机械泵阀、空气阀都位于不锈钢腔体的侧面，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模、导流器、平台都位于一个不锈钢腔体内。

优选地，所述不锈钢模的导热系数、铜模的导热系数、陶瓷模的导热系数、预热陶瓷模的导热系数四者之间都不同。

优选地，所述不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模内分别设有一个型腔，每个型腔在厚度方向上采用阶梯形结构。

本发明还提供一种利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一、按质量比锰 10.0%～30.0%，铝 7.0%～12.0% ，碳 0.6%～1.2%，余量为纯铁配制样品；

步骤二、将配制好的合金放入坩埚中，经高温加热熔化后，熔炼成成分均匀的铸锭，铸锭直径为1-4cm；

步骤三、将熔炼均匀的铸锭放入离心浇铸系统中的石英管内，关闭空气阀，随后开启机械泵阀，等待5-6min，至不锈钢腔体内的真空度为10Pa以下时，低真空抽气完毕；保持机械泵开启，关闭机械泵阀，旋开分子泵阀，开启电磁阀，以及分子泵电源，一切准备就绪后，按下启动键，等待约10min，抽至不锈钢腔体内的真空度为5×10-3Pa时，高真空抽取完毕；按下停止重置键，并关闭分子泵阀、电磁阀以及分子泵电源，封闭腔体；打开氩气阀，充至0.04-0.08MPa；

步骤四、洗气过程结束后，重复抽低真空和抽高真空步骤，至不锈钢腔体内真空度达到5×10-3Pa时，打开氩气阀，充至0.07Mpa；

步骤五、氩气准备好以后，开启马达，并调节转速调节旋钮至示数为20；

步骤六、待与平台相连的模具转速稳定到600r/min以后，打开冷却水循环系统，随后开启加热电源，铸锭在感应线圈的加热作用下，熔融成金属液；

步骤七、确认合金锭完全溶化以后，向外抽取挡板，使熔融的金属液熔体经浇注和导流器进入不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模的四个型腔；通过模具的高速旋转形成的离心力，将熔融的金属液迅速充型；

步骤八、充型结束后，等待5～10min，待液态金属在四种型腔中都凝固完全，按下马达的停止按钮，马达完全停止后，再冷却5～10min，然后抽取金属废气，打开空气阀，最后打开模具，取出制得的样品。

本发明的积极进步效果在于：本发明通过设置四种不同导热系数的模腔以及制取不同宽度的样品，从而使充型的金属液在不同的冷却速度下凝固成型，制得10^-5~10⁸K/s的宽冷速范围样品。本发明使得同一成分的金属液在大范围不同冷速下凝固成型，从而研究从近平衡到极端非平衡凝固条件下制得的样品的组织和性能的演变规律，可以大幅度的减少实验内容和时间，从而快速优化或者筛选凝固制备工艺。

附图说明

图1为本发明利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备的结构示意图。

图2为本发明中不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模等的结构示意图。

图3为本发明的单个模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图3所示，本发明利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的设备包括熔体1、挡板2、不锈钢模3、平台4、导流器5、铜模6、陶瓷模7、预热陶瓷模8、氩气阀9、分子泵阀10、机械泵阀11、空气阀12、不锈钢腔体13，熔体1位于挡板2上，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模都与导流器5相连，平台4固定在铜模6下方与不锈钢模3下方，氩气阀9、分子泵阀10、机械泵阀11、空气阀12都位于不锈钢腔体13的侧面，不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模、导流器、平台都位于一个不锈钢腔体13内。不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模等都置于一个不锈钢腔体内，通过机械泵阀、分子泵阀、氩气阀以及空气阀的相互配合，可改变不锈钢腔体内的真空度和调节不锈钢腔体内的气压。不锈钢腔体的形状为圆柱形，这样方便安装和制造。

所述不锈钢模的导热系数、铜模的导热系数、陶瓷模的导热系数、预热陶瓷模的导热系数四者之间都不同，这样方便导热。

所述不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模内分别设有一个型腔，每个型腔在厚度方向上采用阶梯形结构，可以获得不同的冷速分布。

本发明利用离心浇注高通量制备宽冷速范围样品的方法包括以下步骤：

步骤一、按质量比锰 10.0%～30.0%，铝 7.0%～12.0% ，碳 0.6%～1.2%，余量为纯铁配制样品；

步骤二、将配制好的合金放入坩埚中，经高温加热熔化后，熔炼成成分均匀的铸锭，铸锭直径为1-4cm；

步骤三、将熔炼均匀的铸锭放入离心浇铸系统中的石英管内，关闭空气阀，随后开启机械泵阀，等待5-6min，至不锈钢腔体内的真空度为10Pa以下时，低真空抽气完毕；保持机械泵开启，关闭机械泵阀，旋开分子泵阀，开启电磁阀，以及分子泵电源，一切准备就绪后，按下启动键，等待约10min，抽至不锈钢腔体内的真空度为5×10-3Pa时，高真空抽取完毕；按下停止重置键，并关闭分子泵阀、电磁阀以及分子泵电源，封闭腔体；打开氩气阀，充至0.04-0.08MPa；

步骤四、洗气过程结束后，重复抽低真空和抽高真空步骤，至不锈钢腔体内真空度达到5×10-3Pa时，打开氩气阀，充至0.07Mpa；

步骤五、氩气准备好以后，开启马达，并调节转速调节旋钮至示数为20；

步骤六、待与平台相连的模具转速稳定到600r/min以后，打开冷却水循环系统，随后开启加热电源，铸锭在感应线圈的加热作用下，熔融成金属液；

步骤七、确认合金锭完全溶化以后，向外抽取挡板，使熔融的金属液熔体经浇注和导流器进入不锈钢模、铜模、陶瓷模、预热陶瓷模的四个型腔；通过模具的高速旋转形成的离心力，将熔融的金属液迅速充型；

步骤八、充型结束后，等待5～10min，待液态金属在四种型腔中都凝固完全，按下马达的停止按钮，马达完全停止后，再冷却5～10min，然后抽取金属废气，打开空气阀，最后打开模具，取出制得的样品。

实施例

配制合金。按照质量比取铁77.8%，锰12.0%，铝9.0%，碳1.2%，总质量为100～120g。熔成铸锭。将配制好的合金放入坩埚中，经高温加热熔化后，熔炼成成分均匀的铸锭，铸锭颗粒直径为1-2cm。洗气，将熔炼均匀的铸锭放入离心浇铸系统中的石英管内，开启机械泵，等待5-6min，至真空度为10Pa以下时，低真空抽气完毕。保持机械泵开启，旋开高真空阀，开启电磁阀以及分子泵电源，一切准备就绪后，按下run（启动）键，等待约10min，抽至真空度为5×10^-3Pa时，高真空抽取完毕；按下停止重置键（停止/重启），并关闭高真空阀、电磁阀以及分子泵电源，封闭腔体。打开氩气阀，充至0pa。充氩气。洗气过程结束后，重复抽低真空→抽高真空步骤，至腔体内真空度达到5×10^-3Pa时，打开氩气阀，充至-0.07Mpa，准备转速。氩气准备好以后，开启马达，并调节转速调节旋钮至示数为20（每示数1代表30r/min），加热熔融。待转速稳定到600r/min以后，打开冷却水循环系统，随后开启加热电源，铸锭在感应线圈的加热作用下，熔融成金属液，离心浇注。确认合金锭完全溶化以后，向外抽取挡板，使熔融的金属液经浇注系统进入模具的四个型腔。通过模具的高速旋转形成的离心力，将熔融的金属液迅速充型，开模取样。充型结束后，等待5～10min，待液态金属在四种型腔中都凝固完全，按下马达的停止（stop）按钮，马达完全停止后，再冷却5～10min，然后抽取金属废气，打开空气阀，最后打开模具，取出制得的样品。

本发明通过采用四种不同导热系数的型腔设计出一种高通量制备宽冷速范围样品的模具，使得同一成分的金属液在四种不同冷速下凝固成型，从而研究从近平衡到极端非平衡凝固条件下制得的样品的组织和性能的演变规律，可以大幅度的减少实验内容和时间，从而快速优化或者筛选凝固制备工艺。本发明利用离心浇注工艺提高熔体充型能力、结合铸型导热系数的改变并在同一铸型设计系列厚度尺寸的样品实现大冷速范围样品的高通量制备。将熔融金属液流入高速旋转的多种不同导热系数的模腔，在离心力的作用下迅速充型和凝固，一次性获得宽冷速范围样品。

本发明一次性高通量制备宽冷速范围样品。传统的制造方法一套模具只能制得一种冷速条件下的样品，而该发明利用四种不同导热系数的铸型（紫铜、不锈钢、陶瓷、预热陶瓷），采用一模四腔的设计，并在同一铸型设计系列厚度尺寸（0.5mm～8mm）的样品，一次性高通量制备10^-5~10⁸K/s大冷速范围的样品，极大地提高了实验和研究的效率。

本发明利用离心浇注中离心力提高充型能力制备出极薄厚度样品，结合铸型的导热系数（紫铜、不锈钢、陶瓷、预热陶瓷）的改变并在同一铸型设计系列厚度尺寸（0.5mm～8mm）的样品实现K/s大冷速范围的样品制备。本发明提出的利用离心浇注高充型能力结合多传热系数模具的组合设计高通量制备宽冷速范围样品，为研究样品从近平衡到极端非平衡凝固条件下样品的组织和性能的演变规律，大幅度地减少实验次数和时间，实现快速优化或者筛选凝固工艺参数。本发明一次性高通量制备宽冷速范围样品。金属材料凝固过程中的冷速直接关系到所制样品的组织和性能，宽冷速范围样品的高通量制备，将有利于金属凝固组织和性能演变规律的快速研究，进而为优化和确定工艺参数。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。