專利名稱：鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金制備過程的檢測、控制的方法及裝置，特別涉及一種用于爐前熔體檢驗的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法與裝置，尤其適用于鎂合金大型鑄錠及復雜鑄件成型過程，屬于金屬材料及冶金技術領域。
背景技術：
眾所周知，合金材料的初始凝固組織直接影響最終產品的組織與性能，而熔煉工藝、鑄造工藝、合金成分等諸多因素都對合金的凝固過程及凝固組織產生很大影響。向鎂合金熔體中添加合金元素、變質劑和細化劑，均能夠控制凝固組織中晶粒與沉淀相的尺寸、 分布及形貌，并以此來提高鎂合金力學性能，在工業生產中最為常用。不過，由于鎂合金易于氧化和燃燒，向鎂合金熔體中添加合金元素、變質劑和細化劑等實驗操作在實際生產中卻并不盡如人意，遠沒有鋼鐵、鋁合金和銅等常見金屬那樣成熟。由于工藝操作的經驗性很強，靜置時間、澆注情況受設備條件與人為因素的影響非常大，因此不當操作會引起合金元素的燒損、變質劑的耗散、細化劑的中毒與變質等，使得到的凝固組織與預期相比大相徑庭，最終導致產品合格率的降低、設備壽命的縮短、生產周期的延長以及生產成本的提高， 這些對普通鑄造企業都是不利的，對于某些大型復雜鑄件的驗收、裝備等更是難以接受的。 另外，熔煉后的鎂合金熔體有時并不能及時澆注，此后熔體靜置時間的長短對合金元素、變質劑和細化劑耗散的影響尚不確定。基于上述因素，澆注前有必要對鎂合金熔體進行重新檢驗，以判定熔體的質量，并實施相應的處理。不過，目前尚沒有可應用于鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法或設備。因此，開發一種鎂合金在線成分檢測與凝固組織的控制方法及裝置對我國鎂合金行業的發展具有積極意義，從根本上解決長期以來鎂合金熔鑄工藝中存在的大多數難題， 包括合金元素燒損后的定量補償、系統優化變質工藝、精確控制細化效果等，從而實現爐前檢驗、在線評估、現場指導生產，最終提高產品的合格率，縮短生產周期，進而降低生產成本，延長設備使用壽命。熱分析技術利用合金相變過程的熱效應可分析合金凝固的過程，在建立相圖的工作中已得到廣泛的應用。早期用于測定鑄鐵及鋼的含碳量，后來用于測定鋁合金中硅的變質狀態及晶粒細化程度。到上世紀80年代末，全球已有600多家鋁合金鑄造廠建立了監測熔融合金質量的現代熱分析系統。對于鎂合金而言，申請號為200710011227. 6 (公開號為 CN101303319B)的中國專利提供了一種鎂及鎂合金變質處理組織細化效果熱分析檢測方法及裝置，但該發明僅能檢測合金的變質效果，還不能對鎂合金的合金元素、變質劑和細化劑的耗散情況進行在線檢測。合金凝固過程中的冷卻曲線被人們視為合金的“指紋”，它與合金凝固組織密切相關，兩條完全相同的冷卻曲線，其對應的合金凝固組織也被認為是完全一樣的。合金組織形成過程的各個細節都可以從冷卻曲線中分析得到。鎂合金凝固過程中隨著冷卻時間增加， 冷卻曲線一般呈單調下降趨勢，對應不同凝固階段。根據形核理論，已經知道冷卻曲線上有幾個特征溫度與熔體的變質程度密切相關，如Ta_n、Ta_min、Ta_g、Tw_n、Teu_g和！；等，其所代表的意義依次對應為初始形核溫度、再輝前最低溫度、再輝溫度、共晶初始形核溫度、共晶生長溫度和凝固結束溫度等。其中，再輝是指金屬凝固過程中釋放的潛熱使得熔體溫度提高的現象° S. G. Shabestari 等(S. G. Shabestari, M. Malekan. Journal of Alloys and Compounds, 2010,492 (1-2) :134-142.)研究了鎂合金α相凝固特征參數的標定方法；而 C. Μ. Gourlay 等(C. Μ. Gourlay，A. K. Dahle. Nature，2007，445 :70-73.)開發了鎂合金 β 相凝固特征參數的標定方法。非特殊凝固條件下，鎂合金凝固過程中再輝現象的幅度非常小， 這與鎂的凝固潛熱小有直接關系。申請號為200710011227. 6 (公開號為CN101303319B)的中國專利通過控制冷卻速率以放大再輝現象，繼而量化比較再輝放熱峰面積來實現評價變質效果的目的。大量研究證明，調整凝固條件可以使鎂合金凝固過程中的再輝現象更加明顯，適于后期的標定或計算工作。但這種條件的改變往往需要增加額外的復雜工藝與輔助設備，比如嚴格控制模具溫度、精確調整冷卻速率、增加模具配套裝置等，非常不利于分析測試工作的現場展開。此外，當鎂熔體中加入一定量的細化劑后，再輝現象的幅度將非常小，有時甚至直接呈斜線狀。綜上所述，鎂合金熱分析技術中急需建立一種穩定可靠的在線成分檢測與凝固組織控制的方法。

發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提供一種鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，同時提供一種實現該方法的裝置，旨在通過定容模具，采集熔體冷卻曲線，對比數據庫中的標準冷卻曲線，對合金熔體中成分組成、變質劑和細化劑的含量進行在線分析與調整，實現控制凝固組織的目標。本發明是通過以下技術方案實現的一種鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其采用定量澆包提取鎂合金熔體，定容模具控制熔體熱容，熱電偶實時測定熔體溫度，溫度采集系統采集并記錄熔體凝固過程中溫度隨時間的變化，通過計算機調用鑄造鎂合金數據庫進行凝固反應特征參數的比較，繼而對合金熔體中化學組成、變質劑、細化劑含量進行調整，最終控制凝固組織。本發明所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其包括如下具體步驟1)按照正常熔煉工藝在坩堝中熔煉鎂合金，包括添加合金元素、變質劑和細化劑；2)通過定位夾具將熱電偶固定于定容模具的特定位置；3)安裝調試溫度采集系統；4)采用預熱后的定量澆包從坩堝中取出熔體，熱電偶測定溫度，待熔體溫度降至適于溫度采集系統的檢測溫度，澆注至定容模具內；5)計算機控制溫度采集系統采集并記錄被測熔體凝固過程的溫度-時間數據，并且計算機通過內在的分析程序進行處理根據采集的溫度-時間實時數據建立熱分析冷卻曲線，并對該曲線進行一階求導獲得冷卻速率曲線，根據標準輔助線，對鎂合金熔體的實際凝固特征參數實際初始形核溫度、實際共晶初始形核溫度、實際共晶生長溫度
、實際凝固結束溫度Td、實際共晶生長時間和實際凝固結束時間進行標定；
6)計算機由鑄造鎂合金數據庫中調取擬得到合金的標準成分與凝固組織的標準凝固特征參數標準初始形核溫度Ta_nfe、標準共晶初始形核溫度、標準共晶生長溫度
、標準凝固結束溫度Tsfe、標準共晶生長時間和標準凝固結束時間，并將之與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較，當Teu_n$> 時，添加所對應合金元素；當τα_η 實<Ta-nS時，補充細化劑；當(ts實-teu_g實)> (ts標-teu_g標)時，增加變質劑的添加量。本發明所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其工序4)中，所述檢測溫度為500°C _900°C，所述定容模具的溫度控制在_30°C _100°C，從坩堝中取樣時，定量澆包在熔體中停留0-10分鐘，定量澆包的預熱方法為長時間置定量澆包于預熱爐中，預熱溫度控制在200°C _800°C之間。本發明提供的另一技術方案為一種實施上述鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法的裝置，其包括定位夾具、熱電偶、溫度采集系統、計算機、存儲有標準鎂合金數據的鑄造鎂合金數據庫、用于容納被測熔體的定容模具和用于熔體取樣的定量澆包，所述熱電偶連接溫度采集系統，并且通過定位夾具固定懸置于定容模具內的被測熔體中，所述溫度采集系統與計算機連接，并且向計算機傳輸所采集和記錄的被測熔體凝固過程的溫度-時間數據，所述計算機與鑄造鎂合金數據庫連接，并且由之調取標準凝固特征參數與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較。本發明所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的裝置，其定容模具由鋼、鐵、 石墨、粘土砂、樹脂砂、陶瓷或耐火泥制造而成。本發明的檢測分析技術機理如下根據相變原理，當液態金屬中形成大量晶核時，冷卻曲線會發生斜率絕對值的減少，冷卻速率曲線將呈現“上升-下降”的趨勢，并出現“拐點”，過該點作平行于溫度軸的直線與冷卻曲線相交的點對應的就是起始形核溫度Ta_n。根據凝固原理，作冷卻速率變化曲線的基線，除自身抖動外，該線與冷卻速率變化曲線有四個交點，分別對應的凝固特征參數為Ta_min、Ta_g、Teu_n和Teu_g。在Teu_g點之后，冷卻速率曲線會呈“下降-上升”狀，出現“拐點”，過該點作平行于溫度軸的直線與冷卻曲線相交的點對應的就是凝固結束溫度Ts。在凝固組織預測方面，根據凝固形核原理，Ta_min-Ta_g的值越大，得到的a "Mg組織越細小，即細化效果越好；的值越大，共晶組織的分散程度越好。根據晶體生長動力學，ts-teu_g 的值越小，得到的共晶組織越細小，即變質效果越好。本發明通過合金“指紋”，根據經典凝固理論，對熔體進行精確成分測定與凝固組織預測，可有效控制合金元素、變質劑、細化劑，以及能量場孕育作用效果。采用數據采集軟件、數據庫系統、數據分析軟件，通過計算機實現熔體狀態的分析，共同構成鎂及鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制裝置，其包括熔體定量澆包、定容模具、定位夾具、溫度采集系統、計算機、鑄造鎂合金數據庫系統與數據分析系統。本發明所述的檢測方法和檢測裝置用于鎂及鎂合金的熔煉現場，作為爐前分析手段，在澆注前檢測熔融合金的成分，根據凝固組織預測分析結果，對熔體相關合金元素的含量進行調整，控制和提高冶金質量，減少生產成本。與現有技術相比，本發明具有如下優點1、本發明采用熱分析方法檢測熔體的合金成分，簡單易行，與解剖鑄件檢測法相比，分析成本降低；2、本發明可測量大量熔體的成分，檢測周期短，適于爐前檢驗，便于指導生產；3、本發明檢測裝置自動化，結果準確，可靠性高。本方法具有結果穩定、可靠性高、分析周期短、自動化水平高的優點，能夠有效提高鑄錠、鑄件質量，降低生產成本、減少生產周期，滿足我國鎂合金企業的生產需要，符合鎂合金國家工程研究發展戰略的要求，具有較大的市場推廣價值。本發明適合于含鋯系鎂合金與不含鋯系鎂合金的在線成分檢測，如AZ系列、I系列、AM系列和MgRE系列等。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明定容模具與定位夾具的俯視圖。圖3為冷卻曲線特征凝固參數標定示意圖。圖4(a)和(b)為實施例1中TO43鎂合金補充Mg-Y中間合金前后的凝固組織金相圖。圖5 (a)和(b)為實施例2中AZ31鎂合金補充純Al前后的凝固組織金相圖。圖6 (a)和(b)為實施例2中TOM鎂合金補充Mglr中間合金前后的凝固組織金相圖。在上述附圖中，1-定量澆包，2-定位夾具，3-熱電偶，4-溫度采集系統，5-計算機， 6-鑄造鎂合金數據庫，7-定容模具。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提下給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不僅限于下述的實施例。本發明所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法是通過圖1所示的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制裝置實施的，如圖1所示，該裝置包括定位夾具2、熱電偶3、溫度采集系統4、計算機5、鑄造鎂合金數據庫6、定容模具7和定量澆包1。所述定量澆包1用于熔體取樣。所述定容模具7用于容納被測熔體，其由鋼、鐵、石墨、粘土砂、樹脂砂、陶瓷或耐火泥制造而成，以滿足不同冷卻速率的要求。所述熱電偶3連接溫度采集系統 4，如圖2所示，該熱電偶3通過定位夾具2固定懸置于定容模具7內的被測熔體中。所述溫度采集系統4與計算機5連接，并且向計算機5傳輸熱電偶3所采集和記錄的被測熔體凝固過程的溫度-時間數據。所述計算機5與鑄造鎂合金數據庫6連接，該鑄造鎂合金數據庫6內存儲有標準鎂合金的數據，該計算機5由鑄造鎂合金數據庫6中調取標準凝固特征參數，并且與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較。如圖1所示，本發明所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法采用定量澆包1提取鎂合金熔體，定容模具7控制熔體熱容，熱電偶3實時測定熔體溫度，溫度采集系統4采集并記錄熔體凝固過程中溫度隨時間的變化，通過計算機5調用鑄造鎂合金數據庫6，并進行凝固反應特征參數的比較，繼而對合金熔體中化學組成、變質劑、細化劑含量進行調整，最終控制凝固組織。
本發明所述的方法包括如下具體步驟1)按照正常熔煉工藝在坩堝中熔煉鎂合金，包括添加合金元素、變質劑和細化劑。2)通過定位夾具2將熱電偶3固定于定容模具7的特定位置，即將其探頭固定懸置于定容模具7內的被測熔體中。3)安裝調試溫度采集系統4。4)對定量澆包1進行預熱，預熱的方法為長時間置定量澆包1于預熱爐中，預熱溫度控制在200°C -800°C之間；采用預熱后的定量澆包1從坩堝中取出熔體樣本，從坩堝中取樣時，定量澆包1在熔體中停留0-10分鐘；熱電偶3測定溫度，待熔體溫度降至適于溫度采集系統4的檢測溫度時，將熔體澆注至定容模具7內，該檢測溫度為500°C -900°C，所述定容模具7的溫度控制在_30°C -100°C。5)計算機5控制溫度采集系統4采集并記錄被測熔體凝固過程的溫度-時間數據 (T-t冷卻曲線)，并且計算機5通過內在的分析程序進行處理根據采集的溫度-時間實時數據建立熱分析冷卻曲線，并對該曲線進行一階求導獲得冷卻速率曲線，根據標準輔助線， 對鎂合金熔體的實際凝固特征參數實際初始形核溫度、實際共晶初始形核溫度ΤΜ_η $、實際共晶生長溫度、實際凝固結束溫度、實際共晶生長時間和實際凝固結束時間進行標定，具體見圖3所示。6)計算機5由鑄造鎂合金數據庫6中調取擬得到合金的標準成分與凝固組織的標準凝固特征參數標準初始形核溫度Ta_nfe、標準共晶初始形核溫度、標準共晶生長溫度、標準凝固結束溫度Tsfe、標準共晶生長時間和標準凝固結束時間，并將之與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較當 -^〉!^--時，添加所對應合金元素；當 Ta-n^<Ta_n標時，補充適當的細化劑；當(t@-teu_g實)> (tsfe-teu_g標)時，適量增加變質劑的添加量。下面通過一些常見鑄造鎂合金的實施例對本發明作進一步的說明。實施例1采用圖1所示的工藝流程和裝置熔煉合金牌號TO43的鎂合金，基本操作步驟如下1、使用40Kg坩堝電阻爐熔煉WE43鎂合金，將熔體升溫至760°C，通過定位夾具2 將熱電偶3探頭固定于定容模具7的特定位置。2、開啟溫度采集系統4，采用定量澆包1從坩堝中取出鎂液，迅速澆注至定容模具 7內。3、通過鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制裝置對鎂合金熔體的Ta_n^ Teu_ni, Teu-g實、Ts實以及相對應的、
-η 實、Leu-n 實、teu-g實、4、調用鑄造鎂合金數據庫6中的標準T
α -η 標、Teu-η 標、Teu-g 標、Ts 標、t eu—g 標和 t s 標， 經過
比較發現Teu_4> Teu_n標，則添加1. 7Kg Mg-Y中間合金。補充Mg-Y中間合金前、后的TO43鎂合金凝固組織分別如圖4(a)和(b)所示。實施例2采用圖1所示的工藝流程和裝置熔煉合金牌號AZ31的鎂合金，基本操作步驟如下1、使用4Kg坩堝電阻爐熔煉AZ31鎂合金，將熔體升溫至740°C，通過定位夾具2將熱電偶3探頭固定于定容模具7的特定位置。2、開啟溫度采集系統4，采用定量澆包1從坩堝中取出鎂液，通過熱電偶3測溫，待其降至720°C時迅速澆注至定容模具7內。3、通過鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制裝置對鎂合金熔體的Τα_η$、Teu_ni, Teu-g實、Ts實以及相對應的、
-η 實、Leu-n 實、teu-g實、4、調用鑄造鎂合金數據庫6中的標準T
α -η 標、Teu-η 標、Teu-g 標、Ts 標、t eu—g 標和 t s 標， 經過
比較發現(teu_g實_ts實)< (teu_g標-ts標)，適當補充0.02Kg的純Al以調整共晶組織含量。補充純Al前、后的AZ31鎂合金的凝固組織分別如圖5 (a)和(b)所示。實施例3采用圖1所示的工藝流程和裝置熔煉合金牌號WEM的鎂合金，基本操作步驟如下1、使用200Kg坩堝電阻爐熔煉WEM鎂合金，將熔體升溫至780°C，通過定位夾具2 將熱電偶3探頭固定于定容模具7的特定位置。2、開啟溫度采集系統4，采用定量澆包1從坩堝中取出鎂液，通過熱電偶3測溫，待其降至760°C時迅速澆注至定容模具7內。3、通過鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制裝置對鎂合金熔體的Τα_η$、Teu_ni, Teu-g實、Ts實以及相對應的、
-η 實、Leu-n 實、teu-g實、4、調用鑄造鎂合金數據庫6中的標準T
α -η 標、Teu-η 標、Teu-g 標、Ts 標、t eu—g 標和 t s 標， 經過
比較發現τα_η$< Τα_η標，適當補充0. 4Kg Mg-Zr中間合金，增加熔體中Ir的含量。補充Mg-Zr中間合金前、后WEM鎂合金的凝固組織分別如圖6 (a)和(b)所示。本發明適合于含鋯系鎂合金與不含鋯系鎂合金的在線成分檢測，如-M系列、TL 系列、AM系列和MgRE系列等。
權利要求
1.一種鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于采用定量澆包提取鎂合金熔體，定容模具控制熔體熱容，熱電偶實時測定熔體溫度，溫度采集系統采集并記錄熔體凝固過程中溫度隨時間的變化，通過計算機調用鑄造鎂合金數據庫進行凝固反應特征參數的比較，繼而對合金熔體中化學組成、變質劑、細化劑含量進行調整，最終控制凝固組
2.根據權利要求1所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于 所述方法包括如下具體步驟1)按照正常熔煉工藝在坩堝中熔煉鎂合金，包括添加合金元素、變質劑和細化劑；2)通過定位夾具將熱電偶固定于定容模具的特定位置；3)安裝調試溫度采集系統；4)采用預熱后的定量澆包從坩堝中取出熔體，熱電偶測定溫度，待熔體溫度降至適于溫度采集系統的檢測溫度，澆注至定容模具內；5)計算機控制溫度采集系統采集并記錄被測熔體凝固過程的溫度-時間數據，并且計算機通過內在的分析程序進行處理根據采集的溫度-時間實時數據建立熱分析冷卻曲線，并對該曲線進行一階求導獲得冷卻速率曲線，根據標準輔助線，對鎂合金熔體的實際凝固特征參數實際初始形核溫度、實際共晶初始形核溫度、實際共晶生長溫度、實際凝固結束溫度、實際共晶生長時間和實際凝固結束時間進行標定；6)計算機由鑄造鎂合金數據庫中調取擬得到合金的標準成分與凝固組織的標準凝固特征參數標準初始形核溫度Ta_nfe、標準共晶初始形核溫度、標準共晶生長溫度TM_g s、標準凝固結束溫度Tsfe、標準共晶生長時間和標準凝固結束時間，并將之與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較，當時，添加所對應合金元素；當 <Ta_nS時，補充細化劑；當(ts實_teu_g實)> (ts標-teu_g標)時，增加變質劑的添加量。
3.根據權利要求2所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于 在所述方法的工序4)中，所述檢測溫度為500°C -900°C。
4.根據權利要求2所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于 在所述方法的工序4)中，從坩堝中取樣時，定量澆包在熔體中停留0-10分鐘。
5.根據權利要求2所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于 在所述方法的工序4)中，定量澆包的預熱方法為長時間置定量澆包于預熱爐中，預熱溫度控制在200°C _800°C之間。
6.根據權利要求2所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，其特征在于 在所述方法的工序4)中，所述定容模具的溫度控制在-30°C -100°C。
7.一種實施權利要求1所述鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法的裝置，其特征在于所述裝置包括定位夾具、熱電偶、溫度采集系統、計算機、存儲有標準鎂合金數據的鑄造鎂合金數據庫、用于容納被測熔體的定容模具和用于熔體取樣的定量澆包，所述熱電偶連接溫度采集系統，并且通過定位夾具固定懸置于定容模具內的被測熔體中，所述溫度采集系統與計算機連接，并且向計算機傳輸所采集和記錄的被測熔體凝固過程的溫度-時間數據，所述計算機與鑄造鎂合金數據庫連接，并且由之調取標準凝固特征參數與被測熔體的實際凝固特征參數進行比較。
8.根據權利要求7所述的鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的裝置，其特征在于所述定容模具由鋼、鐵、石墨、粘土砂、樹脂砂、陶瓷或耐火泥制造而成。
全文摘要
本發明公開了一種鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法，并提供了相應的實施裝置，所述方法采用定量澆包提取鎂合金熔體，定容模具控制熔體熱容，熱電偶實時測定熔體溫度，溫度采集系統采集并記錄熔體凝固過程中溫度隨時間的變化，通過計算機調用鑄造鎂合金數據庫進行凝固反應特征參數的比較，繼而對合金熔體中化學組成、變質劑、細化劑含量進行調整，最終控制凝固組織。本發明根據經典凝固理論，在澆注前檢測熔融合金的成分，并根據凝固組織預測分析結果，對熔體相關合金元素的含量進行調整，具有結果穩定、可靠性高、分析周期短、自動化水平高、分析成本低、簡單易行的優點，能夠有效提高鑄件質量、降低生產成本、減少生產周期，適于鎂及鎂合金熔煉現場的爐前操作。
文檔編號B22D46/00GK102430750SQ20111038558
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者丁文江, 劉文才, 吳國華, 龐松 申請人:上海交通大學