一种大型铸锭/铸件在PMO作用下微结构转变实时观察装置及方法

一种大型铸锭/铸件在pmo作用下微结构转变实时观察装置及方法
技术领域
1.本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种大型铸锭/铸件在pmo作用下微结构转变实时观察装置及方法。


背景技术：

2.脉冲磁致振荡(pulsed magneto oscillation，pmo)凝固均质化技术是在脉冲电流细化机制的基础上提出的，其基本原理是感应脉冲电流在金属液内产生“电致过冷”效应，促进并形成“结晶雨”，从而细化凝固组织。当今pmo已经在连铸生产中应用，均质化效果显著。同时，在大型铸锭/铸件的生产中应用也逐步在开展，但由于大型铸锭/铸件的不透明性，pmo作用下大型铸锭/铸件不同位置的微结构转变无法实时观测，这对pmo对大型铸锭/铸件作用机理研究带来一些困难，无法获得直接的一手资料。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够实时观察大型铸件或铸锭在 pmo作用下微结构转变的装置；
4.本发明的第二目的是提供采用上述装置进行观察的方法。
5.技术方案：本发明大型铸锭/铸件在pmo作用下微结构转变实时观察装置，包括样品室、设于该样品室内的加热炉体、与加热炉体相匹配的真空系统、冷却系统以及控温系统，所述加热炉体内设有pmo线圈，该pmo线圈内套设有反应坩埚，反应坩埚的侧壁及底部设有热电偶，该装置还包括设于样品室外、对反应坩埚内的铸锭/铸件实时记录微结构的显微观察装置。
6.进一步说，该装置的加热炉体采用分段式炉体，不同段炉体进行单独控温。
7.进一步说，该装置还包括设于样品室内的无影灯。
8.进一步说，该装置的pmo线圈的匝数可为2-20匝。
9.进一步说，该装置的pmo线圈与反应坩埚的距离为1-20mm。
10.本发明采用上述装置进行观察的方法，包括如下步骤：
11.(1)从待研究的大型铸锭/铸件上切取样品，置于反应坩埚内，并根据待研究的大型铸锭/铸件真空度要求启动真空系统，通过控温系统设定加热和保温程序，同时，将通过procast模拟获得的大型铸锭/铸件对应位置的相变曲线输入到控温系统中，实现控温冷却；
12.(2)待样品熔化后保温10至60min，启动pmo电源、显微观察装置及冷却系统，在冷却过程中记录微结构变化。
13.有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置能够有效解决现有的铸锭或铸件在凝固过程中无法获得其微结构的转变机理，进而无法研究 pmo对大型铸锭/铸件作用机理的技术问题，且结构简单，成本低；同时其观察方法简单，易操作。
附图说明
14.图1为本发明装置的结构示意图；
15.图2为pmo作用下m2高速钢大型铸锭1/2半径处冷却曲线；
16.图3为pmo作用下ht350铸铁件芯部冷却曲线；
17.图4为采用本发明装置观察ht350铸铁件芯部位置的微结构转变图；其中， (a)和(b)为加热阶段的微结构图，(c)和(d)为冷却阶段的微结构图；
18.图5为pmo作用下球墨铸铁件边部冷却曲线。
具体实施方式
19.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
20.如图1所示，本发明的装置能够对大型的铸锭或者铸件在pmo作用下微结构转变的实时观察，其包括样品室1，为该样品室1提供真空环境的真空系统3。样品室1内设有加热炉体2，该加热炉体2可为分段式加热，不同段可以单独控温，进而使得样品的温度均一。加热炉体2内设有pmo线圈6，该pmo线圈6 通过其对应的pmo电源控制。pmo线圈6内套设装样品的反应坩埚7，pmo 线圈6与反应坩埚7的距离可为1-20mm，匝数可在2匝至20匝之间变化，具体地根据待研究的大型铸锭/铸件而定，同时，在pmo线圈6中通入冷却水，从而避免加热体对pmo线圈6的影响。反应坩埚7的外侧壁及底部设有热电偶8，对反应坩埚7内的样品温度进行监测。
21.该装置还包括与加热炉体2相匹配的冷却系统4及控温系统5，其中，冷却系统4通过采用气冷的方式对样品室1进行降温，控温系统5与热电偶8相匹配，对反应坩埚7内的样品进行温度的监测和调控。需说明的是，本发明所采用的冷却系统4、控温系统5及真空系统3均为公知的技术。
22.本发明采用上述的装置进行实时观察的方法，包括如下步骤：
23.(1)从待研究的大型铸锭或铸件上切取部分样品，将样品11置于反应坩埚 7中，并根据待研究的大型铸锭/铸件真空度要求启动真空系统3，在控温系统5 中设定加热和保温程序；同时，将通过procast模拟得到的大型铸锭/铸件对应位置的相变曲线输入到控温系统5中，实现控温冷却；
24.(2)调整pmo线圈6的匝数和线圈与反应坩埚7之间的距离，保证在该系统的pmo线圈6对样品磁场作用与pmo作用下大型铸锭/铸件相应位置受到磁场作用相同；
25.(3)调节显微观察系统9，保证通过显微观察系统9能实时观测待测样品的微结构转变过程；
26.(4)开始加热，使样品熔化后保温一定时间，启动冷却系统4，保证样品整体温度均匀后开始以特定的冷却曲线进行冷却；
27.(5)根据需要适时开启pmo电源，同时，在冷却过程中不断调节显微观察装置9，保证通过显微观察系统能清晰记录样品的整个相变过程；
28.(6)待样品完全冷却后，对显微观察装置9中的数据进行整理分析，即可得到pmo作用下大型铸锭/铸件特定位置的微结构转变过程。
29.实施例1实时观测m2高速钢大型铸锭1/2半径处微结构转变
30.(1)将m2高速钢样品置于坩埚中，在控温系统中输入加热和保温程序(将样品以20
℃/min加热到1550℃，保温30min)，同时，将pmo作用下m2高速钢大型铸锭1/2半径处冷却曲线(如图2所示)输入到控温系统中；
31.(2)调整pmo线圈的匝数为5和线圈与坩埚之间的距离为10mm，保证在该系统的pmo线圈对样品的影响与pmo作用下大型铸锭1/2半径处的作用相同；
32.(3)调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能实时观测待测样品的微结构转变过程；
33.(4)开始加热，使样品熔化后保温20min，保证样品整体温度均匀后开始以特定的冷却曲线进行冷却；
34.(5)在冷却开始后迅速开启pmo电源，同时，在冷却过程中不断调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能清晰记录金属的整个相变过程；
35.(6)待样品完全冷却后，对显微观察系统中记录的图像进行整理分析，即可得到pmo作用下大型铸锭1/2半径处的微结构转变过程。
36.实施例2实时观测灰铸铁ht350大型铸件芯部微结构转变
37.(1)将灰铸铁ht350样品置于坩埚中，在控温系统中设定加热和保温程序 (将样品以20℃/min加热到1500℃，保温10min)，同时，将pmo作用下ht350 铸铁件芯部冷却曲线(如图3所示)输入到控温系统中；
38.(2)调整pmo线圈的匝数为5和线圈与坩埚之间的距离为7mm，保证在该系统的pmo线圈对样品的影响与pmo作用下ht350铸铁件芯部位置的作用相同；
39.(3)调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能实时观测待测样品的微结构转变过程；
40.(4)开始加热，使ht350铸铁样品熔化按照之前设定的温度曲线进行加热，在保温结束后迅速开启pmo电源，使样品按照固定的冷却速度冷却；
41.(5)在实验过程中不断调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能清晰记录ht350铸铁样品的整个相变过程；待样品完全凝固后，对显微观察系统中的数据进行整理分析，即可得到pmo作用下大型ht350铸铁件芯部位置的微结构转变过程。通过模拟获得保温开始和结束ht350铸铁件芯部位置的微结构转变如图4所示。
42.实施例3实时观测球墨铸铁件边部微结构转变
43.(1)将球墨铸铁样品置于坩埚中，在控温系统中设定加热和保温程序(将样品以40℃/min加热到1000℃，保温30min)，同时，将pmo作用下球墨铸铁件边部冷却曲线(如图5)输入到控温系统中；
44.(2)调整pmo线圈的匝数为5和线圈与坩埚之间的距离为12mm，保证在该系统的pmo线圈对样品的影响与pmo作用下球墨铸铁件边部位置的作用相同；
45.(3)调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能实时观测待测样品的微结构转变过程；
46.(4)开始加热，开启pmo电源，使球墨铸铁样品熔化按照之前设定的温度曲线进行加热和冷却；
47.(5)在实验过程中不断调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能清晰记录球墨铸铁样品的整个相变过程；待样品完全凝固后，对显微观察系统中的数据进行整理分析，即可得到pmo作用下大型球墨铸铁件边部位置的微结构转变过程，通过模拟得到保温开始
和结束球墨铸铁件边部位置的微结构转变。
48.实施例4实时观测gcr18mo大型铸锭芯部微结构转变
49.(1)将gcr18mo样品置于坩埚中，在控温系统中设定加热和保温程序(将样品以20℃/min加热到1530℃，保温30min)，同时，将pmo作用下gcr18mo 大型铸锭/铸件芯部冷却曲线输入到控温系统中；
50.(2)调整pmo线圈的匝数为5和线圈与坩埚之间的距离为8mm，保证在该系统的pmo线圈对样品的影响与pmo作用下大型铸锭芯部位置的作用相同；
51.(3)调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能实时观测待测样品的微结构转变过程；
52.(4)开始加热，使样品熔化后保温20min，保证样品整体温度均匀后开始以特定的冷却曲线进行冷却；
53.(5)在冷却开始后迅速开启pmo电源，同时，在冷却过程中不断调节显微观察系统，保证通过显微观察系统能清晰记录金属的整个相变过程；
54.(6)待样品完全凝固后，对显微观察系统中的数据进行整理分析，即可得到pmo作用下大型铸锭芯部位置的微结构转变过程。