專利名稱：半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
為了為半固態(tài)金屬成型設(shè)備提供半固態(tài)金屬的表觀粘度數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家曾經(jīng)在表觀粘度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方面做了一些初步工作。Flemings等人在1991年用一套石墨制同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置制備了Sn-Pb合金半固體漿料，后來H.Lehuy等人用攪拌槳制備了Al-Cu、Ai-Zn、Al-Si合金半固態(tài)漿料，也有人采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液，我國(guó)東南大學(xué)蘇華欽等在葉片攪動(dòng)裝置上通過氬氣保護(hù)下研制成AZ91D鎂合金鑄錠，同時(shí)這些專家都通過測(cè)量扭矩大小反映表觀粘度大小，但這些方法和設(shè)備在表觀粘度測(cè)量和換算方面存在以下缺點(diǎn)，測(cè)量效果不好①半固態(tài)金屬漿料承受的攪拌過于劇烈而呈紊流態(tài)，測(cè)得的扭矩不能通過計(jì)算換算為粘度值；②金屬攪拌槳和葉片易污染合金漿料，由于阻力太大，能處理的固相分?jǐn)?shù)也有限；③防止合金漿料氧化的措施欠缺，或者由于保護(hù)嚴(yán)密而使得無法迅速取得供分析的樣品；④保護(hù)氣引入方式不恰當(dāng)，保護(hù)效果不理想，或者造成爐內(nèi)溫度場(chǎng)劇烈變化；⑤開始攪拌的瞬間，扭矩有很大的沖擊值，扭矩傳感器容易損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種新結(jié)構(gòu)的半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，可以有效地克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括加熱爐、坩堝、攪拌機(jī)構(gòu)以及信號(hào)采集和測(cè)量裝置，其特征是將加熱爐安裝在機(jī)架上，在加熱爐腔內(nèi)安裝有用石墨制作的坩堝，在坩堝底部與一根垂直安裝、起支撐和帶動(dòng)坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸相連接，轉(zhuǎn)軸下端通過聯(lián)軸器與高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)輸出軸相連接，高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)安放在加熱爐下面固定在底座上，在坩堝腔內(nèi)中央懸空安裝有一近似圓柱體形的石墨頭，石墨頭與坩堝之間形成一個(gè)環(huán)狀空腔，石墨頭上端與一垂直安裝的固定軸相連接，固定軸為上下兩截，中間通過同軸的扭矩傳感器相連接，最上端通過調(diào)位螺母固定在機(jī)架上，在固定軸上還安裝有一可以與安裝在機(jī)架上的限位擋塊相抵觸、起安全保護(hù)作用的限位突起，在石墨頭上端制有用于安插熱電偶的豎直孔，在加熱爐腔內(nèi)安裝有保護(hù)氣體排放裝置，扭矩信號(hào)電壓放大器與扭矩傳感器相連接，溫度信號(hào)電壓放大器以及數(shù)字式溫度顯示表與熱電偶相連接，扭矩信號(hào)和溫度信號(hào)都通過屏蔽導(dǎo)線被計(jì)算機(jī)主機(jī)板上的數(shù)據(jù)采集卡記錄，電動(dòng)機(jī)控制器與高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)相連接，溫度控制器與加熱爐相連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果有①作為機(jī)械剪切核心部件的石墨頭和石墨坩堝與漿料的接觸面是光滑圓柱面，石墨頭與坩堝之間形成一個(gè)窄的環(huán)狀空腔，對(duì)漿料的攪拌為剪切式，使得將測(cè)得的扭矩可以用合適的計(jì)算公式比較精確地?fù)Q算為表觀粘度值；②不會(huì)由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的扭矩值過大而損壞扭矩傳感器，能測(cè)量的漿料的固相分?jǐn)?shù)也比較高；③環(huán)形管保護(hù)氣排放裝置，可以將保護(hù)氣均勻覆蓋在爐腔上部，有效地防止了合金氧化，對(duì)爐腔內(nèi)溫度擾動(dòng)小，節(jié)省用氣；④用石墨制的零件可以避免合金漿料被玷污，同時(shí)提高了導(dǎo)熱性能；⑤在坩堝上端制有與環(huán)狀空腔連通的凹槽，取金屬試樣方便快捷。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2為石墨坩堝和石墨頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，上圖為正視圖(剖視)，下圖為俯視圖。
圖3為保護(hù)氣引入裝置，上圖為正視圖，下圖為俯視圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)物照片。
圖5為計(jì)算機(jī)程序?qū)Σ杉瘬Q算得到的表觀粘度做三次7點(diǎn)平滑處理前后繪制的的表觀粘度曲線比較。
圖6為計(jì)算機(jī)繪制的AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)金屬的表觀粘度曲線以及未剪切和剪切后半固態(tài)金屬的金相組織。
圖7為計(jì)算機(jī)繪制的AZ91D鎂合金半固態(tài)金屬的表觀粘度曲線以及未剪切和剪切后半半固態(tài)金屬的金相組織。
圖中1-調(diào)位螺母 2-扭矩傳感器 3-限位突起 4-熱電偶5-電阻爐壁6-石墨頭7-半固態(tài)金屬漿料8-坩堝9-電阻爐10-水冷套 11-高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)12-聯(lián)軸器13-轉(zhuǎn)軸14-機(jī)架15-環(huán)形管16-爐蓋 17-固定軸18-進(jìn)氣管19-限位擋塊20-石墨坩堝螺紋孔 21-豎直孔 22-石墨頭螺紋23-盛漿料環(huán)形槽24-凹槽25-通氣孔 JS-計(jì)算機(jī) NF-扭矩信號(hào)電壓放大器WF-溫度信號(hào)電壓放大器WX-溫度顯示表WK-溫度控制器DK-電動(dòng)機(jī)控制器 A-表示通氬氣B-表示進(jìn)冷卻水 C-表示出冷卻水5(a)-平滑處理前的曲線 5(b)-平滑處理后的曲線 6(a)-計(jì)算機(jī)繪制的AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)漿料的表觀粘度曲線 6(b)-未剪切AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)金屬的金相組織 6(c)-剪切后AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)金屬的金相組織 7(a)-計(jì)算機(jī)繪制的AZ91D鎂合金半固態(tài)金屬的表觀粘度曲線 7(b)-未剪切AZ91D鎂合金半固態(tài)金屬的金相組織 7(c)-剪切后AZ91D鎂合金半固態(tài)金屬的金相組織
具體實(shí)施例方式例1、測(cè)量AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)漿料的表觀粘度如圖1所示，將電阻爐9安裝在機(jī)架14上，在電阻爐9腔內(nèi)安裝有石墨制作的坩堝8，坩堝8底部中央制有螺紋孔20與一根垂直安裝、起支撐和帶動(dòng)坩堝8轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸13以螺紋相連接，轉(zhuǎn)軸13下端通過聯(lián)軸器12與高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)11的輸出軸相連接，高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)11安放在電阻爐9的下部并固定在底座上，在坩堝8腔內(nèi)中央懸空安裝有一近似圓柱體形的石墨頭6，坩堝8的內(nèi)壁與石墨頭6之間形成一個(gè)用于填放金屬原料的環(huán)狀空腔，石墨頭6和坩堝8同軸，石墨頭6上端中央制有螺紋孔22與一垂直安裝的固定軸17以螺紋連接，固定軸17由兩截組成，中間通過同軸的扭矩傳感器2相連接，上半截的上端通過調(diào)位螺母1固定在機(jī)架14上，在固定軸17上還安裝有一可以與安裝在機(jī)架上的限位擋塊19相抵觸、起安全保護(hù)作用的限位突起3，在石墨頭6上端的豎直孔21內(nèi)安插熱電偶4，在電阻爐5腔內(nèi)、石墨頭6上方安裝有排放氬氣的環(huán)形管15，該環(huán)形管與進(jìn)氣管18連通，將扭矩信號(hào)電壓放大器NF與扭矩傳感器2相連接，將溫度信號(hào)電壓放大器WF和數(shù)字式溫度顯示表WX與熱電偶4相連接，扭矩信號(hào)和溫度信號(hào)都通過屏蔽導(dǎo)線被計(jì)算機(jī)主機(jī)板上的數(shù)據(jù)采集卡相連接，將電動(dòng)機(jī)控制器DK與高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)11相連接，將溫度控制器WK與電阻爐壁5相連接，將與轉(zhuǎn)軸13接觸的水冷套10通循環(huán)水。具體操作可按照下述步驟進(jìn)行①將石墨坩堝8內(nèi)壁刷涂料，用天平稱AlSi4Mg2鋁合金碎料100g裝入坩堝8中，打開爐蓋16將坩堝8和石墨頭6安裝在電阻爐9內(nèi)。
②將排放保護(hù)氣體的環(huán)形管15與氬氣瓶連接，但暫不打開氬氣瓶閥門。
③將爐蓋16閉合，向水冷套10通循環(huán)冷卻水，再將電阻爐9通電加熱，并啟動(dòng)溫度控制器WK。
④當(dāng)爐溫顯示接近AlSi4Mg2合金熔點(diǎn)635℃時(shí)，將氬氣瓶閥門打開，向爐腔內(nèi)排放氬氣。
⑤當(dāng)爐溫顯示超過AlSi4Mg2合金熔點(diǎn)時(shí)，緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)位螺母1使石墨頭6向下伸入石墨坩堝8內(nèi)一定深度。
⑥保溫在預(yù)定工作溫度613℃(此時(shí)固相分?jǐn)?shù)為40％)后，接通扭矩信號(hào)輸出與采集線路。
⑦確保扭矩限制裝置正常后，以預(yù)定轉(zhuǎn)速(剪切速率γ＝93.6s-1)啟動(dòng)高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)11，計(jì)算機(jī)開始記錄溫度和扭矩?cái)?shù)據(jù)，并顯示在顯示器屏幕上，在需要取相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的樣品時(shí)，將高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)11停止轉(zhuǎn)動(dòng)，打開爐蓋孔從石墨坩堝8凹槽24內(nèi)取得半固態(tài)金屬漿料，迅速水淬得到樣品待金相觀察。
⑧按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃改變高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，剪切速率分別為γ＝46.8s-1和γ＝93.6s-1，采集相應(yīng)的溫度和扭矩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
⑨不再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，停止信號(hào)采集，先旋轉(zhuǎn)調(diào)位螺母1將石墨頭6從坩堝8內(nèi)升起，停止加熱，但保持溫度顯示，繼續(xù)通保護(hù)氣和冷卻水，直到爐溫降低到凝固點(diǎn)以下后再關(guān)閉保護(hù)氣鋼瓶閥門。
扭矩傳感器輸出的電壓信號(hào)放大后由計(jì)算機(jī)記錄下來的同時(shí)，雖然高頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制器等電器產(chǎn)生的電磁干擾同時(shí)也被放大了，致使記錄到的原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)，需要對(duì)數(shù)據(jù)曲線做簡(jiǎn)單的平滑處理，如圖5所示，計(jì)算機(jī)程序已經(jīng)將扭矩?fù)Q算為表觀粘度，將剪切速率γ＝93.6s-1時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origion表格，做三次7點(diǎn)平滑處理，即可繪制出理想形態(tài)的曲線，5(a)為平滑處理前的曲線，5(b)為平滑處理后的曲線。
此次實(shí)驗(yàn)測(cè)得，分別以剪切速率γ＝46.8s-1，93.6s-1和γ＝187.2s-1等溫剪切，固相分?jǐn)?shù)為40％的AlSi4Mg2鋁合金半固態(tài)漿料的穩(wěn)態(tài)表觀粘度分別為13.4Pa·s，8.1Pa·s和6.7Pa·s，并取得半固態(tài)漿料的金相樣品，如圖6中6(a)、6(b)、6(c)所示。
例2、測(cè)量AZ91D鎂合金半固態(tài)漿料的表觀粘度按照例1實(shí)施步驟，對(duì)于AZ91D鎂合金，以4℃/min的冷卻速率凝固過程中，分別以剪切速率γ＝46.8s-1，93.6s-1，187.2s-1和280.8s-1進(jìn)行連續(xù)剪切測(cè)量不同溫度(即不同固相分?jǐn)?shù))下的表觀粘度，并取得半固態(tài)漿料的金相樣品，如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，包括加熱爐、坩堝、攪拌機(jī)構(gòu)以及信號(hào)測(cè)量和采集裝置，其特征是加熱爐(9)安裝在機(jī)架(14)上，在加熱爐腔內(nèi)安裝有用石墨制作的坩堝(8)，坩堝(8)底部與一根垂直安裝、起支撐和帶動(dòng)坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸(13)相連接，轉(zhuǎn)軸(13)下端通過聯(lián)軸器(12)與電動(dòng)機(jī)(11)的輸出軸相連接，電動(dòng)機(jī)(11)安放在加熱爐(9)下部并固定在底座上，在坩堝(8)腔內(nèi)懸空安裝有一近似圓柱體形的石墨頭(6)，石墨頭(6)上端與一垂直安裝的固定軸(17)相連接，固定軸(17)的下半截與上半截通過同軸的扭矩傳感器(2)相連接，上半截的上端通過調(diào)位螺母(1)固定在機(jī)架(14)上，在固定軸(17)上還安裝有一可以與安裝在機(jī)架(14)上的限位擋塊(19)相抵觸、起到安全保護(hù)作用的限位突起(3)，在石墨頭(6)上的豎直孔(21)中安插有熱電偶(4)，在加熱爐(9)腔內(nèi)安裝有保護(hù)氣體排放裝置(15)，扭矩信號(hào)電壓放大器NF與扭矩傳感器(2)相連接，數(shù)字式溫度顯示表WX和溫度信號(hào)電壓放大器WF與熱電偶相連接，扭矩信號(hào)和溫度信號(hào)都通過屏蔽導(dǎo)線被計(jì)算機(jī)主機(jī)板上的數(shù)據(jù)采集卡記錄，電動(dòng)機(jī)控制器DK與電動(dòng)機(jī)(11)相連接，溫度控制器WK與加熱爐(9)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，其特征是石墨坩堝(8)的下端中央制有螺紋孔(20)，與轉(zhuǎn)軸(13)是螺紋連接。
3.如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，其特征是石墨頭(6)的上端中央制有螺紋孔(22)，與固定軸(17)是螺紋連接。
4.如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，其特征是石墨坩堝(8)的上端制有與環(huán)狀空腔連通、便于取出半固態(tài)金屬試樣的凹槽(24)。
5.如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，其特征是所述的保護(hù)氣體排放裝置是安裝在石墨頭(6)上方并與進(jìn)氣管相連通的環(huán)形管(15)，該環(huán)形管上面制有多個(gè)排放保護(hù)氣體的小孔(25)。
全文摘要
一種半固態(tài)金屬表觀粘度測(cè)量裝置，屬于冶金測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，包括加熱爐、坩堝、攪拌機(jī)構(gòu)以及信號(hào)采集和處理裝置，其特征是將加熱爐安裝在機(jī)架上，在加熱爐腔內(nèi)安裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的石墨坩堝，在坩堝腔內(nèi)安裝有與坩堝同軸的石墨頭，與石墨頭以螺紋相連接的固定軸安裝在機(jī)架上，在固定軸上安裝有扭矩傳感器和限位突起，在加熱爐腔上部安裝有保護(hù)氣體排放裝置，扭矩電壓信號(hào)被計(jì)算機(jī)主機(jī)板上的數(shù)據(jù)采集卡記錄，優(yōu)點(diǎn)是①對(duì)半固態(tài)金屬的攪拌為剪切式，測(cè)算得到的表觀粘度比較精確；②能測(cè)的半固態(tài)金屬的固相分?jǐn)?shù)比較高；③環(huán)形管排氣裝置，可有效防止合金氧化；④用石墨制作坩堝和石墨頭不會(huì)污染合金漿料；⑤取試樣方便快捷。
文檔編號(hào)G01N11/10GK101051017SQ20071006187
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者閆時(shí)建, 閆志杰, 宮長(zhǎng)偉, 張敏剛 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué)