CN100565180C - 半固态金属表观粘度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种半固态金属表观粘度测量装置，属于冶金测量技术领域，包括加热炉、坩埚、搅拌机构以及信号采集和处理装置，其特征是将加热炉安装在机架上，在加热炉腔内安装有可转动的石墨坩埚，在坩埚腔内安装有与坩埚同轴的石墨头，与石墨头以螺纹相连接的固定轴安装在机架上，在固定轴上安装有扭矩传感器和限位突起，在加热炉腔上部安装有保护气体排放装置，扭矩电压信号被计算机主机板上的数据采集卡记录，优点是：①对半固态金属的搅拌为剪切式，测算得到的表观粘度比较精确；②能测的半固态金属的固相分数比较高；③环形管排气装置，可有效防止合金氧化；④用石墨制作坩埚和石墨头不会污染合金浆料；⑤取试样方便快捷。

Description

半固态金属表观粘度测量装置

技术领域：

本发明属于冶金测量技术领域，具体涉及一种半固态金属表观粘度测量装置。

背景技术：

为了为半固态金属成型设备提供半固态金属的表观粘度数据，国内外有关专家曾经在表观粘度测量装置的设计方面做了一些初步工作。Flemings等人在1991年用一套石墨制同心带齿内外筒组成的搅拌装置制备了Sn-Pb合金半固体浆料，后来H.Lehuy等人用搅拌桨制备了Al-Cu、Ai-Zn、Al-Si合金半固态浆料，也有人采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液，我国东南大学苏华钦等在叶片搅动装置上通过氩气保护下研制成AZ91D镁合金铸锭，同时这些专家都通过测量扭矩大小反映表观粘度大小，但这些方法和设备在表观粘度测量和换算方面存在以下缺点，测量效果不好：①半固态金属浆料承受的搅拌过于剧烈而呈紊流态，测得的扭矩不能通过计算换算为粘度值；②金属搅拌桨和叶片易污染合金浆料，由于阻力太大，能处理的固相分数也有限；③防止合金浆料氧化的措施欠缺，或者由于保护严密而使得无法迅速取得供分析的样品；④保护气引入方式不恰当，保护效果不理想，或者造成炉内温度场剧烈变化；⑤开始搅拌的瞬间，扭矩有很大的冲击值，扭矩传感器容易损坏。

发明内容：

本发明目的是提供一种新结构的半固态金属表观粘度测量装置，可以有效地克服现有技术存在的缺点。

本发明是这样实现的：它包括加热炉、坩埚、搅拌机构以及信号采集和测量装置，其特征是将加热炉安装在机架上，在加热炉腔内安装有用石墨制作的坩埚，在坩埚底部与一根垂直安装、起支撑和带动坩埚转动的转轴相连接，转轴下端通过联轴器与高频调速电动机输出轴相连接，高频调速电动机安放在加热炉下面固定在底座上，在坩埚腔内中央悬空安装有一近似圆柱体形的石墨头，石墨头与坩埚之间形成一个环状空腔，石墨头上端与一垂直安装的固定轴相连接，固定轴为上下两截，中间通过同轴的扭矩传感器相连接，最上端通过调位螺母固定在机架上，在固定轴上还安装有一可以与安装在机架上的限位挡块相抵触、起安全保护作用的限位突起，在石墨头上端制有用于安插热电偶的竖直孔，在加热炉腔内安装有保护气体排放装置，扭矩信号电压放大器与扭矩传感器相连接，温度信号电压放大器以及数字式温度显示表与热电偶相连接，扭矩信号和温度信号都通过屏蔽导线被计算机主机板上的数据采集卡记录，电动机控制器与高频调速电动机相连接，温度控制器与加热炉相连接。

本发明的优点及积极效果有：①作为机械剪切核心部件的石墨头和石墨坩埚与浆料的接触面是光滑圆柱面，石墨头与坩埚之间形成一个窄的环状空腔，对浆料的搅拌为剪切式，使得将测得的扭矩可以用合适的计算公式比较精确地换算为表观粘度值；②不会由于电动机启动瞬间的扭矩值过大而损坏扭矩传感器，能测量的浆料的固相分数也比较高；③环形管保护气排放装置，可以将保护气均匀覆盖在炉腔上部，有效地防止了合金氧化，对炉腔内温度扰动小，节省用气；④用石墨制的零件可以避免合金浆料被玷污，同时提高了导热性能；⑤在坩埚上端制有与环状空腔连通的凹槽，取金属试样方便快捷。

附图说明：

图1为本发明的结构简图。

图2为石墨坩埚和石墨头的结构简图，上图为正视图(剖视)，下图为俯视图。

图3为保护气引入装置，上图为正视图，下图为俯视图。

图4为本发明实物照片。

图5为计算机程序对采集换算得到的表观粘度做三次7点平滑处理前后绘制的的表观粘度曲线比较。

图6为计算机绘制的AlSi₄Mg₂铝合金半固态金属的表观粘度曲线以及未剪切和剪切后半固态金属的金相组织。

图7为计算机绘制的AZ91D镁合金半固态金属的表观粘度曲线以及未剪切和剪切后半半固态金属的金相组织。

图中：1-调位螺母  2-扭矩传感器  3-限位突起  4-热电偶5-电阻炉壁  6-石墨头  7-半固态金属浆料  8-坩埚  9-电阻炉10-水冷套  11-高频调速电动机  12-联轴器  13-转轴  14-机架15-环形管  16-炉盖  17-固定轴  18-进气管  19-限位挡块20-石墨坩埚螺纹孔  21-竖直孔  22-石墨头螺纹  23-盛浆料环形槽24-凹槽  25-通气孔  JS-计算机  NF-扭矩信号电压放大器  WF-温度信号电压放大器  WX-温度显示表  WK-温度控制器  DK-电动机控制器  A-表示通氩气  B-表示进冷却水  C-表示出冷却水5(a)-平滑处理前的曲线  5(b)-平滑处理后的曲线  6(a)-计算机绘制的AlSi₄Mg₂铝合金半固态浆料的表观粘度曲线  6(b)-未剪切AlSi₄Mg₂铝合金半固态金属的金相组织  6(c)-剪切后AlSi₄Mg₂铝合金半固态金属的金相组织  7(a)-计算机绘制的AZ91D镁合金半固态金属的表观粘度曲线  7(b)-未剪切AZ91D镁合金半固态金属的金相组织  7(c)-剪切后AZ91D镁合金半固态金属的金相组织

具体实施方式：

例1、测量AlSi₄Mg₂铝合金半固态浆料的表观粘度

如图1所示，将电阻炉9安装在机架14上，在电阻炉9腔内安装有石墨制作的坩埚8，坩埚8底部中央制有螺纹孔20与一根垂直安装、起支撑和带动坩埚8转动的转轴13以螺纹相连接，转轴13下端通过联轴器12与高频调速电动机11的输出轴相连接，高频调速电动机11安放在电阻炉9的下部并固定在底座上，在坩埚8腔内中央悬空安装有一近似圆柱体形的石墨头6，坩埚8的内壁与石墨头6之间形成一个用于填放金属原料的环状空腔，石墨头6和坩埚8同轴，石墨头6上端中央制有螺纹孔22与一垂直安装的固定轴17以螺纹连接，固定轴17由两截组成，中间通过同轴的扭矩传感器2相连接，上半截的上端通过调位螺母1固定在机架14上，在固定轴17上还安装有一可以与安装在机架上的限位挡块19相抵触、起安全保护作用的限位突起3，在石墨头6上端的竖直孔21内安插热电偶4，在电阻炉5腔内、石墨头6上方安装有排放氩气的环形管15，该环形管与进气管18连通，将扭矩信号电压放大器NF与扭矩传感器2相连接，将温度信号电压放大器WF和数字式温度显示表WX与热电偶4相连接，扭矩信号和温度信号都通过屏蔽导线被计算机主机板上的数据采集卡相连接，将电动机控制器DK与高频调速电动机11相连接，将温度控制器WK与电阻炉壁5相连接，将与转轴13接触的水冷套10通循环水。具体操作可按照下述步骤进行：

①将石墨坩埚8内壁刷涂料，用天平称AlSi₄Mg₂铝合金碎料100g装入坩埚8中，打开炉盖16将坩埚8和石墨头6安装在电阻炉9内。

②将排放保护气体的环形管15与氩气瓶连接，但暂不打开氩气瓶阀门。

③将炉盖16闭合，向水冷套10通循环冷却水，再将电阻炉9通电加热，并启动温度控制器WK。

④当炉温显示接近AlSi₄Mg₂合金熔点635℃时，将氩气瓶阀门打开，向炉腔内排放氩气。

⑤当炉温显示超过AlSi₄Mg₂合金熔点时，缓慢旋转调位螺母1使石墨头6向下伸入石墨坩埚8内一定深度。

⑥保温在预定工作温度613℃(此时固相分数为40％)后，接通扭矩信号输出与采集线路。

⑦确保扭矩限制装置正常后，以预定转速(剪切速率γ＝93.6s^-1)启动高频调速电动机11，计算机开始记录温度和扭矩数据，并显示在显示器屏幕上，在需要取相应实验条件下的样品时，将高频调速电动机11停止转动，打开炉盖孔从石墨坩埚8凹槽24内取得半固态金属浆料，迅速水淬得到样品待金相观察。

⑧按照实验计划改变高频调速电动机转速，剪切速率分别为γ＝46.8s^-1和γ＝93.6s^-1，采集相应的温度和扭矩实验数据。

⑨不再继续实验时，停止信号采集，先旋转调位螺母1将石墨头6从坩埚8内升起，停止加热，但保持温度显示，继续通保护气和冷却水，直到炉温降低到凝固点以下后再关闭保护气钢瓶阀门。

扭矩传感器输出的电压信号放大后由计算机记录下来的同时，虽然高频调速电动机、电动机控制器等电器产生的电磁干扰同时也被放大了，致使记录到的原始数据出现波动，需要对数据曲线做简单的平滑处理，如图5所示，计算机程序已经将扭矩换算为表观粘度，将剪切速率γ＝93.6s^-1时实验数据导入Origion表格，做三次7点平滑处理，即可绘制出理想形态的曲线，5(a)为平滑处理前的曲线，5(b)为平滑处理后的曲线。

此次实验测得，分别以剪切速率γ＝46.8s^-1，93.6s^-1和γ＝187.2s^-1等温剪切，固相分数为40％的AlSi₄Mg₂铝合金半固态浆料的稳态表观粘度分别为13.4Pa·s，8.1Pa·s和6.7Pa·s，并取得半固态浆料的金相样品，如图6中6(a)、6(b)、6(c)所示。

例2、测量AZ91D镁合金半固态浆料的表观粘度

按照例1实施步骤，对于AZ91D镁合金，以4℃/min的冷却速率凝固过程中，分别以剪切速率γ＝46.8s^-1，93.6s^-1，187.2s^-1和280.8s^-1进行连续剪切测量不同温度(即不同固相分数)下的表观粘度，并取得半固态浆料的金相样品，如图7所示。

Claims (5)

1.一种半固态金属表观粘度测量装置，包括加热炉、坩埚、搅拌机构以及信号测量和采集装置，其特征是：加热炉(9)安装在机架(14)上，在加热炉腔内安装有用石墨制作的坩埚(8)，坩埚(8)底部与一根垂直安装、起支撑和带动坩埚转动的转轴(13)相连接，转轴(13)下端通过联轴器(12)与电动机(11)的输出轴相连接，电动机(11)安放在加热炉(9)下部并固定在底座上，在坩埚(8)腔内悬空安装有一近似圆柱体形的石墨头(6)，石墨头(6)上端与一垂直安装的固定轴(17)相连接，固定轴(17)的下半截与上半截通过同轴的扭矩传感器(2)相连接，上半截的上端通过调位螺母(1)固定在机架(14)上，在固定轴(17)上还安装有一可以与安装在机架(14)上的限位挡块(19)相抵触、起到安全保护作用的限位突起(3)，在石墨头(6)上的竖直孔(21)中安插有热电偶(4)，在加热炉(9)腔内安装有保护气体排放装置，扭矩信号电压放大器NF与扭矩传感器(2)相连接，数字式温度显示表WX和温度信号电压放大器WF与热电偶相连接，扭矩信号和温度信号都通过屏蔽导线被计算机主机板上的数据采集卡记录，电动机控制器DK与电动机(11)相连接，温度控制器WK与加热炉(9)相连接。

2.如权利要求1所述的半固态金属表观粘度测量装置，其特征是坩埚(8)的下端中央制有螺纹孔(20)，与转轴(13)是螺纹连接。

3.如权利要求1所述的半固态金属表观粘度测量装置，其特征是石墨头(6)的上端中央制有螺纹孔(22)，与固定轴(17)是螺纹连接。

4.如权利要求1所述的半固态金属表观粘度测量装置，其特征是坩埚(8)的上端制有与坩埚(8)内壁和石墨头(6)之间形成的环状空腔连通、便于取出金属试样的凹槽(24)。

5.如权利要求1所述的半固态金属表观粘度测量装置，其特征是所述的保护气体排放装置是安装在石墨头(6)上方并与进气管相连通的环形管(15)，该环形管上面制有多个排放保护气体的通气孔(25)。

Images