CN104569034A - 一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。其技术方案是：所述超重力场凝固实验装置包括旋转体(1)、底座(2)、电机(6)、传动轴(4)和角接触球轴承(8)。在底座(2)下平面的中间位置处装有轴承座(3)，轴承座(3)内装有角接触球轴承(8)，在底座(2)上平面的中间位置处装有旋转体(1)。传动轴(4)的一端穿过角接触球轴承(8)通过法兰盘(11)与旋转体(1)固定连接，传动轴(4)的另一端通过传动带(5)与电机(6)连接。所述的旋转体(1)为盘形旋转体或为矩形旋转体；所述旋转体(1)的转速为10³~10⁵r/min。因此，发明具有结构简单、使用方便和能获得大重力场的特点，适用于金属材料的凝固与铸造。

Description

一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置

技术领域

本发明属于超重力场凝固设备技术领域。特别涉及一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。

背景技术

随着社会需求与科学技术的进步，金属材料领域的凝固技术已经不能满足新材料与制备加工技术的要求，凝固技术正在向更深、更高、更精细、综合性更强和超常规的方向发展，超常规方向的凝固技术有电磁场凝固、微重力场凝固、超重力场凝固、超高压凝固等。超重力场是指加速度大于地球重力加速度的力场。在超重力场下会发生很多有异于普通地球重力场的现象。

“超重力场中制备致密块体陶瓷材料的装置”(CN101269972A)专利技术，公开了一种在超重力场中制备致密块体陶瓷材料的装置。该装置主要由主反应腔和辅助系统容置室构成，其中辅助系统容置室包括真空系统、动力系统及电控柜。该装置能够产生一种稳定的、可调节的超重力场，能满足不同致密度块体陶瓷材料的快速制备。但此装置是采用铝热反应进行加热，需在真空条件下进行，不仅对设备要求较高，使得设备结构复杂、成本较高，且该装置仅用于致密块体陶瓷材料的制备。

“电机直连式超重力场装置”(CN202015620U)专利技术，公开了一种电机直连式超重力场装置。其物料室的旋转床安装在传动轴上，传动轴与电机转轴通过过盈配合连接，主要用于强化化工领域中的气相传质过程，不适用于金属材料的凝固。

目前，超重力场的应用主要集中在化工领域和无机非金属材料领域。而在金属材料凝固领域，Müller等虽研究了InSb合金的超重力场凝固，所采用的超重力场为1～30g，但没有公开实验装置的具体结构；Corbett等虽研究了PbSn合金的超重力场凝固，所采用的超重力场小于20g，也没有公开实验装置的具体结构。Li-jingwei等研究了AlSi合金在403g超重力场下的Si提纯，所采用的实验装置因结构原因，只能获得较小的超重力场。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种结构简单、使用方便和能获得大重力场的用于金属材料的超重力场凝固实验装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述超重力场凝固实验装置包括旋转体、底座、电机、传动轴和角接触球轴承。在底座下平面的中间位置处装有轴承座，轴承座内装有角接触球轴承，在底座上平面的中间位置处装有旋转体。传动轴的一端穿过角接触球轴承通过法兰盘与旋转体固定连接，传动轴的另一端通过传动带与电机连接。

所述的旋转体为盘形旋转体或为矩形旋转体。

盘形旋转体的外形呈圆盘状，外缘处的环状凸台内均匀地设有2N(N为1～5的自然数)个孔状料筒，孔状料筒的中心线沿盘形旋转体的半径方向设置，孔状料筒的筒口朝内，在靠近孔状料筒的筒口处均设有插槽，插槽内设有活动插板。

矩形旋转体由矩形平板、筒状料筒、连接轴和轴承座组成。矩形平板两端的中间位置处对称地开有“U”型口，“U”型口的两侧设有轴承座，筒状料筒通过连接轴与轴承座活动连接，筒状料筒的下部位于“U”型口内。

所述连接轴是同轴线地固定在筒状料筒筒身的对称轴。

所述旋转体的转速为10³～10⁵r/min。

所述用于金属材料的超重力场凝固实验装置适用于金属材料在超重力场下的凝固与铸造。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、当金属材料在本发明的超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，内部气孔上浮，使得铸锭致密度提高。

2、当金属材料在本发明的超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，使得浮力对流强化，从而使内部夹渣物上浮，提高了铸锭的质量。

3、本发明与普通凝固相比，当金属材料在超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，所得铸锭的晶粒细化，使得金属材料的综合力学性能提高。

4、本发明只需将装有熔融态金属材料的坩埚放入筒状料筒或孔状料筒内，开启设备即可，操作简单且使用方便。

因此，本发明具有结构简单、使用方便和能获得大重力场的特点，适用于金属材料的凝固与铸造。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1中的旋转体1的一种结构示意图；

图3是与图2的俯视示意图；

图4是图1中的旋转体1的另一种结构示意图；

图5是图4的左视示意图；

图6是图4的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。如图1所示，所述超重力场凝固实验装置包括旋转体1、底座2、电机6、传动轴4和角接触球轴承8。在底座2下平面的中间位置处装有轴承座3，轴承座3内装有角接触球轴承8，在底座2上平面的中间位置处装有旋转体1。传动轴4的一端穿过角接触球轴承8通过法兰盘11与旋转体1固定连接，传动轴4的另一端通过传动带5与电机6连接。

如图2和图3所示，所述的旋转体1为盘形旋转体。盘形旋转体的外形呈圆盘状，外缘处的环状凸台内均匀地设有2N(N＝4)个孔状料筒9，孔状料筒9的中心线沿盘形旋转体的半径方向设置，孔状料筒9的筒口朝内，在靠近孔状料筒9的筒口处均设有插槽，插槽内设有活动插板10。

本实施例中：所述盘形旋转体的转速n＝10³～10⁴r/min；孔状料筒9中心到所述盘形旋转体中心的距离r＝0.635m，超重力场中的重力加速度

$G^{\′}=\sqrt{g^2+g^{\′2}}=\sqrt{g^2+{\left(2\mathrm{\πn}\right)}^2}r$

式中：g为普通重力加速度，9.8m/s²；

则，G'＝5006～50068m/s²＝510～5108g。

采用本实施例进行实验时，先将真空封装的盛有过热熔融态的CuCr合金的石英坩埚分别放入8个孔状料筒9内；再将活动插板10置入插槽中，启动电机6，盘形旋转体开始旋转。在孔状料筒9获得的510～5108g超重力场中，熔融态的CuCr合金在旋转过程中逐渐凝固，待CuCr合金完全凝固，将坩埚取出，得到在510～5108g超重力场下的CuCr合金铸锭。

实施例2

一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。除下述技术参数外，其余同实施例1。

本实施例中的环状凸台内均匀地设有2N(N＝1,2,3,5)个孔状料筒9。

本实施例中：所述盘形旋转体的转速n为10⁴～10⁵r/min；孔状料筒9中心到所述盘形旋转体中心的距离r为0.565m，则超重力场中的重力加速度

$G^{\′}=\sqrt{g^2+g^{\′2}}=\sqrt{g^2+{\left(2\mathrm{\πn}\right)}^2}r$

式中：g为普通重力加速度，9.8m/s²；

则，G'＝47228～472285m/s²＝4819～48192g。

采用本实施例进行实验时，先将真空封装的盛有过热熔融态的AlSi合金的石英坩埚分别放入2N(N＝1,2,3,5)个孔状料筒9内；再将活动插板10置入插槽中，启动电机6，盘形旋转体开始旋转。在孔状料筒9获得的4819～48192g超重力场中，熔融态的AlSi合金在旋转过程中逐渐凝固，待AlSi合金完全凝固，将坩埚取出，得到在4819～48192g超重力场下的AlSi合金铸锭。

实施例3

一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。如图1所示，所述超重力场凝固实验装置包括旋转体1、底座2、电机6、传动轴4和角接触球轴承8。在底座2下平面的中间位置处装有轴承座3，轴承座3内装有角接触球轴承8，在底座2上平面的中间位置处装有旋转体1。传动轴4的一端穿过角接触球轴承8通过法兰盘11与旋转体1固定连接，传动轴4的另一端通过传动带5与电机6连接。

如图4、图5和图6所示，所述的旋转体1为矩形旋转体。矩形旋转体由矩形平板13、筒状料筒14、连接轴15和轴承座12组成。矩形平板13两端的中间位置处对称地开有“U”型口，“U”型口的两侧设有轴承座12，筒状料筒14通过连接轴15与轴承座12活动连接，筒状料筒14的下部位于“U”型口内。

如图5所示，所述连接轴15是同轴线地固定在筒状料筒14筒身的对称轴。

本实施例中：所述矩形旋转体的转速n＝10³～10⁴r/min；筒状料筒14中心到所述矩形旋转体中心的距离r＝0.7m，超重力场中的重力加速度

$G^{\′}=\sqrt{g^2+g^{\′2}}=\sqrt{g^2+{\left(2\mathrm{\πn}\right)}^2}r$

式中：g为普通重力加速度，9.8m/s²；

则，G'＝5256～52568m/s²＝536～5364g。

采用本实施例进行实验时，先将真空封装的盛有过热熔融态的AlCu合金的石英坩埚分别放入2个筒状料筒14内；启动电机6，矩形旋转体开始旋转。在筒状料筒14获得的536～5364g超重力场中，熔融态的AlCu合金在旋转过程中逐渐凝固，待AlCu合金完全凝固，将坩埚取出，得到在536～5364g超重力场下的AlCu合金铸锭。

实施例4

一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置。除下述技术参数外，其余同实施例3。

本实施例中：所述矩形旋转体的转速n为10⁴～10⁵r/min；筒状料筒14中心到所述矩形旋转体中心的距离r为0.6m，则超重力场中的重力加速度

$G^{\′}=\sqrt{g^2+g^{\′2}}=\sqrt{g^2+{\left(2\mathrm{\πn}\right)}^2}r$

式中：g为普通重力加速度，9.8m/s²；

则，G'＝48669～486693m/s²＝4966～49662g。

采用本实施例进行实验时，先将真空封装的盛有过热熔融态的FeSi合金的石英坩埚分别放入2个筒状料筒14内；启动电机6，矩形旋转体开始旋转。在筒状料筒14获得的4966～49662g超重力场中，熔融态的FeSi合金在旋转过程中逐渐凝固，待FeSi合金完全凝固，将坩埚取出，得到在4966～49662g超重力场下的FeSi合金铸锭。

本具体实施方式与现有技术相比的有益效果在于：

1、当金属材料在本具体实施方式的超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，内部气孔上浮，使得铸锭致密度提高；

2、当金属材料在本具体实施方式的超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，使得浮力对流强化，从而使内部夹渣物上浮，提高了铸锭的质量。

3、本具体实施方式与普通凝固相比，当金属材料在超重力场下凝固时，熔融态金属材料受到超重力场的作用，所得铸锭的晶粒细化，使得金属材料的综合力学性能提高。

4、本具体实施方式只需将装有熔融态金属材料的坩埚放入筒状料筒或孔状料筒内，开启设备即可，操作简单且使用方便。

因此，本具体实施方式具有结构简单、使用方便和能获得大重力场的特点，适用于金属材料的凝固与铸造。

Claims (4)

1.一种用于金属材料的超重力场凝固实验装置，其特征在于所述超重力场凝固实验装置包括旋转体(1)、底座(2)、电机(6)、传动轴(4)和角接触球轴承(8)；在底座(2)下平面的中间位置处装有轴承座(3)，轴承座(3)内装有角接触球轴承(8)，在底座(2)上平面的中间位置处装有旋转体(1)；传动轴(4)的一端穿过角接触球轴承(8)通过法兰盘(11)与旋转体(1)固定连接，传动轴(4)的另一端通过传动带(5)与电机(6)连接；所述的旋转体(1)为盘形旋转体或为矩形旋转体；

盘形旋转体的外形呈圆盘状，外缘处的环状凸台内均匀地设有2N(N为1~5的自然数)个孔状料筒(9)，孔状料筒(9)的中心线沿盘形旋转体的半径方向设置，孔状料筒(9)的筒口朝内，在靠近孔状料筒(9)的筒口处均设有插槽，插槽内设有活动插板(10)；

矩形旋转体由矩形平板(13)、筒状料筒(14) 、连接轴(15) 和轴承座(12)组成；矩形平板(13)两端的中间位置处对称地开有“U”型口，“U”型口的两侧设有轴承座(12)，筒状料筒(14)通过连接轴(15)与轴承座(12)活动连接，筒状料筒(14)的下部位于“U”型口内。

2.根据权利要求1所述的用于金属材料的超重力场凝固实验装置，其特征在于所述连接轴(15)是同轴线地固定在筒状料筒(14)筒身的对称轴。

3.根据权利要求1所述的用于金属材料的超重力场凝固实验装置，其特征在于所述旋转体(1)的转速为10³~10⁵r/min。

4.如权利要求1所述的用于金属材料的超重力场凝固实验装置的用途，其特征在于所述超重力场凝固实验装置用于金属材料在超重力场下的凝固与铸造。