CN112946012A - 一种金属合金熔点的测定装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属合金熔点的测定装置及其方法，特别涉及熔点较高的金属合金材料熔点测定的方法。该装置包括电磁悬浮设备、三棱镜、双色IR测温仪和计算机系统，电磁悬浮设备顶部设有三棱镜，三棱镜上通过双色IR测温仪测量温度，双色IR测温仪测量得到的温度通过数据传输给计算机系统。本方法可以解决较高熔点金属合金材料的熔点测量，实现无污染、快速、简便的测定金属合金材料的熔点。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属合金熔点的测定装置及其方法，特别涉及熔点较高的金属合金材料熔点测定的方法。
背景技术
熔点是金属材料研究过程中的重要因素。确定材料的熔点不仅可以通过与理论熔点对比检测其纯度，还对实际工业应用有重要的指导意义。纯金属的熔点有固定值，但不同金属组成的金属合金材料的熔点较难确定，且目前关于金属合金熔点测量方法报道较少，其中与金属温度相关的专利包括：一种高熔点金属或合金热电偶（CN201620353520.5）、一种红外线温度侦测元件及测温的方法（CN202010764007.6）、一种金属熔化炉测温装置（CN201820806394.3）及一种真空熔炼炉用测温装置（CN202020741445.6）等，多为实用新型专利，专注于测温装置的设计，但关于金属熔点检测方法的专利没有报道。根据调研可知，目前已有的金属材料的熔点检测方法为热差分析法与热重分析法结合的方法。
热差分析法是将被测金属材料与参比物质放在同一条件的测温热电偶上，在程序温度控制下，测量金属材料与参比物之间温度差与温度变化关系方法。热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量与时间的关系的方法。将两种方法结合，判断出被测物质熔化时吸收的热量，从而得出物质的熔点。根据专利CN201922018636.X和专利CN202020932513.7可知，在作热差分析鉴定及热重分析鉴定时，都存在以下问题：金属材料易受到坩埚壁污染，从而影响材料的纯度使其温度值发生变化；检测前金属材料要求制成粉末状，且粉末粒度粗细对检测结果的准确性也会有较大影响；使用两种方法进行测定时都需要耗时至少30分钟；通常测量温度的热电偶温度上限为1600℃，对于熔点更高的金属合金无法准确测量；且测温使用的热电偶成本较高，操作不当很容易损坏。
根据以上调查可知，目前金属合金熔点的检测方法多存在着坩埚对待检测材料有污染、对检测前材料的制备要求严格、检测耗时长、检测温度上限达不到金属合金熔点及成本高等问题。
发明内容
针对上述现有方法存在的问题及不足，本发明以电磁悬浮精炼设备为基础，利用金属材料熔化时存在熔化潜热的特性，提供一种金属合金熔点测定的装置和方法。本方法可以解决较高熔点金属合金材料的熔点测量，实现无污染、快速、简便的测定金属合金材料的熔点。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案包括以下步骤：
一种金属合金熔点的测定装置，包括电磁悬浮设备1、三棱镜4、双色IR测温仪7和计算机系统8，电磁悬浮设备1顶部设有三棱镜4，三棱镜4上通过双色IR测温仪7测量温度，双色IR测温仪7测量得到的温度通过数据传输给计算机系统8。
所述电磁悬浮设备1设有感应线圈3、上部的进气口5、下部的出气口6和电源控制系统9。
一种金属合金熔点的测定装置的测定方法，其包含如下操作步骤：
步骤1：将金属合金材料2加工成颗粒状；
步骤2：将步骤1得到的颗粒状原料置于电磁悬浮设备1中，接通电源后，金属材料2悬浮于空中，加热熔化，过程中金属合金材料2的悬浮精炼环境为保护性气体气氛；
步骤3：当步骤2中金属合金材料2悬浮稳定后，利用双色IR测温仪7透过电磁悬浮设备1顶部三棱镜4观测金属合金材料的温度变化，从而测得金属合金材料2的熔点。
所述金属合金材料2为导体或半导体，熔点温度为1273K-3000K。
所述步骤1得到的颗粒状原料质量为0.7-2.0g。
所述步骤2中电磁悬浮设备电源参数包括输入电流200-600A、电源频率200-400kHz、功率3000-4500W。
所述步骤2中所述保护性气体气氛为纯氩气或纯氦气惰性气体气氛，气体流量为0.5-5.0 L/min，方向由上向下流动。
所述双色IR测温仪7已经通过温度校准。
上述双色IR测温仪7测得的温度数据直接传输至计算机系统8中，通过计算机系统8统计整个熔化过程的温度变化，从而推导出熔点温度。
上述步骤2到步骤3中金属合金材料2熔点测定过程耗时0-5min。
本发明的原理包括：
（1）电磁悬浮设备接通电源后，感应线圈中通有高频交流电，线圈内部产生电磁场，位于线圈中的金属合金材料产生感应电流，从而生成与抵消重力的洛伦兹力，实现金属合金材料的悬浮。同时，金属合金材料中的感应电流生成焦耳热使金属合金材料熔化。
（2）不同温度阶段的金属合金熔滴内部存在分子和原子的无规则运动，且不断地向外释放红外辐射能量。金属熔滴温度不同，辐射能量的大小及其波长不同，双色IR测温仪的光学系统可以采集这些辐射能量，再将这些能量转变为一系列电信号，这些电信号经过信号处理电路处理，再经过显示输出电路，即可在测温仪显示屏上显示出熔滴的具体温度。
（3）金属合金材料由固态熔化为液态温度在不断升高，但是当达到熔点时熔滴温度会持续一段时间保持平稳，然后继续上升。这是由于当达到熔点温度时金属熔滴需要吸收能量克服分子间引力做功，破坏分子间有规律排列，使金属合金材料从固态转变为液态。所以观察金属合金材料的温度变化，在温度上升过程中出现持平的温度即为金属合金材料的熔点。
本发明的有益效果是：
1、与现有金属合金熔点检测技术相比，本方法可以避免检测过程中金属材料与坩埚接触，防止金属材料被二次污染，有利于获得更准确的测量结果。
2、与现有金属合金熔点检测技术相比，本方法可以检测熔点相对较高，可以解决高熔点金属合金材料熔点检测难的问题。
3、与现有金属合金熔点检测技术相比，本方法耗时少、操作简单、成本较低，可以实现快速、简便的检测金属合金熔点。
附图说明
图1是本发明金属合金熔点的测定装置结构示意图；
图2是本发明实施例1的TC4合金熔点检测结果图；
图3是本发明实施例2的金属铜熔点检测结果图；
图4是本发明实施例3的金属铁熔点检测结果图。
图中：1-电磁悬浮设备，2-金属合金材料，3-感应线圈，4-三棱镜，5-进气口，6-出气口，7-双色IR测温仪，8-计算机系统，9-电源控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该金属合金熔点的测定装置，包括电磁悬浮设备1、三棱镜4、双色IR测温仪7和计算机系统8，电磁悬浮设备1顶部设有三棱镜4，三棱镜4上通过双色IR测温仪7测量温度，双色IR测温仪7测量得到的温度通过数据传输给计算机系统8。
其中电磁悬浮设备1设有感应线圈3、上部的进气口5、下部的出气口6和电源控制系统9。
该金属合金熔点的测定装置的测定方法，其包含如下操作步骤：
步骤1：将金属合金材料TC4加工成颗粒状，质量为1.4g；
步骤2：将步骤1得到的TC4颗粒置于电磁悬浮设备1中，接通电源，输入电流280A、电源频率310kHz、功率3400W。TC4颗粒悬浮于空中，加热熔化，过程中金属合金材料TC4的悬浮气氛为纯度为99.999%的纯氩气，气体流量为1.5L/min，方向由上向下流动；
步骤3：当步骤2中金属合金材料悬浮稳定后，利用校正后的双色IR测温仪7透过电磁悬浮设备1顶部三棱镜4记录TC4的温度变化。
得到的结果如图2所示。由图2可知，利用本方法检测得到的TC4合金的熔点为1651℃，耗时50s。
实施例2
如图1所示，该金属合金熔点的测定装置，包括电磁悬浮设备1、三棱镜4、双色IR测温仪7和计算机系统8，电磁悬浮设备1顶部设有三棱镜4，三棱镜4上通过双色IR测温仪7测量温度，双色IR测温仪7测量得到的温度通过数据传输给计算机系统8。
其中电磁悬浮设备1设有感应线圈3、上部的进气口5、下部的出气口6和电源控制系统9。
该金属合金熔点的测定装置的测定方法，其包含如下操作步骤：
步骤1：将金属铜加工成颗粒状，质量为1.2g；
步骤2：将步骤1得到的铜颗粒置于电磁悬浮设备1中，接通电源，输入电流260A、电源频率290kHz、功率3300W。金属铜颗粒悬浮于空中，加热熔化，过程中金属铜颗粒的悬浮气氛为纯度为99.999%的纯氩气，气体流量为1.5L/min，方向由上向下流动；
步骤3：当步骤2中金属铜颗粒悬浮稳定后，利用校正后的双色IR测温仪7透过电磁悬浮设备1顶部三棱镜4记录金属铜的温度变化。
得到的结果如图3所示。由图3可知，利用本方法检测得到的金属铜的熔点为1085℃，与纯铜熔点相差2℃，耗时40s。
实施例3
如图1所示，该金属合金熔点的测定装置，包括电磁悬浮设备1、三棱镜4、双色IR测温仪7和计算机系统8，电磁悬浮设备1顶部设有三棱镜4，三棱镜4上通过双色IR测温仪7测量温度，双色IR测温仪7测量得到的温度通过数据传输给计算机系统8。
其中电磁悬浮设备1设有感应线圈3、上部的进气口5、下部的出气口6和电源控制系统9。
该金属合金熔点的测定装置的测定方法，其包含如下操作步骤：
步骤1：将金属铁加工成颗粒状，质量为2.0g；
步骤2：将步骤1得到的金属铁颗粒置于电磁悬浮设备1中，接通电源，输入电流310A、电源频率320kHz、功率3600W。金属铁颗粒悬浮于空中，加热熔化，过程中金属铁颗粒的悬浮气氛为纯度为99.999%的纯氦气，气体流量为2.0L/min，方向由上向下流动；
步骤3：当步骤2中金属铁颗粒悬浮稳定后，利用校正后的双色IR测温仪7透过电磁悬浮设备1顶部三棱镜4记录其温度变化。
得到的结果如图4所示。由图4可知，利用本方法检测得到的金属铁的熔点为1542℃，与纯铁熔点相差4℃，耗时36s。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种金属合金熔点的测定装置，其特征在于：包括电磁悬浮设备（1）、三棱镜（4）、双色IR测温仪（7）和计算机系统（8），电磁悬浮设备（1）顶部设有三棱镜（4），三棱镜（4）上通过双色IR测温仪（7）测量温度，双色IR测温仪（7）测量得到的温度通过数据传输给计算机系统（8）。
2.根据权利要求1所述的金属合金熔点的测定装置，其特征在于：所述电磁悬浮设备（1）设有感应线圈（3）、上部的进气口（5）、下部的出气口（6）和电源控制系统（9）。
3.一种根据权利要求1或2所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于包含如下操作步骤：
步骤1：将金属合金材料（2）加工成颗粒状；
步骤2：将步骤1得到的颗粒状原料置于电磁悬浮设备（1）中，接通电源后，金属材料（2）悬浮于空中，加热熔化，过程中金属合金材料（2）的悬浮精炼环境为保护性气体气氛；
步骤3：当步骤2中金属合金材料（2）悬浮稳定后，利用双色IR测温仪（7）透过电磁悬浮设备（1）顶部三棱镜（4）观测金属合金材料的温度变化，从而测得金属合金材料（2）的熔点。
4.根据权利要求3所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于：所述金属合金材料（2）为导体或半导体，熔点温度为1273K-3000K。
5.根据权利要求3所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于：所述步骤1得到的颗粒状原料质量为0.7-2.0g。
6.根据权利要求3所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于：所述步骤2中电磁悬浮设备电源参数包括输入电流200-600A、电源频率200-400kHz、功率3000-4500W。
7.根据权利要求3所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于：所述步骤2中所述保护性气体气氛为纯氩气或纯氦气惰性气体气氛，气体流量为0.5-5.0 L/min，方向由上向下流动。
8.根据权利要求3所述的金属合金熔点的测定装置的测定方法，其特征在于：所述双色IR测温仪（7）已经通过温度校准。
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