DE3906490A1

DE3906490A1 - Heizvorrichtung fuer laengliche prueflinge

Info

Publication number: DE3906490A1
Application number: DE19893906490
Authority: DE
Inventors: Stephen Michael Mcmahon; David Willard Scanlon
Original assignee: Instron Corp
Current assignee: Instron Corp
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1989-09-14
Also published as: JPH01269038A; FR2628209A1; GB8904679D0; GB2216370B; FR2628209B1; GB2216370A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, insbesondere eine Heizvorrichtung für längliche Materialproben, z. B. Keramikproben, in einer Materialprüfmaschine.

Das Zug-Dehnungsverhalten und andere Festigkeitseigenschaften von Materialien werden häufig dadurch gemessen, daß man eine längliche Werkstoffprobe an ihren beiden Enden einspannt und längs ihrer longitudinalen Achse einer Druck- und/oder Zugbelastung aussetzt (axiale Belastung oder Beanspruchung). Die Werkstoffproben oder Prüflinge können zur Prüfung durch eine den Prüfling umgebende Heizvorrichtung auf eine gewünschte erhöhte Prüftemperatur gebracht werden. Die Heizvorrichtung enthält typischerweise ein Isoliermaterial, welches eine Kammer bildet, die den Prüfling und elektrische Widerstandsheiz elemente aufnimmt, welche Heizteile in den Kammern aufweist.

Eine bekannte Heizvorrichtung für einen länglichen Prüfling weist anscharnierte muschelartige Isoliermaterialteile auf, die eine Kammer bilden und zum Einsetzen eines Prüflings in die Kammer oder zum Entnehmen des Prüflings aus der Kammer geöffnet werden können. U-förmige elektrische Widerstandsheiz elemente, die eine einzige Heizzone bilden, erstrecken sich mit ihren Schenkeln durch horizontale Kanäle im Isoliermaterial und gebogene Heizteile zwischen den Schenkeln am äußeren Bereich der Kammer umgeben den Prüfling.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zum Erhitzen einer länglichen Werkstoffprobe oder eines Prüflings in einem Ofen oder einer Heizvorrichtung, die ein Isoliermaterial enthält, welches eine Kammer zur Aufnahme des Prüflings und einer Mehrzahl von elektrischen Heizelementen aufweist, welche Schenkel, die durch horizontale Kanäle im Isoliermaterial verlaufen, sowie Heizteile im äußeren Bereich der Kammer enthalten, die Heizelemente in mehrere horizontale Zonen gruppiert. Die horizontale Anordnung erlaubt es, eine sehr hohe Temperatur, die einen großen Betrag an Leistung erfordert, in einer kleinen Ofenkammer um eine relativ kurze Probe zu erreichen (z. B. entsprechend einem Abstand von etwa 10 cm zwischen einer oberen und einer unteren Spannzange). Die Möglichkeit, kurze Prüflinge zu verwenden, verringert die Prüfkosten zumindest bei gewissen Werkstoffen, z. B. Keramiken, und die kleine Höhe des Ofens gestattet die Verwendung von Niedrigtemperatur-Spannzangen außerhalb des Ofens. Die Verwen dung mehrerer horizontaler Zonen gewährleistet eine gleichför mige Temperatur längs des interessierenden mittleren Prüfberei ches der Materialprobe.

Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Heizelemente U-förmig und sind übereinander und in zwei Gruppen auf entgegengesetzten Seiten des Probenbereiches angeordnet; die Heizelemente sind aus einem Cermet-Material oder Metallkeramik-, Hartstoff- oder Hartmetallmaterial, und die Heizelemente jeder Zone sind getrennt elektrisch gesteuert.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist zum Erhitzen eines länglichen Prüflings generell ein Ofen vorgesehen, der ein Isoliermaterial enthält, welches eine Kammer zur Aufnahme des Prüflings und mehrerer elektrischer Widerstands heizelemente aufweist, die Schenkel, welche durch horizontale Kanäle im Isoliermaterial gehen sowie Heizelemente in einem äußeren Bereich der Kammer aufweisen. Das Isoliermaterial weist einen vertikalen Schlitz auf, durch den ein vertikal orientierter Prüfling in die Kammer gehen kann. Der Schlitz ergibt eine einstückige Konstruktion ohne bewegliche Teile und gestattet es, den heißen Ofen vom Prüfling zu entfernen, sobald die Prüfung durchgeführt ist, ohne daß die Heizelemente dabei einem drastischen thermischen Schock ausgesetzt werden, wodurch die Lebensdauer der Heizelemente verlängert wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen dient ein Stopfen aus Isolier material zum Verschließen des Schlitzes während des Gebrauchs; ferner sind Platten aus Isoliermaterial zum Einschieben oder Gleiten in Aufnahmeschlitze vorgesehen, um die Kammer teilweise zu begrenzen, und die Platten können gebogene Teile aufweisen, welche zu entsprechend geformten Flächen von am Prüfling angreifenden Komponenten passen.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Materialprüfmaschine, welche eine Probenheizvorrichtung gemäß einer Ausführungs form der Erfindung enthält;

Fig. 2 eine schematische, auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Probenheizvorrichtung der Materialprüfma schine gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Heizelements der Heizvorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht, die die Orientierung der Heizelemente gemäß Fig. 3 in der Heizvorrichtung gemäß Fig. 2 zeigt und

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht der Zwei-Zonen-Anordnung der Heizelemente gemäß Fig. 3 der Heizvorrichtung gemäß Fig. 2.

Aufbau

Fig. 1 zeigt eine Materialprüfmaschine (10) mit Füßen (12), einem Tisch (14), vertikalen Säulen (16, 17), die vom Tisch (14) nach oben reichen und einem Querhaupt (18) zwischen den Säulen (16, 17). Am Querhaupt (18) ist eine Lastzelle (20) und eine obere Einspannvorrichtung oder Zange (22) zum Einspannen des oberen Endes eines Prüflings (30) angebracht. Direkt darunter sind am Tisch (14) ein hydrostatisches Lager (24) gelagert, eine Betätigungsstange (26) und eine untere Einspannvorrichtung oder Zange (28) zum Einspannen des unteren Endes des Prüflings (30). Unterhalb des Tisches ist eine Betätigungsvorrichtung (31) angeordnet, die die Betätigungsstan ge (26) antreibt, welche durch ein Loch im Tisch (14) geht.

Der Prüfling (30) ist zwischen Zangenverlängerungen (32, 34) der Zangen (22) bzw. (28) angeordnet. An der Säule (17) ist eine Längungsmeßgerätanordnung (36) über einen horizontalen Stab (38), eine vertikale Stange (40) und einen horizontalen Stab (42) gelagert. Die horizontalen Stäbe (38, 42) sind so angeordnet, daß Meßfinger der Längungsmeßgerätanordnung (38) sich in einer Linie mit dem Prüfling (30) befinden und in eine Position längs eines Weges, der im wesentlichen senk recht zu einer Ebene durch die Mitten der Säulen (16, 17) geht, und aus dieser Position heraus bewegt werden können. Ein Ofen oder eine Heizvorrichtung (48), die in Fig. 1 etwas vereinfacht und in den Fig. 2 bis 5 genauer dargestellt ist, ist verschiebbar auf Blöcken (50, 52) auf horizontalen Stangen (54, 56) montiert. Die Heizvorrichtung (48) hat einen vertikalen Schlitz (58), der den Prüfling (30) aufnimmt, wenn die Heizvorrichtung (48) in ihre Betriebsstellung bewegt wird, nachdem der Prüfling in den Zangen (22, 28) montiert worden ist.

Fig. 2 zeigt den Ofen oder die Heizvorrichtung (48) in teilweise montiertem Zustand. Die Heizvorrichtung (48) enthält eine zentrale Anordnung (60) aus Isoliermaterial, das eine Heizkammer (62) bildet. Das Isoliermaterial der Anordnung (60) ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel faseriges Aluminiumoxid (erhältlich von der Firma Zircar Corp. unter dem Handelsnamen Sal). Die Anordnung (60) enthält mittlere Lagen oder Schichten (64), die den Hauptteil der Anordnung bilden, und drei Schichten (66, 68, 70), die an der Oberseite sowie der Unterseite der Anordnung angeordnet und zur Aufnahme einer oberen und einer unteren Abdeckung (72, 74) geformt sind. Zur Ausfüllung des Restes des Schlitzes (68), der nach dem Einsetzen der Abdeckun gen (72) und (74) verbleibt, dient ein Stopfen (76), der zwei horizontale Kanäle (78, 80) zur Aufnahme von Längungsmeßge rät-Fingern (44) bzw. (46) aufweist. Die Abdeckungen (72, 74) und der Stopfen (76) bestehen aus demselben Material wie die Schichten der Anordnung (60). Die Abdeckungen (72, 74) haben gebogene Flächen (75), die so geformt sind, daß sie eng an die Zangen-Verlängerungen (32, 34) passen. An der rechten und linken Seite der Anordnung (60) sind weitere Isoliermaterialblöcke (82) aus feuerfesten Aluminiumoxid-Ziegeln, die unter dem Handelsnamen Kaocrete von der Firma Babcock und Wilcox erhältlich sind, und Platten (84) aus keramikverstärk tem strukturiertem Aluminiumoxidmaterial, die unter der Handels bezeichnung RS100 von der Firma Zircar erhältlich sind, angeord net. Der Block (82) und die Platten (84) auf der linken Seite sind nicht sichtbar, da sie durch eine Seitenabdeckung (86), eine obere Abdeckung (87) und eine Endabdeckung (88) abgedeckt sind; die entsprechenden Abdeckungen (86) bis (88) für die rechte Seite der Heizvorrichtung (48) sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Abdeckung (88) ist mit einem Gebläse (99) versehen, das Kühlluft an die Enden von U-förmigen Heizelementen (92) liefert.

Fig. 3 zeigt, daß das Heizelement (92) U-förmig ist und Schenkel (94, 96) sowie einen gebogenen Heizteil (98) aufweist. Das Heizelement (92) ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Cermet-Material hergestellt, welches in der Haupt sache aus Molybdändisilicid (MoSi₂) besteht und von der Firma Kanthal Furnace Products, Hallstahammar, Schweden unter dem Handelsnamen Kanthal Super 33 erhältlich ist. Die Schenkel (94, 96) haben einen Durchmesser von 12 mm und weisen Teile (100, 102) auf, die sich verjüngen. Die Schenkel (94, 96) sind von ihren Enden bis zu den Enden der sich konisch verjüngen den Teile (100, 102) etwa 165 mm lang und haben von Mitte zu Mitte gerechnet einen Abstand von 25,4 mm. Die konischen Teile (100, 102) sind 20 mm lang. Der gebogene Teil (98) hat einen Durchmesser von 6 mm und mißt von der Verbindung mit den konischen Teilen (100, 102) bis zum Ende etwa 40 mm. 40 mm lange Stücke (104, 106) an den Enden der Schenkel (94, 96) sind aluminisiert, um einen guten elektrischen Kontakt mit nicht dargestellten elektrischen Anschlüssen zu gewährlei sten, wie es im Kanthal Super Handbook, 1984, gedruckt in Schweden durch Ljungforetagen, Orebro, Katalog No. 2-A-1-3,5′ beschrieben ist.

Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Heizelemente (92) bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei horizontale Heizzonen bilden, die jeweils sechs Heizelemente (92) enthalten. Die Heizkammer (62) weist in der Mitte einen Prüflingbereich (108) zur Aufnahme des Prüflings (30) und einen äußeren Heiz elementbereich (110) , in dem die Heizteile (98) der Heizelemente (92) angeordnet sind, auf. Das Volumen der Heizkammer (62) beträgt hier etwa 850 cm³. Der Abstand zwischen der oberen Seite der oberen Schicht (66) und der unteren Seite der unteren Schicht (66) beträgt etwa 100 mm. Die Meßlänge, der Abstand zwischen den Enden der Finger (44, 46) der Abstands- oder Längungsmeßgerätanordnung beträgt 25 mm. Die Schenkel (94, 96) der Heizelemente (92) gehen durch horizontale Ausnehmungen (112) der Isoliermaterialschichten (64), der Blöcke (82) und der Platten (84). Zwischen den Schenkeln (94, 96) jedes Heizelements ist ein Keramikstopfen (114) angeordnet.

Die Heizelemente (92) der oberen Heizzone sind miteinander in eine Reihenschaltung geschaltet und die Heizelemente (92) der unteren Heizzone sind für sich elektrisch in eine andere Reihenschaltung geschaltet. Die diesbezüglichen Verbindungen sind in Fig. 2 nicht dargestellt.

Arbeitsweise

Im Betrieb wird ein z. B. aus Keramik bestehender Prüfling (30) zwischen den Zangen-Verlängerungen (32, 34) angeordnet, während sich die Heizvorrichtung (48) in einer Warteposition befindet, die in Fig. 1 dargestellt ist, und die Längungsmeß gerätanordnung (36) vom Prüfling (30) zurückgezogen ist. Die Heizvorrichtung (38) wird dann längs der horizontalen Führungsstäbe (54) auf den Prüfling (30) zubewegt, bis sich der Prüfling (30) im Proben- oder Prüflingsbereich (108) befindet. Die Verschlußelemente oder Abdeckungen (72, 74) werden dann an ihren jeweiligen Platz geschoben, wobei ihre gebogenen Stirnflächen (75) nahe an die entsprechend geformten Verlängerungen (32, 34) der Zangen gebracht werden. Dann wird der Stopfen (76) eingesetzt, um den verbleibenden Teil des Schlitzes (58) zwischen den Abdeckungen (72, 74) zu schließen und die Längungsmeßgerätanordnung (36) wird nach vorne bewegt. Die Finger (44, 46) gehen durch die Kanäle (78, 80) des Stopfens (76), bis sie den Prüfling (30) berühren. Der Prüfling (30) wird dann durch die Heizvorrichtung (48) auf die vorgesehene Temperatur, z. B. 1500°C erhitzt. Durch das Gebläse (90) wird Luft durch den Raum in der Endabdeckung (88) geblasen, um die Enden der Heizelemente (92) zu kühlen. Die Verlängerungen (32, 34) der Zangen sind wassergekühlt.

Die horizontale Anordnung der Heizelemente ermöglicht es, zum Erhitzen des Prüflings (30) einen großen Betrag an Leistung in der kleinen Ofen- oder Heizkammer zu konzentrieren. Die Verwendung von zwei Heizzonen und die getrennte Steuerung derselben gewährleistet eine gleichmäßige Temperatur längs der Prüflänge der Probe (30). Beispielsweise betrug die Ungleich mäßigkeit der Temperatur eines auf 1500°C erhitzten Prüflings aus Siliziumcarbid längs der Prüflänge nur +/-5°C.

Nach der Prüfung wird die Längungsmeßgerätanordnung (36) aus ihrer Arbeitsstellung entfernt und der Stopfen (76) sowie die in entsprechende Nuten eingesetzten Abdeckungen (72, 74) werden entfernt. Die Heizvorrichtung (48) wird dann längs der Führungsstäbe (54, 56) vom Prüfling (30) wegbewegt. Der Schlitz (58) ermöglicht eine einfache, einstückige Konstruktion ohne bewegliche Teile und erlaubt es außerdem, die heiße Heizvorrichtung vom Prüfling sofort nach Beendigung der Prüfung zu entfernen, ohne daß die Heizelemente (92) dabei einem drastischen thermischen Schock ausgesetzt werden. Da die Proben schnell entnommen werden können, läßt sich eine Oxidation von Bruchflächen vermeiden und der Durchsatz vergrößern. Die Verwendung von Cermet-Heizelementen gewährleistet eine lange Lebensdauer der Heizelemente. Wenn ein Heizelement (92) ausfällt, läßt es sich einfach aus seinen horizontalen Ausnehmungen entfernen und durch ein neues Heizelement ersetzen, ohne daß die ganze Heizvorrichtung demontiert werden muß.

Claims

1. Heizvorrichtung (48) zum Erhitzen eines länglichen Prüflings (30), mit

- Isoliermaterial, welches eine Kammer (62) bildet, die einen mittleren Prüflingbereich (108) zur Aufnahme des länglichen Prüflings (30) und einen äußeren Heizelementbereich (110) aufweist, und welches horizontale Kanäle (112) zur Aufnahme der Heizelemente (92) enthält, und
- einer Mehrzahl von elektrischen Widerstandsheizelementen (92), welche Schenkel (94, 96), die durch die horizontalen Kanäle (112) gehen, und Heizteile (98) in dem äußeren Heizele mentbereich (110) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (112) in zwei horizontalen Zonen gruppiert sind und daß die Heizelemente (92) in zwei horizontalen Zonen gruppiert sind.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizelemente (92) U-förmig sind und jeweils zwei Schenkel (94, 96) haben.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente aus Cermet-Material gemacht sind.

4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizelemente (92) jeder Zone getrennt elek trisch steuerbar sind.

5. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel (94, 96) jedes Heizelements übereinander angeordnet sind.

6. Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (92) jeder Zone in zwei Gruppen auf entgegengesetzten Seiten des Prüflingbereiches (108) angeord net sind.

7. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (60) einen vertikalen Schlitz (58) aufweist, durch den ein vertikal orientierter Prüfling (30) in die Kammer (62) eintreten kann.

8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Isoliermaterial bestehender Stopfen (76) vorgesehen ist, um den Schlitz (58) im Betrieb zu verschließen.

9. Heizvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Platten (72, 74) aus Isoliermaterial vorgesehen sind, die zur teilweisen Begrenzung der Kammer (58) in Nuten einschiebbar sind.

10. Heizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (72, 74) gebogene Teile aufweisen, die mit entsprechend geformten Flächen von Bauelementen, die am Prüfling angreifen, zusammenpassen.

11. Heizvorrichtung zum Erhitzen eines länglichen Prüflings mit

- Isoliermaterial (60), welches eine Kammer (62) begrenzt, die einen mittleren Prüflingbereich (108) und einen äußeren Heizelementbereich (110) aufweist, und welches von horizontalen Ausnehmungen (112) zur Aufnahme von Heizelementen (92) durchsetzt ist, und mit einer Mehrzahl von elektrischen Heizelementen (92), die durch die horizontalen Ausnehmungen gehende Schenkel (94, 96) und in dem äußeren Heizelementbe reich (110) angeordnete Heizteile (98) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (60) einen vertikalen Schlitz (58) aufweist, durch den ein vertikal orientierter Prüfling in die Kammer (62) eintreten kann.

12. Heizvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Stopfen (76) aus Isoliermaterial zum Verschließen des Schlitzes im Betrieb.

13. Heizvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Platten (72, 74) aus Isoliermaterial, welche in Nuten einschieb bar sind, um die Kammer zum Teil zu begrenzen.

14. Heizvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten gebogene Teile aufweisen, die mit entsprechend geformten Flächen von Komponenten, die am Prüfling angreifen, passen.

15. Heizvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstandsheizelemente (92) U-förmig sind und jeweils zwei Schenkel aufweisen.

16. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus Cermet-Material gefer tigt ist.

17. Heizvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel (94, 96) jedes Heizelements (92) übereinander angeordnet sind.

18. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (92) in zwei Gruppen auf entgegengesetzten Seiten des Prüflingbereiches (108) angeordnet sind.

19. Materialprüfmaschine mit einem Rahmen, ferner mit zwei am Rahmen gehalterten, einander gegenüberliegenden Zangen zum Einspannen eines länglichen Prüflings und einer Heizvorrich tung zum Erhitzen des länglichen Prüflings, dadurch gekennzeich net, daß die Heizvorrichtung ein Isoliermaterial aufweist, welches eine Kammer (62) mit einem mittleren Prüflingbereich (8) und einem äußeren Heizelementbereich (110) bildet und welches horizontale, durchgehende Kanäle zur Aufnahme von Heizelementen (92) aufweist und mit einer Mehrzahl von elek trischen Heizelementen, welche Schenkel, die durch die horizon talen Kanäle gehen, sowie Heizteile im äußeren Heizelement bereich aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in Gruppen in zwei horizontalen Zonen angeordnet sind und daß die Heizelemente in den beiden horizontalen Zonen angeordnet sind.

20. Materialprüfmaschine mit einem Rahmen, zwei am Rahmen gehalterten, einander gegenüberliegenden Zangen, zwischen denen ein länglicher Prüfling einspannbar ist, und einer Heizvorrichtung zum Erhitzen des länglichen Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein Isoliermaterial aufweist, welches eine Kammer mit einem mittleren Prüflingbe reich zur Aufnahme des länglichen Prüflings und einem äußeren Heizelementbereich bildet, welches ferner horizontale, durchge hende Kanäle zur Aufnahme von Heizelementen hat und welches einen vertikalen Schlitz aufweist, durch den ein vertikal orientierter Prüfling in die Kammer eintreten kann und daß eine Mehrzahl von elektrischen Widerstandsheizelementen vorge sehen ist, die Schenkel aufweisen, die durch die horizontalen Kanäle gehen und Heizelemente, die in dem äußeren Heizelement bereich angeordnet sind.