合金试样制备装置和方法与流程

本发明应用于金属合金材料实验领域，涉及一种合金试样制备设备，特别适用于多种成分配比的合金试样制备。

背景技术：

早期的合金熔炼设备多使用坩埚炉，坩埚炉是一种最简单的熔炼设备，主要用于熔化熔点不太高的有色金属，其缺点是热效率较低，坩埚容量较小，劳动条件差，逐渐被感应电炉取代。感应电炉的优点是熔化升温快、炉温易控制，感应搅拌金属液,温度、成分均匀，多用于金属合金的熔炼。

在合金材料研究中，合金材料试样的冶炼多采用感应加热的方法，为了防止空气中的氧对合金成分的影响，多采用真空感应电炉。这种真空感应电炉每炉只能冶炼一种配比的合金材料，对于基材金属一致的不同配比合金需要多次冶炼。简单重复性冶炼给试样的管理造成困扰，而且使得合金试样的制备时间大大延长，尤其是对于成百上千的不同成分配比的合金试样，这种制备方法严重浪费了宝贵的研发时间。

随着我国金属材料科技的进步，特种工况下金属材料的研究需要赶超国际水平，如高温高压耐腐蚀材料、高热疲劳材料、防辐射材料、高温高强度材料等等，这些材料的研究采用多种合金微合金化成为一种发展趋势，所以合金成分配比极其复杂，即使采用正交试验，也需要配比几百个配方，为加快金属合金材料的研发进度，本发明提供一种连续制备合金试样的装置。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是：提供一种合金试样连续制备装置，采用真空感应熔化，一次可制备完成几十个合金试样，大大提高合金试样的制备效率。

本发明所采用的技术方案是：

该合金试样制备设备包括真空室、感应加热装置、坩埚举升机构及其动力装置ⅱ、转盘及其动力装置ⅰ、母材棒料下降机构及其动力装置ⅲ；所述坩埚举升机构、转盘、感应加热装置和母材棒料下降机构均安装在真空室内；所述转盘位于真空室底部中心，转盘上设计有圆周均布用于放置坩埚的坩埚窝；所述感应加热装置包括位于相邻不同工位的两个感应圈，分别是坩埚感应圈和母材感应圈，均位于坩埚窝的正上方；所述坩埚举升机构安装有位于坩埚感应圈正下方的举升杆；所述母材棒料下降机构安装有位于母材感应圈正上方的下降杆，所述下降杆的底部安装有电子称量器，在电子称量器的下部吊挂母材棒料。

另外，也可以将坩埚感应圈和母材感应圈安装在同一个工位的上下位置，下面是坩埚感应圈，上面是母材感应圈，以实现母材棒料和合金同时熔化。或者，也可以将坩埚感应圈和母材感应圈增加一套，安装在间隔坩埚窝数量为偶数的两个工位的上下位置，可实现两个工位同时熔化母材棒料和合金，从而提高试样制备效率。

另外，也可以将坩埚感应圈和母材感应圈合并为一个感应圈，用一个感应圈分时感应熔化母材棒料和合金。

进一步，所述坩埚举升机构包括举升杆、丝杠ⅰ、光杠ⅰ、螺母ⅰ和举升盘；举升杆、螺母ⅰ和举升盘固定在一起，光杠ⅰ自举升盘中的定位孔中穿过，螺母ⅰ安装在丝杠ⅰ上。

进一步，在真空室的上盖上安装有观察孔和操作孔，在侧部分别设计有侧部观察孔和感应圈安装孔。

使用该合金试样制备设备的一种试样制备方法，其步骤包括：1）配料计算；2）称量装料：自操作孔依次将放入合金的坩埚放置在坩埚窝内；3）抽真空：装料完成后，密封真空室，启动真空泵组，保持真空度不低于-0.09mpa；4）母材棒料熔化：将坩埚旋转到母材棒料的正下方母材棒料下降机构将母材棒料送入母材感应圈中，感应加热熔化母材棒料；5）合金熔化：将加入母材金属液的坩埚旋转到合金熔化工位，坩埚举升机构将坩埚顶起，送入坩埚感应圈，坩埚感应圈通电感应熔化合金和凝固的母材；6）破真空取样：全部试样制备完成，停止真空泵组，打开操作孔，顺序取出坩埚。

本发明的有益效果是：采用该合金试样连续制备装置和合金试样制备方法，省去了取样分析、合金化调整等步骤，工序简化，试样成分配比一次到位，准确率高，制备效率高，大大降低了试样制备的时间成本和劳动强度，改善了劳动环境，节省了试样制备材料成本，可批量制备大量不同合金配比的试样，非常适合于实验室内大量合金试样的制备和研究。

附图说明

图1为实施例1的主视结构示意图；

图2为图1右视结构示意图；

图3为图1俯视图；

图4为图2的a-a向剖视图；

图5为坩埚举升机构结构示意图；

其中：1-坩埚举升机构、2-动力装置ⅱ、3-转盘、4-动力装置ⅰ、5-感应加热装置、6-真空室、7-坩埚、8-母材棒料下降机构、9-动力装置ⅲ、10-真空泵组、11-观察孔、12-操作孔、13-侧部观察孔、14-感应圈安装孔、15-坩埚窝、16-坩埚感应圈、17-母材感应圈、18-举升杆、19-丝杠ⅰ、20-光杠ⅰ、21-螺母ⅰ、22-举升盘、23-下降杆、24-丝杠ⅱ、25-螺母ⅱ、26-下降盘、27-电子称量器、28-母材棒料。

具体实施方式

实施例1。

附图1为本实施例的主视结构示意图，附图2为本实施例的右视结构示意图，合金试样连续制备装置包括真空室6、真空泵组10、感应加热装置5、坩埚举升机构1及其动力装置ⅱ2、放置坩埚的转盘3及其动力装置ⅰ4、母材棒料下降机构8及其动力装置ⅲ9。

附图3为本实施例的俯视图，在真空室的上盖上设计有观察孔11和操作孔12，观察孔11用于观察合金和母材的熔化情况，操作孔12用于放置和取出坩埚。附图4为附图2的剖视图，在真空室的侧部分别设计有两个侧部观察孔13和两个感应圈安装孔14，感应圈安装孔14用于在真空室内安装固定感应圈，方便感应圈的更换。两个侧部观察孔13中的一个可以用于向真空室内射入光线，另一个可以采用摄像头记录真空室内的熔化操作，并在控制器的屏幕上显示出来，便于远距离监控和自动控制。真空室6的所有开口均采用密封结构和密封部件保持密封。真空泵组10通过真空室的侧部开口抽真空，并在合金试样制备过程中一直保持真空。

如附图4所示，在真空室6的底部中心安装有转盘3，转盘3上设计有圆周方向均布的30个坩埚窝15，坩埚窝15用于放置坩埚7。转盘3由安装在真空室6下部的动力装置ⅰ4驱动，限位开关精确控制转盘3每次旋转12°。

感应加热装置5用于合金和母材棒料感应加热，本实施例安装两个感应圈，一个是坩埚感应圈16，用于坩埚中合金料的加热熔化，一个是母材感应圈17，用于母材棒料的加热熔化，两个感应圈位于相近的两个工位。在制备合金试样前，对感应装置的功率、电流进行设置，将两个感应圈的熔化时间保持一致或近似一致，有利于提高效率、降低成本，也有利于自动控制。

坩埚举升机构1位于坩埚感应熔化工位的下方，见附图5，包括举升杆18、丝杠ⅰ19、光杠ⅰ20、螺母ⅰ21和举升盘22。举升杆18与坩埚感应圈16的中心轴线保持垂直方向一致。举升杆18、螺母ⅰ21和举升盘22固定在一起，两个光杠ⅰ20自举升盘22的两个定位孔中穿过，起到定位作用，螺母ⅰ21安装在丝杠ⅰ19上，丝杠ⅰ19由动力装置ⅱ2带动旋转。旋转的丝杠ⅰ带动螺母ⅰ上下移动，从而带动举升杆18的上下移动，实现对坩埚的举升和放下。

母材棒料下降机构8结构与坩埚举升机构1基本类似，只是安装方向相反。包括下降杆23、丝杠ⅱ24、定位用光杠ⅱ、螺母ⅱ25和下降盘26。下降杆23与母材感应圈17的中心轴线保持垂直方向一致，下降杆23、螺母ⅱ25和下降盘26固定在一起，两个光杠ⅱ24自下降盘26的两个定位孔中穿过，起到定位作用，螺母ⅱ25安装丝杠ⅱ24上。动力装置ⅲ9带动丝杠ⅱ24旋转，带动螺母ⅱ25上下移动，从而实现母材棒料的下落和抬起。在下降杆23的底部安装有电子称量器27，在电子称量器27的下部垂直吊挂母材棒料28。电子称量器可高精度、高灵敏度称重，母材棒料28的熔化重量由电子称量器27控制。一般在合金试样制备时，其熔化重量事先已经计算设定好，母材棒料熔化下降尺寸由控制系统根据棒料直径和母材密度自动计算和控制。

利用该合金试样连续制备装置制备合金试样方法如下：

1）配料计算。合金试样制备前，根据试样中合金的配比、每种合金的成分和试样的重量，计算出母材和各种合金的用量，母材用量输入控制系统，由电子称量器控制感应圈断电，从而实现自动控制其熔化量。

2）称量装料。将称量好合金按顺序放置在坩埚中，在坩埚上做好标识，自真空室的操作孔12依次将坩埚7放入坩埚窝15内。坩埚的放置顺序与控制系统中输入的母材重量顺序一致，母材棒料28吊挂在电子称量器27的下方。

3）抽真空。装料完成后，密封真空室6，启动真空泵组10，将真空室6中的空气抽走，保持真空度不低于-0.09mpa。

4）母材棒料熔化。将第一个坩埚旋转到母材棒料28的正下方，即母材熔化工位。母材棒料下降机构8将母材棒料28送入母材感应圈17中，感应加热母材棒料，使之熔化，熔化后的金属液落入坩埚中，当下落的金属液满足重量要求时，电子称量器27控制感应圈断电。

5）合金熔化。将加入母材金属液的坩埚旋转到合金熔化工位，坩埚举升机构1将坩埚7顶起，送入坩埚感应圈16，坩埚感应圈16通电感应熔化合金和凝固的母材。该工位感应加热一是用于合金料的熔化，二是利用感应搅拌均匀化。

6）破真空取样。全部试样制备完成，待试样凝固后，停止真空泵组10，开启破真空管，打开操作孔12，顺序取出坩埚，将每个坩埚内的试样取出，并做好标识。

使用该合金试样连续制备装置，可批量制备大量不同合金配比的试样，大大节约了合金试样的制备时间，该装置和方法也节约了人力，降低了劳动强度，改善了劳动环境，节省了试样制备成本，非常适合于实验室内大量合金试样的制备和研究。高真空度、精确称量和熔化控制保证了合金试样配比的准确率和合格率。侧部的两个观察孔、电子称量器、感应加热控制、棒料下降控制等为试样制备的智能化打下了基础。

利用上述合金试样制备方法，省去了传统的熔化后取样分析、合金化调整成分等步骤，工序简化，试样成分配比一次到位，准确率高，制备效率高，大大降低了试样制备的时间成本和劳动强度。

实施例2。

本实施例与实施例1的区别在于，将两个感应圈设计在同一个工位，上下布置，举升杆18和下降杆23位于一条垂直线上。试样制备时，两个感应圈同时加热，分别控制。与实施例1相比，试样制备一次完成，试样制备效率高，节约能耗。只是在有限的空间内放置两个感应圈，需要设备制造更为精密，设备一次投入费用略高。

实施例3。

本实施例在实施例2的基础上，去掉一个感应圈，利用一个感应圈在不同的时间段熔化母材棒料和合金。其熔化顺序与实施例1的熔化步骤一样，先熔化母材棒料，达到设计重量后，棒料升起，举升杆18将坩埚7送入感应圈，感应加热合金，并均匀化。

该装置由于采用一个感应圈熔化，试样制备效率较低。每制备一个试样，下降杆23需要升降一次，下降杆23的反复升降，影响高灵敏度电子称重器的使用寿命。该实施例适用于试样制备工作量不繁重，设备投资费用较少的情况。

实施例4。

本实施例均布的坩埚窝15共计48个，限位开关精确控制转盘3每次旋转15°，在两个工位分别上下放置坩埚感应圈16和母材感应圈17，放置形式与实施例2相同。两个工位之间间隔的坩埚窝数量为偶数，这样可同时制备两个试样，将实施例2的制备效率提高两倍。该实施例适用于为多个课题组提供试样制备服务，或者试样制备量很大的情况。

本发明不仅适用于钢铁合金材料的研究，也适用于镍合金、铝合金、锆合金等多种合金试样的制备和研究。