專利名稱：熱分析取樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于金屬凝固過(guò)程熱分析的取樣裝置，該裝置包括容器、用于裝放分析期間所用液態(tài)金屬試樣；至少一個(gè)用于熱分析的傳感器，在分析期間，上述傳感器將浸沒(méi)在正在凝固的金屬試樣中。本發(fā)明還涉及上述取樣裝置的試樣容器。上述裝置和容器主要用于在鑄鐵生產(chǎn)特別是在生產(chǎn)致密石墨鑄鐵(Compacted Graphit Iron)(以下稱為CGI鐵)時(shí)進(jìn)行的熱分析。
熱分析是一種通過(guò)監(jiān)測(cè)某些熔融物質(zhì)在凝固期間溫度改變的變化，來(lái)確定該物質(zhì)在固態(tài)時(shí)的顯微組織，因而確定其性能的技術(shù)。這種技術(shù)的基本過(guò)程為從熔料中取出試樣，將其放入測(cè)試容器、然后利用溫度響應(yīng)裝置例如熱電偶或高溫計(jì)或其它本專業(yè)技術(shù)人員公知的這類裝置記錄和測(cè)定樣品在凝固期間溫度隨時(shí)間的變化。
當(dāng)使用熱分析控制已熔化材料例如鑄鐵、CGI鐵或鋁合金的凝固過(guò)程時(shí)，最重要的問(wèn)題是使測(cè)試容器和試樣盡可能塊地接近熱平衡，并保證樣品可控的均勻的和可重現(xiàn)的散熱速率。這樣作的原因是為了可以測(cè)量相變期間的溫度變化，例如測(cè)量在形核階段和初生相及次生相的長(zhǎng)大階段所生成的過(guò)冷和結(jié)晶潛熱，了解這些對(duì)控制某些凝固過(guò)程是很重要的。
文獻(xiàn)SE 350 606已說(shuō)明了一種建立熱平衡和達(dá)到可控散熱速率的技術(shù)，該技術(shù)內(nèi)容包括將取樣容器放在待分析的金屬熔池中或用其它的某種方法加熱容器，以便在取樣容器和其中所裝試樣之間，在熱分析的冷卻過(guò)程開(kāi)始之前在比結(jié)晶溫度高的溫度下達(dá)到熱平衡。適合于此種技術(shù)的容器已被公開(kāi)，上述容器在用于裝熔化鋁時(shí)用石墨制作，而在用于裝熔化鑄鐵時(shí)用陶瓷材料制作。
在DK-B-150 996中公開(kāi)另一種熱分析取樣容器，這種容器只用于鋁合金。該容器包括一個(gè)用鋼板作的小坩堝，該坩堝的底部具有用熱絕緣材料(例如型芯砂)作的塞子。
除上述容器以外，在這種技術(shù)中還有若干相似類型的其它樣品容器。這些容器的一個(gè)共同缺點(diǎn)是，它們均由下述材料制成或者以下述材料作為主要組成部分，這些材料為例如石墨、呋喃砂、型心砂或耐火水泥；并且眾所周知，這些材料難于加工。它們的特性導(dǎo)致了現(xiàn)有的加工方法生產(chǎn)速度慢而且存在相當(dāng)多的質(zhì)量問(wèn)題。雖然期望提供各種容器特性，給出各種各樣的不同散熱特性，以便生產(chǎn)適合于不同金屬和合金的熱分析取樣容器，但迄今尚不可能，因?yàn)橛糜谏a(chǎn)這種容器的材料的有限選擇嚴(yán)重地限制了在這些特性中選擇的范圍。同樣，取樣容器的冷卻速率應(yīng)充分準(zhǔn)確并具有可重復(fù)性，以滿足熱分析的要求，由于可得到的材料特性的選擇很窄，所以要提供這樣一種容器也是很困難的。
關(guān)于浸入型的取樣容器，即在取樣時(shí)浸在大量熔化金屬中的容器，還有一個(gè)附加的缺點(diǎn)是有熱沖擊破裂的危險(xiǎn)，特別是當(dāng)容器用陶瓷制作時(shí)。
按照現(xiàn)有技術(shù)方法制造的取樣容器還具有污染熔化金屬試樣的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種在引言中所述類型的取樣裝置，特別是提供一種用于這種裝置的容器，采用這種裝置可以克服上述缺點(diǎn)。
利用具有所附權(quán)利要求1特征部分所公開(kāi)特征的取樣裝置可以達(dá)到此目的。
取樣裝置的容器類似于杜瓦容器，而且在某些實(shí)施例中，它實(shí)際上就是杜瓦容器，即是在兩層壁之間的空間被抽空的雙層壁容器，該容器的導(dǎo)熱率很低。但是在容器的內(nèi)、外壁之間的空間一般不抽空，而是或多或少充以絕熱介質(zhì)，充氣體比較好，最好充空氣。
容器的內(nèi)壁最好作得相當(dāng)薄和/或用低比熱容的材料制作，以便使內(nèi)壁的總的熱容量達(dá)到需要的低水平。除此之外，內(nèi)壁的總的熱傳導(dǎo)系數(shù)最好很高，以確保在很短時(shí)間內(nèi)在壁和所取的注入到取樣容器中的熔化金屬試樣之間達(dá)到熱平衡。因?yàn)閮?nèi)壁的熱容量低，所以為了使試樣溫度和壁的溫度相等而必需從試樣傳到壁的所需的熱量也低，而且因?yàn)榭偟膫鳠嵯禂?shù)高，所以傳送上述熱量所需時(shí)間將很短。
可以采用具有上述熱性質(zhì)的，同時(shí)在所取試樣熔化金屬中在熱學(xué)上和化學(xué)上均穩(wěn)定的材料制作內(nèi)壁。特定材料的選擇取決于要進(jìn)行的熱分析的類型和要分析的金屬或合金。通常選用一種金屬或合金。最好選用便宜而且容易加工的材料，特別是選用鋼。
然而如果不存在外壁，則不會(huì)存在由內(nèi)壁形成的優(yōu)點(diǎn)。由內(nèi)壁外表面散出的熱量一定不能讓其直接進(jìn)入外界鄰近的大氣中，因?yàn)檫@樣便很難實(shí)現(xiàn)可控的均勻的和重現(xiàn)的散熱速率。因此外壁的用途是和內(nèi)壁一起，在兩壁之間形成一個(gè)其總的傳熱系數(shù)很低的空間，即一個(gè)其傳熱速率很低的空間。
通過(guò)選擇適當(dāng)介質(zhì)并完全或部分充滿該空間和/或改變?cè)摽臻g的厚度可以改變?nèi)友b置的散熱速率，可以改變到各種形式的熱分析所要求的值。上述介質(zhì)可以是任何已知的、適當(dāng)?shù)慕^熱介質(zhì)，例如砂、蛭石、云母、氧化鎂、綠泥石、各種陶瓷及它們的混合物，但用氣體比較好。最好用空氣，因?yàn)榭諝獠换ㄥX而可以大量使用。
從取樣容器內(nèi)壁傳到外壁的大部分熱量是通過(guò)熱輻射傳送的。因此通過(guò)設(shè)計(jì)容器便可以調(diào)節(jié)從內(nèi)壁到外壁的散熱速率，設(shè)計(jì)的容器其外壁的表面積相對(duì)大于其內(nèi)壁的表面積；在這方面，內(nèi)、外壁之間的距離也許是一個(gè)重要參數(shù)。另外，還可以通過(guò)改變表面顏色和/或表面光潔度來(lái)改變熱輻射狀況。
當(dāng)采用雙杯法控制所裝樣品的散熱時(shí)，兩杯之間的間隙起著關(guān)鍵的作用。當(dāng)抽空該間隙或充以透明的流體如空氣時(shí)，熱輻射將成為一種重要的導(dǎo)熱機(jī)理。隨著所裝試樣溫度的升高，熱輻射作用越來(lái)越重要，因?yàn)樗淖饔门c絕對(duì)溫度的四次方成正比。
輻射傳熱還受到表面特性即所謂輻射率的限制。理想表面輻射體稱作為黑體，其輻射率為1。但真實(shí)表面將發(fā)射較少能量，其輻射率在0～1之間。
改變表面處理方法或在表面上涂層便可以顯著改變?cè)摫砻娴目傮w傳熱量。拋光的金屬面具有很低的輻射率，輻射最小的熱量。其它可能的表面處理包括刷洗、腐蝕、噴砂和化學(xué)處理。
涂層表面主要呈現(xiàn)涂層的輻射特征。為此目的所用的高溫涂層包括基于氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、碳、氮化硼和石英的燒結(jié)陶瓷或等離子噴涂陶瓷。也有若干工業(yè)上現(xiàn)有的基于氮化硼、二氧化鋯和碳的鑄造涂層，這種方法能很好地形成輻射可控(contron)涂層。
通過(guò)改變?nèi)尤萜鞯某叽绾?或形狀，也可以控制散熱速率，從而滿足某些熱分析的要求，使本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來(lái)，換句話說(shuō)就是通過(guò)采用例如深沖壓和本專業(yè)公知的類似方法可以容易地使本發(fā)明容器具有特定尺寸和/或形狀。容器最好呈杯形，其幾何形狀至少是部分為球形，其底部為半球形，以保證在所有方向均勻散熱。另外，試樣必須是自由地掛著而不用一臺(tái)子支承，這種臺(tái)子會(huì)防礙散熱的均勻性。
容器內(nèi)壁的內(nèi)表面最好涂一層保護(hù)層，以防止上述壁碰到液體金屬試樣時(shí)上述壁被熔解。這種保護(hù)涂層也可以涂在外壁的外表面上，特別是在取樣時(shí)想使容器浸在熾熱的液體中的情況下。保護(hù)涂層可以是難熔氧化物例如氧化鋁。雖然在本發(fā)明基本實(shí)施例中的取樣裝置只包括上述雙壁形的容器和一個(gè)熱分析傳感器，但一般還包括某種類型的傳感器支承件，該支承件的用途是將傳感器定位在至少分析某個(gè)部分時(shí)的位置上。支承件可以為頂蓋形式，用于在分析期間蓋住取樣容器的開(kāi)口，以避免傳感器試樣系統(tǒng)受到外界干擾。如果要避免熔化金屬試樣的表面接觸外界大氣，則上述頂蓋上可裝上輸送惰性氣體的裝置，該惰性氣體還可以選擇性地被加熱。
熱分析的傳感器一般是熱電偶，但本發(fā)明不限于此。任何適合于熱分析固化金屬的傳感器均可構(gòu)成本發(fā)明部件。
取樣裝置最好適用于用US-A-4 667 725(B≌ckerud)公開(kāi)方法生產(chǎn)CGI鐵時(shí)進(jìn)行的熱分析。在此實(shí)施例中，裝置包括兩個(gè)溫度響應(yīng)裝置或傳感器，其中一個(gè)放在試樣的中心，而另一個(gè)在熔化材料中的位置靠近容器內(nèi)壁的內(nèi)表面。在此實(shí)施例中如果要涂保護(hù)涂層則最好涂WO92/06809中公開(kāi)的那種涂層，即該涂層包括一種物質(zhì)，該物質(zhì)可以降低靠近容器壁的熔化物中熔解元素鎂的濃度，降低至少0.003％。上述后一種涂層包含例如至少10％重量的硅、錳或鐵的氧化物，或至少0.5％重量的鉀和鈉的氧化物。
在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)計(jì)于生產(chǎn)CGI鐵時(shí)用的裝置包括端部密封的保護(hù)管，該管在分析時(shí)浸在正在凝固的金屬中；第一熱電偶真空計(jì)，該真空計(jì)在分析時(shí)靠近上述管的密封端部，并可以取出地插入到該保護(hù)管中；第二熱電偶真空計(jì)，該真空計(jì)也可以取出地插到該保護(hù)管中。這兩個(gè)熱電偶分開(kāi)足夠的距離，以盡量減在分析期間在該熱電偶之間進(jìn)行熱交換。該實(shí)施例的特別有利之處在于，該熱電偶可以重復(fù)使進(jìn)行許多次側(cè)量，而不是在一次分析操作中便消耗掉。該容器最好關(guān)于垂直軸線大體對(duì)稱，而且端部密封管與上述垂直軸線共軸，這樣便可以減小在試樣凝固和引起體積改變時(shí)出現(xiàn)側(cè)向力沖擊最靠近內(nèi)壁的熱電偶的問(wèn)題。
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，這些附圖是

圖1是按本發(fā)明基本實(shí)施例的取樣裝置的示意橫剖視圖；圖2是按本發(fā)明的一個(gè)用于CGI鐵生產(chǎn)的實(shí)施例的取樣裝置其一部分的橫剖視圖；圖3也是橫剖視圖，示出本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選實(shí)施例，該實(shí)施例也是為CGI鐵生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，裝有一個(gè)熱電偶的端部密封保護(hù)管。
圖1示出的取樣裝置10包括碗形的取樣容器20，其中裝有正在凝固的熔融金屬試樣30；用于熱分析的溫度響應(yīng)傳感器40。在本實(shí)施例情況下為熱電偶裝置的傳感器40的真空計(jì)45浸沒(méi)在試樣30中。容器20由內(nèi)壁50和外壁80構(gòu)成，兩個(gè)壁均由薄鋼板制作，在這兩層壁之間有空間110，該空間由內(nèi)壁50的外表面70和外壁80的內(nèi)表面90構(gòu)成。焊縫130用于連接在容器20開(kāi)口部的內(nèi)外壁。焊縫130可以是連續(xù)的焊縫或點(diǎn)焊縫?；蛘邇?nèi)外壁可以不焊接，而用卷邊結(jié)合，或用卷邊補(bǔ)充焊接的方法接合。在所示實(shí)施例中，在內(nèi)壁50的內(nèi)表面60和外壁80的外表面100上涂上按Wo 92/06809所述的保護(hù)涂層，以防止薄鋼板在碰到熾熱的液體金屬時(shí)熔解。傳感器40通過(guò)電纜120連接于熱分析測(cè)定裝置(未示出)，測(cè)量信號(hào)從測(cè)量部分45通過(guò)該電纜輸送到上述用于分析的測(cè)定裝置上。
生產(chǎn)CGI鐵時(shí)用的取樣裝置200部分示于圖2中，該裝置包括的容器為圖1所示裝置中的同一種容器。然而裝置200裝有兩個(gè)傳感器，這兩個(gè)傳感器基本上按照上述US-A-4 667 725的說(shuō)明配置第一溫度響應(yīng)傳感器220的真空計(jì)210放在試樣30的中心，而第二傳感器240的真空計(jì)230則放在靠近內(nèi)壁50的內(nèi)表面60的位置。傳感器支承件250用于在分析時(shí)使傳感器220、240就位。傳感器支承件250通過(guò)腿部255連接于容器。當(dāng)浸沒(méi)時(shí)，液態(tài)金屬?gòu)纳鲜鐾炔恐g流入容器內(nèi)。
圖3示出按本發(fā)明特別有利實(shí)施例的取樣裝置300的一部分。和圖2所示裝置一樣，裝置300也是為在生產(chǎn)CGI鐵時(shí)使用而設(shè)計(jì)的，該裝置不用兩個(gè)單獨(dú)的傳感器而只用一個(gè)傳感器部件310，該傳感器部件仍然包括兩個(gè)熱電偶真空計(jì)320、330，這兩個(gè)真空計(jì)基本上按照US-A-4 667 725的說(shuō)明配置。傳感器部件310可取出地插在由鋼、陶瓷、玻璃或其它任何合適材料作的保護(hù)管340中。支承部件350用于在進(jìn)行熱分析時(shí)使保護(hù)管340固定就位。和上述情況類似，支承部件350通過(guò)腿部355連接于容器20。
應(yīng)當(dāng)明白，對(duì)上述取樣裝置進(jìn)行適當(dāng)改變是在本專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)范圍內(nèi)和本發(fā)明范圍內(nèi)的，而且上述裝置不限于僅在生產(chǎn)CGI鐵時(shí)或其它形式的鑄鐵時(shí)使用，也可以在生產(chǎn)其它各種金屬時(shí)使用。
權(quán)利要求
1.一種金屬凝固過(guò)程熱分析用的取樣裝置，包括至少一個(gè)容器(20)，該容器用于在分析時(shí)盛裝所取液體金屬樣品；至少一個(gè)用于熱分析的傳感器(40、220、240)，上述傳感器預(yù)定在分析期間至少部分地浸到所取的正凝固的金屬樣品中；其特征在于，該容器包括內(nèi)壁(50)，該內(nèi)壁具有內(nèi)表面(60)和外表面(70)，該內(nèi)表面在分析期間面對(duì)著試樣；外壁(80)，該外壁具有內(nèi)表面(90)和外表面(100)，該外表面接觸外界大氣；上述壁在容器的開(kāi)口部分結(jié)合起來(lái)，因而內(nèi)壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的內(nèi)表面(90)共同形成一個(gè)基本上封閉的空間(110)。
2.如權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其特征在于，該裝置還包括傳感器支承件(250、350)，該支承件使傳感器(40、220、240)就位于分析期間的位置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的取樣裝置，其特征在于，封閉空間(110)包含熱絕緣介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的取樣裝置，其特征在于，熱絕緣介質(zhì)是氣體或氣體混合物。
5.一種用于熱分析正在凝固金屬的取樣裝置(10)的容器，該容器用于在分析期間盛裝正在凝固金屬的試樣(30)，其特征在于，該容器包括內(nèi)壁(50)，該內(nèi)壁具有外表面(70)和內(nèi)表面(60)，該內(nèi)表面在分析期間面對(duì)著試樣；外壁(80)，該外壁具有內(nèi)表面(90)和外表面(100)，該外表面接觸外界大氣；上述壁在容器開(kāi)口部分被接合起來(lái)，因此內(nèi)壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的內(nèi)表面(90)共同形成一個(gè)封閉的空間(14)。
6.如權(quán)利要求5所述的容器，其特征在于，容器的一部分為半球形。
7.如權(quán)利要求5所述的容器，其特征在于，利用洗刷、腐蝕、噴砂或化學(xué)處理方法處理內(nèi)表面和/或其它表面。
8.如權(quán)利要求5所述的容器，其特征在于，利用燒結(jié)加上氧化鋁陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、碳陶瓷、氮化硼陶瓷或石英陶瓷的方法處理內(nèi)表面和/或其它表面。
9.如權(quán)利要求5所述的容器，其特征在于，采用等離子噴涂氧化鋁陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、碳陶瓷、氮化硼陶瓷或石英陶瓷的方法處理內(nèi)表面和/或其它表面。
全文摘要
一種金屬凝固過(guò)程熱分析的取樣裝置,包括至少一個(gè)在分析期間用于盛裝所取液體金屬試樣(30)的容器和至少一個(gè)用于熱分析的傳感器(40、220、240),上述傳感器預(yù)定在分析期間至少部分浸在正在凝固的金屬樣品中。該容器包括:具有外表面(70)和內(nèi)表面(60)的內(nèi)壁(50),該內(nèi)表面在分析期間面對(duì)著樣品;具有內(nèi)表面(90)和外表面(100)的外壁(80),該外表面接觸外界大氣;上述壁在容器的出口部分接合在一起,因而內(nèi)壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的內(nèi)表面(90)一起形成一個(gè)基本上封閉的空間(110)。
文檔編號(hào)G01N1/10GK1169775SQ96191609
公開(kāi)日1998年1月7日 申請(qǐng)日期1996年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月25日
發(fā)明者朗納·林德霍爾姆, 阿克塞爾·托爾斯騰·倫納特·林德霍爾姆, 米凱爾·卡爾·約翰·圖倫, 帕特里克·波佩拉 申請(qǐng)人:新特卡斯特有限公司