Устройство для измерения поверхностного натяжения металлических расплавов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК ем 6 13/02 К АВТОРС СВИДЕТЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТ 8 ЕННОЕ ПАТЕНТН8 ЕДОМСТВО СССР(21) 4893793/25 (22) 01,11.90 46) 23.12,92. Бюл. Ь 47 71) Чечено-Ингушский государственный университет (72) У.В,Арсамиков (56) Пугачевич П.П, и Тимофеевичева О.В. Экспериментальные исследования поверхностного натяжения амальгам калия. -ДАН СССР,.1951, т, 79, Ь 15, с.831-832, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ.МЕТАЛЛИ; ЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ 57) Использование: исследование концент. рационной зависимости поверхностного наоИзобретение относится к физике поверхйостных явлений и предназначено для исследования концентрационной зависимости поверхностного натяжения жидких металлических расплавов многокомпонентйых систем.Йвестен гравитационный прибор П.П.Пугачевича для измерения поверхностного натяжения металлических расплавов методом максимального давления в капле, состоящий из вертикального измерительного капилляра и манометрического баллона, сообщающегося через дно с нижним концом измерительного капилляра. При повороте прибора из исходного пОложения вокруг определенной оси расплав из заправочного бункера перетекает в измерительный капилляр и манометрический баллон и заполняет их. При достижении раеплавом 1783377 А 1 тяжения жидких металлических расплавов многокомпонентиых систем. Сущность изобретения: устройство содержит вертикальный измерительный капилляр, манометрический баллон, два заправочных бункера, соединенных с двумя напорными емкостями, зеркально- симметрично расположенными относительно плоскости ХЕ, распределительную емкость, отстойник для временного хранения расплава, О-образную микробюретку, соединяющую верхние части отстойника и манометрического баллона. Напорные емкости соединены каналами, расположенными в днищах, через распределительную емкость с нижним концом капилляра. 1 ил. определенного уровня в манометрическом баллоне на срезе измерительного капилляра срывается первая капля. Замеряют разницу уровней среза измерительного Оф капилляра и расплава в манометрическом САЭ баллойе в момент срыва первой капли, По Ы ее величине судят о максимальном давлении в капле в момент его срыва. Зная это максимальное давление и плотность этого расплава, по известной формуле Кантора вычисля 1 от поверхностное натяжение. Повторяя эти операции, поверхностное натяЖение измеряют необходимое число раз, не раскрывая сам прибор.Однако известный прибор позволяет измерять поверхностное натяжение только одного расплава.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является усовершеный г авитационный прибор иэмеряютповерхностноенатяжениечистых П.П,Пугачевича для измерения поверхност- металлов, Затем, доба р д уб вляя оп е еленн ю ного натяжения металлическйческйх расплавов порцию первого компонента через микро- методом максимального давлдавления в капле, баретку к второму и определенную порцию который позволяет приготовитьотовитьсплавы раз полученного сплава к первому компоненту, личных концентрации, нее раскрывая при- получают два сплава. Измеряют поверхнотность, измерять" их стное натяжение полученных сплавов, Дебор, и, зная их плотность, иповерхноСтноенатяжениевидентичныхус- лее приготавливают два друва гих сплава ловиях. Достигается зто тем, что к простому следующих концентраций во встречном гравитационному при ору иб присоединяется 10 направлении ит.д., пока вовсемустройстдополнительная камеркамера для металла-добав- ве не получат однородный сплав. ки, сообщающаяся с при оромрибором через 0-об- На чертеже приведена принципиальная разную микробюретку. отградуированную схема устройства. предварительно по о ъему, тб у Этот прибор од- Устройство для измерения поверхностновременно является азовыт я базовым объектом. 15 ного натяжения металлических расплавов Работа егозаключает яб " клю ается в том что в начале методом максимального давления в капле измеряют поверхностностное натяжение чисто- изготавливается из стекла. Оно обл д го компонента. Затем к нему д, 3 нему добавляют че- возможностью вращения вокруг трех вэаимрез микробюретку определеб ределенную порцию но перпендикулярных осей Х, У, Е и СЬстоит : второго компонента иэ камерыамерыдлядобавок 20 мз заправочных бункеров 1, 2, напорных и вновь измеряют поверхнорхностное натяже- емкостей 3, 4, вертикального измерительноние полученного сплава, знаяа а зная его плот- го капилляра 5, манометрического баллонаность, Потом приготавливают сплав другой 6, распределительной камеры 7, 0-образконцентрацйи и т.д., пок не иэ не получат одно- ной микробюретки 10, отстойника 11, систеродный сплав во всем при ор .иборе. Далее дела мы тонких трубок 12 - 20. Все указанныеют вторую встречную заправку и повторяют емкости имеют форму. кругового цилиндарэново. При этом вйачале из- и располагаются вертикально. Радиусы померяют поверхностное натяжение второго перечного сечения всех цилиндровчистого компонента, к нему добавляют оп- тельно больше, чем радиусы трубок 12 -20. ределенную порцию орцию первого компонента, 30 Центр осей вращения совладает с центром измеряют .поверхно тостное натяжение пол- торцовой окружности измерительного каученного сплава и т.д. пилляра, Оси симметрии напорньх емкоНедостатком этого прибора является стей, манометрического баллона,малая производительность, значительный измерительного капилляра и отстойника ле ящих металлов, связан жат в плоскости У 2, Заправочные бункерыный с необходимостью использовать не ме- . 1, 2 находятся ближе к плоскости к плосконее двух встречныс речных заправок. при сти ХЕ и дальше от плоскости УЕ, чем наисследованиидвойныхсистем,иограничен- порная емкость. Плоскость микробюреткиный интервал концентраций, приготовляе- параллельна плоскости УЕ и располагается . мых при одной заправке. 40 перед ней. Измерительный капилляр черезЦель изобретений - повышение опера- свой нижний конец каналами сообщается стивности измерений и расширение функци- днищами манометрического баллонаи расональных возможностей устройства..; пределительной камеры, МанометрическийПоставленная цель достигается тем, что баллон располагается над измерительнымустройство содержит дополнительные за капилляром. а слева и справа от манометриправочный бункер и напорную емкость, рас- ческого баллона находятся напорные емкоположенйые зеркально-симметрично к сти 3 и 4 соответственно. Через верхнийпервичным относительно плоскости ХЕ, рас- левый койец мэнометрический баллон по"предблительную емкость, сообщающуюся средством трубки 16 сообщается с напор-.канэлами, расположенными в верхней ее 50 ной емкостью 3 в верхней части ее правойчасти, с днищами обеих йапорных емко- стенки, а через правый верхний конец постей йчерез. кэйал; расположенный в дне, средством трубки 20- с напорной емкостьюс нижним койцом капилляра, э камера для 4 в верхнейчасти ее левой стенки. Д я преддобавок заменяется отстойником для вре- огвращения прямого перетекания распламенного хранения расплава, Предложен вов из емкостей 3 и 4 в манометрическийные дополнения к прибору позволяют при, баллон трубки 16 и 20 частично входят водной заправке.йзмерять поверхностное соответствующие емкости. Распределинатяжение двойной системы во вСем интер- тельная камера 7 через верхний конец сообвале концентраций при различных темпера щается с левой стороны посредством трубкитурах, не раскрывая прибор. Вначале,13 с дном напорной емкости 3, а с правойстороны посредством трубки 18 - с дномнапорной емкости 4. Заправочный бункер 1с левого торца сообщается через трубку 12с напорной емкостью 3 в верхней частиеезадней стенки, а заправочный бункер 2 справого торца сообщается через трубку 17с напорной емкостью 4 в верхней части еезадней стенки, Манометрический баллон 6и отстойник 11 посредством микробюретки10 сообщаются в верхних концах переднихстенок. Такое расположение элементов устройства позволяет приготовлять сплавыразличных концентраций, не раскрываяприбор и, избегая неконтролируемого перемешивания сплавов, в идентичных условияхизмерять их поверхностное натяжение вовсем интервале концентраций и в широкомдиапазоне температур.Устройство работает следующим образом,После тщательной термовакуумной обработки заправочный бункер 1 заполняютчистым металлом А известной массы и плотности, а бункер 2 - чистым металлом В,масса и плотность которого также известны.Затем прибор отпаивают от вакуумной установки, Закрепленный на металлической раме, этот прибор помещают в воздушныйтермастат со смотровыми окнами, позволяющий прибору поворачиваться"вокруг осейХ, У, Е, расположение которых показано начертеже,Сначала измеряют поверхностное натяжение чистого металла А, переведенногов заправочный бункер 1. Для этого в термостате устанавливают необходимую температуру и, поворачивая прибор из исходногоположения вокруг аси Х-Х против часовойстрелки на угол около 90 О, металл А из заправочного бункера 1 через трубку 12 переводятв напорную емкость 3, По возвращении прибора в исходное положение расплав А черезтрубку 13, распределительную камеру 7 исужение 8 медленно заполняет измерительный капилляр 5 и манаметрический баллон6, При этом на срезе измерительного капилляра известного радиуса формируется капля расплава; Высота столба расплава,необходимого для. срыва первой капли скончика капилляра, фиксируется с помощьюкатетаметра, Она равна разности междумаксимальным уровнем расплава в баллоне6, который достигается в момент срыва первой капли, и срезом капилляра 5. Зная, кроме того, радиус капилляра и плотностьрасплава, по известной Формуле Канторарассчитывают поверхностное натяжение.,После срыва первой капли, вытекая из капилляра, расплав заполняет баллон 9 и частично баллон 6.Для повторного измерения поверхностного натяжения расплав А из баллонов 6 и 9 и распределительной камеры 7 через трубки 13 - 16 путем наклона прибора из исходного положения вокруг аси Х-Х против хода часовой стрелки на угол, немного больший 90 О, переводят в напорную емкость 3, При возвращении прибора в исходное положение расплав через трубку 13 вновь заполня 10 ет капилляр 5 и манометрический баллон 6 Вновь замеряется высота столба, необходи. мого для срыва первой капли, и т.д.Таким образом, измерение поверхностного натяжения расплава можно повторить 15 необходимое число раз и при любой темпедят ега в вертикальное положение, затем поворотам вокруг оси Ена угол 90 па часовой, стрелке возвращают в исходное положение. Все это время металл В находился 35 в заправочном бункере 2. Далее поворотом . прибора вокруг оси Х-Х па часовой стрелке на угол около 90 металл В из заправочного бункера 2 по трубке 17 переводят в напорную емкость 4. Прибор возвращают в исходное положение. При этом металл В из 40 емкости 4 медленно перетекает через трубку 18, распределительную камеру 7, сужение 8 и заполняет измерительный капилляр 5 и манометрический баллон 6. Измеряют 45 высоту столбу металла В, необходимого для срыва первой капли и, зная плотность. этогометалла, вычисляют его поверхностное натяжение. По вышеуказанной методике измерения повторяют необходимое число раз.50 После измерения поверхностного натяжения чистых металлов И и В приготавливают сплавы следующих концентрацйй. Для этога часть металла В из манометрического баллона поворотом прибора вокруг оси У-У на себя переводят в О-образную микробюретку, предварительно отградуированную по объему (металл А находится в заправочном бункере 1). Измеряют уровень металла В в микрабюретке и по нему вычисляют его обьем, Зная плотность металла, вычисляют ратуре.Далее измеряют поверхностное натяжение чистого металла В, переведенного в заправочный бенкер 2. Для этого прибор из 20 исходного положения поворачивают вокругоси Х - Х против часовой стрелки на угол, чуть больший 90. При этом металл А из баллонов 6, 7, 9 перетекает через трубки 13 - 16 в напорную емкость 3, Затем поворо том прибора вокруг оси У-У от себя на угол90 металл из напорной емкости 3 перево-.дят в заправочный бункер 1, Прибор возвращают в исходное положение в следующей последовательности, Поворотом прибора 30 вокруг аси Х - Х по часовой стрелке перевоего массу в микробюретке. Поворотом прибора из исходного положения вокруг оси Х-Х по часовой стрелке на угол 90 металл из микробюретки 10 переводят в отстойник 11, а из емкостей 6, 7, 9 - в напорную емкость 4, Из этого положения прибор поворачивают вокруг оси У-У от себя на угол немного больше 90 О, и металл из емкости 4 перетекает в заправочный бункер 2. Прибор возвращают в исходное положение в следующей последовательности. Сначала прибор поворотом вокруг оси Х-Х против хода часовой стрелки переводят в вертикальное положенйе, далее поворотом вокруг оси Е-Е против часовой стрелки на угол 90 возвращают .в. исходноо положение. Поворотом прибора вокруг оси У-У на себя на угол 90 металл из отстойника 11 переводят н микробюретку 10. Поворотом прибора вокруг оси Х-Х против часовой стрелки на угол, немного больший 90 О, металл В из микробюретки 10 и металл А иэ заправочного бункера 1 переводят в манометрический баллон и в емкости 7, 9, где они перемешиваются поворотом прибора вокруг оси Х-Х против часовой стрелки и обратно. Прибор возвращают в исходное положение, Поворотом прибора вокруг оси У-У на себя на угол 90 часть полученного сплава из манометрического баллона через микробюретку переводят в отстойник 11. Прибор возвращают в исходное положение. Поворотом прибора вокруг оси Х-Х против часовой стрелки на угол 90 сплав иэ микробюретки 10 и емкостей 6, 7, 9 переводят в напорную емкость 3, а оттуда поворотом вокруг оси У-У от себя на угол 90 - в заправочный бункер 1; Частьсплава теперь находится в отстойнике 11, а вся оставшаяся часть - н бункере 1. Чистый металл В весь находится в бункере 2. Поворотом прибора вокруг оси Х-Х по часовой стрелке на угол 90 прибор переводят в вертикальное положение, а затем вращением вокруг оси Епо часовой стрелке на угол 90 О возвращают его в исходное положение.Поворотом прибора вокруг оси У-У на себя на угол около 90 сплав из отстойника 11 переводят в микробюретку 10 и прибор возвращают в исходное положение. Катетометром. замеряют уровент сплава в микробюретке и пд его значению вычисляют объем и массу этого сплава. Поворачивают прибор на очень маленький угол по часовой стрелке вокруг оси Е-Е(чтобы нарушить параллельность микробюретки и плоскости У 2). Затем поворотом прибора вокруг оси У-У от себя на угол 90 переводят сплав иэ микробюретки в манометрический баллон. Прибор возвращают в исходное положение, Поворотом прибора вокруг оси Х-Х по часовой стрелке на угол чуть больше 90 металл В иэ бункера 2 тоже переводится в манометрический баллон, где он перемешивается с металлическим сплавом иэ микробюретки.Если объем металла н отстойнике оказался больше, чем объем микробюретки, то сплав из микроб 1 оретки и отстойника переводится и измерительную часть поэтапно.Таким образом получают два новых сплана. По вышеуказанной методике определяют поверхностное натяжение полученных сплавов необходимое число раз и при различных температурах. Далее приготавливают сплавы следующих концентраций иизмеряют их поверхностное натяжение и т.дпока но всем приборе не будетоднородный сплав.Таким образом, исследуется концентрированная занисимость поверхностного натяжения всей двухкомпонентной системы при различных температурах в идентичных условиях прй одной заправке,После завершения всего экспериментаповоротом прибора иэ исходного положения вокруг оси У - У от себя на угол больше90 весь расплав переводят н заправочныебункеры 1 и 2, где он кристаллизуется. В зависимости от того, чистые металлы или сплавы были проведены первоначально в бункеры 1 и 2, н приборе можно исследовать жидкие расплавы не только двойных, но и многокомпонентных систем.Для исследования концентрированнойзависимости поверхностного натяжениядвухкомпонентных систем существующими ныне приборами в лучшем случае необходимо сделать две встречные заправки, и при самых оптимальных условиях на одну заправку затрачивается 8 - 10 сут непрерывной работы, На одну заправку необходимо в среднем 0,5 кг чистых металлов. Повторное использование сплава невозможно, так как при кристаллизации металлы в объеме расплава распределяются, неравномерно, аиспользование всего расплава ограниченомеханической прочностью стекла и габаритами установки,Таким образом, введение в устройстводля измерения поверхностного натяжения50 дополнительных заправочного бункера,напорной емкости, распределительной камеры и замена камеры для добавок отстойником для временного хранения расплава йозволяют в дна раза сократить рабочеевремя и в дна раза уменьшить расход дорогостоящих металлов, так как при этом измеряются одновременно поверхностное натяжение двух сплавос, причем во встречном направлении, что.исключает небходимость встречной заправки,1783377 10 Формула изобретения авитель У. Арсамикед М,Моргентал. Буч Сост ов кторТ, БельскаяТехр Корректор Н окЗаказ 4509 Тираж Подписное ВКИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Устройство для измерения поверхностного натяжения металлических расплавов методом максимального давления в капле, содержащее вертикальный измерительнйй капилляр, манометрический баллон, расположенный над капилляроми сообщающийся через канал в дне с нижним концом капилляра, напорную емкость, сообщающууюся через канал в две с нижним концом капилляра, и через канал, расположенный в верхнем торце, с верхней частью манометрического баллона, заправочный бункер, сообщающийся каналом, идущим от верхней части бункера, с напорной емкостью в верхней части ее задней стенки, камеру для добавок, сообщающуюся через "верхнюю часть передней стенки посредством 0-образной микробюретки с верхней частью пе-. редней стенки манометрического баллона, причем центр торцевой окружности капилляра совпадает с центром осей координат ХУЕ, оси симметрии капилляра манометрического баллона, напорной емкости, камеры для добавок лежат вплоскости УЕ, запра вочный бункер находится ближе к плоскостиХЕ и дальше от плоскости УЕ, чем напорная емкость, а все устройство выполнено с возможностью вращения вокруг взаимно перпендикулярных осей, о т л и ч а ю щ е е с я 10 тем, что, с целью повышения оперативностиизмерений и расширенйя функциональных возможностей, устройство содержит дополнительные заправочный бункер и напорную емкость, расположенные зеркально-сим метрично первым относительно плоскостиХЕ, распределительную емкость, сообщающуюся каналами, расположенными в верхней ее части, с днищами обеих напорных емкостей и через канал, расположенный в 20 дне, с капилляром, а камера для добавокзаменена отстойником длля временного хранения расплава.