Устройство для исследования поверхностных свойств расплавов

Союз СоветскииСоциапистмчесиикРеспубпми ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 928199(5 )М, Кл,С О 1 И 13/02 3 Ьеудеротееииый комитет СССР иа делам иаебретеиий и открытий. 3 (088,8) Дата опубликования описания 15,05,82 Т. В. Захарова,С. И, Попель, А.и Л, В. Симонов 72) Авторь изобрете Центральныи научно-исследовътелматериалов и технологии тяжеломашиностроения и Ордена Трудовполитехнический институт им. 71) Заявител) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ зоб лур- лабо гии и можраторных тодом лежностногосидных и.ратурнойти, угловдых поверния. меовер окмп симос исек пре о натя ых ме ечь со чес парамета или много ил на кондлянта, выереые осуполн ками тение относится к мета ет быть использовано в условиях для определен ащей капли плотности, натяжения металлически солевых расплавов, их и концентрационной зав смачивания расплавами хностей и кинетики рас Известно устройство для о ния плотности и поверхностно жения лежащей капли расплавл таллов, содержащее вакуумную смотровым окном, а такие опт систему для ФотограФирования ров капли исследуемого метал сплава. В печь с помоцью вак гнезда вмонтирована трубка с новским уплотнением и штоком це которого установлена цанг крепления легирующего компоненного в виде штабиков сЭто устройство позволя ществить измерение поверхностного натяжения и плотности серии сплавов разной концентрации, используя стационарно установленную подложку и одну каплю, концентрация легирующего компонента в которой меняется от опыта копыту 11 .Недостатком этого устройства является отсутствие универсальности впользовании установки,Наиболее близким к изобретению является устройство для исследованияповерхностных свойств расплавс)в, содержацее вакуумную печь с рабочей камерой, образованной водоохлаждаемымкорпусом, нагреватель, теплоизолиру"ющие экраны. приспособление для перемещения капельниц и подложек, смотровые окна и оптическую систему дляизмерения параметров капли расплава 121Недостатком известного устройстваявляется пониженная точность из"эаотсутствия приспособлений для настройки падлоики на горизонтальность.3 9281В качестве исследуемой капли нель, зя использовать металлы с высоким сродством к кислороду (например, 2 п, А 1, Сг, Ип, металлы группы РЗМ и другие), поскольку при расплавлении кап ля самопроизвольно, под действием силы тяжести, падает на подложку и при этом не производится очистка капли от окисной пленки, Если окисные пленки на поверхности капли металла 1 О трудно восстановимы, не плавятся при температуре опыта (например, окись цинка, окись алюминия и другие). или не возгоняются при достижении определенного разрежения, то наличие окисной корочки снижает достоверность полученных результатов, а в некоторых случаях полностью исключает растекание.Устройство не позволяет изучать М поверхностные свойства металлов и сплавов при температурах, заметно превышающих температуру ликвидуса, так как в этом случае капля не может быть удержана в тигеле. Кроме того, невозможно изучать температурную зависимость углов смачивания и кинетики растекания без разгерметизации камеры.Цель изобретения - расширение технологических возможностей устройства и повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем, что устройство для исследования поверхностных свойств расплавов, содержащее35 вакуумную печь с рабочей камерой, образованной водоохлаждаемым корпусом, нагреватель, теплоизолирующие экраны, смотровые окна и оптическую систему для измерения параметров капли распла.ео ва, снабжено камерами для размещения капельниц и подложек; установленных с двух сторон рабочей камеры с возможностью их перемещения относительно ее вертикальных и горизонтальных45 осей и отделенными от нее водоохлаждаемыми перегородками с центральными отверстиями, при этом в камере для размещения капельниц на водоохлаждаемой перегородке установлен вращаоцийся столик с ячейками для капель 50 ниц и чередующимися с ними сквозными отверстиями, через центральное отверстие в водоохлаждаемой перегородке проходит шток для перемещения капельниц, имеющии захват, а камера длям 55 размещения подложек снабжена кассетой, предметным столиком, механизмом перемещения и юстировки горизонтального 99 4 положения предметного столика со штоками, проходящими через отверстие вкассете, и ытоком для подачи подложекна предметный столик.Капельница содержит в донной частикапиллярный сквозной канал, стенки которого выполнены из материала, не смачиваемого исследуемым расплавом, иснабжена крышкой с прорезью, Формакоторой повторяет Форму захвата штокаперемещения капельниц.Оптическая система выполнена в виде, по,крайней мере, четырех смотровых окон, два из которых расположеныв водоохлаждаемом корпусе рабочей камеры и по одному в камерах для размещения капельниц и подложек, и системыпризм,На Фиг. 1 показано устройство,общий вид; на Фиг. 2 - узел устройства, предназначенйый для храненияи перемещения капельниц; на Фиг. 3 капельница в положении транспортировки в рабочую камеру; на Фиг.то же, в рабочем состоянии в моментформирования капли.Водоохлаждаемая рабочая камера 1(см. Фиг. 1) закреплена на опорнойраме 2, Внутри водоохлаждаемой рабочей камеры установлен молибденовыйнагреватель 3, имеющий конструкциютипа "беличье колесо",Водоохлаждаемый корпус изолированот нагревателя теплоизолирующими экранами ч. Корпус рабочей камеры снабжен двумя смотровыми окнами, одно из которых (окно 5) предназначено для внешней подсветки, а другое (окно 6)является смотровым для фотографирования или измерения профиля капли 7,лежащей на подложке 8, которая установлена на предметном столике 9. Над каплей на оси симметрии устройства размещена капельница 10, которая удерживается захватом 11 ытока 12. Для измерения температуры капли в нижней части водоохлаждаемой рабочей камеры введена термопара 13. Водоохлаждаемый корпус рабочей камеры снабжен патрубком 1 ч для соединения ее рабочего пространства с системой вакуумирования (условно не показана) . Снизу и сверху водоохлаждаемая рабочая камера закрыта нижней 15 и верхней 16 водоохлаждаемыми перегородками, К нижней водоохлаждаемой перегородке вакуумплотно присоединена камера для размещения подложек 17 со смотровым окном 18, внутри которой расположены5 9281 кассета 19 с подложками 20, горизонтальный шток 21 для перемещения под" ложек и три вертикальных подвижных штока 22, механизм подъема 23 предмет ного столика проходит через отверстие 5 в нижней водоохламдаемой перегородке. Камера для размещения подложек расположена на тележке 24. К верхней водоохлаидаемой перегородке вакуумплотно присоединена камера для размещения 10 капельниц 25 со смотровым окном 26. Внутрь камеры для размещения капель" ниц через вильсоновское уплотнение 27 введены штоки 12 и 28 для поворота вращающегося столика 29 с капель ницами 30, закрытыми специальными , крышками 31. Капельница 30. (такме, как и 10) содержит в донной части кэпиллярный. сквозной канал 32 ( см; фиг. 3), поверхность которого не сма. 20 чивается исследуемыми расплавами.В устройство входит упорное кольцо 33,3 закрепленное в рабочей зоне на.верхней водоохлаждаемой перегородке с помощью местких подвесок 34. Внутри ка меры для размещения капельниц установлены призмы 35 оптической системы для измерения параметров капли в плане. Камера для размещения капельниц закреплена на вращающейся консоли 36 зф подъемного механизма 37. Вращающийся столик 29 (см. Фиг. 2) установлен в опорном подшипнике 38 водоохламдаемой перегородки Чб. Столик содержит ячейки 39 для капельниц, чередующи еся со сквозными отверстиями 40. В рабочем полоиении столик прижат к опоре штоком 28. Усилие прииатия столика Б и вращающий момент М р передаются от специального механизма 4 о известной конструкции (не показан). Капельница (смФиг. 3) в момент транспортировки в рабочую камеру висит на захвате 11 штока 12. В крышке 31 капельницы выполнена прорезь 41, повто ряющая Форму захвата 11. В рабочей полости капельницы размещена навеска 42 исследуемого металла или сплава.На Фиг. 4 показана капельница вмомент Формирования капли 43Капель 50ница прижата к опорному кольцу 33,которое удерживается жесткими подвесками 34, Капля Формируется под действием усилия Г от штока 12.Работа устройства осуществляетсяследующим образом.Перед началом работы предметныйстолик 9 (см. Фиг. 1) опущен в край 99 6нее нимнее поломение. Камера для размещения подломек 17 с помощью тележки 24 отодвинута из-под водоохлаида"емой рабочей камеры 1. Шток 12 с захватом 11 находится в крайнем верхнемположении. Камера для размещения капельниц 25 приподнята и при помощимеханизмов 36 и 37 отведена в сторонуот верхней водоохлажДаемой перегородки 16. В кассете 19 размещаются подложки 20. На верхней водоохлаждаемойперегородке 16 в ячейках вращающего-ся столика 29 (см, Фиг. 1 и Фиг, 2)устанавливаются капельницы 30 с загруженными в них исследуемыми навесками.Капельницы закрыты специальными крышками 31 с прорезями, в которые припоследующей работе входит захват 11(см. Фиг. 1 и Фиг. 3) штока 12. С помощью тележки 24 камера для размещения подложек 17 вкатывается под рабочую камеру 1 до совмещения их осейсимметрии, Камера для размещения капельниц 25.при помощи механизмов 36и 37 поворачивается и опускается наверхнюю водоохлаидаемую перегородку16 до плотного контакта с ней, Юток28 зацепляется с вращающимся столиком 29. Устройство герметизируетсяс помощью вакуумплотных прокладок ипредусмотренных для этого крепежныхэлементов. Через патрубок 14 осущест"вляется вакуумирование устроиства,после чего через тот же патрубок устройство может быть заполнено защитнымгазом. На этом подготовка устройствак работе заканчивается. При помощимеханизмов 23 и вертикальных подвижных штоков 22 предметный столик 9с располоиенной на ней подлоикои 8поднимается в верхнее крайнее положение и производится юстировка поломения подложки 8 с помощью механизмаподъема 23. Вращающийся столик 29 при помощи штока 28 поворачивается в положение для захвата капельницы 10 путем вве- дения его захвата 11 в паз 41 (см. фиг, 3) крышки 31.капельницы 30. Затем капельница приподнимается ытоком иэ ячейки, столик поворачивается так, чтобы ось симметрии одного из сквоэ" ных отверстий его совпадала с центром сквозного отверстия водоохлаждаемой перегородки. Шток 12 с капельницей 10 опускается до упорного кольца 33 (см, Фиг, 1) . Осуществляется включение нагревателя 3 и исследуемая навес 928199ка нагревается в капельнице до необходимой температуры, Движением штока 12 с усилием Г из капельницы наподложку через капилляр выдавливаетсякапля (см. Фиг. Ч), При этом все твер дые окислы остаются в капельнице.После Формирования капли осуществляется измерение ее параметров в про.филь и в плане.10Шток 12.с капельницей 10 поднимается в крайнее верхнее положение.С помощью штока 28 вращающийся столик29 устанавливается таким образом,чтобы капельницу можно было опуститьв свободную ячейку 39 (см. Фиг. 2),после чего шток 12 с капельницей 10опускается, захват 11 (см. Фиг. 3)выводится из прорези 21 и шток 12,поднимаясь вверх, освобождается отиспользованной капельницы 10. При по мощи механизма подъема 23 предметныйстолик 9 опускается в крайнее нижнееположение. С помощью горизонтальногоштока 21 с негр убирается использованная подложка и этим же штоком устанавливается очередная подложка. На этомцикл работы устройства заканчивается.После изучения поверхностных свойстввсех металлов и сплавов, навески которых размещены в капельницах на вращающемся столике, устройство отключается от системы электропитания ивакуумирования (условно не показаны)фи приводится в исходное состояние.о . - 35За счет разделения пространства устройства на три камеры и отделения ихводоохлаждаемыми перегородками достигается размещение подложек и навесокисследуемых расплавов вне рабочей ка 40меры, что позволяет хранить в контролируемой атмосфере необходимый длявсей серии опытов запас подложек инавесок и по возможности исключитьокисление исходных материалов, так45как навески и подложки находятся вхолодном состоянии на всех стадияхподготовки опыта. Предлагаемое устройство для исследования поверхностных свойств расплавов позволяет разместить в ограниченном вакуумированном пространстве большее количествонавесок и подложек различных сплавови за счет этого увеличить номенклатуру сплавов, исследуемых в однойсерии опытов без разгерметизациипечи. Благодаря этому можно изучатьповерхностные свойства металлов, обладающих большим сродством к кислоро. ду, испытывать в одной серии опытов металлы с низкой и высокой температурой плавления, проводить испытания при температурах от ликвидуса матефриала капли до 1800 С.Формула изобретения1, Устройство для исследованияповерхностных свойств расплавов, содержащее вакуумную печь с рабочей камерой, образованной водоохлаждаемымкорпусом, нагреватель, теплоизолирующие экраны, смотровые окна и оптичес.кую систему для измерения параметровкапли расплава, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширениятехнологических возможностей устройства и повышения точности измерений,оно снабжено камерами для размещениякапельниц и подложек, установленнымис двух сторон рабочей камеры с возможностью из перемещения относительно еевертикальных и горизонтальных осей иотделенными от нее водоохлаждаемымиперегородками с центральными отверстиями, при этом в камере для размещениякапельниц на водоохлаидаемой перегородке установлен вращающийся столикс ячейками для капельниц и чередующимися с ними сквозными отверстиями,через центральное отверстие в водоохлаждаемой перегородке проходит штокдля перемещения капельниц, имеющийзахват, а камера для размещения подложек снабжена кассетой, предметнымстоликом, механизмом перемещения июстировки горизонтального положенияпредметного столика со штоками, проходящими через отверстие в кассете,и штоком для подачи подложек на предметный столик,2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что капельницасодержит в донной части капиллярныйсквозной канал, стенки которого выполнены иэ материала, не смачиваемогоисследуемым расплавом, и снабженакрышкой с прорезью, Форма которойповторяет Форму захвата штока перемещения капельниц.3. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оптическая система выполнена в виде, по крайней мере, четырех смотровых окон, два из которых расположены в водоохлаждаемом корпусе, рабочей камеры и по одному9 Э 2819 Эв камерах для размещения капельници подложек, и системы призм. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе Авторское 8 276509, кл. 6 2, Авторское У 1 10236, кл. 6 5 (прототип 1, 1 Освидетельство СССР01 И 13/02, 1969,свидетельство СССРО 1 И 13/02, 19719281998Фи .2 ВНИИПИ Заказ 3226 Тираж 883 Подписн филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектнал, 4