устройство для электроплавки пробных количеств металлов и сплавов

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ПРОБНЫХ КОЛИЧЕСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, содержащее вакуумную камеру, в которой размещен стержневой катод, закрепленный на токовводе и установленный над анодом, выполненным в виде металлического диска с зоной для размещения навесок металлов или сплавов, с возможностью изменения межэлектродного промежутка, отличающееся тем, что токоввод размещен в замкнутом электроизолирующем экране и выполнен из двух соединенных элементов, первый из которых с внешней токоподводящей частью выполнен из металла с низкой теплопроводностью, а второй выполнен из тугоплавкого металла и снабжен средствами для закрепления стержневого катода, отношение длины части которого, расположенной вне электроизолирующего экрана, к его диаметру выбрано равным 10 25, причем металлический диск анода установлен с возможностью поворота вокруг его центральной оси, которая смешена относительно оси катода, и выполнен в виде охлаждаемого кристаллизатора с зоной для размещения навесок металлов или сплавов в виде системы углублений, расположенных по окружности, радиус которой выбран равным величине смешения осей катода и анода, а минимальная устанавливаемая величина межэлектродного промежутка выбрана равной 1 2 мм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроизолирующий экран выполнен из термостойкого материала в виде двух фланцев с центральными отверстиями и цилиндрической обечайки, причем в центральном отверстии первого фланца размещена внешняя токоподводящая часть токоввода, а в центральном отверстии второго фланца размещен катод.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в центральном отверстии второго фланца установлена втулка, в которой размещен катод, причем торцевая поверхность втулки выполнена выступающей над поверхностью фланца, обращенной к аноду.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый фланец и цилиндрическая обечайка выполнены из тефлона, а второй фланец выполнен из асбоцемента.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что втулка выполнена из асбоцемента.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала диска анода использована медь.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства для закрепления стержневого катода выполнены из тугоплавкого металла в виде разрезной конусной шайбы и накидной гайки.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый элемент токоввода выполнен из нержавеющей стали.

9. Устройство по пп.1 и 7, отличающееся тем, что второй элемент токоввода и средства закрепления катода выполнены из молибдена.

10. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что по торцевой выступающей поверхности втулки выполнен кольцевой буртик.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрометаллургии и может использоваться для изготовления ювелирных и стоматологических изделий, а также в научных исследованиях при изучении свойств металлов и сплавов.

Известно устройство для электроплавки небольших навесок металлов или сплавов, содержащее вакуумную камеру, размещенный в камере керамический тигель, установленный внутри катушки высокочастотного индуктора [1]

Процесс плавки навески металла или сплава массой от 5 до 100 г может производиться в вакууме и в защитной атмосфере.

Недостатками известного устройства являются невозможность плавления образцов, представляющих собой порошок металла или сплава, а также тугоплавких металлов, так как при температуре выше 1600^oC расплав начинает реагировать с веществами, входящими в состав тигля.

Известно также устройство для электроплавки пробных количеств металлов и сплавов, содержащее вакуумную камеру, в которой размещен стержневой катод, закрепленный на токовводе и установленный над анодом, выполненным в виде металлического диска с зоной для размещения навесок металлов или сплавов, с возможностью изменения межэлектродного промежутка [2]

Данное устройство позволяет проводить плавку образцов как под разряжением, так и в защитной атмосфере за счет создания электродугового разряда между катодом и металлическим образцом, который размещают в углублении, выполненном в металлическом тигле аноде.

Однако для устойчивой работы устройства остаточное давление в вакуумной камере должно быть не менее 350 мм рт. ст. В противном случае за счет интенсивной ионной бомбардировки из прикатодной области катод сильно разогревается, возникают дополнительные центры термоэлектронной эмиссии по всему телу катода, что приводит к контрагированию первоначально диффузного разряда, распространению его вдоль тела катода с привязкой к токовводу и подкорачиванию основного разрядного промежутка. При этом плавка образца становится невозможной. Однако понижение давления при плавлении до 5-350 мм рт.ст. способствует более глубокой очистке образцов от растворенных газов и летучих примесей, т. е. достижению более широкой возможности варьирования свойств исследуемых металлов и сплавов.

Кроме того, при высоком остаточном давлении в вакуумной камере в ней в области дуги образуются сильные газодинамические потоки, в результате чего невозможно обеспечить плавку образцов из порошков металлов и сплавов вследствие их неизбежного распыления.

Существенным недостатком известного устройства является то, что для отвода тепла от катода используют принудительное охлаждение его водой. Это значительно усложняет конструкцию и снижает безопасность устройства вследствие возможного прожога держателя катода и прорыва воды в область дуги.

Указанных недостатков можно избежать, если в известном устройстве для электроплавки пробных количеств металлов и сплавов, содержащем вакуумную камеру, в которой размещен стержневой катод, закрепленный на токовводе и установленный над анодом, выполненным в виде металлического диска с зоной для размещения навесок металла или сплава, с возможностью изменения межэлектродного промежутка, согласно данному изобретению токоввод размещен в замкнутом электроизолирующем экране и выполнен из двух соединенных элементов, первый из которых, с внешней токоподводящей частью, выполнен из металла с низкой теплопроводностью, а второй выполнен из тугоплавкого металла и снабжен средствами для закрепления стержневого катода, отношение длины части которого, расположенной вне электроизолирующего экрана, к его диаметру выбрано равным 10-25, причем металлический диск анода установлен с возможностью поворота вокруг его центральной оси, которая смещена относительно оси катода, и выполнен в виде охлаждаемого кристаллизатора с зоной для размещения навесок металлов или сплавов, в виде системы углублений, расположенных по окружности, радиус которой выбран равным величине смещения осей катода и анода, а минимальная устанавливаемая величина межэлектродного промежутка выбрана равной 1-2 мм.

При этом электроизолирующий экран может быть выполнен разъемным из термостойкого материала и представлять собой два фланца и цилиндрическую обечайку, установленную между ними. Фланцы при этом имеют центральные отверстия и закреплены на токовводе так, что в центральном отверстии первого фланца размещена токоподводящая часть токоввода, а в центральном отверстии второго фланца размещен стержневой катод. Катод может также быть установлен в отверстии фланца через втулку, причем торцовая поверхность втулки выступает над поверхностью фланца, обращенной к катоду, и, кроме того, по торцовой выступающей поверхности втулки может быть выполнен кольцевой буртик.

Первый фланец и цилиндрическая обечайка могут быть выполнены из тефлона, второй фланец и втулка из асбоцемента, а в качестве материала анода использована медь. Средства для закрепления стержневого катода на токовводе в виде разрезной конусной шайбы и накидной гайки выполнены из тугоплавкого металла, в частности из молибдена.

Кроме того, первый элемент токоввода может быть выполнен из нержавеющей стали, а второй элемент из молибдена.

Сравнительный анализ известного и данного устройств показал, что последнему присущи новые признаки, отражающие выполнение токоввода, введение электроизолирующего экрана, выражающие соотношение между длиной катода и его диаметром.

Приведенная совокупность общих и частных существенных признаков не известна из уровня техники. Следовательно, данное устройство является новым и имеет изобретательский уровень.

На чертеже схематически изображено устройство в разрезе.

В вакуумной камере 1 размещен стержневой катод 2, закрепленный на токовводе, выполненном из двух соединенных элементов, причем первый элемент 3 с внешней токоподводящей частью, а второй элемент 4 расположен внутри электроизолирующего экрана, выполненного в виде фланцев 5 и 6, соединенных с обечайкой 7, и служит для закрепления катода 2 с помощью накидной гайки 8 и разрезной конусной шайбы 9. Катод 2 установлен в отверстии фланца 6 через втулку 10 из асбоцемента над анодом 11, выполненным в виде медного диска кристаллизатора с углублениями для размещения навесок 12 образцов металла или сплава. В теле анода 11 выполнены каналы 13 для охлаждающей жидкости. В качестве образцов могут использоваться порошки 14 металлов или сплавов. Катодный узел установлен с возможностью перемещения в направлении анода 11, который выполнен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной катоду 2.

При конкретной реализации устройства первый фланец и обечайка электроизолирующего экрана выполняли из тефлона, а второй фланец и втулку из асбоцемента, причем отношение длины вольфрамового катода к его диаметру выбрано 20. При плавке различных образцов разрядный промежуток устанавливали от 1 мм до 20 мм.

Устройство работает следующим образом. После откачки камеры с образцами, напуска защитного газа до давления от 5 до 350 мм рт.ст. и последующего подключения к источнику питания зажигают дугу в промежутке между катодом 2 и образцом 12, установленным в одном из углублений анода 11. Устанавливают необходимый разрядный промежуток и осуществляют плавку образца. За счет выбранного соотношения длины катода к его диаметру заметный разогрев катода происходит только в его торцовой области. При этом в условиях низкого остаточного давления (5-350 мм рт.ст.) дуговой разряд имеет диффузный характер и локализован в малом объеме разрядного промежутка. Это позволяет работать при высокой плотности разрядного тока и при весьма малой величине разрядного промежутка, что позволяет локализовать энерговыделение на поверхности или даже в толще образца. После окончания плавки одного образца поворотом диска анода 11 устанавливают катод 2 над другим образцом и таким образом осуществляют последовательно плавку всех образцов, размещенных в углублениях анода.

При давлении газа более 350 мм рт.ст. устройство работает как известное. Электроизолирующий экран позволяет избежать привязки разряда к токовводу, что способствует локализации дугового разряда. Последнее обстоятельство позволяет снизить разрядный ток и, следовательно, мощность источника питания, т. е. общее энергопотребление устройства. Выполнение токоввода из двух элементов и размещение его в замкнутом электроизолирующем экране позволяет обеспечить температурную стабилизацию катодного узла и избежать использования принудительного охлаждения его водой, что повышает безопасность работы устройства.

За счет обеспечения работы с устойчивым и локализованным дуговым разрядом при пониженном остаточном давлении достигается возможность плавки образцов в виде порошков металлов и сплавов.