Ячейка для измерения термоэмиссионного тока и напряжения в порошковых материалах при нагреве в печах без защитной атмосферы Российский патент 2025 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к устройствам для измерения величины термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов, обладающих электронной и (или) ионной и (или) смешанной проводимостью, а именно к конструкциям измерительных сосудов и электродов и может найти применение для определения электрических характеристик насыщающих порошковых смесей, используемых для проведения химико-термической обработки (ХТО) (термоэмиссионного диффузионного насыщения).

Явление термоэлектронной эмиссии - это испускание заряженных частиц (электронов, анионов кислорода) нагретыми металлами, полупроводниками или оксидами в вакуум или другую среду. Работа выхода электронов и, соответственно, величина эмиссионного тока зависят от температуры [Батраков А.В. Эмиссионная электроника: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 143 с.]. Термоэлектронная эмиссия характеризуется плотностью тока насыщения эмиссии, т.е. максимально возможной при данной температуре поверхности плотностью тока (j, A/cм²) [Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. - М.: Атомиздат, 1974, 288 с.]. Для измерения вольт-амперных характеристик термоэмиссии используются лабораторные установки, включающие электровакумные диоды, источники питания для накала катода и анода лампы, мультиметр [Полуэктов, Н.П. Изучение явления термоэлектронной эмиссии: учебно-методическое пособие. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023. - 20 с.]. Измерение тока и напряжения проводится между двумя электродами - катодом и анодом. Один из которых (катод) изготавливается из материала-эмиттера, т.е. непосредственно эмитирует заряженные частицы [Полуэктов, Н.П. Изучение явления термоэлектронной эмиссии: учебно-методическое пособие. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023. - 20 с.].

В патентах [Способ термодиффузионного хромирования деталей из стали или сплавов на основе железа с добавкой эмиттера в насыщающую порошковую смесь. Патент на изобретение RU 2792514 C1, 22.03.2023. Заявка №2022125015от 23.09.2022., Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа. Патент на изобретение RU 2778388 C1, 18.08.2022. Заявка №2022113061от 16.05.2022] предложено использовать металлические и оксидные добавки эмиттеров для создания в насыщающей смеси ХТО дополнительного потока заряженных частиц, направленного к поверхности насыщаемой детали и оказывающего ускоряющее действие на диффузию насыщающего элемента. Подбор состава насыщающих смесей с добавками эмиттеров - важная технологическая задача для решения которой необходимо устройство, позволяющее определять величину эмиссионного тока и напряжения, возникающих в смеси при нагреве до заданной температуры ХТО. Т.е. стоит задача определить ток и напряжение не между «испускающим» и «принимающим» заряженные частицы электродами, а в активной порошковой среде, в которой при нагреве, за счет явления термоэмиссии, возникают заряженные частицы.

Для измерения электропроводности порошковых материалов известна измерительная ячейка для определения электропроводности влажных дисперсных материалов [Патент РФ №2362154, МПК G01N 27/04 опубл. в БИ №20, 2009 г.]. Измерительная ячейка содержит измерительный сосуд в виде пустотелого цилиндра круглого сечения из диэлектрического материала, оснащенный двумя электродами кольцеобразной формы, включенными в электрическую цепь электроизмерительного прибора.

Недостатками ячейки по патенту РФ №2362154 является: возможность работы только с влажными сыпучими материалами; невозможность проведения измерений электрических характеристик сухих порошковых материалов в процессе непрерывного нагрева до высоких температур. Кроме того, данная ячейка позволяет определять лишь электросопротивление, возникающее во влажной порошковой среде при пропускании через нее электрического тока от внешнего источника. Цель определения электротехнических характеристик насыщающих порошковых смесей с добавками эмиттеров состоит в измерении тока и напряжения, возникающего в порошковой смеси для ХТО без использования внешних источников питания.

Известна измерительная ячейка для определения термоэмиссионного тока технологических порошковых смесей для ХТО, принятая за прототип [Шабурова Н.А. Возникновение электрического поля в процессе твердофазной химико-термической обработки изделий из сплавов на основе железа // Материаловедение, 2023, №11, С. 3-10.; Шабурова Н.А. Влияние эмиттеров электронов и анионов кислорода в технологическом процессе ХТО на диффузию хрома // Металлург, 2024, №3 С. 30-35.]. Измерительная ячейка состоит из измерительного сосуда и двух электродов, подключенных к электрической цепи электроизмерительного прибора. Измерительный сосуд представляет собой цилиндрический тигель из диэлектрического, термостойкого керамического материала. Электроды располагаются в сосуде вертикально, вдоль стенок. Один электрод изготовлен из железной проволоки, второй электрод выполнен из того же материала, но к его концу приваривается стальной образец с целью создания направленного потока заряженных частиц в сторону массивного электрода - аналога обрабатываемой детали. Исследуемая насыщающая смесь заполняет объем сосуда на 80%, уплотняется до насыпной плотности и закрывается асбестовым картоном. Следующим слоем на асбестовый картон засыпается смесь корунда с молотым электродным графитом и перекрывается листом асбестового картона. Следующим слоем засыпается порошковый силикокальций и перекрывается асбестовым картоном. Верхние слои в ячейке - смесь графита и корунда и силикокальций, являются поглотителями кислорода, оставшегося в порах технологической смеси и диффундирующего из внешней атмосферы. Для предотвращения возможного замыкания электроды были изолированы одноканальными корундовыми изоляторами в слое графита с корундом и слое силикальция.

Недостаток известной измерительной ячейки: изменение уплотнения смеси в ячейке, обусловленное выделением газов из пор засыпки и продуктов разложения NH₄Cl при нагреве, возможность разгерметизации при измерении.

Поставлена задача: повысить надежность и точность измерения величины термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов в процессе стабилизации газовых потоков в ячейке.

Техническая задача достигается тем, что ячейка для измерения термоэмиссионного тока и напряжения в порошковых материалах, содержит цилиндрический измерительный сосуд из диэлектрического материала, оснащенный двумя электродами, включенными в электрическую цепь электроизмерительного прибора, согласно изобретения, сосуд изготовлен из термостойкого керамического материала, электроды выполнены в виде металлической проволоки, причем один электрод снабжен приваренным к его концу стальным образцом прямоугольной формы, верхняя часть каждого электрода снабжена одноканальным изолятором; снаружи на верхнюю часть измерительного сосуда установлена свободной посадкой графитовая крышка цилиндрической формы с двумя отверстиями для вывода электродов с изоляторами, места вывода электродов из изоляторов герметизированы застывающей смесью корунда и жидкого стекла, а внутренняя часть измерительного сосуда под крышкой изолирована от внешней атмосферы тремя слоями порошков: графито-корундовой порошковой смесью, порошком силикокальция и порошком графита, толщина перечисленных слоев не менее 3-5 мм, каждый слой отделен от другого асбестовым картоном толщиной 1-2 мм, а измерения проводятся в процессе нагрева ячейки с порошковым материалом до температуры не менее 1000°С.

Далее сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:

- чертеж - конструкция измерительной ячейки в продольном разрезе.

Измерительного ячейка состоит из сосуда 1 и двух электродов 2. Измерительный сосуд 1 изготовлен из диэлектрического, термостойкого керамического материала и выполнен в виде цилиндра. Выводы электродов 2, подключены к электрической цепи электроизмерительного прибора 12 клеммами 11. Электроды 2 изготовлены из железа, причем один электрод изготавливается в виде металлической проволоки, второй электрод из такой же проволоки, но с приваренным к концу стальным образцом прямоугольной формы. Использование разных по размеру электродов обусловлено необходимостью создания направленного потока заряженных частиц к более массивному из них - аналогу обрабатываемой детали. Насыщающая порошковая смесь 3 засыпается в сосуд 1 и уплотняется в нем до насыпной плотности так, чтобы она заполнила 80% объема сосуда. Оставшийся объем (20%) заполняется слоями графито-корундовой порошковой смесью 5, силикокальцием порошком 6, порошком графита 10 (толщины перечисленных слоев - не менее 3-5 мм). Каждый слой отделяется от другого асбестовым картоном 4 толщиной 1-2 мм. Для предотвращения замыкания электродов в графитовом и графито-корундовом слое на электроды одеваются одноканальные изоляторы 7. Места выхода электродов из одноканальных изоляторов герметизируются застывающей смесью корунда и жидкого стекла 8. Для создания защитной атмосферы внутри измерительного сосуда 1 верхним слоем на измерительную ячейку засыпается порошок графита и одевается свободной посадкой графитовая крышка 9 цилиндрической формы, которая оснащена двумя отверстиями для выхода электродов 2 с изоляторами 7, диаметр отверстий равен диаметру изоляторов. Крышка в процессе измерения собственным весом уплотняет порошковые материалы засыпки, создавая постоянство атмосферы в порах засыпки. Выводы электродов 11 подключают к клеммам цифрового мультиметра 12.

Предлагаемая ячейка в отличие от прототипа обеспечивает полную изоляцию содержимого ячейки от окислительной атмосферы печи. Так, согласно расчётам, равновесное давление кислорода газовой смеси в порах засыпки составляет P_O2=1,28·10^-18-5,25·10^-18 Па в интервале температур 700-950°С [Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. - М. Металлургия, 1988, 288.], что повышает надежность и точность измерения термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов Предлагаемая ячейка предназначена для измерения термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов в ходе отработки, проверки, подбора состава насыщающих порошков для ХТО и является одноразовой.

Для проведения измерений термоэмиссионного тока и напряжения исследуемого насыщающего порошка устройство подготавливают к работе и проводят измерения следующим образом.

В измерительный сосуд 1 устанавливаются электроды (схема установки электродов показана на чертеже), далее сосуд на 80% его объема засыпается исследуемой порошковой смесью 3, которая уплотняется до насыпной плотности. Затем сверху закрывают смесь 3 асбестовым картоном 4, сверху засыпают графито-корундовую порошковую смесь, закрывают ее асбестовым картоном 4 и засыпают порошком силикокальция, причем фракция частиц перечисленных порошков не более 140 мкм, толщина каждого слоя составляет не менее 3-5 мм, а толщина асбестового картона 1-2 мм. Сверху сосуд 1 закрывают (по свободной посадке) графитовой цилиндрической крышкой 9 через отверстия которой выводятся электроды 2 в изоляторах 7, места выхода электродов 2 из изоляторов 7 герметизируются застывающей смесью корунда и жидкого стекла 8. Затем ячейка устанавливается в рабочее пространство печи, электроды выводятся наружу через технологические отверстия или смотровое окно дверцы печи (не показано). Нагрев печи проводится до максимальной температуры эксплуатации, обозначенной, в паспорте печи (не менее 1000-1050°С). Для измерения термоэмисионного тока, протекающего между двумя электродами, они подключаются к клеммам цифрового мультиметра 12. Замеры тока и напряжения проводят в режиме непрерывного нагрева или во время температурных остановок при заданных температурах (если нагревательная печь оснащена соответствующим программируемым контроллером режима нагрева). Результат замера отражают в виде графиков зависимости «ток эмиссии-температура», «напряжение - температура» или таблицы, содержащей ту же информацию.

Такая конструкция обеспечивает полную изоляцию содержимого ячейки от окислительной атмосферы печи и повышает надежность и точность измерения термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов, о чем можно судить по сравнительным результатам замера термоэмиссионного тока и напряжения для насыщающей смеси порошков фракцией до 140 мкм состава 5 г CaWO₄, 5 г 2CaO·SiO₂, 15 г MgO, 25 г Al₂O₃, 50 г Cr в прототипе и предлагаемой ячейке (таблица). Из таблицы видно, что измерения в ячейке предлагаемой конструкции не имеют срывов, обусловленных изменением состава атмосферы, ток эмиссии непрерывно растет при повышении температуры.

Таблица

Температура измерения, °С Прототип Предлагаемая ячейка 700 Ток. мА Напряжение, мВ Ток. мА Напряжение, мВ 750 0,003 3,83 0,070 28,79 800 0,058 7,24 0,112 30,72 850 0,062 4,65 0,109 19,04 900 -0,069 -2,88 0,224 25,18 950 -0,018 -4,05 0,413 34,65 1000 -0,377 -3,64 0,689 37,20

Технический результат изобретения: повышение надежности и точности процесса измерения электрических характеристик порошковых материалов при нагреве.

Изобретение относится к устройствам для измерения величины термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов, обладающих электронной, и(или) ионной, и(или) смешанной проводимостью. Сущность: ячейка содержит цилиндрический измерительный сосуд (1) из термостойкого керамического диэлектрического материала. Измерительный сосуд (1) оснащен двумя электродами (2), включенными в электрическую цепь электроизмерительного прибора (12). Электроды (2) выполнены в виде металлической проволоки, при этом к концу одного из них приварен стальной образец прямоугольной формы. Верхняя часть каждого электрода (2) снабжена одноканальным изолятором (7). Снаружи на верхнюю часть измерительного сосуда (1) установлена свободной посадкой графитовая крышка (9) цилиндрической формы. Крышка (9) имеет два отверстия для вывода электродов (2) с изоляторами (7). Места вывода электродов (2) из изоляторов (7) герметизированы застывающей смесью (8) корунда и жидкого стекла. Внутренняя часть измерительного сосуда (1) под крышкой (9) изолирована от внешней атмосферы тремя слоями порошков: графитокорундовой порошковой смесью (5), порошком (6) силикокальция и порошком (10) графита. Толщина перечисленных слоев не менее 3-5 мм. Каждый слой отделен от другого асбестовым картоном (4) толщиной 1-2 мм. При этом измерения проводятся в процессе нагрева ячейки с порошковым материалом (3) до температуры не менее 1000°С. Технический результат: повышение точности измерения величины термоэмиссионного тока и напряжения порошковых материалов в процессе стабилизации газовых потоков в ячейке. 1 ил., 1 табл.

Ячейка для измерения термоэмиссионного тока и напряжения в порошковых материалах, содержащая цилиндрический измерительный сосуд из диэлектрического материала, оснащенный двумя электродами, включенными в электрическую цепь электроизмерительного прибора, отличающаяся тем, что сосуд изготовлен из термостойкого керамического материала, электроды выполнены в виде металлической проволоки, причем один электрод снабжен приваренным к его концу стальным образцом прямоугольной формы, верхняя часть каждого электрода снабжена одноканальным изолятором; снаружи на верхнюю часть измерительного сосуда установлена свободной посадкой графитовая крышка цилиндрической формы с двумя отверстиями для вывода электродов с изоляторами, места вывода электродов из изоляторов герметизированы застывающей смесью корунда и жидкого стекла, а внутренняя часть измерительного сосуда под крышкой изолирована от внешней атмосферы тремя слоями порошков: графитокорундовой порошковой смесью, порошком силикокальция и порошком графита, толщина перечисленных слоев не менее 3-5 мм, каждый слой отделен от другого асбестовым картоном толщиной 1-2 мм, а измерения проводятся в процессе нагрева ячейки с порошковым материалом до температуры не менее 1000°С.