Способ определения коэффициентов диффузии в расплавах и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к области исследования физико-химических свойств расплавов, в частности, к определению их диффузионных характеристик.

Известен способ определения коэффициента диффузии в расплавах, основанный на приведении в контакт двух расплавов, один из которых содержит радиоактивный изотоп диффундирующего вещества, с последующим измерением распределения концентрации изотопа в направлении диффузии через определенный промежуток времени после начала опыта или определением изменения концентрации изотопа со временем в какой-либо точке диффузионного пространства.

Однако эти исследования связаны с применением радиоактисных изотопов, что требует специальных средств защиты для обеспечения безопасности экспериментаторов.

При этом точность определения коэффициента диффузии понижена из-за влияния конвекции на распределение концентрации диффузанта, возникающей с другой стороны в результате перемешивания расплавов, а с другой - из-за температурного градиента в зоне измерений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является выбранный за прототип способ определения коэффициента диффузии в расплавах, и устройство для его осуществления. При осуществлении указанного способа проволоку или стержень из материала, диффузию которого изучают, помещают в капилляр практически без зазора.

Нижний конец стержня приводят в контакт с расплавом-растворителем, помещенным в резервуаре, например тигле.

Стержень постепенно расплавляется и диффундирующий элемент через жидкую фазу поступает в расплав-растворитель.

В качестве параметров для определения диффузионных свойств выбрана зависимость глубины проникновения расплава от времени, оцененная по длине стержня, извлеченного и измеренного через определенные промежутки времени.

Однако и этот способ не позволяет с достаточной точностью определить коэффициент диффузии, поскольку он не устраняет ни градиента температур, ни конвекции в расплаве. При этом, ввиду того, что диф- фузант поступает из капилляра в тигель, особенно сказывается ошибка, связанная с концевым эффектом. При перемещении расплава в тигель диффузант захватывается из устья капилляра и переносится вглубь тигля, т.е. нарушается распределение его концентрации вдоль направления диффузии.

Кроме того, способ ограничен изучением диффузионных свойств одного вещества в процессе проведения диффузионного опыта.

Целью изобретения является повышение точности и расширение границ исследований.

Способ осуществляют следующим образом.

В верхнюю часть капилляров на одном уровне (0,1-0,2 общей высоты) размещают с минимальным зазором стержни из материала-диффузанта. Погружают капилляры в расплав со скоростью, обеспечивающей их равномерный прогрев и медленное выдавливание расплава внутрь капилляров, до приведения в контакт материалов стержней и расплава,

Момент контакта фиксируют, после чего начинают отсчет времени диффузии расплавляющихся веществ. После изотермической выдержки в течение времени г одновременно закаливают расплавы, отключив обогрев печи и заменив тугоплавкую вставку из молибдена на блок легкоплавких вставок, плавящихся с поглощением тепла, выполненных, например, из алюминия, подбирая заранее в процессе тарировки устройства объем вставок, обеспечивающих необходимое для затвердевания снижение температуры.

Изготовив из полученных образцов продольные шлифы, определяют в каждом из них концентрацию диффундирующего вещества в расплаве через определенные расстояния х от границы раздела по высоте

образца вдоль направления диффузии, например, локальным рентгеноспектральным анализом.

Представив экспериментальные данные графически в виде зависимости

дс(х,т)дхIх-о от 1 /VT определяют коэффициенты диффузии D исследуемых веществ по тангенсу угла наклона полученных прямых к оси абсцисс.

На фиг. 1 и 2 изображены соответственно продольный разрез устройства в момент приведения исследуемых веществ в контакт и его поперечный разрез в момент закаливания расплава.

Устройство для осуществления

способа определения коэффициентов диффузии содержит цилиндрический огнеупорный тигель 1, выполненный, например, из корунда, плотно установленный в кожух 2 с полыми стенками, выполненный,

например, из графита, Внутри тигля 1 по его центру размещен полый огнеупорный шток 3 с возможностью перемещения по вертикальной оси (привод на чертежах не показан).

В верхней части штока 3 закреплена выполненная в виде фланца-кольцевая обойма 4, по средней линии которой расположены отверстия, где установлены огнеупорные капилляры 5, равномерно размещенные в объеме тигля, заключенном между стенками тигля 1 и штока 3.

Внутренний радиус тигля 1 rm, наружный радиус штока 3 гш и внутренний диа5 метр каждого капилляра dx связаны между собой соотношением

Гт Гш d

10-15.

Устройство снабжено сменными вставками 6 (фиг.1), 7 и 8 (фиг. 2), две из которых 6 и 7 выполнены соответствующими по форме полости в стенках кожуха 2, а одна 8 - полости штока 3, причем вставка б выполне- на из тугоплавкого материала, например молибдена, а вставки 7 и 8 - из одинакового легкоплавкого материала, плавящегося с поглощением тепла, например алюминия.

Устройство снабжено сигнальной электрической цепью, содержащей проводники 10, гальванический элемент 11, сигнальную лампу 12, и электрический контакт 13, за- крепленный на стенке тигля 1 на нижнем уровне стержня 9 (фиг.1). В корундовый тигель 1 помещают металл-растворитель 14, все устройство ставят в печь (на чертежах не показано).

Устройство работает следующим образом.

В верхнюю часть капилляров на одном уровне с минимальным зазором размещают стержни 9 на высоту h равную 0,1-0,2 вы- соты Н капилляра, К одному из стержней 9 присоединяют проводник 10 сигнальной электрической цепи.

В тигле 1 расплавляют металл-растворитель 14, поместив устройство в печь. При этом вставка 6 из тугоплавкого материала, например, молибдена, установлена в полость стенки кожуха 2, выполненного из графита.

Вставка 6 обеспечивает изотермиче- скую зону по всей высоте Н капилляров 5.

Погружая шток 3 с капиллярами 5 а расплав 14 со скоростью, обеспечивающей их равномерный прогрев и медленное выдавливание расплава 14 внутрь капилляров 5, приводят в контакт материалы стержней 9 с расплавом 14.

Момент контакта фиксируют по загоранию сигнальной лампы 12, после чего начинают отсчет времени диффузии расплав- ляющихся веществ стержней 9 в объемы расплава 14, заключенные в капиллярах 5.

После изотермической выдержки закаливают расплавы, отключив обогрев печи и заменив тугоплавкую вставку 6 на блок лег- коплавких вставок 7 и 8.

Распределение концентраций изучают вдоль направления диффузии, например, локальным рентгеноспектральным анализом на установке Cam-Scan ДВ-4 с энерге- тической системой Ling-860.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициентов диффузии в расплавах, включающий размещение с минимальным зазором в

капилляре стержня из материзля-диффу- занта, приведение его в контакт с расплавом- растворителем, расплавление диффузанта, изометрическую выдержку контактирующих расплавов, определение параметров массо- переноса и расчет на их основании коэффициента диффузии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, стержень помещают в верхней части капилляра, составляющей 0,1-0,2 общей высоты капилляра, выдавливают расплав в капилляр путем его погружения в расплав, фиксируют момент контакта диффузэнта и расплава, после изотермической выдержки закаливают расплав в капилляре и определяют параметры массопереноса путем из- мерения распределения концентрации диффузанта вдоль направления диффузии по истечении времени диффузии.

2.Способ поп.1,отлича ющийся тем, что, с целью расширения границ исследования путем определения в одном эксперименте коэффициентом диффузии в расплаве-растворителе серии веществ-диф- фузантов, используют несколько одинаковых капилляров, размещают их на одном уровне и равномерно над объемом расплава-растворителя, одновременно приводят исследуемые вещества в контакт с расплавом и подвергают изотермической выдержке и закалке.

3.Способ по пп. 1 и 2,отличаю-- щ и и с я тем, что закаливание расплавов в капиллярах осуществляют за счет введения в зону охлаждения капилляров легкоплавкого материала, плавящегося с поглощением тепла.

4.Устройство для определения коэффициентов диффузии в расплавах, содержащее огнеупорные тигель и капилляр, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено серией одинаковых капилляров, равномерно размещенных в отверстиях по средней линии кольцевой обоймы, выполненной в виде фланца, закрепленного вокруг полого огнеупорного штока, расположенного в центре устройства с возможностью перемещения по его вертикальной оси, кожухом с полыми стенками, внутрь которого плотно установлен тигель, съемной вставкой из легкоплавкого материала, плавящегося с поглощением тепла, соответствующей по форме полости штока, и сменными вставками, соответствующими по форме полости между стенками кожуха, одна из которых выполнена из тугоплавкого материала, а другая - из того же материала, что и вставка для полости штока, причем шток с капиллярами, тигель и кожух выполнены цилиндрическими и установлены коаксиально, а разность величин внутреннего радиуса тигля и наружного радиуса штока в

10-15 раз превышает внутренний диаметр капилляров.

Использование: область исследования физико-химических свойств распяавов, в частности определение их диффузионных характеристик. Сущность изобретения. Размещают в верхней части капилляра 0,1-0,2 общей длины стержень из материала - диф- фузанта, приводят его в контакт с расплавом-растворителем путем выдавливания последнего в капилляр при его погружении в расплав, фиксируют момент контакта, после изотермической выдержки закаливают расплав в капилляре, определяют параметры массопереноса. Закаливание осуществляют за счет введения в зону охлаждения капилляров легкоплавкого материала, плавящегося с поглощением тепла. Устройство содержит несколько капилляров, равномерно размещенных по объему цилиндрического тигля вокруг полого огнеупорного штока, расположенного в центре с возможностью перемещения по его вертикальной оси. Кожух выполнен с полыми стенками и снабжен съемными вставками из тугоплавкого и легкоплавкого материалов, причем вставка из тугоплавкого материала соответствует по форме полости между стенками кожуха, а вставки из легкоплавкого материала соответствуют по форме полости штока и полости между стенками кожуха. Разность величины внутреннего радиуса тигля и наружного радиуса штока в 10-15 раз превышает внутренний диаметр капилляров. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил. сл С xi vj 00 о N3 О

/2

Фиг.1

Фиг. 2