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Perfectionnements apportés aux métaux recouverts de carbone et procédé de fabrication de ces métaux.
La présente invention concerne du métal recouvert de carbone destiné à être utilisé là cù il faut avoir une bonne émissivité thermique ou un grand pouvoir de rayonnement de chaleur, par exemple dans des dispositifs sous vide tels que les dispositifs à décharge électriques contenant des parties ou pièces métalliques rayonnant de la chaleur dans le vide, pendant le fonctionnement du dispositif. Un tel métal "carboné" convient particulièrement, dans des dispositifs à décharge électronique, aux éléments de tubes tels que les plaques ou anodes carbonées, aux radiateurs de chaleur tels que les grilles et pour des usages semblables.
L'invention concerne aussi les métaux ou plaques carbonés pour les électrodes de dispositifs à décharge électronique, les procédés de fabrication de ces matières et les électrodes carbonées perfectionnées, telles que plaques ou anodes,
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utilisées dans les dispositifs à décharge thermioniques.
Dans les dispositifs à décharge électronique, les par- ties métalliques autres que les éléments émettant des électrons, sont d'ordinaire maintenues aussi froides que possible. Dans ce but, dans les dispositifs à décharge thermionique tels que les tubes de radio, ces autres électrodes froides, telles que grilles, plaques ou autres électrodes, qui reçoivent ou sont soumises à l'influence du courant électrique en cours de fonctionnement, sont noircies de façon à augmenter leur émissivité thermique ou pouvoir de radiation ; se fait d'habitude en les recouvrant d'une couche de l'une ou l'autre forme de carbone.
Dans les pro- ductions importantes, par raison d'économie, on recouvre de longues bandes métalliques pour électrodes de carbone par un procédé continu et l'on fabrique ensuite les électrodes à par- tir du métal carboné. On a très souvent utilisé le nickel comme métal pour électrodes. Les métaux ferreux tels que l'acier. doux, le fer ou les alliages de fer sont moins coûteux que le nickel et peuvent être utilisés s'ils sont convenablement car- bonés, mais on ne réussissait pas à les carboner de manière satisfaisante. Le procédé de "carbonation" habituel au gaz, le métal étant chauffé dans une atmosphère d'hydrocarbures à une température à laquelle les hydrocarbures se décomposent et dé- posent du carbone sur le métal, ne donne pas satisfaction quand il est appliqué aux métaux ferreux.
La température nécessaire pour obtenir la bonne forme de carbone dans une atmosphère d'hydrocarbures est si élevée que la carbonation devient de la carburation ou cémentation du métal ferreux, ce qui est mauvais pour plusieurs raisons pratiques. La carbonation gazeuse durcit l'acier, même si celui-ci est recouvert d'une mince couche de nickel, et diminue la résistance du métal. Comme les électrodes doivent être exécutées avec grande précision, l'estampage est une opération difficile si la bande carbonée n'est pas parfaite-
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ment ductile et pratiquement sans résilience. La moindre carbura- tion d'une bande de métal ferreux diminue la souplesse du métal et durcit celui-ci à un point tel que l'usure des outillages d'estampage des électrodes devient excessive.
Il est difficile d'obtenir, par des procédés commercia- lement acceptables, une couche de carbone recouvrant une surface métallique et y adhérant fortement, parce qu'apparemment l'on ne peut obtenir une liaison réelle entre le carbone et le métal par un traitement thermique. On a eu recours à divers expédients tels que le sablage, la gravure, l'attaque chimique et d'autres, pour rendre la surface du métal plus rugueuse dans le but d'aug- menter l'adhérence du carbone. L'expérience a montré que l'adhé- rence de la couche de carbone au métal et l'émissivité thermique de l'électrode recouverte de carbone sont une fonction et dépen- dent de la texture de la surface métallique plutôt que de sa ru- gosité.
Le but principal de l'invention est de former sur un métal, tel que de la matière pour plaques ou électrodes, une surface ayant une texture nouvelle à laquelle une couche de car- bone adhère plus fermement qu'aux surfaces obtenues par des procédés habituels, et qui, recouverte de carbone, spécialement du carbone entièrement ou partiellement sous forme de graphite colloïdal, a une émissivité thermique ou une puissance de rayon- nement de chaleur très fortement supérieure à celle de la ma- tière carboné commerciale la meilleure du type conventionnel, et se rapprochant très fort de celle d'un corps noir.
L'invention a aussi les buts suivants: rapporter sur un métal ferreux recuit tel que de l'acier doux une couche de carbone très adhérente appliquée de telle façon que le carbone n'affecte ni ne modifie en aucune façon les propriétés du métal; créer une électrode convenablement carbonée et d'emploi commer- cial en métal ferreux ou autre qui peut, si on le désire, être
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fabriquée de manière a avoir une émissivité thermique supérieure à 90% de celle d'un corps noir;
créer un matériau pour électrodes consistant en bandes ou feuilles de métal ferreux ou autre pratiquement tout-à-fait doux, qui peut être facilement estampé en électrodes de dimensions précises, qui a une surface relativement tendre pouvant être façonnée à la presse, et qui est de préférence recouverte d'une couche de carbone si fermement adhérente qu'elle puisse résister du travail de la matière dans les matrices d'estampage des électrodes; fournir un procédé simple, rapide et continu de traitement d'une bande d'acier ou de métal semblable pour former à sa Surface une couche ou matrice de texture de type nouveau poreuse comme une éponge à laquelle une couche telle que du carbone adhère très fermement et avec laquelle une couche de carbone forme un métal carboné ayant une émissivité thermique très proche de celle d'un corps noir.
Conformément à la présente invention, une feuille de métal, de préférence mais pas nécessairement un métal ferreux tel que l'acier doux, quoique l'on puisse utiliser certains autres métaux tels que le nickel, est recouverte en liant à une ou à ses deux faces une couche poreuse fermement adhérente au métal et composée de fines particules métalliques soudées les unes aux autres de façon à laisser entre elles des vides formant de fins pores.
Dans la forme d'exécution préférée les particu- les métalliques sont des éponges de métal avec des crevasses et des pores microscopiques, soudées entre elles et au métal de façon à former une masse cohérente liée moléculairement au métal et ayant une texture de type nouveau avec une porosité ou un état spongieux dû à la porosité provenant des pores ou vides minuscules entre les particules soudées au métal et entre elles et provenant aussi de la porosité microscopique des par- ticules ou éponges métalliques elles-mêmes. La couche peut être , composée de particules ayant à peu près toutes la même dimension
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ou bien d'un mélange de particules de dimensions différentes.
La surface de la couche recouvrant le métal est habituellement ru- gueuse et irrégulière avec une multitude de pointes et de trous minuscules, la surface des éponges poreuses ou particules de métal étant aussi recouverte de pointes microscopiques. La couche de petites particules poreuses soudées ou éponges de métal a une texture et une structure de type nouveau et est à préférer parce qu'elle retient une couche telle que du carbone, plus fer- mement que la couche poreuse formée avec de fines particules solides de métal soudées les unes aux autres et liées au métal de fond.
Les fines particules métalliques de la couche s'obtiennent le mieux en réduisant,de manière contrôlée, les fines particules d'oxyde de métal constituant les particules, lorsqu'elles se trouvent en place sur le métal de fond. Pour obtenir,par exemple, la forme préférée de couche composée de particules poreuses, on répartit uniformément de l'oxyde métallique finement broyé, de préférence de l'oxyde de nickel, sur toute la surface du métal de manière qu'il soit en contact avec celui-ci ; oxyde forme ainsi une couche d'oxyde en poudre, les grains de poudre étant en contact entre eux et étant maintenus appliqués sur le métal au moyen d'un liant qui disparaît lorsqu'on chauffe modérément.
La poudre d'oxyde est réduite à l'état de nickel métallique en chauffant dans une atmosphère réductrice la bande métallique portant la couche d'oxyde de nickel, de l'hydrogène, par exemple, de préférence à une température entre 800 C et 1100 C, jusqu'à ce que les grains d'oxyde de nickel soient réduits, sans fusion, à l'état de minuscules éponges de nickel pourvues de pores et de crevasses microscopiques. La température à laquelle l'oxyde de nickel est réduit est assez élevée pour que l'on obtienne des éponges de nickel quand les grains d'oxyde de nickel en poudre sont réduits, mais trop basse pour faire fondre l'oxyde de nickel réduit en une masse solide.
Ces éponges poreuses de nickel
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individuelles se maintiennent individuellement malgré qu'elles soient soudées les unes aux autres et au métal de fond plein.
Il s'ensuit que le métal de fond est recouvert d'une couche superficielle de nickel métallique à texture d'un type nouveau, qui est tendre, bien liée au métal sous-jacent et poreuse à cause des minuscules vides existant entre les éponges métalliques et à cause des pores microscopiques dans les éponges mêmes. Le métal recouvert de la couche de type nouveau forme un support qui, lorsqu'il est bien carboné, produit une électrode carbonée su- périeure aux électrodes courantes. Une couche, telle que du car- bone comprenant en majeure partie du graphite colloïdal, appli- quée sur et recouvrant cette couche poreuse s'avère exceptionnel- lement adhérente.
L'adhérence des particules de carbone à la couche poreuse est supérieure à la cohésion de ces particules entre elles ; ils'ensuit que le carbone ne s'enlève pas sous forme de bandes ou de pelures, mais uniquement sous forme d'une poudre de carbone, dont les particules adhèrent très fortement au support. Une telle électrode carbonée retient extraordinaire- ment bien la couche de carbone et a une émissivité thermique ou puissance de rayonnement de chaleur qui peut atteindre les 98% de celle d'un corps noir.
La bande support se fabrique,de 'préférence, par un procédé continu : labande métallique, recouverte d'une couche de poudre d'oxyde de nickel, passe dans un four à hydrogène dans lequel l'oxyde est réduit, de préférence à une température telle et dans des conditions telles que le nickel réduit en métal for- me des particules poreuses ou des éponges de nickel soudées les unes aux autres et à la bande de métal, produisant ainsi un support consistant en une bande de métal recouverte d'une couche ayant la texture et la structure désirées.
Le carbone peut être appliqué sur le support de différen- tes façons, de préférence sous forme d'une peinture de carbone consistant en graphite très finement divisé, noir de fumée ou
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autre forme de carbone suspendu dans un liant liquide. La peinture de carbone peut être appliquée d'une manière convenable quelconque telle que pistolage, brossage, trempage, mais de préférence par trempage ou trainage continu, le support avec la nouvelle couche poreuse ayant la forme d'une bande passant à travers une suspen- sion liquide de graphite colloïdal dans un véhicule tel que l'alcool auquel on peut ajouter un peu de nitrocellulose ou un liant semblable. Si on désire un recouvrement très noir, on peut y ajouter en plus un peu de noir de fumée.
La suspension a une viscosité suffisamment faible pour être rapidement absorbée par la couche poreuse, comme l'encre est absorbée par le papier buvard; la couche est ainsi imprégnée de carbone très finement divisé, et sa surface est recouverte d'une couche de peinture de carbone. Le support est séché et est recouvert ainsi d'une mince coucke de peinture de carbone ou de graphite dont la surface extérieure suit en général approximativement le contour rugueux et irrégulier de la surface de la matrice. Lorsque le véhicule de la peinture de carbone a été éliminé, il reste sur le support une couche de carbone qui est pratiquement liée au métal.
L'invention ressortira clairement de la description donnée ci-après avec référence au dessin annexé qui représente, simplement à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'inven- tion sous la forme d'un élément carboné, tel qu'une plaque ou une anode, d'un tube thermionique, et illustre aussi le meilleur procédé de fabrication de la matière de plaque ou d'anode en la- quelle la plaque ou anode achevée est construite, dessin dans lequel :
La figure 1 représente la surface de la couche poreuse telle qu'on la voit en photomicrographie avec un agrandissement de 1000 diamètres;
La figure 2 montre la structure de la couche en coupe photomicrographique à un agrandissement de 1000 diamètres;
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La figure 3 montre, à grande échelle, la surface de la couche composée d'éponges métalliques soudées les unes aux autres tout en laissant des vides et des pores minuscules;
La figure 4 montre, à grande échelle, une coupe de la structure de la couche représentée à la figure 3;
La. figure 5 montre une partie du métal recouvert d'oxyde de nickel telle qu'on le voit en coupe sur une microphotographie;
La figure 6 montre en coupe le métal recouvert d'une couche formée au départ de la couche d'oxyde de nickel de la figure 5 (photomicrographie), simplement à titre d'illustration de la couche de carbone de l'élément achevé;
La figure 7 est une vue d'une partie de plaque carbonée ayant deux encoches profondes et quatre pliages à angles droits, fabriquée avec succès en grandes quantités conformément à la présente invention;
La figure 8 est une coupe partielle de la bande au moment où celle-ci sort de l'appareil, recouverte d'une couche de peinture de carbone ;
La figure 9 donne en partie schématiquement un exemple d'appareil convenant au procédé continu de fabrication, et
La figure 10 en montre un détail. une forme d'exécution caractéristique de l'invention consiste en une plaque ou anode carbonée ayant, comme le dessin l'indique, un support métallique consistant en une base de métal non poreux 10, de préférence une bande de métal ferreux tel que de l'acier doux ou laminé à froid d'une épaisseur approximati- vement de 5 millièmes de pouce (0,125 mm),
recouverte d'une cou- che métallique poreuse 11 consistant principalement en éponges métalliques ou particules poreuses de nickel 12 ayant des pores microscopiques 13 et liées moléculairement à la base 10 tout en étant soudées les unes aux autres. Des photomicrographies montrent que les pores 13 ont habituellement une dimension moyenne d'environ un dixième de micron.
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Les éponges de nickel ou particules métalliques conser- vent en général, leur individualité, et sont soudées les unes aux autres avec entre elles des vides 14 qui forment de minuscu- les pores capillaires 15 dont beaucoup s'étendent à travers la couche jusqu'à la base 10. Ces pores 15 sont en général plusieurs fois plus grands que les pores microscopiques 13 des éponges de nickel, et peuvent souvent atteindre la dimension des particules de nickel elles-mêmes.
Les expériences ont montré que l'on peut appliquer à la couche poreuse une couche de carbone ; de préféren- ce mais pas nécessairement, si mince que la surface extérieure suit le contour de la face intermédiaire entre la couche poreuse et la couche de carbone et a donc pratiquement le même contour général que la surface de la couche poreuse 11; cette surface sert de fini à une électrode carbonée ayant une émissivité ther- mique ou puissance de rayonnement de chaleur d'environ 90% à 98% de celle d'un corps noir, la couche de carbone ayant une caraté- ristique telle et une adhérence si ferme qu'il n'y a pratique- ment pas de possibilité qu'elle pèle, s'écaille ou qu'une perte notable de çarbone se produise lors de l'utilisation.
Les particules poreuses microscopiques ou éponges de nickel 12 soudées les unes aux autres forment une couche à tex- ture nouvelle attachée à la base et liant une couche telle que du carbone à la base métallique plus fermement que dans les pro- cédés connus antérieurs qui utilisaient des surfaces rendues ru- gueuses par des moyens conventionnels. L'adhérence du carbone au métal ne dépend pas uniquement du degré ou de l'importance de la rugosité de la surface métallique. Le genre de rugosité et la texture de la surface sont beaucoup plus importants.
Le traite- ment mécanique d'une surface métallique par sablage ou gravure seul détériore le métal et diminue sa ductilité par écrouissage, tout en n'obtenant qu'une surface à moitié aussi rugueuse que celle de la couche poreuse 11 et ayant une texture qui lie le carbone au métal beaucoup moins bien que ne le fait la couche poreuse 11.
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Le sablage augmente l'usure des outillages parce qu'il y a souvent de fines particules de matière de sablage qui adhèrent à la matière des électrodes. En répétant le sablage ou la gravure pour augmenter la rugosité de la surface, on détériore de plus en plus le métal sans améliorer la texture au point de vue de l'adhérence du carbone, et il faut ajouter que ce procédé n'est pas viable à cause de son cotit élevé et pour d'autres raisons.
Une bande oxydée de nickel ou d'acier nickelé a une surface très peu rugueuse, et n'a pas la texture voulue pour maintenir le car- bone aussi bien que la couche poreuse de la présente invention.
Des oxydations et des réductions répétées du nickel augmentent jusqu'à un certain point la rugosité de la surface, sans améliorer la texture au point de vue de l'adhérence du carbone, rendent le nickel fragile et ne se justifient pas commercialement, en grande partie à cause du prix.
La couche poreuse 11 composée d'éponges de nickel poreu- ses microscopiques s'obtient le mieux en couvrant le métal 10 d'une couche non compacte d'oxyde de nickel en poudre avec un liant, comme indiqué à la figure 5, et en réduisant l'oxyde de nickel dans des conditions et à une température telles que l'oxy- de est réduit sans fondre de façon à former sur place sur le métal 10 les éponges de nickel et à les souder les unes aux au- tres tout en laissant de minuscules vides entre elles. La couche d'oxyde de nickel peut être formée sur le métal de différentes façons, mais de préférence au moyen d'un mélange ou une suspen- sion d'oxyde en poudre dans un liant, et peut être appliquée de diverses manières comme au pinceau, par pistolage ou en plon- geant le métal dans la suspension.
Un pistolage sec donne une surface très rugueuse, tandis qu'une aspersion humide produit une couche à surface plus unie. On appliquera de préférence l'oxyde par trempage avec train age, le métal étant recouvert en le faisant passer dans un bain contenant la suspension, et en séchant ensuite la couche. On peut trouver sur le marché de l'oxy-
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de de nickel commercial pouvant convenir sous la forme d'un mélan- ge d'oxydes de nickel NiO et Ni203 supposés provenir de minerais naturels après raffinage pour enlever le soufre et d'autres im- puret4s.
L'oxyde est broyé de préférence dans un broyeur à bou- lets jusqu'à l'état d'une poudre tellement fine que la plupart des grains ont un diamètre de 2 microns et que 5% des grains seu- lement ont plus de 5 microns, quoiqu'en certains cas une petite partie des grains puisse être de dimensions beaucoup plus grandes.
Un exemple d'oxyde de nickel broyé au broyeur à boulets contien- dra 80% à 85% de grains eu particules à diamètre d'environ 2 mi- crons, 5% ou plus de. particules entre 2 et 5 microns, le reste des particules ayant un diamètre allant de 5 ou 6 microns à 16 microns. Ces grains d'oxyde de nickel ou particules 16 sont réduits à l'état d'éponges de nickel qui ont environ la même dimension que les particules d'oxyde de nickel dont elles pro- viennent. Ces éponges soudées forment une couche poreuse ayant une surface à fins grains très réguliers (voir fig.l), de cou- leur gris clair et environ deux fois plus rugueuse qu'une surface de nickel sablé en une opération. Il est évident que l'on peut obtenir une couche poreuse avec une surface plus rugueuse en utilisant des grains d'oxydes plus gros.
Pour couvrir le métal d'oxyde de nickel par trempage ou traînage, de bons résultats ont été obtenus avec un mélange de poudre d'oxyde de nickel en sus- pension dans un liant volatil consistant en acétate d'amyle ou de butyle très volatil avec un peu de nitrocellulose. Comme pro- portions convenables on peut citer : 1500 grammes de pou- dre d'oxyde de nickel pour environ 700 grammes d'acétate d'amyle et 35 grammes de nitrocellulose à 40 secondes. On peut ajouter un peu de méthanol, tel que 250 grammes, pour que le liant ait la viscosité voulue. Cette suspension recouvre le métal de façon égale et une fois séchée, elle laisse un recouvrement ou couche convenable d'oxyde de nickel adhérant au métal.
L'expérience a montré que l'on obtient de bons résultats lorsque le liant a une
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viscosité d'environ 30 à 35 c.p.s. à 23 C, ou, avec une pipette standard, de 145 à 170 secondes pour 100 cc. de liant à 23 C.
On réduit de préférence l'oxyde de nickel en chauffant le métal recouvert d'oxyde (voir fig.5), dans une atmosphère réductrice, avantageusement de l'hydrogène, pour des temps et à des températures entre environ 800 C et dix minutes et environ 1100 C et une demi minute; les particules 16 d'oxyde de nickel sont ainsi ordinairement réduites à l'état d'éponges de nickel 12. Un procédé satisfaisant et avantageux consiste à chauffer à 900 C pendant une minute. La quantité préférée de nickel réduit formant la couche poreuse est d'environ 5¸ milligrammes par cm2 de la surface couverte par la couche, ce qui donne une épaisseur de couche d'environ un millième de pouce sur chaque face du métal.
On obtient de bonnes éponges métalliques aux environs de 900 C,température en-dessous de la température de transformation de l'acier doux de la base 11. Si la base en acier est une bande d'acier doux, par exemple, d'une épaisseur de 5 millièmes de pouce, elle peut passer, par un four réducteur du type classique long de six pieds environ, à une vitesse de huit pieds par minu- te, le four étant maintenu sur toute sa longueur à une températu- re qui chauffe la bande à la température recommandée. Dans ces conditions, le métal de base, particulièrement s'il s'agit d'acier doux, est pratiquement complètement recuit et tout-à-fait doux, et a un effet de ressort habituellement négligeable, de 18 à 20 de- grés par exemple, par rapport à l'effet résiliant d'environ 50 à 60 degrés de la bande d'acier à couche de nickel carbonée au gaz.
L'essai de résilienne est bien connu, un essai admis étant dé- crit dans une publication de "The American Society of Testing Materials", essai B-155.
Avec une gamme de températures de 800 C à 1000 C, l'oxy- de de nickel est réduit sans fusion de façon à former les éponges de nickel qui se soudent entre elles et sont liées moléculairement au métal de base au moyen d'un certain alliage nickel-fer qui se
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forme aux surfaces de contact des éponges de nickel et de la base d'acier. A des températures supérieures au point de transformation de la plupart des aciers doux, ce qui est environ 930 C, il peut y avoir une certaine déformation de la bande d'acier ainsi qu'une modification des propriétés de l'acier, telles que la ductilité.
A ces températures plus élevées, les grains d'oxyde de nickel peuvent être réduits à l'état de particules métalliques solides, ce qui donne une couche poreuse à cause des vides minuscules entre les particules solides maintenant convenablement une couche de carbone, mais pas aussi bien qu'une couche poreuse formée d'épon- ges de nickel. On peut obtenir aussi une couche poreuse à particu- les solides à plus basse température, telle que 750 C, en rédui- sant l'oxyde de nickel pendant un temps beaucoup plus long, soit une demi-heure, ce qui n'est pas admissible au point de vue com- mercial à cause du prix.
Pendant la réduction, il y a une cer- taine perte de volume dans la couche d'oxyde de nickel à cause du départ de l'oxygène et du liant et les particules de nickel se soudent entre elles formant ainsi une matrice poreuse sembla- ble à une toile avec de minuscules pores et vides.
La couche poreuse de particules poreuses soudées est plutôt tendre et peut être comprimée à 50%, elle ne contient pas de particules abrasives dures. Une telle couche poreuse de ni- ckel peut être déformée et polie au moyen d'un polissoir en cui- vre, nickel, laiton ou même en bois tendre et peut être fortement comprimée par la pression des outillages de forme, de sorte que l'usure des outillages de façonnage des électrodes est minime.
Un métal de base recouvert d'une couche poreuse conforme à la présente invention et sans couche supplémentaire est un matériau très utile dans différents domaines, spécialement dans les dispositifs à décharge électronique. Si la matière est bien recuite et dégagée, elle peut convenir pour la confection de fils et d'autres éléments de dispositifs thermioniques, et comme elle retient très fermement les revêtements, elle peut convenir
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pour des éléments chargés tels que des grilles recouvertes de carbone et si la base est en nickel, pour des filaments de cathode recouverts d'oxydes et pour des manchons de cathode.
La couche de carbone 17 peut être appliquée sur le sup- port par différents moyens connus. Le support à base de nickel 10 peut donner de bons résultats avec la carbonation au gaz. Si la base 10 est un métal ferreux, tel que l'acier doux ou le fer, soit nu soit avec un léger nickelage, la couche de carbone doit pouvoir être appliquée sans soumettre la base à un traitement thermique en présence de carbone.
De préférence, le carbone est appliqué en garnissant la couche poreuse d'une suspension mince ou boue de carbone sous la forme de carbone très finement divisé, tel que du graphite colloïdal, dans lequel, comme l'indiquent les photomicrographies, les particules ont une dimension allant de 1 micron à une petite fraction bien inférieure à un dixième de micron, une grande partie de ces particules étant donc plus peti- tes que les pores microscopiques 13 dans les éponges de nickel.
De bons résultats ont été;obtenus par trempage ou trainage du métal de base dans une sorte de peinture de carbone consistant en une boue alcoolique, c'est-à-dire une suspension de graphite colloïdal dans l'alcool, et une petite quantité de nitrocellulose à titre de liant disparaissant lorsqu'il est porté à une tempé- rature modérée, telle que 200 C. Comme exemple d'une boue de car- bone appropriée, on peut citer une boue alcoolique en quantité de 200 grammes, soit 160 grammes de méthanol et 40 grammes de graphite colloïdal mélangés à environ 200 c.c. d'un liant à évaporation moyenne consistant en environ 1 partie en poids, à l'état humide, de parts égales de nitrocellulose à ¸ seconde et à 40 secondes et environ 12,5 parties en poids d'acétate d'amyle et diluées dans environ 250 c.c. d'acétate de butyle et 200 c.c. de méthanol.
La couche poreuse a un degré et un type de porosité tels, qu'elle absorbe la suspension fine de boue alcoolique comme un papier buvard absorbe l'encre. Avec ce mélange, l'élec-
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trode carbonée fabriquée a un revêtement de carbone noir grisâ- tre très efficace. Pour obtenir une couche de carbone plus noire se rapprochant du rayonnement de chaleur optimum, on peut utili- ser 100 grammes de boue"alcoolique et 100 grammes de noir de fumée au lieu des 200 grammes de boue alcoolique. Le métal à cou- che poreuse est entièrement imprégné de ce mélange et séché, laissant (voir fig.8) le métal couvert d'une mince couche très adhérente 18 de peinture de carbone comprenant du carbone fine- ment divisé et une petite quantité de liant.
Les éléments de tube, tels que les plaques, sont fabri- qués avec ce métal recouvert, de préférence en les façonnant dans des presses, par le procédé habituel. La couche séchée 18 de peinture de carbone adhère si fermement qu'elle n'est pas dété- riorée dans les outillages, et que d'habitude il ne faut pas de lubrifiant dans les outillages. Si l'électrode, dans son état final, a une forme compliquée, comme indiqué à la figure 7, avec des parties très rentrantes et des pliages vifs, il est bon de lubrifier un tant soit peu les outillages ; ce cas, on peut utiliser un lubrifiant tel que de l'huile de machine qui ne ramollit pas la nitrocellulose.
L'élément avec son revêtement est achevé et prêt à l'emploi après enlèvement du liant de la couche séchée de pein- ture de carbone, ce qui se fait de préférence en chauffant dans un milieu neutre ou non-oxydant. Le liant disparaît en chauffant à une température modérée, telle que 200 C, et laisse sur l'élé- ment de tube une couche de carbone mince, très adhérente. L'élé- ment peut être chauffé pendant que l'on fait le vide dans le tube dans lequel il est monté, mais il est de préférence chauffé avant qu'on ne le monte dans le groupe d'électrodes.
Dans le procédé préféré les éléments façonnés à revête- ment de carbone sont généralement portés à environ 800 C dans une atmosphère d'hydrogène pendant environ dix minutes, à titre d'opération d'achèvement. En les chauffant ainsi on enlève .d'abord.le liant de la couche séchée de peinture de carbone, et
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ensuite on nettoie et on parachève l'élément. A cette température et dans ces conditions la cémentation ou transformation du métal de base par le carbone est négligeable. Le résultat donne un élément carboné, comme une plaque, avec une couche de carbone dont l'adhérence à la base est supérieure à sa cohésion.
En le brossant, il peut s'en détacher de la poudre de carbone, mais non des pelures ou des morceaux, comme cela se produit souvent avec les électrodes carbonées par le procédé habituel.
La couche de carbone recouvrant l'électrode finie sera, de préférence, aussi mince que possible de façon à former une bonne surface noire. Par exemple, on a constaté qu'une couche donnant de bons résultats pèse aux environs de 2 milligrammes par cm2 de surface de base. Comme une telle couche couvre complè- tement la couche poreuse jusqu'à une épaisseur appréciable, elle est fermement attachée au métal portant la couche poreuse et peut être si mince que sa surface suit pratiquement le contour de la surface de la couche foreuse du support. La couche de car- bone est si adhérente qu'il n'est pas possible de l'enlever méca- niquement de l'anode carbonée par grattage sans déformer la cou- che métallique poreuse.
On peut l'enlever sans altérer la struc- ture de la couche poreuse en portant l'anode carbonée à environ 1000 C pendant dix minutes dans une atmosphère d'hydrogène, tel que de l'hydrogène industriel, qui contient une certaine quantité de vapeur d'eau. On peut ainsi dégager la couche poreuse 11 de l'anode carbonée sans déformations appréciables.
Des anodes à revêtement de carbone, par exemple, fabri- qués par le procédé ci-dessus ont donné, lors de mesures com- paratives, une émissivité thermique très supérieure à celle des anodes carbonées courantes. L'émissivité thermique d'une anode carbonée conforme à la présente invention dépasse les 90% et se trouve d'ordinaire entre 95% et 98% de celle d'un corps noir, alors que l'émissivité thermique d'anodes carbonées semblables mais commerciales de type courant se situe entre environ 60% et
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un peu moins de 90% de celle d'un corps noir. Ces mesures com- paratives faites dans l'air à 200 C dans le but d'éviter une oxydation possible, ont été réalisées jusqu'aux températures habituellement atteintes' par des anodes en service.
Quoique la forme d'exécution préférée de la présente invention utilise une t8le d'acier doux comme métal de base, une couche poreuse formée d'éponges métalliques et comme revê- tement de carbone un mélange de graphite colloïdal et de noir de fumée, il est évident que l'on peut utiliser d'autres métaux pour la base ou la couche poreuse, à la condition que les parti- cules métalliques de cette couche puissent être réduites de l'état d'oxyde à l'état de métal lorsqu'elles se trouvent en place sur le métal de base, et qu'elles se soudent à la base et entre elles tout en maintenant des vides capillaires, et que l'on peut uti- liser aussi d'autres types de revêtement de carbone.
Par exemple, la base peut être en nickel ou en acier nickelé, et l'on peut remplacer une partie de l'oxyde de nickel par de l'oxyde de fer là où il ne faut pas nécessairement que toutes les particules aient une structure spongieuse.
La présente invention a des avantages commerciaux marqués, entre autres un prix de revient notablement réduit. Avec un seul traitement thermique en atmosphère d'hydrogène, l'oxyde de la couche poreuse métallique est réduit sur place définitive et les particules métalliques réduites sont soudées les unes aux autres et à la base ; on peut utiliser une base métallique peu coûteuse telle que du fer ou de l'acier et on peut appliquer le revête- ment de carbone par un procédé plus rapide et moins cher que la carbonation au gaz, par exemple, surtout parce que la porosité particulière de la couche poreuse fait que celle-ci absorbe très rapidement la boue de carbone, comme le buvard boit l'encre, formant donc sur le produit fini une couche mince très adhérente de carbone qui recouvre complètement la couche poreuse.
Jusqu'ici,- il n'était pas possible de carboner convenablement le fer sans un
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traitement thermique en présence de carbone avec l'inévitable conséquence d'une cémentation et d'une altération du métal. Avec la présente invention le fer carboné n'est pas altéré, et est même amélioré à certains points de vue par le dégazage et le re- cuit qu'il subit pendant l'opération de réduction de l'oxyde de nickel.
Parmi les caractéristiques de structure et autres qui distinguent l'électrode métallique carbonée conforme à la présente invention des électrodes métalliques carbonées courantes anté- rieures, il faut citer une base en métal pratiquement entièrement recuit qui, dans le cas d'un métal ferreux tel que l'acier doux, est pratiquement tout-à-fait tendre et a une résilience réduite de moitié ou plus par rapport à celle d'une base en acier nickelé carboné aù gaz, une couche métallique poreuse de texture nouvelle sur la base comprenant des particules de métal soudées entre elles et liées moléculairement à la base, et sur la couche poreuse un revêtement exceptionnellement adhérent de carbone qui ne s'enlève ni par pelures ni par morceaux.
Cette électrode carbo- née a une émissivité thermique extraordinairement élevée, qui peut se trouver et se trouve d'ordinaire entre 90% et 98% de celle d'un corps noir. Le comportement des plaques carbonées conformes à l'invention dans les tubes thermioniques, est telle- ment supérieur à celui des plaques carbonées courantes, que l'on peut réaliser avec elles certains types de tubes très utiles que l'on ne peut exécuter avec succès au moyen des plaques carbonées courantes et que l'on ne peut réaliser commercialement sans elles.
Le procédé préféré de fabrication conforme à l'invention consiste en un processus continu au moyèh duquel, au point de vue général, une bande d'acier est recouverte par trainage ou trem- page d'une boue d'oxyde de nickel, et la bande recouverte passe dans un four à réduction où l'oxyde de nickel, étant en place sur la bande, est réduit de façon'à former la couche poreuse sur
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la bande et à produire ainsi le support qui est ensuite recou- vert par trainage au trempage dé la boue ou peinture de carbone de manière à former la matière à électrodes, avec la- quelle on peut fabriquer rapidement et économiquement des élé- ments de tube, tels que des anodes, de préférence dans des pres- ses de forme.
Le procédé continu ressortira clairement de la descrip- tion suivante plus détaillée, avec référence au dessin et plus particulièrement les figures 9 et 10. Dans ce procédé, la base 10, ayant la forme d'une bande d'acier doux, connu commerciale- ment sous le n .1010, épaisse de 5 millièmes de pouce par con- venance, se déroule d'un dévidoir 20, en passant sur une poulie 23 et dans une chambre de boue d'oxyde 24 contenant la boue d'oxyde de nickel recommandée ci-dessus pour le recouvrement par trainage.
Afin que la boue se dépose en une couche mince et uniforme, la bande 10 passe sur une poulie 25 dans la chambre 24 et ensuite sort de la chambre et monte dans un égaliseur 26 qui (voir fig.10) peut ê,/tre un tuyau ayant deux rainures diamé- tralement opposées légèrement plus larges que la bande 10 qui passe dans les rainures avec un léger jeu. La boue d'oxyde dans la chambre 24 circule continuellement, chassée dans le tuyau par la pompe 27 et débordant par les rainures dans la chambre 24.
Afin que la couche d'oxyde soit uniforme dans le sens lon- gitudinal de la bande, les particules d'oxyde doivent être dis- persées de manière régulière dans la suspension par la pompe, et la boue doit avoir une viscosité constante, ce qui peut se réaliser convenablement en ajoutant au départ d'un réservoir 28 par une valve à pointeau 29 une quantité régulière de métha- nol ou d'un autre agent volatil, au contenu de la chambre 24.
La bande recouverte de la boue d'oxyde sort de l'égali- seur 26 et se déplace verticalement dans un four de séchage vertical 30, qui peut être maintenu à environ 200 C et dans lequel les constituants volatil du liant s'évaporent, mais où ,la nitrocellulose ne disparaît pas, parce que la couche d'oxyde 1 --
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de nickel et la bande sont maintenues à une température trop basse. La bande, recouverte d'une couche séchée d'oxyde de ni- ckel, passe du four de séchage dans le four réducteur vertical 31 par une rainure ou ouverture, dans le fond, légèrement plus large que la bande et ne laissant qu'un jeu juste suffisant pour que la couche séchée ne soit pas arrachée de la bande.
Le four réducteur a une atmosphère d'hydrogène ou d'un autre gaz ré- ducteur introduit par une entrée 31a se trouvant à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et est main- tenu à une température telle que la bande dans le four soit portée à une température entre 800 C et 1100 C, ce qui provo- que la décomposition de la nitrocellulose et la réduction de l'oxyde de nickel. A la température choisie les particules de nickel résultant de la réduction se soudent bien les unes aux autres et sont liées moléculairement à la bande d'acier.
La tem- pérature de la bande dans le four et sa vitesse de déplacement sont telles que le nickel réduit adhère bien à l'acier grâce à un début de fusion de l'alliage fer-nickel à la surface de contact, tandis que la grosse part du nickel réduit se trouve sous la forme d'une couche poreuse formée d'éponges de nickel poreuses microscopiques. Le four 31 est de type courant, long de six pieds environ, et se maintient pratiquement à la même température d'un bout à l'autre. La bande peut passer dans le four à une vi- tesse d'environ huit pieds à la minute. La bande froide entrant dans le four chaud à cette vitesse, est soumise à un accroisse- ment de température assez brusque et important. Ce gradient de température élevé est avantageux au point de vue de l'obtention de la structure de couche poreuse de nickel désirée.
La vapeur d'eau, sous-produit de la réduction, a une action de décarbura- tion et d'adoucissement sur l'acier.
La bande 10 sert du four 31 sous la forme d'un support avec une couche de recouvrement en nickel métallique soudé qui est tendre, fortement poreuse, et liée à la bande métallique.
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L'extrême porosité du produit peut être mise en évidence en y déposant de l'encre, qui est pratiquement entièrement absorbée, comme par un papier buvard. Avec les bandes antérieures connues, l'encre, après séchage, se marque sur la surface et reste visi- ble de façon permanente comme sur du papier. En quittant le four, la bande avec surface de nickel passe dans une chambre de refroi- dissement 32,sur une poulie 33 enfermée dans une enceinte hermé- tique aux gaz et redescend dans une autre chambre de refroidisse- ment 34, d'où elle sort par une rainure pratiquée dans le fond à la température ambiante pratiquement. Les deux chambres de re- froidissement et l'enceinte pour la poulie 33 sont pleines d'hy- drogène venant du four, la chambre de refroidissement 32 ouvrant sur le four d'une part et dans l'enceinte de la poulie 33 d'autre part.
A la sortie de la chambre de refroidissement 34, la bande support est prête à recevoir son revêtement, de carbone, par exemple, La bande peut être emmagasinée, si on le désire, et le revêtement peut être appliqué plus tard dans une opération ultérieure séparée. Il est préférable de passer la bande support directement dans la chambre d'appljc ation du carbone 35, puis sur une poulie 36 dans la chambre, et ensuite vers le haut dans une autre chambre d'application 37, semblable à l'égaliseur 26, traversée par la suspension de carbone, maintenue à la bonne viscosité grâce à un petit réservoir de méthanol 38 servant à envoyer du méthanol par une valve à pointeau 39, et entraînée dans la chambre d'application 37 au moyen d'une pompe 40.
La bande support garnie d'un revêtement de peinture ou de suspension de carbone qui a pénétré les pores et les crevasses de la couche poreuse de nickel comme l'encre est absorbée par un papier buvard, entre ensuite dans un four de séchage 41 sembla- ble au four 30 et maintenu à environ 200 C pour obtenir une couche sèche 18 de peinture de carbone recouvrant la matrice.
Le liant dans la suspension de carbone relie les particules de
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carbone les unes aux autres sur la surface, dans les pores et les crevasses de la coucke poreuse en nickel. Le carbone peut être soit amorphe soit graphitique, suivant la nature du carbonemis dans la suspension de la chambre d'application 35.
La bande support avec sa couche de carbone séché 18 (voir fig.8) quitte le four 21 et passe par une poulie 22 sur une bobine, non représentée, et peut ensuite être stockée comme matière d'élec- trode avec laquelle on peut fabriquer des électrodes et des élé- ments de tube. Le carbone peut, de cette façon, être appliquée sur la bande à couche superficielle, beaucoup plus rapidement que par les procédés de carbonation aux gaz, dans lesquels le carbone est appliqué par dépôt de gaz hydrocarbures. Avec le procédé conforme à l'invention, on a atteint une vitesse de huit pieds à la minute, ce qui est dix fois plus rapide que le procédé de carbonation aux gaz.
Avec une bande d'acier de 5 millièmes de pouce, la couche formée sur les deux faces par la couche poreuse de nickel et la peinture de carbone augmente l'épaisseur de la bande support tout au plus jusqu'à 7,5 millièmes de pouce. On ne rencontrera de ce fait aucune difficulté dans la fabrication de plaques de tubes à vide avec des outillages prévus pour une épaisseur de 5 millièmes de pouce, la bande support construite conformément à la présente invention avec sa couche de peinture de carbone, est facilement comprimée dans les outillages. Cependant, si on le désire, on peut faire passer la bande support entre des rou- leaux et la comprimer.
On a pu ainsi réduire l'épaisseur de la couche sur chaque face de la bande à une épaisseur inférieure à 1 millième de pouce sans affecter matériellement les caractéris- tiques de rayonnement de chaleur de l'électrode finie. On peut, avec le métal recouvert par le procédé de la présente invention, comprimé ou non, fabriquer des électrodes carbonées dont le pouvoir de rayonnement de chaleur ou émissivité thermique se .rapproche plus de celle d'un corps noir que les métaux carbonés
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obtenus par n'importe quelle autre méthode connue.
Le présent procédé a comme avantage supplémentaire que la bande d'acier brute livrée par le fabricant peut être stockée et utilisée plus tard sans nettoyage, la rouille sur la bande d'acier étant réduite dans la chambre de réduction ; un film d'huile peut aussi être toléré sur la bande.
La couche de peinture de carbone sur la bande recouverte d'une coucke poreuse de nickel, adhère très fermement au nickel et ne s'amoncelle pas dans les outillages lors de la fabrication des éléments de tube. Les éléments de tube fabriqués avec cette matière peuvent être chauffés dans une atmosphère d'hydrogène à environ 800 C pour dix minutes, comme d'habitude, sans que le carbone ne se dégarnisse. La matière pour électrodes ou plaques conforme à l'invention a aussi comme avantage d'être dégazée et purifiée grâce à ce chauffage assez rigoureux.
Le présent procédé de reoouvrement de métaux par du car- bone peut s'appliquer à divers métaux. Il convient aussi bien pour des bandes nickelées que pour des bandes de métal ferreux.
Il peut aussi être utilisé pour souder ensemble deux surfaces métalliques de métaux différents qui ne peuvent être réunis l'un à l'autre par galvanoplastie ou tout autre procédé. Par exemple, nickel et cuivre qui ne peuvent être déposés ensemble électro- lytiquement sont facilement réunis. Il est aussi possible d'ajou- ter des substances non métalliques aux métaux, en les mélangeant dans la suspension.
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Improvements made to metals coated with carbon and manufacturing process for these metals.
The present invention relates to carbon coated metal for use where it is necessary to have good thermal emissivity or high heat radiating power, for example in vacuum devices such as electric discharge devices containing parts or parts. metal radiating heat in a vacuum during operation of the device. Such a "carbonaceous" metal is particularly suitable, in electronic discharge devices, for tube elements such as carbonaceous plates or anodes, for heat radiators such as grids and for similar uses.
The invention also relates to metals or carbonaceous plates for the electrodes of electronic discharge devices, the methods of manufacture of these materials and the improved carbonaceous electrodes, such as plates or anodes,
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used in thermionic discharge devices.
In electronic discharge devices, metallic parts other than the electron emitting elements are usually kept as cool as possible. For this purpose, in thermionic discharge devices such as radio tubes, these other cold electrodes, such as grids, plates or other electrodes, which receive or are subjected to the influence of electric current during operation, are blackened. so as to increase their thermal emissivity or radiation power; is usually done by covering them with a layer of some form of carbon.
In large productions, for reasons of economy, long metal strips for carbon electrodes are covered by a continuous process and the electrodes are then fabricated from the carbon metal. Nickel has very often been used as a metal for electrodes. Ferrous metals such as steel. Soft iron or iron alloys are less expensive than nickel and can be used if properly carbonated, but they have not been successfully carbonized. The usual gas "carbonation" process, the metal being heated in a hydrocarbon atmosphere to a temperature at which the hydrocarbons decompose and deposit carbon on the metal, is unsatisfactory when applied to ferrous metals. .
The temperature required to get the right form of carbon in a hydrocarbon atmosphere is so high that carbonation becomes carburization or cementation of the ferrous metal, which is bad for several practical reasons. Carbonation gas hardens steel, even if it is coated with a thin layer of nickel, and decreases the strength of the metal. As the electrodes must be executed with great precision, stamping is a difficult operation if the carbon strip is not perfect -
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ductile and virtually resilient. The less carburization of a strip of ferrous metal decreases the flexibility of the metal and hardens it to such an extent that the wear of the electrode stamping tools becomes excessive.
It is difficult to obtain, by commercially acceptable methods, a carbon layer covering a metallic surface and adhering strongly thereto, because apparently no real bond between the carbon and the metal can be obtained by treatment. thermal. Various expedients such as sandblasting, etching, etching and others have been used to roughen the surface of the metal in order to increase the adhesion of the carbon. Experience has shown that the adhesion of the carbon layer to the metal and the thermal emissivity of the carbon coated electrode are a function and depend on the texture of the metal surface rather than on its ru- gosity.
The main object of the invention is to form on a metal, such as material for plates or electrodes, a surface having a new texture to which a layer of carbon adheres more firmly than to surfaces obtained by usual methods. , and which, coated with carbon, especially carbon wholly or partially in the form of colloidal graphite, has a thermal emissivity or heat radiating power very greatly greater than that of the best commercial carbonaceous material of the conventional type , and getting very close to that of a black body.
The invention also has the following objects: to provide on an annealed ferrous metal such as mild steel a very adherent carbon layer applied in such a way that the carbon does not affect or modify in any way the properties of the metal; to create a suitably carbonaceous and commercially useful electrode of ferrous or other metal which may, if desired, be
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manufactured so as to have a thermal emissivity greater than 90% of that of a black body;
create an electrode material consisting of strips or sheets of ferrous or other substantially soft metal, which can be easily stamped into precisely dimensioned electrodes, which has a relatively soft press-shaped surface, and which is preferably covered with a layer of carbon so firmly adherent that it can withstand the work of the material in the stamping dies of the electrodes; provide a simple, rapid and continuous process of treating a strip of steel or similar metal to form on its surface a porous novel-type texture layer or matrix such as a sponge to which a layer such as carbon adheres very firmly and with which a carbon layer forms a carbon metal having a thermal emissivity very close to that of a black body.
In accordance with the present invention, a sheet of metal, preferably but not necessarily a ferrous metal such as mild steel, although some other metals such as nickel can be used, is covered by bonding to one or both of them. faces a porous layer firmly adhering to the metal and composed of fine metal particles welded to each other so as to leave between them voids forming fine pores.
In the preferred embodiment the metal particles are metal sponges with crevices and microscopic pores, welded together and to the metal so as to form a coherent mass molecularly bonded to the metal and having a novel type texture with porosity or spongy condition due to porosity arising from the minute pores or voids between and between the particles welded to the metal and also arising from the microscopic porosity of the metal particles or sponges themselves. The layer can be, composed of particles having approximately all the same dimension
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or else a mixture of particles of different dimensions.
The surface of the layer covering the metal is usually rough and irregular with a multitude of tiny spikes and holes, the surface of porous sponges or metal particles also being covered with microscopic spikes. The layer of welded small porous particles or metal sponges has a novel texture and structure and is preferred because it retains a layer such as carbon more firmly than the porous layer formed with fine solid particles. of metal welded to each other and bonded to the base metal.
The fine metal particles in the layer are best obtained by reducing, in a controlled manner, the fine metal oxide particles constituting the particles, when they are in place on the base metal. To obtain, for example, the preferred form of a layer composed of porous particles, finely ground metal oxide, preferably nickel oxide, is uniformly distributed over the entire surface of the metal so that it is in contact. with this one; oxide thus forms a layer of powdered oxide, the powder grains being in contact with one another and being kept applied to the metal by means of a binder which disappears when heated moderately.
The oxide powder is reduced to the state of metallic nickel by heating in a reducing atmosphere the metallic strip carrying the layer of nickel oxide, hydrogen, for example, preferably at a temperature between 800 C and 1100 C. C, until the grains of nickel oxide are reduced, without melting, to tiny nickel sponges with microscopic pores and crevices. The temperature at which the nickel oxide is reduced is high enough to produce nickel sponges when the powdered nickel oxide grains are reduced, but too low to melt the reduced nickel oxide. a solid mass.
These porous nickel sponges
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individually hold each other despite being welded to each other and to the solid base metal.
As a result, the base metal is covered with a surface layer of new-textured metallic nickel, which is soft, well bonded to the underlying metal and porous due to the tiny voids between the metal sponges. and because of the microscopic pores in the sponges themselves. The metal coated with the novel type layer forms a support which, when properly carbonated, produces a carbonaceous electrode superior to the current electrodes. A layer, such as carbon mainly comprising colloidal graphite, applied to and covering this porous layer turns out to be exceptionally adherent.
The adhesion of the carbon particles to the porous layer is greater than the cohesion of these particles to one another; It follows that the carbon is not removed in the form of bands or peels, but only in the form of a carbon powder, the particles of which adhere very strongly to the support. Such a carbonaceous electrode retains the carbon layer extraordinarily well and has a thermal emissivity or heat radiating power which can reach 98% of that of a black body.
The support strip is preferably produced by a continuous process: the metal strip, covered with a layer of nickel oxide powder, passes through a hydrogen furnace in which the oxide is reduced, preferably at a temperature such and under conditions such that the metal reduced nickel forms porous particles or nickel sponges welded to each other and to the metal strip, thereby producing a backing consisting of a metal strip covered with a layer having the desired texture and structure.
The carbon can be applied to the support in various ways, preferably as a carbon paint consisting of very finely divided graphite, carbon black or.
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another form of carbon suspended in a liquid binder. The carbon paint can be applied in any suitable manner such as spraying, brushing, dipping, but preferably by dipping or continuous dragging, the support with the new porous layer being in the form of a strip passing through a hanger. Liquid fusion of colloidal graphite in a vehicle such as alcohol to which a little nitrocellulose or a similar binder can be added. If you want a very black covering, you can also add a little carbon black.
The suspension has a viscosity low enough to be quickly absorbed by the porous layer, as ink is absorbed by blotting paper; the layer is thus impregnated with very finely divided carbon, and its surface is covered with a layer of carbon paint. The support is dried and is thus covered with a thin layer of carbon or graphite paint, the exterior surface of which generally follows approximately the rough and irregular contour of the surface of the die. When the vehicle of the carbon paint has been removed, a layer of carbon remains on the carrier which is substantially bonded to the metal.
The invention will emerge clearly from the description given below with reference to the accompanying drawing which shows, simply by way of example, one embodiment of the invention in the form of a carbon element, such as a plate or anode, of a thermionic tube, and also illustrates the best method of making the plate or anode material into which the completed plate or anode is constructed, in which:
FIG. 1 represents the surface of the porous layer as seen in photomicrography with an enlargement of 1000 diameters;
FIG. 2 shows the structure of the layer in photomicrographic section at an enlargement of 1000 diameters;
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Figure 3 shows, on a large scale, the surface of the layer composed of metal sponges welded to each other while leaving tiny voids and pores;
FIG. 4 shows, on a large scale, a section of the structure of the layer shown in FIG. 3;
Figure 5 shows part of the nickel oxide coated metal as seen in section in a photomicrograph;
Figure 6 shows in section the metal covered with a layer formed from the nickel oxide layer of Figure 5 (photomicrograph), simply by way of illustration of the carbon layer of the finished element;
Fig. 7 is a view of a carbon plate portion having two deep notches and four right angle bends, successfully manufactured in large quantities in accordance with the present invention;
FIG. 8 is a partial section of the strip as it leaves the apparatus, covered with a layer of carbon paint;
Figure 9 gives in part schematically an example of an apparatus suitable for the continuous manufacturing process, and
Figure 10 shows a detail. a characteristic embodiment of the invention consists of a carbonaceous plate or anode having, as the drawing indicates, a metallic support consisting of a base of non-porous metal 10, preferably a strip of ferrous metal such as iron. 'mild or cold-rolled steel of a thickness of approximately 5 thousandths of an inch (0.125 mm),
covered with a porous metal layer 11 consisting mainly of metal sponges or porous nickel particles 12 having microscopic pores 13 and molecularly bonded to the base 10 while being welded together. Photomicrographs show that pores 13 usually have an average size of about a tenth of a micron.
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The nickel sponges or metal particles generally retain their individuality, and are welded to each other with voids 14 between them which form tiny capillary pores 15, many of which extend through the layer to. base 10. These pores 15 are generally several times larger than the microscopic pores 13 of nickel sponges, and can often grow to the size of the nickel particles themselves.
Experiments have shown that a carbon layer can be applied to the porous layer; preferably, but not necessarily, so thin that the outer surface follows the contour of the intermediate face between the porous layer and the carbon layer and therefore has substantially the same general contour as the surface of the porous layer 11; this surface serves as a finish to a carbonaceous electrode having a thermal emissivity or heat radiating power of about 90% to 98% of that of a black body, the carbon layer having such a characteristic and adhesion so firm that there is virtually no possibility of peeling, flaking, or noticeable loss of carbon occurring during use.
The microscopic porous particles or nickel sponges 12 welded together form a novel texture layer attached to the base and bonding a layer such as carbon to the metal base more firmly than in the prior known methods which used. surfaces made rough by conventional means. The adhesion of carbon to metal does not depend solely on the degree or importance of the roughness of the metal surface. The kind of roughness and texture of the surface is much more important.
The mechanical treatment of a metal surface by sandblasting or etching alone deteriorates the metal and decreases its ductility by strain hardening, while only obtaining a surface half as rough as that of the porous layer 11 and having a texture which binds carbon to metal much less well than porous layer 11 does.
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Sandblasting increases tool wear because there are often fine particles of sandblasting material that adhere to the electrode material. By repeating sandblasting or etching to increase the roughness of the surface, the metal is increasingly deteriorated without improving the texture from the point of view of carbon adhesion, and it should be added that this process is not viable. because of its high cost and for other reasons.
An oxidized strip of nickel or nickel-plated steel has a very smooth surface, and does not have the desired texture to hold carbon as well as the porous layer of the present invention.
Repeated oxidations and reductions of nickel to some extent increase the roughness of the surface, without improving the texture in terms of carbon adhesion, make nickel brittle and largely not commercially justified. because of the price.
The porous layer 11 composed of microscopic porous nickel sponges is best obtained by covering the metal 10 with a non-compacted layer of powdered nickel oxide with a binder, as shown in Figure 5, and then reducing nickel oxide under conditions and at a temperature such that the oxide is reduced without melting so as to form in place on the metal the nickel sponges and to weld them together while at the same time leaving tiny gaps between them. The nickel oxide layer can be formed on the metal in various ways, but preferably by means of a mixture or suspension of powdered oxide in a binder, and can be applied in various ways such as with a brush. , by spraying or dipping the metal in the suspension.
Dry spraying gives a very rough surface, while wet spraying produces a smoother surface coat. The oxide will preferably be applied by soaking with train aging, the metal being covered by passing it through a bath containing the suspension, and then drying the layer. One can find in the oxy-
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Suitable commercial nickel in the form of a mixture of nickel oxides NiO and Ni 2 O 3 assumed to come from natural ores after refining to remove sulfur and other impurities.
The oxide is preferably ground in a ball mill to a powder so fine that most of the grains are 2 microns in diameter and only 5% of the grains are greater than 5. microns, although in some cases a small portion of the grains may be of much larger dimensions.
An example of ball mill ground nickel oxide will contain 80% to 85% grain, particle size about 2 microns, 5% or more. particles between 2 and 5 microns, the remainder of the particles having a diameter ranging from 5 or 6 microns to 16 microns. These nickel oxide grains or particles 16 are reduced to the state of nickel sponges which are approximately the same size as the nickel oxide particles from which they originate. These welded sponges form a porous layer with a very even fine-grained surface (see fig.l), light gray in color and about twice as rough as a nickel sandblasted surface in one operation. Obviously, a porous layer with a rougher surface can be obtained by using larger oxide grains.
To cover the metal with nickel oxide by dipping or dragging, good results have been obtained with a mixture of nickel oxide powder suspended in a volatile binder consisting of very volatile amyl or butyl acetate with a little nitrocellulose. Suitable proportions include: 1500 grams of nickel oxide powder per about 700 grams of amyl acetate and 35 grams of nitrocellulose at 40 seconds. A little methanol, such as 250 grams, can be added so that the binder has the desired viscosity. This suspension coats the metal evenly and when dried it leaves a suitable coating or layer of nickel oxide adhering to the metal.
Experience has shown that good results are obtained when the binder has a
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viscosity of about 30 to 35 c.p.s. at 23 C, or, with a standard pipette, 145 to 170 seconds per 100 cc. of binder at 23 C.
Nickel oxide is preferably reduced by heating the oxide coated metal (see Fig. 5), in a reducing atmosphere, preferably hydrogen, for times and at temperatures between about 800 C and ten minutes and about 1100 C and half a minute; the particles 16 of nickel oxide are thus ordinarily reduced to the state of nickel sponges 12. A satisfactory and advantageous method is to heat at 900 ° C. for one minute. The preferred amount of reduced nickel forming the porous layer is about 5¸ milligrams per cm2 of the area covered by the layer, resulting in a layer thickness of about one thousandth of an inch on each side of the metal.
Good metal sponges are obtained around 900 C, temperature below the processing temperature of mild steel base 11. If the steel base is a strip of mild steel, for example, of thickness of 5 thousandths of an inch, it can pass, through a reducing furnace of the conventional type about six feet long, at a speed of eight feet per minute, the furnace being maintained over its entire length at a temperature which heats up the tape at the recommended temperature. Under these conditions, the parent metal, particularly if it is mild steel, is almost completely annealed and quite soft, and has a usually negligible spring effect, from 18 to 20 degrees per. example, with respect to the resilient effect of about 50-60 degrees of gas carbonated nickel-coated steel strip.
The resilian test is well known, one accepted test being described in a publication of "The American Society of Testing Materials", test B-155.
With a temperature range of 800 C to 1000 C, nickel oxide is reduced without melting so as to form nickel sponges which weld together and are molecularly bonded to the base metal by means of a certain nickel-iron alloy which
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forms nickel sponges and steel base at the contact surfaces. At temperatures above the processing point of most mild steels, which is around 930 C, there may be some deformation of the steel strip as well as a change in the properties of the steel, such as ductility.
At these higher temperatures, the nickel oxide grains can be reduced to the state of solid metal particles, resulting in a porous layer because of the tiny voids between the solid particles suitably maintaining a carbon layer, but not so although a porous layer of nickel sponge. It is also possible to obtain a porous layer with solid particles at a lower temperature, such as 750 C, by reducing the nickel oxide for a much longer time, i.e. half an hour, which is not necessary. commercially admissible because of the price.
During reduction there is some loss of volume in the nickel oxide layer due to the departure of oxygen and binder and the nickel particles weld together forming a similar porous matrix. to a canvas with tiny pores and voids.
The porous layer of welded porous particles is rather soft and can be compressed to 50%, it does not contain hard abrasive particles. Such a porous layer of nickel can be deformed and polished by means of a polisher made of copper, nickel, brass or even softwood and can be strongly compressed by the pressure of the forming tools, so that the wear of the electrode shaping tools is minimal.
A base metal coated with a porous layer in accordance with the present invention and without an additional layer is a very useful material in various fields, especially in electronic discharge devices. If the material is well annealed and cleared, it may be suitable for making wires and other elements of thermionic devices, and since it holds coatings very firmly, it may be suitable.
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for charged elements such as carbon coated grids and if the base is nickel, for oxide coated cathode filaments and for cathode sleeves.
The carbon layer 17 can be applied to the support by various known means. The nickel-based support 10 can give good results with gas carbonation. If the base 10 is a ferrous metal, such as mild steel or iron, either bare or with a light nickel plating, the carbon layer should be able to be applied without subjecting the base to heat treatment in the presence of carbon.
Preferably, the carbon is applied by lining the porous layer with a thin suspension or slurry of carbon in the form of very finely divided carbon, such as colloidal graphite, in which, as the photomicrographs show, the particles have a size ranging from 1 micron to a small fraction well below a tenth of a micron, a large portion of these particles therefore being smaller than the microscopic pores 13 in nickel sponges.
Good results have been obtained by dipping or dragging the base metal in a kind of carbon paint consisting of an alcoholic slurry, that is to say a suspension of colloidal graphite in alcohol, and a small quantity of nitrocellulose as a binder which disappears when brought to a moderate temperature, such as 200 C. As an example of a suitable carbon slurry, there may be mentioned an alcoholic slurry in an amount of 200 grams, ie 160 grams. methanol and 40 grams of colloidal graphite mixed with about 200 cc of a medium evaporative binder consisting of about 1 part by weight, when wet, of equal parts nitrocellulose at ¸ seconds and 40 seconds and about 12, 5 parts by weight of amyl acetate and diluted in about 250 cc of butyl acetate and 200 cc of methanol.
The porous layer has such a degree and type of porosity that it absorbs the fine suspension of alcoholic slurry like blotting paper absorbs ink. With this mixture, the electricity
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Carbonaceous trode manufactured has a highly efficient greyish black carbon coating. To obtain a blacker carbon layer approaching optimum heat radiation, 100 grams of alcoholic sludge and 100 grams of carbon black can be used instead of the 200 grams of alcoholic sludge. is completely impregnated with this mixture and dried, leaving (see Fig. 8) the metal covered with a thin, very adherent layer 18 of carbon paint comprising finely divided carbon and a small amount of binder.
Tube elements, such as plates, are made from this coated metal, preferably by shaping them in presses, by the usual process. The dried carbon paint layer 18 adheres so firmly that it is not damaged in the tools, and usually no lubricant is required in the tools. If the electrode, in its final state, has a complicated shape, as shown in figure 7, with very re-entrant parts and sharp bends, it is good to lubricate the tools a little; in this case, a lubricant such as machine oil which does not soften the nitrocellulose can be used.
The element with its coating is completed and ready for use after removal of the binder from the dried layer of carbon paint, which is preferably done by heating in a neutral or non-oxidizing medium. The binder disappears on heating at a moderate temperature, such as 200 ° C., and leaves a thin, very adherent layer of carbon on the tube element. The element may be heated while a vacuum is being made in the tube in which it is mounted, but it is preferably heated before it is mounted in the group of electrodes.
In the preferred process the carbon coated shaped members are generally heated to about 800 ° C in a hydrogen atmosphere for about ten minutes as a finishing operation. By heating them in this way, the binder is first removed from the dried layer of carbon paint, and
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then we clean and finish the element. At this temperature and under these conditions the cementation or transformation of the base metal by carbon is negligible. The result is a carbon element, like a plate, with a carbon layer whose adhesion to the base is greater than its cohesion.
By brushing it, carbon powder may come off, but not peels or pieces, as often happens with carbon electrodes by the usual process.
The carbon layer covering the finished electrode will preferably be as thin as possible so as to form a good black surface. For example, it has been found that a coating giving good results weighs in the region of 2 milligrams per cm 2 of base area. Since such a layer completely covers the porous layer to an appreciable thickness, it is firmly attached to the metal carrying the porous layer and can be so thin that its surface substantially follows the contour of the surface of the drill layer of the support. The carbon layer is so adherent that it is not possible to mechanically remove it from the carbonaceous anode by scraping without deforming the porous metal layer.
It can be removed without altering the structure of the porous layer by heating the carbonaceous anode to about 1000 C for ten minutes in an atmosphere of hydrogen, such as industrial hydrogen, which contains a certain amount of vapor. of water. The porous layer 11 can thus be released from the carbonaceous anode without appreciable deformations.
Carbon-coated anodes, for example, made by the above process have given, in comparative measurements, a much higher thermal emissivity than common carbon anodes. The thermal emissivity of a carbonaceous anode according to the present invention exceeds 90% and is usually between 95% and 98% of that of a black body, while the thermal emissivity of similar carbon anodes but typical commercial activities is between about 60% and
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just under 90% of that of a black body. These comparative measurements, made in air at 200 ° C. in order to avoid possible oxidation, were carried out up to the temperatures usually reached by anodes in service.
Although the preferred embodiment of the present invention uses a mild steel sheet as the base metal, a porous layer formed of metallic sponges and as a carbon coating a mixture of colloidal graphite and carbon black, it It is obvious that other metals can be used for the base or the porous layer, provided that the metallic particles of this layer can be reduced from the oxide state to the metal state when they sit in place on the base metal, and weld to the base and to each other while maintaining capillary voids, and other types of carbon coatings can be used as well.
For example, the base can be nickel or nickel-plated steel, and part of the nickel oxide can be replaced by iron oxide where it is not necessary that all the particles have a spongy structure. .
The present invention has marked commercial advantages, among others a significantly reduced cost price. With a single heat treatment in a hydrogen atmosphere, the oxide of the porous metallic layer is reduced on the final site and the reduced metallic particles are welded to each other and to the base; an inexpensive metallic base such as iron or steel can be used, and the carbon coating can be applied by a faster and cheaper process than gas carbonation, for example, especially because the particular porosity of the porous layer causes it to absorb the carbon slurry very quickly, as the blotter drinks the ink, thus forming on the finished product a thin, very adherent layer of carbon which completely covers the porous layer.
Until now, - it was not possible to properly carbonize iron without a
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heat treatment in the presence of carbon with the inevitable consequence of carburizing and alteration of the metal. With the present invention the carbonaceous iron is not altered, and is even improved in some respects by the degassing and annealing which it undergoes during the operation of reducing the nickel oxide.
Among the structural and other features which distinguish the carbonaceous metal electrode according to the present invention from prior common carbonaceous metal electrodes, there should be mentioned a substantially fully annealed metal base which in the case of a ferrous metal such as mild steel, is practically quite soft and has a resilience halved or more than that of a gas carbonated nickel-plated steel base, a porous metallic layer of new texture on the base comprising particles of metal welded together and molecularly bonded to the base, and on the porous layer an exceptionally adherent carbon coating that does not peel or pieces.
This carbonated electrode has an extraordinarily high thermal emissivity, which can be and usually is between 90% and 98% of that of a black body. The behavior of the carbonaceous plates according to the invention in thermionic tubes is so superior to that of the current carbonaceous plates that certain types of very useful tubes can be produced with them which cannot be executed successfully. by means of current carbon plates and that cannot be produced commercially without them.
The preferred manufacturing process according to the invention consists of a continuous process by means of which, from a general point of view, a steel strip is covered by dragging or dipping with a slurry of nickel oxide, and the coating thereof. coated strip passes through a reduction furnace where the nickel oxide, being in place on the strip, is reduced so as to form the porous layer on
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the strip and thereby produce the carrier which is then covered by sludge dragging or carbon paint so as to form the electrode material, with which tube elements can be produced quickly and economically , such as anodes, preferably in presses of form.
The continuous process will become clear from the following more detailed description, with reference to the drawing and more particularly to Figures 9 and 10. In this process, the base 10, having the form of a mild steel strip, known commercially. ment under n.1010, 5 thousandths of an inch thick by convenience, unwinds from a reel 20, passing over a pulley 23 and into an oxide slurry chamber 24 containing the nickel oxide slurry recommended above for drag recovery.
In order for the sludge to settle in a thin and uniform layer, the strip 10 passes over a pulley 25 in the chamber 24 and then exits the chamber and goes up into an equalizer 26 which (see fig. 10) can be a. pipe having two diametrically opposed grooves slightly wider than strip 10 which passes through the grooves with a slight clearance. The oxide sludge in chamber 24 continuously circulates, forced into the pipe by pump 27 and overflowing through the grooves in room 24.
In order for the oxide layer to be uniform in the longitudinal direction of the strip, the oxide particles must be evenly dispersed in the suspension by the pump, and the slurry must have a constant viscosity, which can be carried out conveniently by adding, at the start of a reservoir 28 by a needle valve 29, a regular quantity of methanol or of another volatile agent, to the contents of the chamber 24.
The strip covered with the oxide slurry exits the equalizer 26 and travels vertically through a vertical drying oven 30, which can be maintained at about 200 ° C and in which the volatile components of the binder evaporate, but where, the nitrocellulose does not disappear, because the oxide layer 1 -
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of nickel and the strip are kept at too low a temperature. The strip, covered with a dried layer of ni- ckel oxide, passes from the drying oven into the vertical reduction oven 31 through a groove or opening, in the bottom, slightly wider than the strip and leaving only one just enough clearance so that the dried layer is not torn off the tape.
The reducing furnace has an atmosphere of hydrogen or other reducing gas introduced through an inlet 31a at a pressure slightly above atmospheric pressure, and is maintained at a temperature such that the web in the furnace. is brought to a temperature between 800 C and 1100 C, which causes the decomposition of the nitrocellulose and the reduction of the nickel oxide. At the chosen temperature, the nickel particles resulting from the reduction weld together well and are molecularly bonded to the steel strip.
The temperature of the strip in the furnace and its speed of movement are such that the reduced nickel adheres well to the steel thanks to the onset of melting of the iron-nickel alloy at the contact surface, while the coarse Part of the reduced nickel is in the form of a porous layer formed from microscopic porous nickel sponges. The oven 31 is of the standard type, about six feet long, and maintains itself at practically the same temperature throughout. The belt can pass through the oven at a rate of about eight feet per minute. The cold strip entering the hot oven at this speed is subjected to a rather sudden and significant increase in temperature. This high temperature gradient is advantageous from the point of view of obtaining the desired porous nickel layer structure.
Water vapor, a byproduct of reduction, has a decarburizing and softening action on the steel.
The strip 10 serves the furnace 31 as a support with a welded metallic nickel cover layer which is soft, highly porous, and bonded to the metal strip.
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The extreme porosity of the product can be evidenced by depositing ink, which is almost completely absorbed, such as by blotting paper. With the known prior bands, the ink, after drying, marks on the surface and remains permanently visible as on paper. On leaving the oven, the strip with the nickel surface passes through a cooling chamber 32, over a pulley 33 enclosed in a gas-tight chamber and descends again into another cooling chamber 34, from where it comes out through a groove in the bottom at practically room temperature. The two cooling chambers and the enclosure for the pulley 33 are full of hydrogen coming from the furnace, the cooling chamber 32 opening onto the furnace on the one hand and into the enclosure of the pulley 33 of somewhere else.
On exiting cooling chamber 34 the backing strip is ready to receive its coating, e.g. carbon. The strip can be stored, if desired, and the coating can be applied later in a separate subsequent operation. . It is preferable to pass the backing strip directly into the carbon application chamber 35, then over a pulley 36 in the chamber, and then upwards into another application chamber 37, similar to the equalizer 26, traversed by the carbon suspension, maintained at the right viscosity thanks to a small methanol reservoir 38 serving to send methanol through a needle valve 39, and driven into the application chamber 37 by means of a pump 40.
The carrier tape coated with a coating of paint or carbon suspension which has penetrated the pores and crevices of the porous nickel-like ink layer is absorbed by blotting paper, then enters a drying oven 41 similar. wheat in the oven 30 and maintained at about 200 ° C. to obtain a dry layer 18 of carbon paint covering the matrix.
The binder in the carbon suspension binds the particles of
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carbon to each other on the surface, in the pores and crevices of the porous nickel coucke. The carbon can be either amorphous or graphitic, depending on the nature of the carbonemis in the suspension of the application chamber 35.
The support strip with its layer of dried carbon 18 (see fig. 8) leaves the furnace 21 and passes through a pulley 22 on a spool, not shown, and can then be stored as an electrode material with which to manufacture. electrodes and tube elements. The carbon can, in this way, be applied to the surface layer web much faster than by gas carbonation processes, in which the carbon is applied by deposition of hydrocarbon gases. With the process according to the invention, a speed of eight feet per minute has been reached, which is ten times faster than the gas carbonation process.
With a 5 thousandths of an inch steel strip, the layer formed on both sides by the porous layer of nickel and the carbon paint increases the thickness of the backing strip at most up to 7.5 thousandths of an inch . No difficulty will therefore be encountered in the manufacture of vacuum tube plates with toolings intended for a thickness of 5 thousandths of an inch, the backing strip constructed in accordance with the present invention with its layer of carbon paint, is easily compressed. in the tools. However, if desired, the carrier tape can be passed between rolls and compressed.
It was thus possible to reduce the thickness of the layer on each side of the strip to a thickness of less than 1 thousandth of an inch without materially affecting the heat radiating characteristics of the finished electrode. It is possible, with the metal covered by the process of the present invention, compressed or not, to manufacture carbon electrodes whose heat radiation power or thermal emissivity is closer to that of a black body than carbonaceous metals.
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obtained by any other known method.
The present method has the additional advantage that the raw steel strip supplied by the manufacturer can be stored and used later without cleaning, the rust on the steel strip being reduced in the reduction chamber; an oil film can also be tolerated on the belt.
The layer of carbon paint on the strip covered with a porous nickel coating, adheres very firmly to the nickel and does not accumulate in the tools during the manufacture of the tube elements. Tube elements made from this material can be heated in a hydrogen atmosphere at about 800 ° C for ten minutes, as usual, without the carbon shedding. The material for electrodes or plates according to the invention also has the advantage of being degassed and purified by virtue of this rather rigorous heating.
The present method of reopening metals with carbon can be applied to various metals. It is suitable for both nickel-plated bands and ferrous metal bands.
It can also be used to weld together two metal surfaces of different metals which cannot be joined to each other by electroplating or any other process. For example, nickel and copper which cannot be deposited together electrolytically are easily joined. It is also possible to add non-metallic substances to the metals, by mixing them in the suspension.