FI66908C - Anordning foer gradientupphettning av en traod - Google Patents

Description

Ε2Κ^Π tel mvKUULUTUS|UL«CAI$U zC / ο π O

i J ^11) utlAggningsskript 66 908 ^ ^ (51) K«.ll?/lM.a.3 C 21 D 9/52 // H 01 C 17/00 SUOMI—FINLAND (») 730519 (¾¾) H«fc>wil*pllrt—Awfltolnftdtf 16.02.79 (23) AMmpMvl—GHtlglMMdag 16.02.79 (41) TnllHtHklMkal —MMtoffMtRg 1 7.08.80

Patentti-ja rekisterihallitut ...________ ,_....._ ,, „0 ol _ . . J. _ ___t (44) NUidWtalputwi |« tamgwtnlwiw p**».— 31.08.8^

Patent* oeh reghterstyralten AiwMcan atefd odt «icUkriften psMIearatf (32)(33)(31) *ΤΤ*«*Τ aaaorttana BagiH prtorkat (71)(72) Endel Teodorovich Lippmaa, ulitsa Sybra 14, Kv. 2, Tallin,

Vambola lokhannovich Roose, ulitsa Ryannaku 3, kv. 4, Tallin,

Tynu Kharaldovich Karu, Okhtu tee, 9, Keila, USSR(SU) (74) Oy Kolster Ab (54) Langan gradienttikuumennuslaite - Anordning for gradientupphettning av en trad Tämä keksintö liittyy yleisesti lankavastusten valmistukseen ja erityisesti langan gradienttikuumennukseen.

Keksintöä voidaan soveltaa aina kun on tarpeen määritellä nopeasti lämpökäsittelyn tarkat parametrit useille langoille, tarkoituksella tehdä lanka, jolla on ennaltamäärätyt ominaisuudet.

Tätä keksintöä voidaan käyttää erittäin edullisesti määriteltäessä nopeasti lankavastusten valmistukseen tarkoitetun vastuslangan lämpökäsittelyolosuhteiden parametrit, kun langan vastuslämpötila-kertoimelle halutaan saada ennaltämäärätty arvo.

Kuten tiedetään, kuvaa vastuslangan vastuslämpötilakerroin langan vastuksen muutosta lämpötilan vaihtelun funktiona, toisin sanoen se heijastaa jonkin määrätyn vastuslangan vaStvksen arvon sta-biilisuuden ajan mukana. Vastuslangan vastusarvon stabiilisuutta säätää langan materiaalissa tapahtuva fysikaalis-kemiallinen prosessi. Eräs kaikkein tärkeimmistä tällaisiin prosesseihin vaikuttavista tekijöistä on millaisen lämpökäsittelyn alaiseksi vastuslanka joutuu.

2 66908

Jos langan lämpökäsittelyolosuhteet on oikein valittu, on tämä omiaan vakiinnuttamaan siinä tapahtuvia fysikaaliskemiallisia prosesseja. Näin tulee vastuslangan vastuskertoimesta pieni. Optimaaliset lämpökäsittelyolosuhteet saadaan selville johtamalla vastus -lämpötilakertoimen ominaiskäyrä lämpökäsittelyolosuhteiden vaihtelun funktiona. Käytännössä johdetaan tämä ominaiskäyrä lämpökäsittelemäl-lä erilaisissa olosuhteissa lankanäytteitä, jotka on tehty saman sulatuksen seoksesta. Saadun ominaiskäyrän tarkkuus riippuu paljolti suoritettujen kokeidenJukumäärästä, samoinkuin lämpökäsittelyn lämmönsäädön tarkkuudesta. Kuten kokemus osoittaa, on vastuslangalla joka on tehty samasta seoksesta, mutta eri sulatuksesta, erilainen vastuslämpötilakertoimen ominaiskäyrä lämpökäsittelyolosuhteiden vaihtelun suhteen, toisin sanoen, tämän ominaiskäyrän johtamiseksi on mainitut kokeet suoritettava uudelleen.

Nykyään käytetään, jonkin tietyn vastuslangan vastuslämpötila-kertoimen ominaiskäyrän saamiseksi langan lämpökäsittelyolosuhteiden funktiona tunnettuja laboratoriouuneja, jotka ovat rakenteeltaan samanlaisia kuin teollisuusuunit, joita käytetään metallien lämpökäsittelyyn. Vastuslankanäytteet lämpökäsitellään näissä uuneissa eri lämpötiloissa alueella, jossa oletetaan saavutettavan parhaat lämpökäsittelyolosuhteet.

Vastuslämpötilakertoimen riippuvuus lämpökäsittelyolosuhteis-ta johdetaan koestustuloksista ja optimiolosuhteet valitaan riippuvuuden mukaan.

Lämpökäsittelyyn tarkoitetuilla tyhjiöuunei11a ei niiden rakenteesta johtuen voida lämpökäsitellä useita vastuslankanäytteitä samanaikaisesti erilaisissa olosuhteissa.

Ylläolevasta seuraa, että lämpökäsittelyn optimiolosuhteiden määrittely tällaisilla uuneilla on varsin työläs menettely.

Yllämainitut, tyhjiöuuneihin liittyvät haitat voidaan osittain poistaa kiteyttämistä varten tarkoitetun gradienttisublimaattorin avulla (ks."U.S. Journal of Crystal Growth", 22.1974 s.295-297), jota voidaan käyttää tietyn vastuslangan lämpökäsittelyolosuhteiden määrittelyyn ja jota senvuoksi pidetään tekniikan tason prototyyppinä tälle keksinnölle. Tarkasteltavana oleva laite käsittää välineen aikaansaada lämpötilagradientti tutkittavassa kiteessä, jonka välineen muodostaa ontto metallisylinteri, jonka toisessa 3 66908 päässä on sähkökuuraennin ja toisessa jäähdytin. Sylinteriin on sijoitettu lasinen tyhjiökamraio, jonka pohja on liitetty tyhjiöpump-puun ja johon tarkasteltava kide on tarkoitettu sijoitettavaksi.

Kun kuumennin ja jäähdytin saatetaan toimimaan, syntyy tutkittavaan kiteeseen lämpötilagradientti. Lämpötilagradientin kiteessä aiheuttaa onton sylinterin sisäpinnasta lähtevä Jämpösäteilyener-gia. Tutkittavan kiteen sijasta voi tyhjiösylinterin sisällä olla vastuslankanäyte, johon myös syntyy lämpötilagradientti.

Vaikkakin ylläkuvattu laite voi aikaansaada vastuslankanäytteen kuumenemisen eri lämpötiloihin, langan pituudella, puuttuu pituussuuntaisesta gradientista sen lineaarinen luonne. Tämän katsotaan johtuvan siitä, että kutakin osaa, pitkin vastuslankanäytettä, kuumentaa iämpösäteilyenergia, jonka onton sylinterin eri osat lähettävät. Lisäksi eivät lämpötilat näytteen pituuden eri osilla ole stabiileja ajan suhteen, minkä katsotaan johtuvan ympäristön vaikutuksesta lämpötilagradienttilaitteeseen.

Edelläesitetyn valossa on aivan ilmeistä, että kyseessä olevalla tekniikan tason laitteella on mahdotonta saada selville luotettavasti vastus lämpötilakertoimen riippuvuutta lämpökäsittelylämpö-tilojen vaihtelusta. Siitä johtuen ei tällainen riippuvuus riitä varmistamaan niitä optimiolosuhteita, joissa vastuslanka on käsiteltävä .

Edelläksitellyn esimakin perusteella on ilmeistä, että tekniikan tason nykyinen vaihe ei käsitä mitään erikoislaitteita, joiden avulla voitaisiin nopeasti ja luotettavasti määritellä vastuslangna lämpökäsittelyn optimiolosuhteet.

Tämän keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on asettaa langan gradienttikuumennuksessa käytettäväksi rakenne, jossa gradientti-lämpötilan aikaansaamiseksi tarvittavat välineet tehdään ja sijoitetaan niin, että lämpökäsittelyolosuhteet voidaan määritellä suurella tarkkuudella.

Tätä pääasiallista päämäärää ajatellen on käytettävissä langan gradienttikuumennusta varten laite, joka käsittää pohjalla varustetun tyhjiökammion sekä metallisylinterin, lämpötilagradientin aikaansaamiseksi, kuumentimen, mainitun sylinterin yhden pään kuumentamiseksi ja jäähdyttimen, sen toisen pään jäähdyttämiseksi, jossa laitteessa lämpötilagradientin aikaansaava sylinteri on sijoitettu tyhjiökammioon ja sylinterin pinta on varustettu poikittaisurilla, joihin kuumennettava lanka sijoitetaan ja jotka pitkittäisura yh- 4 66908 distää toisiinsa, niin että lanka kulkee urasta toiseen, kun taas tyhjiökamraion pohja toimii jäähdyttimenä ja on termostaattisesti ohj attu.

Tällaisen järjestelyn avulla voidaan saavuttaa se, että lämpötila muuttuu lineaarisesti pitkin koko metallisylinteriä. Tästä on seurauksena, että kunkin vastuslankakierroksen lämpötila on tarkasti valvottu langan koko pituudelta. Kun tunnetaan tarkasti kunkin kierroksen lämpötila, ja kun on mitattu kierroksen vastuskerroin, on mahdollista saada luotettavasti selville vastuslämpötilakertoi-men riippuvuus lämpökäsittelyn lämpötilavaihtelusta. Saadun luotettavan riippuvuussuhteen perusteella määritellään lämpökäsittelyn optimiolosuhteet määritellään lämpökäsittelyn optimiolosuhteet.

On eduksi, että poikittaisurat, joissa kuumennettava lanka on, kulkevat pitkin metallisylinterin johtoviivaa.

Tämän järjestelyn avulla voidaan vastuslangan kukin kierros sijoittaa koko pituudeltaan tarkalleen isotermiseen vyöhykkeeseen.

On myös etu, että poikittaisurat ovat kiilanmuotoisia. Eripaksuiset langat on helppo kiinnittää kiilanmuotoisiin uriin. On eduksi, että pitkittäisura on syvempi kuin poikittaisura.

Tämä helpottaa ja nopeuttaa vastuslankanäytteen katkaisemista osiin sen jälkeen, kun kuumennus loppuunsuoritettu.

Tätä keksintöä selitetään edelleen sen suoritusmuotojen yksityiskohtaisessa kuvauksessa, viitaten oheiseen piirustukeeen, jossa kuvio 1 on sivukuva keksinnön mukaisesta langan gradienttikuu-mennuslaitteesta, niin että tyhjiökammion pohja on leikattu, kuvio 2 on suurennettu kuva kuvion 1 nuolen A suunnassa, kuvio 3 on kuvion 2 leikkaus III-III ja kuvio 4 esittää erästä toista lämpötilagradienttilaitteen sylinterin suoritusmuotoa.

Langan gradienttikuumennuslaite käsittää tyhjiökammion 1 (kuvio 1), johon kuuluu kupu 2 sekä umpimetallista tehty pohja 3, joka on sijoitettu termostaatin 4 sisään. Tyhjiökammiossa 1 on metallisy-linteri 5, joka on kiinnitetty kammion 3 pohjaan päästään 6. Metallisylinterin 5 toiseen päähän 7 on kiinnitetty sähkökuumennin 8.

Pohja 3 toimii jäähdyttimenä. Metallisylinteri 5, kuumennin 8 ja pohja muodostavat lämpötilagradienttilaitteen. Metallisylinterin 5 5 66908 pinnassa on poikittaisuria 9 (kuvio 2), jotka kulkevat pitkin sylinterin johtiviivaa. Uriin 9 on tarkoitus sijoittaa kuumennettava vastuslanka 10 ja ne ovat kLilanmuotosia. Johtuen siitä, että urat 9 ovat kiilanmuotdsia, voidaan niihin sijoittaa eripaksuiaia vastus-lankoja 10 ja kiinnittää ne lujasti, niin etteivät ne pääse liikkumaan sivuttain. Jotta vastuslanka 10 voi kulkea urasta 9 toiseen, yhdistää pitkittäisura kaikki urat 9. Pitkittäisura 11 (kuvio 3) on syvempi kuin urat 9. Tämä helpottaa vastuslangan katkaisemista osiin lämpökäsittelyn jälkeen, mitä esitetään yksityiskohtaisemmin tuonempana.

Viimeisten urien 9 (kuvio 1) vieressä on metallisylinterissä 5 kiinteät lämpöparit 12, joiden avulla urien 9 kattaman alueen lämpötilaerot metallisylinterissä 5 voidaan tarkasti mitata. Tyhjiö-kammio 1 on yhdistetty tyhjiöpumppuun 14 putken 13 välityksellä.

Huomattavaa on, että poikittaisurat 9 (kuviot 4) voidaan sijoittaa metallisylinterin 5 pinnalle esimerkiksi loivanousuisen kierteen muotoon. Vastuslanka 10 sijoitetaan näihin uriin 9 myös kierteen muotoon. Jotta vastuslanka 10 voi kulkea urasta 9 toiseen, yhdistää pitkittäisura 11 kaikki urat 9.

Langan gradienttikuumennus laite toimii seuraavasti. Vastus-lankanäyte 10 (kuvio 1) kierretään uriin 9, niin että se kulkee urasta 9 toiseen pitkin uraa 11, kuten kuviossa 2 näkyy. Tällä tavoin kiinnitetyn vastuslankanäytteen päät kiinnitetään tunnetulla tavalla. Sylinteri 5 (kuvio 1) ja sen päälle kierretty vastuslanka 10 sijoitetaan tyhjiökammion 1 sisään ja kammio tyhjiöidään tyh-jiöpumpun 14 avulla, mikä poistaa ympäristön termisen vaikutuksen metallisylinteriin 5. Sähkökuumennin 8 ja termostaattisesti säädetty pohja 3, joka toimii jäähdyttimenä, muodostavat sylinterin 5 tarkasti ohjatun, pysyvän lämpötilagradientin. Vastuslangan lämpökäsittelyä varten sopiva lämpötila-alue, jota viimeisten urien 9 vieressä olevat lämpöparit 12 mittaavat, voi esimerkiksi olla 400-500°C. Tämä lämpötilagradientti, joka on seuraus tunnetuista termodynamiikan laeista, on logaritminen, toisin sanoen lineaarinen logaritmiasteikossa. Määrätyllä riittävän kapealla lämpötila-alueella tätä gradienttia voidaan pitää vakiona, toisin sanoen lineaarisena lineaariasteikossa. Tämä tarkoittaa, että laitteella saadaan aikaan lineaarisluontoinen gradientinjakauma pitkin sylinteriä 5. On tunnettua, että taso, joka on poikittain homogeeni- 6 66908 sessa lämpövirrassa, on isoterminen. Koska poikittaisurat 9, joissa kuumennettavat vastuslankakierrokset ovat sijaitsevat kuvitelluissa, sylinteiin 5 nähden poikittaisissa, tasoissa, merkitsee se, että kukin vastuslangan 10 kierros on isotermisessä tasossa, johon kohdistuu isoterminen kuumennus koko langan pituudelta. Jos sylinterin 5 halkaisija on esimerkiksi 5 cm, on yksittäinen kierros iso-termisesti kuumennettu noin 15 cm:n pituudelta, mikä on aivan riittävää, jotta vastuslämpötilakerroin voitaisiin senjälkeen tarkasti mitata. Urien 9 lukumäärä on sama kuin se tarvittavien koelämpö-tilapisteiden määrä, joka riittää aikaansaamaan ominaiskäyrän vas-tuslangan vastuslämpötilakertoimelle suhteessa langan lämpökäsitte-lyolosuhteiden muutoksiin. Langan gradienttikuumentamista varten todellisesti valmistetussa laitteessa on sylinterissä 5 100 uraa,9, jotka ovat 100 mm:n etäisyydellä toisistaan. Lämpötilaeron ollessa yllämainittu 100°C sijaitsevat urat 9 tarkalleen isotermisissä tasoissa, niin että vierekkäisten urien lämpötilanero on 1°C. Lämpöparit 12 mittaavat tarkasti viimeisten urien 9 lämpötilan. Välilläolevien urien 9 lämpötilat voidaan määritellä erittäin tarkasti lineaarisen interpolation avulla. Siten määrää sylinterin 5 pinnalla olevien urien 9 koneistus uriin 9 sijoitetun vastuslangan 10 kierrosten isotermisen kuumennuksen tarkkuuden. Urien 9 tekeminen esimerkiksi 0,1 mm:n tarkkuudella on helppo. Johtuen urien 9 kiilanmuotoisesta profiilista ovat vastuslangat tarkasti paikoillaan. Tästä johtuen voidaan vastuslankojen 10 kierrosten isotermisen kuumennuksen lämpötila säätää 0,1°C tarkkuudella kautta koko määrätyn lämpötila-alueen.

Senjälkeen kun vastuslanka 10 on isotermisesti kuumennettu, se jäähdytetään yhdessä laitteen kanssa ympäristön lämpötilaan. Vastuslankanäyte 10 katkaistaan pitkittäisuraa 11 myöten, niin että syntyy 100 osaa, joista kukin on ollut ennaltamäärätyssä lämpötilassa tapahtuneen lämpökäsittelyn alaisena, osat merkitään ja kunkin lämpötilakerroin mitataan. Tämän jälkeen esitetään vastuslämpötilakerroin graafisesti lämpökäsittelyolosuhteiden muutosten funktiona, jolloin saadaan selville ne lämpökäsittelyn optimiolosuhteet, joilla voidaan saada aikaan vastuslanka, jonka vastuslämpötilakerroin on pienin mahdollinen.

Siinä tapauksessa, että tämän laitteensylinteri 5 käsittää sen pintaan tehdyt matalanousuiset kierreurat 9 (kuviot 4), toimii laite pääasiassa, kuten yllä on hahmoteltu. Erona on se, että nyt on vastuslangan 10 kukin kierre useissa isotermisissä tasoissa. Jos kui- 7 66908 tenkin otetaan huomioon lämpötilagradientin jakautumisen lineaarinen luonne pitkin sylinteriä, voidaan kunkin kierroksen keskimääräinen isoterminen lämpötila helposti määritellä. Näistä kokeista saatu vastuslämpötilakertoimei riippuvuus lämpökäsittelyolosuhteiden vaihtelusta on myös luotettava ja tekee mahdolliseksi vastuslangan lämpökäsittelyn optimiolosuhteiden määrittelyn.

Tarkasteltaessa edelläolevaa tämän keksinnön erityistä suoritusmuotoa, selviää tekniikkaan perehtyneelle helposti, että kaikki keksinnön päämäärät voidaan saavuttaa oheisten patenttivaatimusten määrittelemissä puitteissa.On myös täysin selvää, että langan gra-dienttikuumennuslaitteeseen voidaan tehdä joitain vähäisempiä muutoksia ja poikkeamia, ilman että poiketaan keksinnön hengestä.

Kaikkein sellaisten muutosten ja poikkeamien katsotaan olevan oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnön hengen ja piirin puitteissa.

Tämän keksinnön avulla voidaan määritellä erittäin tarkasti vastuslangan lämpökäsittelyn optimiolosuhteet. Käytettäessä tätä keksintöä vähenee optimipintakäsittelyolosuhteiden määrittelyyn tarvittava aika erittäin useissa tapauksissa.Laitteen rakenne on käyttöä ajatellen yksinkertainen ja luotettava.

Claims (4)

8 66908

1. Langan gradienttikuumennuslaite, joka käsittää pohjalla varustetun tyhjiökammion sekä metallisylinterin muotoisen välineen lämpötilagradientin aikaansaamiseksi/ kuumentimen, mainitun sylinterin yhden pään kuumentamiseksi ja jäähdyttimen, sylinterin toisen pään jäähdyttämiseksi, tunnettu siitä, että lämpötilagradientin aikaansaava väline on sijoitettu tyhjiökammioon (1) ja rae-tallisylinterin (5) pinta on varustettu poikittaisurilla (9), joihin kuumennettava lanka (10) sijoitetaan ja jotka pitkittäisura (11) yhdistää toisiinsa, niin että lanka (10) kulkee sen kautta urasta (9) toiseen kun taas tyhjiökammion (1) pohja (3) toimii jäähdyttimenä ja on termostaattisesti ohjattu.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langan gradienttikuumennus-laite, tunnettu siitä, että urat (9) on tehty metallisylinterin johtoviivan mukaisiksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 ja 2 mukainen langan gradienttikuu-mennuslaite, tunnet t u siitä, että poikittaisurat (9) ovat poikkileikkaukseltaan kiilanmuotoisia.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langan gradienttikuumennus-laite, tunnettu siitä, että pitkittäisura (11) on syvempi kuin poikittaisura (9).