SJNB

Главная 

Статьи 

Книги 

Юмор 

Разное 

О себе 

Обратная связь

 

Бондаренко Ю.Н.

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

*

Изготовление газоразрядных источников света

для лабораторных целей и многое другое

 

Предисловие  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Содержание

 

 

Глава 4. Токарная обработка деталей.

Обработка заготовок на токарном станке позволяет изготовлять почти любые поверхности на деталях. Она является универсальным способом изготовления деталей для лабораторного оборудования и других изделий, поэтому приёмами работы на токарном станке следует владеть в совершенстве. В мастерской при лаборатории обязательно должен быть токарный станок с набором необходимой оснастки. В неё входят резцы, свёрла, развёртки и специальные инструменты, например, оборудование для выдавливания деталей из листа, оправки для намотки катушек трансформаторов и т.д. Чем больше оснастки имеет токарь, тем больше и лучше работ он может сделать, поэтому не следует экономить на инструменте.

Предметом особой гордости работающего следует считать резцы. Они сразу позволяют определить как квалификацию работника, так и его отношение к работе.

Резцы подразделяются на виды как по материалу режущего элемента, так и по роду выполняемой работы. Наиболее универсальными следует считать резцы  с наплавкой из твёрдого сплава. Они долговечны и позволяют обрабатывать почти любые материалы. В условиях колхозной ремонтной мастерской проходной резец, оснащённый напайкой из сплава Т15К6 может работать месяцами при ежедневной эксплуатации.

Твёрдые сплавы хороши для обработки углеродистых и легированных, в том числе достаточно твёрдых сталей, чугуна, дерева, пластиков типа текстолита, обладающих абразивными свойствами. Они позволяют работать при больших скоростях резания, не боятся ржавчины и окалины на заготовках. Наиболее универсальным является титано-вольфрамокарбидный сплав Т15К6. Он твёрдый и в тоже время достаточно прочный. Из него можно делать проходные резцы, передний угол которых берётся около десяти градусов для обычных материалов и от нуля до минус пяти для закалённых сталей. При обточке сталей на резце из этого сплава меньше образуется нарост, поэтому он больше подходит для чистовой обработки. Однако, он более хрупкий, чем сплав ВК8. Последним лучше оснащать отрезные и расточные резцы. Он очень хорош для обработки чугуна. Тройные титан-тантал-вольфрам карбидные сплавы марок ТТ7К12, ТТ10К8-Б рекомендуются для обработки титана и нержавеющих сталей.

Задний угол твердосплавных резцов не следует делать слишком большим из-за возможности скола режущей кромки. Обычно его делают «на глаз» как и остальные углы. Он должен составлять около десяти градусов.

Вершину резца часто закругляют в плане, либо наносят небольшую фаску между главной и вспомогательной режущей кромкой для упрочнения режущей кромки и повышения чистоты обработки детали (резец токаря-новатора В. А. Колесова). Также иногда наносят узкую (в пределах величины подачи) отрицательную фаску на режущую кромку, что увеличивает стойкость резца при тяжёлых условиях работы, например, резании с ударами. Резцы, специально рассчитанные на работу с ударами, могут иметь наклон главной режущей кромки в сторону детали, что упрочняет резец и ослабляет эффект от удара. Наиболее ходовые размеры резцов заводского изготовления часто оснащают сменными пластинками, на которых чётко видны приёмы заточки.

Твердосплавные резцы специального назначения, например, расточные можно делать самому, припаяв пластинку из твёрдого сплава к подходящей оправке. Паять следует латунью, в которую можно добавить немного никеля . Для титано-карбидных сплавов Т15К6 и Т30К4 следует применять флюс Ф-100, для сплавов с большим содержанием кобальта достаточно буры. Размеры пластинки следует брать не слишком большими, но и не малыми. Большие трудно затачивать, а малые быстро стачиваются или ломаются.

Затачивать твердосплавные резцы лучше всего на карборундовых кругах зелёного цвета, которые режут и «Победит» и сталь. Доводку режущей кромки лучше всего делать на алмазном круге. Если зелёного круга нет, то на обычном корундовом круге стачивают железную часть резца, а твёрдый сплав на алмазе, который быстро засаливается на железе. Точить резцы лучше с охлаждением водой. Особенно это касается алмазного круга. Охлаждать затачиваемый резец погружением в воду следует с большой осторожностью. Пластинка может растрескаться, поэтому в воду следует погружать только железную оправку. Удобно также укладывать горячий резец на мокрую массивную металлическую плоскость, которая быстро отбирает тепло.

В основной рабочий набор следует изготовить проходной резец с углом в плане около 45°, то же с углом 0° (типа подрезного), резьбовой, отрезной, (длинный и короткий) и несколько расточных разного размера. Под конкретную работу можно изготовить специальные резцы (например, для нарезки ленточной или крутой многозаходной резьбы). Неплохо зарекомендовал себя универсальный резец для тяжёлых работ из сплава Т15К6, похожий на резьбовой, но с углом при вершине девяносто-сто двадцать градусов. Вершина резца слегка скруглена. Он имеет передний угол 5°-10°, уклон которого не влево и не в право, а назад, перпендикулярно оси центров, как у отрезного резца. Такой резец можно не поворачивая применять для подачи и вправо и влево, а с поворотом резцедержателя и для других операций, например, проточки поверхностей дисков с поперечной подачей. При поперечной подаче его можно применять для нарезки прутка вместо отрезного резца. После перерезания половины диаметра прутка он отламывается рукой. Отрезанные части сразу получаются с фаской.

Резцы высокой прочности и стойкости особенно ценны, если ими работает ещё кто-нибудь кроме Вас. В этом случае они экономят не только время, но и нервы (Ваши).

Для обработки очень твёрдых материалов, типа закалённой стали можно применять резцы с режущим элементом из эльбора («гексанит», «кубинит»). Это материал на основе нитрида бора обычно чёрного цвета и с твёрдостью, сравнимой с твёрдостью алмаза. Он не взаимодействует с металлами группы железа и термостойкий, поэтому, в отличие от алмаза, может применяться для их обработки (алмаз на них быстро тупится). Затачивать его нужно на алмазном круге, сохраняя те углы заточки, которые были сделаны вначале. Работа с такими резцами требует токарного станка повышенной жёсткости и вибростойкости.

Резцы из быстрорежущей стали («Рапида») имеют свои неоспоримые преимущества, которые не позволяют полностью заменить их твердосплавными. Они более прочные, что особенно важно для узких отрезных и длинных расточных резцов. Их можно острее заточить, что делает меньшим усилие резания и облегчает удаление стружки из зоны резания. Резцы из «Быстрореза» предпочтительны для небольших и не очень жёстких станков.

Обычно они изготовляются шлифовкой из квадратного прутка. Такие заготовки, если они были правильно термообработаны на заводе, предпочтительны. Однако, их изготовляют и ковкой отожжённой стали. Откованную заготовку часто не подвергают специальной термообработке, а просто охлаждают на воздухе, отсюда и другое название такой стали «Самокал». Изготовленные таким образом резцы мягче обычных, но мягкую сталь точат неплохо. Есть несколько марок быстрорежущей стали, из которых, по совокупности свойств, следует признать сталь Р18. Другие марки несколько хуже, но это не имеет практического значения в условиях мелкосерийного производства. Следует заметить, что быстрорежущая сталь применяется и для других инструментов. Из неё делают также почти все свёрла, часто — лерки, машинные развёртки. На них есть маркировка, например: Р18. Эти стали позволяют работать при нагреве режущей кромки до пятисот градусов. Практически, при обработке стали средней твёрдости можно ориентироваться на цвет стружки. Если она синяя и деталь начинает желтеть, то требуется снизить скорость обработки или охлаждать деталь водой.

Эта сталь не пластична и плохо проводит тепло, поэтому при заточке и резком охлаждении водой резец может треснуть.

Высокая прочность быстрорежущей стали позволяет применить больший передний угол, доводя его при обработке алюминия и пластиков до тридцати градусов. Задний угол также можно несколько увеличить. Это снижает усилие резания и деформацию детали. Поэтому такие резцы выгодны для точения длинных винтов и валиков. Выгодны они и для мелких деталей, тем более что на них обычно не достигается предельная для рапида скорость резания. Чтобы уменьшить отжимающие деталь усилия, главный угол в плане делают равным нулю. При этом проходной резец превращается, фактически в подрезной. На резцах из «Быстрореза» часто нашлифовывают канавку для завивания стружки, но она не обязательна, а приточении канавок на заготовках из вязких металлов (особенно для отрезных резцов) может способствовать налипанию стружки и даже поломке резца или детали.

Быстрорежущая сталь хорошо обрабатывает титан, цирконий, нержавеющие стали, но при этом не следует применять большие скорости резания. Нержавеющие стали при точении полезно смазывать маслом с добавкой нескольких процентов серы.

Резцами с напайками из твёрдого сплава (ВК8) можно точить стекло типа флинта. Скорость резания следует выбирать небольшую — около метра в минуту и смачивать стекло скипидаром. Под поверхность при этом распространяются глубокие трещины, поэтому такую операцию можно применять только при самой грубой обработке.

Материалы для внутриламповой арматуры

Материалы для внутриламповой арматуры должны удовлетворять многим общим и специальным условиям, главные из которых — специальные свойства, лёгкость обезгаживания, лёгкая обрабатываемость, достаточная термостойкость, внешний вид и слабое распыление в разряде. Если прибор имеет ртутное наполнение, то не следует применять металлы, которые легко взаимодействуют с ней.

К ртути абсолютно инертны: тугоплавкие металлы, железо и его сплавы, никель, титан и цирконий. Данные по стойкости металлов к ртути есть в последнем, шестом томе «Руководства по неорганическому синтезу» под редакцией Г.Брауэра, раздел «амальгамы».

По литературным данным, как геттер в ртутных приборах может применятся магний. Алюминия, меди и её сплавов следует избегать. Медная оболочка платинита в приборах с парами ртути устойчива.

Наиболее подходящим материалом для катодов ламп с тлеющим разрядом следует считать мягкую нержавеющую сталь, тонкую трансформаторную сталь, мягкое железо, никель, титан, пермаллой. Следует обратить внимание на максимальную чистоту этих материалов по углероду. Материалы для сердечников трансформаторов тщательно очищаются от углерода, так как он ухудшает магнитные свойства.

Дело в том, что при работе газоразрядного прибора тлеющий разряд нагревает и распыляет катод. Углерод при этом за счёт диффузии уходит к поверхности и при катодном распылении попадает в объём прибора. Там он с неизбежно присутствующими парами воды и водородом образует окись углерода и метан, которые при содержании даже в ничтожном количестве — сотые и тысячные доли процента, могут значительно ухудшить параметры прибора и вывести его из строя. Не распыляемым титановым геттером они поглощаются слабо.

Пермаллой, мягкая нержавейка и никель углерода содержат очень мало, легко сгибаются и относительно стойки к катодному распылению. Титан, если из него сделать катод, легко насыщается водородом, который может выделять обратно в объём прибора. Поэтому, при недостаточно чистых условиях работы, когда в прибор при откачке и отпайке попадает много грязи, титана следует избегать как катодного материала, а делать из него анод и другие слабо греющиеся электроды. Их можно затем, при тренировке прибора, использовать для очистки газа от молекулярных примесей. Если же есть возможность прогреть титановый катод в хорошо обезгаженом и откачиваемом до 10-4—6 мм рт. ст. приборе с помощью токов высокой частоты, то эти возражения снимаются. В этих условиях в приборе остаётся мало адсорбированной на стенках воды, а водород из титана выделяется и откачивается насосом.

Медь для катодов не применима, в силу того, что легко распыляется в разряде, а алюминий, кроме того, нельзя как следует прогреть и он плохо сваривается контактной сваркой со вводами. Из него удобно делать радиаторы для охлаждения полых катодов.

Подводя итог, можно сказать, что идеальным материалом для катодов газоразрядных приборов (кроме, разумеется, ЛПК) можно считать пермаллой, мягкую трансформаторную сталь и даже жесть консервной банки, протравленную в крепком растворе едкого натра для удаления олова, а затем отожжённую во влажном водороде при 1000° в течении часа. Этот последний материал, по крайней мере, не является дефицитом. Для разборных приборов, например, демонстрационных вакуумных трубок, можно использовать «грязные» материалы, так как примеси откачиваются при работе прибора.

Хорошие катоды для дугового разряда в инертных газах и парах ртути можно сделать из танталовой трубки диаметром 1-2 мм и длинной 5 мм (рис. 9). Трубку можно свернуть из листа толщиной 0,2 мм. Её следует набить с помощью прутка заранее приготовленным цирконатом бария 2BaO• ZrO2, замешанным на очень слабом растворе жидкого стекла. После активирования прогревом с помощью разряда с такого катода можно получить токи 0,1-2,0 А и больше. Эти катоды прекрасно работают на переменном токе. Признаком правильного выбора диаметра трубки служит спокойное горение разряда и разогрев всей торцевой поверхности катода.

 

    Рис.9

 

Материалы для геттеров

При изготовлении приборов трудно удалить все газообразующие примеси из материалов внутренней арматуры и колбы. Для их удаления требуются такие приёмы, которые не могут быть осуществлены, например, переплавка готовой детали в вакууме. Поэтому, в колбу прибора помещают специальные детали, или покрытия, которые могут поглощать газы на последних стадиях технологической обработки и при работе готового прибора. На стенках колб приёмно-усилительных ламп каждый внимательный человек видел серебристо-тёмное зеркало. Это слой бария, единственная задача которого — поглощать выделяющиеся при работе лампы газы. Без этого зеркала лампу надо было бы откачивать на посту часами, а с ним откачку завершают за несколько минут. Для поглощения газов в осветительных лампах применяют фосфор, а в остальных случаях — различные металлы.

Геттирующие металлы должны отвечать нескольким критериям. Они должны реагировать со всеми молекулярными газами, которые могут при откачке попасть в прибор, либо выделяться из электродов или стекла. Продукты этих реакций не должны быть легколетучими даже при нагреве. Весьма желательно, чтобы реакции поглощения или адсорбция происходили при рабочих температурах прибора, а обратного выделения газов при этих температурах не было.

Этим требованиям более или менее отвечают многие металлы. Из них хорошо известен барий, который широко применяют в промышленных условиях при изготовлении радиоламп малой мощности. Как геттер используют также титан (особенно, в сверхвысоковакуумных насосах), цирконий, тантал, иногда магний, редкоземельные металлы. Часто применяют смеси веществ, выделяющие барий при нагреве.

Наиболее универсальным и удобным геттером в наших условиях следует считать титан. При катодном распылении он даёт на стеклянных стенках прибора тёмное зеркало. В момент образования оно поглощает все газы, которые «замуровываются» в плёнке намертво. При простом нагреве ввакууме титан начинает хорошо поглощать газы, начиная с семисот градусов. Кислород, азот, углерод и их соединения разлагающиеся горячим титаном, растворяются в нём. Этому способствует то, что титан, в отличие например от железа, способен образовывать со многими элементами фазы переменного состава.

Однако, азот даёт с титаном очень тугоплавкий нитрид золотистого цвета. Он растворяется в металле медленно и, к тому же, имеет малую работу выхода электронов. Поэтому наличие в приборе значительного количества азота затрудняет распыление титана и, соответственно, очистку газа.

Водород титаном тоже поглощается, но обратимо. Часть его поглощается напылённой плёнкой. Остаток водорода может быть поглощён распыляемым электродом после его охлаждения. То есть титан (и цирконий), а также тантал могут служить как распыляемым, так и не распыляемым геттером.

Следует отметить, что галогены не образуют с титаном, цирконием и танталом фаз переменного состава, как азот, кислород, водород, углерод, сера и т.д. Это приводит к тому, что откачка титановым насосом например, йода, очень затруднена, если вообще возможна. Летучий йодид титана конденсируется на холодных стенках колбы. Для поглощения галогенов выгоднее применять магний или даже медь.

При напылении в разряде на стенки прибора любого металла происходит поглощение даже инертных газов за счёт «вколачивания» в напыляемую плёнку его ионов, с последующим их замуровыванием. Этот процесс резко ускоряется при снижении давления. Поэтому лампы, в которых с необходимостью происходит катодное распыление, например, спектральные лампы с полым катодом (ЛПК) выходят из строя именно из-за поглощения наполняющего инертного газа в катоде.

Магний, как геттер, более инертный, чем титан и слабее поглощает водород, зато он распыляется термически при слабом нагреве. Галогены и кислород, азот, а также пары воды он поглощает с образованием нелетучих соединений. Он хорошо себя зарекомендовал при изготовлении водородных трубок для получения Бальмеровской серии. Другие газы поглощаются магнием слабо.

Иногда также очень полезно поместить на титановый геттирующий электрод очень немного (несколько миллиграммов) магния. При нагреве этого электрода разрядом с него вначале испаряется термически магний, который поглощает кислород и пары воды, а затем катодным распылением на магниевое зеркало пылится титан. Это важно и в том случае, если поглощение основной массы газов производят в припаянном к прибору «насосе». После его отпайки он может быть разобран и после замены электродовиспользован вновь. Титан с магниевым подслоем со стекла колбы можно отмывать не плавиковой кислотой, а слабым раствором серной или азотной.

Если давление в прибое велико (например — 20 — 30 мм рт. столба) то катодное распыление становится очень неэффективным. Тогда следует применить геттирующий электрод в виде редкой спирали из толстой (0,5-0,7 мм) титановой полоски.

Шаг спирали должен быть таким, чтобы удержать камешек от зажигалки. Его следует поместить на самом дальнем от ввода конце спирали. При нагреве из него вначале испаряется магний, затем оставшийся мишметалл плавится и растекается вдоль спирали. При катодном распылении он даёт белое свечение (в отличие от голубоватого у титана) и распыляется несколько быстрее. Поглощение примесей с таким комбинированным геттером идёт значительно лучше.

Полезно также поместить рядом два титановых электрода и попеременно подключать каждый из в качестве распыляемого катода. При этом, на холодном, не работающем электроде поглощается водород, примесь которого в инертном газе сильно затрудняет катодное распыление. Водород поглощается лишь хорошо очищенной разрядом поверхностью титана.

При более высоких давлениях катодное распыление становится неэффективным. Геттирующий электрод приходится либо испарять термически, либо использовать как не распыляемый геттер, нагревая его разрядом или Т.В.Ч. до температуры выше 700°. При температуре 1100° — 1200° в вакууме становится существенным термическое испарение титана, но при высоком давлении инертного газа оно резко замедляется. В этом случае можно применить импульсный разряд, разряжая в режиме самопробоя конденсатор ёмкостью 0,1-1 мф. Распыляемый электрод при этом должен быть катодом (см. рис. 10).

 

Рис.10

 

Полоску из мягкого титана можно получить, в виде толстой стружки на токарном станке, распуская трубку или диск из листа при помощи остро заточенного резца из быстрорежущей стали. Подачу следует установить 0,4—0,6 мм, работать на малых оборотах и оттягивать конец стружки плоскогубцами. После очень непродолжительного отжига при температуре 500°-600° (синий цвет побежалости) стружка становится пластичной и из неё можно гнуть нужные детали. (Таким же образом можно получать проволоку и ленту из магния и других мягких металлов).

В специальных случаях в качестве геттера можно применять даже медь. Удобными в работе могут также быть стойкие на воздухе сплавы барий-магний, стронций-магний и кальций-магний. Сплавы с магния с литием более пластичны, чем чистый магний и из них легче получить сливную стружку, поэтому для получения ленты лучше применять сплав магния с добавками лития. Его количество следует выбирать таким, чтобы сплав ещё был устойчив на воздухе.

Но в большинстве случаев можно вполне обойтись распыляемым титановым электродом (например анодом) с загнутым в виде вопросительногознака концом для фиксации разряда дальше от ввода (рис. 11).

 

Рис.11

 

 

Металлы «для химических реакций в вакууме»

— Никому не следует говорить, что мы применяем в своих приборах цезий! Все знают, что он ужасно радиоактивный!

— Да ну! Кто об этом знает! Это мы с тобой не знаем, а любой человек с улицы знает это отлично. (Невесёлый анекдот).

Это сурьма, селен, теллур для фотоэлементов, цезий, рубидий, калий и натрий. Они применяются в виде тонких плёнок или паров.

Легко летучие металлы, вроде теллура, можно испарять в вакууме со входного оптического окна фотоэлектрического прибора прямо на катод. Окно при этом нисколько не страдает. Надо только использовать выпуклое тонкое окно и очень аккуратно греть пылинку теллура с помощью горелки или потоком воздуха от накалённой спирали. Использование такой технологии сильно упрощает изготовление фотоэлементов.

При изготовлении катода Аu-Cs стойкое при заварке золото можно напылять на катод предварительно.

Получать цезий и другие щёлочные металлы (кроме лития) для получения фотокатодов, заполнения ламп их парами и активирования катодов тлеющего разряда можно только в вакууме или в инертном газе, восстановлением бихромата металла титановым или циркониевым порошком.

Титановый (циркониевый) порошок легко получить, прогидрировав стружку в кварцевой реторте чистым водородом. После этого гидрид титана легко растирается в ступке. Удалить водород можно, прокаливая гидрид в той же реторте в хорошем вакууме (при 10 -4 мм рт. столба) при 700° (цирконий при 800°) (см. главу «Синтез»).

На десять частей порошка титана берут одну часть бихромата (см. Соммера). Растёртую термитную смесь насыпают в гильзу, диаметром 3-4 мм и длиной около 15 миллиметров свёрнутую из тонкой жести из железа, никеля или титана. Гильзу помещают в запаянную с одной стороны стеклянную трубку, припаянную к прибору. Перед запайкой свободного конца трубки в прибор её следует прогреть до жёлтого свечения вокруг стекла и продуть от дыма. Это делается для удаления чрезвычайно вредных органических загрязнений.

После откачки прибора и тщательного обезгаживания его колбы и электродов распылением геттера, гильзу с термитную смесью аккуратно нагреваем горелкой через стекло со стороны запаянного конца (рис. 12).

 

Рис.12

 

Стекло при этом осаживается на гильзу и при красном калении начинается отгонка щёлочного металла в прибор. Нагретую зону перемещают в сторону прибора и затем отпаивают стекло с гильзой. При этой операции в объём прибора выделяется довольно много газа, который следует повторно удалить с помощью геттера. При использования такой технологии нельзя охлаждать гильзу с прилипшим стеклом. Из-за разности к.т.р. стекла и металла этот узел при охлаждении разрушается! Восстановление металла производят в один приём и гильзу отпаивают, сохраняя стекло в размягчённом состоянии.

Каждую вновь изготовленную порцию термита следует проверить. Реакция в вакууме должна начинаться при температуре красного каления и протекать с незначительным разогреванием. Недопустимы взрывы и вспышки, при которых горячие продукты реакции могут попасть внутрь прибора. Если имеет место сильный экзотермический эффект, то следует добавить больше титанового порошка и повторить опыт. Испытание новой партии смеси следует производить, надев очки. Смесь и снаряженные гильзы можно готовить впрок. Нужно только хорошо их просушить и держать в закрытой стеклянной таре. Правильно приготовленный термит с нужным соотношением компонентов абсолютно безопасен в обращении.

Следует заметить, что порошок гидрида титана неплохо восстанавливает барий из его хромата — ВаCrO4.

Стекло довольно стойко к парам щёлочных металлов, но его стойкость падает от цезия к натрию. Последний можно перегонять только в хорошемвакууме или в аппаратуре из специального стекла. Литий реагирует с горячим стеклом со вспышкой. Подробности можно узнать в специальной литературе, посвящённой изготовлению фотокатодов, например в книге Соммера.

 

Вверх

 

Главная   Статьи   Книги   Юмор   Разное   О себе   Обратная связь

 

 

© Сайт Юрия Бондаренко-2004г.

Сайт создан в системе uCoz