ПРЕССОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК B01J3/06 

Изобретение относится к технике для производства сверхтвердых материалов (СТМ), например алмазов, путем синтеза.

Существуют разные методы получения СТМ. В настоящее время в технологии промышленного производства СТМ наиболее широко применяют методы синтеза, основанные на использовании высоких статических или динамических давлений (до 10 ГПа) при температуре до 4000 К. Таким экстремальным давлениям и температуре нагрева подвергают аппарат высокого давления (АВД), в котором размещена шихта исходный состав для синтеза СТМ, например, для производства алмазов, графит.

При статическом методе синтеза применяют мощные гидравлические прессы различной конструкции со сложным гидроприводом. Воздействие на АВД силового элемента рабочего плунжера возможно в данном случае за счет гидропривода в течение нескольких часов. Это позволяет обеспечить надежный рост кристаллов СТМ, получить их достаточно крупными и хорошего качества.

Однако, в целом, используемое оборудование очень сложное и больших габаритов.

При динамическом методе шихта вместе с взрывчатым веществом (ВВ) помещается в специальной взрывной камере. Воздействие высокого взрывного давления газов кратковременно, что позволяет сократить время синтеза примерно на три порядка по сравнению с статическим методом, но получаемые в этом случае алмазы имеют размер лишь микрочастиц и с большим числом дефектов поверхности.

Оборудование и в этом случае является достаточно сложным, а взрывную установку по условиям техники безопасности возможно использовать только в полигонных условиях [1]
Известен гидравлический пресс [2] содержащий корпус в виде замкнутой жесткой рамы, установленный в ней силовой элемент и его привод (рабочие и возвратные цилиндры с плунжерами). Движение и необходимое давление силового элемента обеспечивают гидравлическим приводом с насосами.

Для обеспечения значительного статического давления (в несколько десятков меганьютонов) необходим мощный и сложный гидропривод. Для размещения всего прессового оборудования требуются большие рабочие площади сотни и более квадратных метров, т.е. помещение сопоставимое с площадью промышленного цеха.

Обслуживание такого гидропресса является процессом трудоемким и сложным.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для получения алмазов, содержащее корпус, камеру с шихтой и контактирующий с камерой силовой элемент с направляющими и приводом перемещения силового элемента [3]
Сопоставительный анализ данного устройства и предлагаемой прессовой установки показывает, что отличием последней является выполнение силового элемента и привода его перемещения.

Целью изобретения является упрощение технологии и удешевление производства СТМ, например алмазов, путем синтеза и за счет использования в качестве источника энергии быстрогорящего вещества небризантного действия и силового элемента в виде стального штока как накопителя потенциальной энергии сжатия с приводом его перемещения в виде подвижного клинового соединения, обеспечивающего выигрыш в энергии.

Предлагаемая прессовая установка позволяет использовать одновременно преимущества и статического, и динамического методов: действие статического сжимающего усилия на АВД силового элемента в течение длительного времени (несколько часов) и применение в качестве энергии быстрогорящего вещества не бризантного действия (например, пороха). Это позволяет получить и крупные качественные кристаллы при достаточно простой малогабаритной установке, которую можно эксплуатировать в обычном заводском помещении ограниченной площади.

Цель достигается созданием прессовой установки для синтеза сверхтвердых материалов, содержащей корпус, размещенную в нем камеру с шихтой и контактирующий с камерой силовой элемент с направляющими и механизмом его перемещения, в котором согласно изобретению механизм перемещения силового элемента выполнен в виде клина с полостью, установленного с возможностью перемещения и размещенного в полости поршня с осевым отверстием, причем один торец поршня контактирует с корпусом, а на другом торце размещено быстрогорящее вещество не бризантного действия, а силовой элемент выполнен в виде стального штока, длину которого выбирают по формуле: l=ΔFE/(P₁-P₂) где l длина стального штока; F площадь сечения стального штока; Е модуль упругости; Δ линейная усадка шихты; Р₁ и Р₂ начальное и конечное усилие сжатия стального штока в процессе синтеза.

Проведенные патентные и литературные исследования показали, что аналоги по существенным отличительным признакам отсутствуют.

На чертеже схематически показана конструкция прессовой установки для синтеза сверхтвердых материалов.

Прессовая установка для синтеза сверхтвердых материалов содержит корпус 1, выполненный в виде жесткой рамы, установленный в нем аппарат высокого давления 2 с шихтой, контактирующий с ним силовой элемент стальной шток 3, являющийся накопителем потенциальной энергии сжатия, взаимодействующий с ним клиновой механизм, в клине 4 которого выполнена полость 5 и привод его перемещения, выполненный в виде установленного в полости 5 неподвижного поршня 6, жестко опирающегося торцем на корпус 1, на второй торцевой поверхности которого, находящейся в полости 5, размещено быстрогорящее вещество 7 небризантного действия.

Поршень 6 размещен в полости 5 с уплотнением и обеспечением возможности перемещения относительно него клина 4 по его направляющим 8, выполненным в корпусе 1. В неподвижном поршне 6 выполнено продольное осевое отверстие 9 для сброса продуктов горения в атмосферу. Стальной шток 3 установлен в направляющих 10. Фиксация его положения относительно клина 4 обеспечивается шпонкой 11. В корпусе 1 установлен напротив торца клина 4 ограничительный винт 12. Аппарат высокого давления 2 закреплен в корпусе 1 держателем 13.

Прессовая установка для синтеза сверхтвердых материалов работает следующим образом.

В корпусе 1 устанавливают аппарат высокого давления 2 с шихтой, которую, например, для производства алмазов приготавливают на основе графита. На торцовую поверхность неподвижного поршня 6 в полости 5 закладывают быстрогорящее вещество 7. Воспламенение последнего осуществляют электровоспламенителем (не показано). Образовавшиеся при горении газы создают давление в полости 5 клина 4, под действием которого он перемещается по направляющим 8 в корпусе 1, и его наклонная плоскость, выполненная под углом, скользя относительно срезанного под тем же углом торца стального штока 3, будет его сжимать и деформировать в пределах упругой деформации, в основном (в продольном) направлении. Это усилие сжатия передается на аппарат высокого давления 2. Величина силы сжатия должна быть достаточной для осуществления синтеза СТМ и может достигать до 10 МН. Усилие сжатия зависит от количества быстрогорящего вещества 7 и величины хода клина 4. Предельный ход клина 4 ограничен ограничительным винтом 12. С помощью этого же винта клин 4 возвращается обратно в исходное положение после выполнения процесса синтеза. Количество быстрогорящего вещества 7 подбирают предварительно путем расчета, а затем уточняют на основании опыта. Угол наклона α клина 4 и контактирующего с ним торца стального штока 3 устанавливают из условия самоторможения α≅ρ, где ρ угол трения клинового соединения.

В начальный период горения отверстие 9 закрыто быстрогорящим веществом 7, что препятствует утечке газов. В момент достижения максимального значения давления в полости 5 быстрогорящее вещество 7 полностью сгорает и открывает отверстие 9. После создания необходимого сжимающего усилия на аппарат высокого давления образовавшиеся в полости 5 газы выходят через продольное отверстие 9 в атмосферу. Стальной шток 3 остается по-прежнему в сжатом состоянии, являясь аккумулятором потенциальной энергии. Самотормозящее клиновое соединение не позволяет ему разжаться, т.е. вернуться из упругосжатого состояния в начальное, недеформированное. Это дает возможность выдержать аппарат 2 высокого давления под сжимающей нагрузкой в течении длительного времени (нескольких часов), необходимых для проведения полного цикла синтеза СТМ, получить крупные кристаллы. В процессе синтеза СТМ шихта в аппарате 2 высокого давления уменьшается в объеме (дает усадку), уменьшается и линейный размер в осевом направлении. Сжатый в пределах упругой деформации как жесткая пружина стальной шток 3 начинает удлиняться, отдает накопленную потенциальную энергию на работу по сжатию АВД и тем самым компенсирует его линейную усадку при переходе шихты из одного состояния в другое. Сила давления сжатия на АВД будет в этом случае несколько снижаться, но остается достаточной (несколько МН) для продолжения синтеза СТМ.

Это позволяет проводить синтез СТМ под высоким статическим давлением в условиях, практически близких к тем, что имеют место при использовании мощных гидравлических прессов. Устройство и условия его работы, а также размеры значительно проще и меньше.

Длину стального штока 3 и его диаметр выбирают из условий компенсации усадки шихты, обеспечения требуемого для синтеза СТМ усилия сжатия (несколько МН) до конца процесса.

Разность упругих деформаций штока в начале Δ₁ и в конце Δ₂ процеccа синтеза должна быть равна линейной усадке шихты Δ.

Δ Δ₁-Δ₂ или на основании закона Гука
Δ= (P₁-P₂) где l и F соответственно длина и площадь сечения штока; Е модуль упругости; Р₁ и Р₂ начальное и конечное усилие сжатия штока в процессе синтеза. Длину штока получают по выражению
l .

Использование: в производстве сверхтвердых материалов, например алмазов. Сущность изобретения: прессовая установка содержит силовой элемент в виде стального штока, механизм перемещения силового элемента в виде клина с полостью и размещенного в полости поршня. Один торец поршня контактирует с корпусом установки, а на другом торце размещено быстрогорящее вещество небризантного действия. Использование в качестве источника энергии быстрогорящего вещества небризантного действия и силового элемента в виде стального штока как накопителя потенциальной энергии сжатия удешевляет процесс производства. 1 ил.

ПРЕССОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащая корпус, размещенную в нем камеру с шихтой и контактирующий с камерой силовой элемент с направляющими и механизмом его перемещения, отличающаяся тем, что механизм перемещения силового элемента выполнен в виде клина с полостью, установленного с возможностью перемещения, и размещенного в полости поршня с осевым отверстием, причем один торец поршня контактирует с корпусом, а на другом торце размещено быстрогорящее вещество не бризантного действия, а силовой элемент выполнен в виде штока, длину l которого выбирают по формуле
l = ΔFE(P₁-P₂),
где F площадь поперечного сечения стального штока;
E модуль упругости;
Δ линейная усадка шихты;
P₁ и P₂ начальное и конечное усилия сжатия стального штока в процессе синтеза.