АППАРАТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01J3/06 

Изобретение относится к области аппаратов высокого давления (АВД) и может быть использовано при синтезе алмаза и других сверхтвердых материалов на предприятиях, производящих синтетические алмазы, нитрид бора кубический и инструмент из этих сверхтвердых материалов.

Известен аппарат высокого давления, содержащий верхнюю и нижнюю опорные плиты, состоящие из вставок, скрепленных стальными кольцами, на которых закреплены две соосно расположенные матрицы со скрепляющими элементами, выполненными в виде конических воронок [1]
Однако в процессе работы опорные плиты указанного аппарата высокого давления имеют низкий срок службы (стойкость) из-за появления выкрашиваний и трещин на торцевых поверхностях вставок, в местах контакта с торцами матриц. Выкрашивания и трещины на торцах вставок возникают из-за того, что в процессе создания высокого давления матрицы и вставки опорных плит деформируются в различной степени, вследствие чего уменьшается площадь контакта между ними и увеличиваются напряжения, которые достигают критической величины и реализуются в виде трещин и выкрашиваний по границе контакта острой наружной кромки матрицы с поверхностью вставки опорной плиты.

Известен также аппарат высокого давления, содержащий две опорные плиты и две матрицы, расположенные между ними, на торцах которых, контактирующих с поверхностью вставок опорных плит, выполнены концентрически расположенные канавки. Между поверхностью вставок опорных плит и контактирующими с ними торцами матриц помещены твердые прокладки из пирофилита, катлинита или металла, например меди, заполняющие кольцевые канавки [2]
В процессе работы опорные плиты этого аппарата высокого давления имеют низкую стойкость из-за появления выкрашиваний и трещин на поверхности вставок опорных плит в местах контакта с краями твердых прокладок. Выкрашивания и трещины на торцах вставок появляются в результате того, что вставки опорных плит изгибаются на твердых прокладках и края прокладок становятся концентраторами напряжений, которые достигают критической величины и реализуются в виде трещин и выкрашиваний по границе контакта поверхности вставки опорной плиты с твердыми прокладками.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является аппарат высокого давления, содержащий две соосно расположенные матрицы, скрепленные стальными кольцами, и контактирующие с матрицами по плоской поверхности опорные плиты, состоящие из скрепленных стальными кольцами вставок, на контактирующих с матрицами торцах которых выполнены кольцевые углубления с установленными в них прокладками из материала, имеющего меньший, чем материал вставок опорных плит, модуль упругости, при этом внутренний диаметр углубления меньше, а наружный больше, чем диаметр контактирующего основания матрицы [3]
Такая конструкция аппарата высокого давления позволяет устранить причины возникновения выкрашиваний и трещин на вставках опорных плит в местах контакта с матрицами, что несколько повышает срок службы опорных плит аппарата, однако в процессе работы АВД происходят частые сколы внутренних кромок кольцевых углублений на торцах опорных плит, преждевременно выводящие их из строя, и сколы и отслой торцов матриц, контактирующих с поверхностью вставок опорных плит, сокращающие срок службы матриц. Это является следствием того, что при разработке конструкции АВД не были учтены изменения формы и размеров матриц и вставок, обусловленные упругими деформациями, вызванными воздействием высокого давления, при этом внутренние кромки кольцевых углублений вставок, врезаясь в торцы матрицы, сами являются концентраторами напряжений и создают неоднородные напряжения на торцах матриц.

Задачей, положенной в основу данного изобретения, является разработка такой конструкции аппарата высокого давления, которая повышала бы срок службы АВД путем оптимизации геометрии и размеров вставок опорных плит, предотвращающих преждевременное разрушение вставок и матриц АВД.

Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что в АВД, содержащем две соосно расположенные матрицы, каждая из которых скреплена стальными кольцами и контактирует с плоской поверхностью опорной плиты, состоящей из скрепленной стальными кольцами вставки, плоская часть торца вставки опорной плиты, контактирующая с торцем матрицы, сопряжена по периферии со сферической или конусной поверхностью, причем диаметр плоской части торца вставки d₁ меньше диаметра контактирующего с ней торца матрицы d₂, а наружный диаметр вставки опорной плиты D больше диаметра торца матрицы d₂ (D>d₂>d₁).

В данной конструкции АВД учтены все изменения формы и размеров, происходящие в результате воздействия на аппарат высоких давлений и температур. Впервые авторы установили, что предложенная конструкция вставки опорной плиты позволяет увеличить площадь ее контакта с торцом матрицы в процессе работы АВД при высоких давлениях, что, в свою очередь, снизило напряжения, возникающие на контактных участках деталей АВД. В результате повысился срок службы (стойкость) опорных плит и матриц АВД.

Однако экспериментальным путем было установлено, что наибольшая стойкость АВД достигалась, если диаметр плоской части торца вставки опорной плиты d₁ составляет 0,7 0,9 диаметра торца матрицы d₂,а диаметр вставки опорной плиты D составляет 1,2 1,8 диаметра торца матрицы d₂.

Кроме того, при проведении сравнительных испытаний было установлено, что на повышение стойкости АВД влияет величина радиуса сферической поверхности торцев вставки опорной плиты, при этом наибольший эффект достигается при значениях радиуса, изменяющихся от 1,5 D до 6,0 D.

Если же периферия торца вставки опорной плиты выполнена в виде конусной поверхности, то оптимальный угол между образующими конуса составляет 160 - 176^oC.

Следует отметить, что хотя и наблюдается повышение стойкости АВД за пределами приведенных выше соотношений параметров (при условии соблюдения неравенства), но это повышение значительно ниже.

Влияние указанных параметров конструкции АВД на положительный эффект (повышение стойкости АВД) приведено в таблице результатов сравнительных испытаний АВД.

На фиг.1 представлен общий вид АВД до и после приложения высокого давления, на фиг.2 изображена вставка опорной плиты со сферической поверхностью периферийной части торца, на фиг.3 вставка с конической поверхностью периферийной части торца, на фиг.4 приведена эпюра прогибов W вставки опорной плиты АВД под действием высокого давления, на фиг.5 эпюра прогибов W вставки опорной плиты в АВД-прототипе.

Заявляемый АВД (фиг.1) содержит две опорные плиты 1, состоящие из вставок 2, скрепленных блоками стальных колец 3, две матрицы 4 с углублениями 5 на обращенных друг к другу торцах, скрепленных стальными кольцами 6, и контейнер 7 из теплоэлектроизоляционного материала, хорошо передающего давление, в центре которого выполнено отверстие 8 для размещения реакционной шихты. На контейнер 7 надета муфта 9 из эластичного, чаще всего полимерного материала, которая участвует в формировании заусенца 10, запирающего АВД в процессе создания высокого давления.

Боковая поверхность 11 вставки 2 опорной плиты 1 (фиг.2) имеет форму усеченного конуса с углом 3 5^o между образующими. Плоская часть 12 торца вставки 2 контактирует с торцем матрицы 4. Периферийная часть поверхности 13 торца вставки 2 выполнена в форме сферического сегмента радиусом 1,6 6,0 D, сопряженного с плоской частью 12 торца вставки 2.

Периферийная поверхность 13 торца вставки 2 может быть выполнена конической (фиг.3), с углом между образующими 160 176^o.

При работе АВД в рабочее пространство установки для синтеза сверхтвердых материалов на базе гидравлического пресса устанавливают две опорные плиты 1, между которыми помещают две матрицы 4 со снаряженным реакционной шихтой контейнером 7 с защитной муфтой 9. Во время приложения усилия матрицы 4 сближаются и сжимают контейнер 7, материал которого полностью заполняет углубления 5 и формирует плотный и прочный заусенец 10, который при дальнейшем повышении усилия пресса уплотняется давящими на него матрицами 4 и образует прочный замок, герметично запирающий АВД в процессе синтеза алмазов или других сверхтвердых материалов. При дальнейшем увеличении усилия пресса матрицы 4 продолжают сжимать материал контейнера 7, создавая высокое давление, необходимое для синтеза алмаза. Усилие пресса передается матрицам 4 через вставки 2 опорных плит 1, которые в результате воздействия на них этого усилия деформируются, находясь в сложном напряженном состоянии.

Эпюра прогибов W торцевой поверхности вставок 2 опорных плит 1 АВД-прототипа при создании высокого давления приведена на фиг.5. При этом торцевая поверхность 14 вставок 2 опорных плит 1 (по прототипу) в местах контакта приобретает вогнутую форму, площадь контакта 15 с торцевой поверхностью матриц 4 уменьшается и имеет вид кольца. Вследствие этого напряжения, возникающие в местах контакта, возрастают, что в процессе эксплуатации приводит к преждевременному выходу из строя АВД как из-за сколов и выкрашивающий поверхности вставок 2 опорных плит 1, так и из-за кромок углублений 5 и отслоя торцев матриц 4.

В заявляемом АВД (фиг.1) вставки 2 опорных плит 1 под действием усилия пресса также подвергаются деформации, однако их торцевая поверхность 12, 13 приобретает форму, близкую к плоской, и контактирует с торцевой поверхностью матриц 4 по большей площади (фиг.4), тем самым снижая напряжения, возникающие как в матрицах 4, так и во вставках 2 опорных плит 1 АВД в процессе их эксплуатации.

Пример выполнения аппарата высокого давления. АВД (фиг.1) содержит две опорных плиты 1, установленных в рабочем пространстве гидравлического пресса (на чертеже не показан), состоящих из скрепленных стальными кольцам 3 вставок 2, две матрицы 4, скрепленные стальными кольцами 6, установленные между плитами 1.

На обращенных друг к другу торцах матриц 4 выполнены центральные углубления 5 (⊘ 60 мм), в которых размещен контейнер 7 из литографского камня. В центре контейнера 7 выполнено отверстие 8 (o 35 мм), заполненное реакционной шихтой. На контейнер 7 надета муфта 9 из полихлорвинила.

Боковая поверхность 11 вставки 2 опорной плиты 1, запрессованной в блок скрепляющих колец 3, имеет форму конуса с углом 4^o между образующими. Торец вставок 2 (o 150 мм) своей плоской частью 12 диаметром 80 мм контактирует с торцем матрицы 4 (o 92 мм). Периферийная часть 13 поверхности торца вставок 2 имеет сферическую поверхность (радиусом 300 мм), сопряженную плоской частью 12 торца вставок 2.

Срок службы каждой опорной плиты 1 составил от 1600 до 4100 пресс-нагружений при средней стойкости матриц 4 от 540 до 640 пресс-нагружений.

Для исследований было изготовлено несколько вариантов АВД с различными параметрами. Все варианты АВД были испытаны в одинаковых условиях в процессе синтеза алмазов марок АС 50-АС 100.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Как видно из результатов сравнительных испытаний АВД с различными параметрами конструкции, повышение стойкости АВД наблюдается даже при незначительном превышении диаметра d₂ торцов матриц 4 над диаметром d₁ плоской части 12 торцев вставок 2 опорных плит 1, с которыми они контактируют, при условии соблюдения соотношения размеров диаметров (D>d₂>d₁).

Если при этих же условиях диаметр d₁ плоской части 12 вставки 2 изменять в пределах (0,6 0,9)d₂, стойкость АВД повышается на 35 - 70%
Следует отметить, что, регулируя величину радиуса R сферической поверхности (или угла α конусной поверхности), можно повысить стойкость АВД, но не так значительно, как при изменении соотношения диаметров D, d₂, d₁.

Изобретение относится к оборудованию для синтеза сверхтвердых материалов. Суть изобретения: аппарат высокого давления содержит две соосно расположенные матрицы, каждая из которых скреплена стальными кольцами и контактирует с плоской поверхностью опорной плиты, представляющей собой скрепленную кольцами вставку. Торец вставки опорной плиты, контактирующий с торцом матрицы, выполнен в виде плоской части в центре, сопряженной со сферической или конусной поверхностью по периферии. Диаметр плоской части торца вставки d₁ меньше диаметра контактирующего с ней торца матрицы d₂, а наружный диаметр вставки опорной плиты D больше диаметра торца матрицы d₂ (D>d₂>d₁). Наибольший срок службы АВД достигается, если диаметр плоской части торца вставки d₁ составляет 0,7 - 0,9 диаметра торца матрицы d₂, диаметр вставки опорной плиты D составляет 1,2 - 1,8 диаметра торца матрицы d₂, а радиус R сферической поверхности торца вставки составляет 1,5 - 6,0 диаметра вставки опорной плиты D. Если же периферия торца вставки опорной плиты выполнена в виде конусной поверхности, то оптимальный угол между образующими конуса составляет 160 - 176^o. Технический результат: повышение срока службы (стойкости) аппаратов высокого давления не менее чем на 30%. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Аппарат высокого давления, содержащий две соосно расположенные матрицы, каждая из которых скреплена кольцами и контактирует с плоской поверхностью опорной плиты, состоящей из скрепленной кольцами вставки, отличающийся тем, что плоская часть торца вставки опорной плиты, контактирующая с торцом матрицы, сопряжена по периферии со сферической или конусной поверхностью, причем диаметр плоской части торца вставки d₁ меньше диаметра контактирующего с ней торца матрицы d₂, а наружный диаметр вставки опорной плиты D больше диаметра торца матрицы d₂. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что диаметр плоской части торца вставки d₁ составляет 0,7 0,9 диаметра торца матрицы d₂, а диаметр вставки опорной плиты D составляет 1,2 1,8 диаметра торца матрицы d₂. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиус R сферической поверхности торца вставки составляет 1,5 6,0 диаметра вставки опорной плиты D. 4. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол α между образующими конуса конусной поверхности торца вставки составляет 160-176^oС.