УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1999 года по МПК B01J3/06 

Изобретение относится к области обработки материалов высоким давлением, а именно к устройствам, используемым при получении синтетических сверхтвердых материалов, например алмазов, кубического нитрида бора и композиционных материалов на их основе.

Известно устройство для создания высокого давления и температуры, содержащее две соосно установленные матрицы, на рабочих торцах которых выполнены центральные углубления и коаксиальные канавки и контейнер с обрабатываемым образцом.

Недостатком указанного устройства является необходимость использования большей части усилия пресса на создание запирающего слоя. Кроме того, этому виду устройств присущ недостаток, заключающийся в жесткой связи между размерами углублений и толщиной запирающего слоя, что приводит к использованию одного типоразмера матриц для создания давлений с регулированием в очень узком диапазоне.

Известно устройство для создания высоких давлений, содержащее две матрицы с центральными углублениями на обращенных друг к другу торцах, заполненных контейнером из литографского камня с графитовым нагревателем и обрабатываемым материалом, и коаксиальными кольцевыми канавками, имеющими в поперечном сечении форму трапеции. С боковых сторон матрицы скреплены стальными кольцами, а контейнер окружен кольцами из пластического материала.

Это устройство имеет сравнительно невысокую стойкость матриц из-за большой глубины канавок. Кроме того, обоим приведенным устройствам присущ общий недостаток: при разгерметизации камеры образуются радиальные углубления, приводящие к прекращению их дальнейшего использования.

Задачей предложенного устройства является устранение указанных недостатков, а техническим результатом является получение в камере повышенного давления при меньшем усилии пресса с возможностью создания давления с регулированием его в более широком диапазоне.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве для создания высокого давления и температуры, содержащем матрицы, соосно обращенные друг к другу лунками и коническими поверхностями, имеющими кольцевые канавки, и контейнер, снаряженный внутри токопроводящей шихтой, а снаружи - кольцом из пластичного материала, на рабочих торцах матриц лунки выполнены с разновеликими глубинами и диаметрами, внутренние и внешние конические поверхности лунок, образующие центральные конические кольцевые выступы, выполнены с разновеликими углами конусности, одна из матриц с внешней стороны лунки имеет коническую поверхность с переходом к лунке, образовав, таким образом, матрицу-пуансон, а вторая матрица имеет коническую канавку, за которой расположены кольцевые выступы, переходящие к периферии матриц в конусные поверхности, и кольцевые выступы уменьшены по высоте по отношению к центральным коническим кольцевым выступам, и выполнены выступы в соотношении
1,2<d_к/d_л1<3,0;
где d_к - диаметр кольцевого выступа,
d_л1 - диаметр лунки матрицы.

Устройство выполнено из высокопрочного материала, например легированной жаропрочной стали или твердого сплава.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан разрез устройства для создания высокого давления и температуры, слева, до осевой линии - разрез устройства до сжатия, справа - после приложения рабочего давления.

На фиг. 2 в увеличенном масштабе показана выделенная окружность, часть устройства высокого давления в сжатом состоянии.

Устройство содержит две соосно установленные матрицы 1,2, опоясанные системой бандажных колец 21, 22, имеющие центральные сферические лунки 3 и 4 и кольцевые канавки 5,6 и контейнер 7, снаряженный внутри токопроводящей шихтой 8 с верхними теплоэлектроизоляционной шайбой 9 и нагревателем 10 и нижними теплоэлектроизоляционной шайбой 11 и нагревателем 12.

Снаружи контейнер 7 имеет кольцо 13 из пластичного материала. Лунки 3, 4 в матрицах 1, 2 выполнены с разной глубиной H₁ и H₂. Разница в глубинах лунок не превышает 8%.

Конические поверхности 14, 15 от сферических поверхностей лунок к рабочим поверхностям матриц, обращенных друг к другу, выполнены с углами конусности α₁,α₂, которые составляют 20 - 40^o и 50 - 70^o, соответственно.

Матрица 1 имеет плоскую кольцевую канавку 5 с коническим переходом 16 к лунке, образуя этим самым матрицу-пуансон, а матрица 2 имеет коническую кольцевую канавку 6.

Матрицы 1, 2 к периферии рабочей поверхности имеют кольцевые выступы 17 и 18, плоский - 17 и конический - 18, которые уменьшены по высоте на 12% относительно центральных конических кольцевых выступов 19, 20, выполненных в соотношении
1,2d_к/d_л1<3,0;
где d_к - диаметр кольцевого выступа,
d_л1 - диаметр лунки матрицы 1.

Матрицы от центральных конических кольцевых выступов 19, 20 к периферии имеют конусные поверхности с разными углами конусности β₁ и β₂, которые составляют 45 - 60^o и 70 - 90^o, соответственно.

В матрицах 1, 2 центральные конические кольцевые выступы 19, 20 выполнены с разными диаметрами d_л1 и d_л2. Разница диаметров лунок d_л1 и d_л2 составляет 10-15%. Кольцевой выступ 17 выполнен плоским, переходящим в конусную поверхность к периферии с углом от горизонтали 20^o. Кольцевой выступ 18 выполнен конусным с углом конусности от горизонтали 7^o, переходящий к периферии с углом 20^o от горизонтали.

Для расширения возможности регулирования давления у пуансон-матрицы 1 и матрицы 2 поверхности 5 и 6 выполняются с кольцевыми выступами при различных соотношениях d_к/d_л1, что при больших отношениях приводит к видовым изменениям конструкции матрицы до сведения их (выступов) к внутреннему диаметру бандажных колец, как это показано пунктирными линиями на фиг. 2.

Изменение угла конусности β₂ в предельном случае приводит к плоской поверхности за лункой, что дает возможность увеличить срок службы матрицы.

Устройство выполнено из легированной жаропрочной стали Р6М5, однако можно выполнить и из твердого сплава, например, ВК6.

Устройство работает следующим образом. При приложении к устройству усилия пресса матрицы 1, 2 сближаются, сжимая снаряженный контейнер 7 с обрабатываемой шихтой 8 и кольцом 13. Контейнер деформируется и его масса выдавливается в зазор между матрицами 1, 2, образуя уплотняющий замок в канавках 5, 6. По достижении требуемой величины давления осуществляется нагрев шихты путем пропускания электрического тока. По окончании рабочего цикла отключается нагрев, давление снижается до нуля, устройство разбирается, контейнер с образовавшимся продуктом синтеза убирается, матрицы очищаются от продуктов контейнера, охлаждаются, после чего их можно повторно использовать для работы.

Испытания устройства, проведенные во всем диапазоне отношения d_к/d_л1 показали, что возможности управления по давлению в камере значительно расширены. При этом установлено, что усилие пресса снижается до 30%.

Устройство позволяет также получать повышенные давления в камере высокого давления.

Использование: изобретение относится к устройствам, используемым при получении синтетических сверхтвердых материалов, а именно алмаза, кубического нитрида бора и композиционных материалов на их основе. Устройство содержит две соосно установленные матрицы, обращеннные друг к другу углублениями со сферическими лунками, сопрягающимися с коническими поверхностями, образующими камеру высокого давления, внутрь которой помещен контейнер. Матрицы к периферии от углублений имеют коническую и плоскую поверхности, на которых располагаются кольцевые выступы. Лунки выполнены с разной глубиной Н₁, H₂, конические поверхности выполнены с разными углами конусности α₁,α₂, от которых к периферии матриц идут конусные поверхности, выполненные с разными углами β₁, β₂, образуя пуансон-матрицу и матрицу с разными диаметрами лунок d_л1 и d_л2. Кольцевые выступы по отношению к центральным кольцевым коническим выступам уменьшены на высоту не более 12% от глубин лунок Н₁, H₂, а выступы выполнены в соотношении 1,2<d_к/d_л1<3,0, где d_к - диаметр кольцевого выступа; d_л1 - диаметр лунки пуансон-матрицы. Техническим результатом является повышение давления в камере при меньшем усилии пресса при его лучшем регулировании. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для создания высокого давления и температуры, включающее снаряженный контейнер с внутренним обогревом и материалы, соосно обращенные друг к другу лунками и коническими поверхностями, образующими камеру высокого давления, причем одна из матриц с внешней стороны лунки имеет коническую поверхность, на которой расположен кольцевой выступ, отличающееся тем, что лунки выполнены с разновеликими глубинами и диаметрами, внутренние и внешние конические поверхности лунок, образующие центральные конические кольцевые выступы, выполнены с разновеликими углами конусности. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые выступы, расположенные за плоской кольцевой канавкой в одной матрице и конической канавкой в другой матрице, переходящие к периферии матриц в конусные поверхности, уменьшены по высоте по отношению к центральным коническим кольцевым выступам не более 12% величины глубины лунки и выполнены выступы в соотношении
1,2 <d_к/d_л1 <3,0;
где d_к - диаметр кольцевого выступа;
d_л1 - диаметр лунки одной из матриц. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренние конические поверхности лунок матриц выполнены с углами α₁, α₂, равными 20 - 40° и 50 - 70^o соответственно. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разница диаметров лунок матриц d_л1 и d_л2 составляет 10-15%. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разница глубин лунок составляет не более 8%. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешние конические поверхности лунок матриц выполнены с углами β₁, β₂, равными 45 - 60° и 70 - 90° соответственно.