СПОСОБ ШТАМПОВКИ ЖИДКОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2003 года по МПК B22D18/02 

Изобретение относится к области жидкой штамповки и получения новых особо плотных материалов с новыми свойствами. Изобретение может быть использовано для обработки любых металлов и неметаллов.

Известен способ штамповки жидкого металла [1] (патент РФ 2106226), при котором переохлажденный расплав обрабатывают импульсным давлением, позволяющим сформировать особо плотную кристаллическую структуру изделия.

Другим аналогом изобретения является способ синтеза веществ под действием ударных волн [2], (стр. 94-101), где под их действием в веществе могут происходить фазовые переходы и химические реакции. Данным способом получают искусственные алмазы, кубический нитрид бора, карбиды титана и т.п. вещества. Способ включает в себя приготовление вещества и обработку его высоким давлением, под воздействием которого в нем происходят различные превращения (фазовые, химические и т.п.), а после снятия давления новая модификация вещества может сохраняться.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ штамповки жидкого вещества, известный из автореферата диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Волкова А.Е. по теме "Разработка технологии, оснастки и оборудования импульсной объемной штамповки". (Автореферат передан в библиотеку МИМиС 20.05.1994). Из автореферата известен "Способ штамповки жидкого вещества, включающий получение расплава вещества, перемещение его в охлаждаемый трубопровод и штамп с последующим воздействием на него в штампе импульсным давлением при температуре, время фазового или химического превращения вещества при которой стремится к нулю, и отводом тепловой энергии в количестве, достаточном для предотвращения обратного превращения в веществе".

Задачей изобретения и его техническим результатом является повышение эффективности способа и расширение его технических возможностей.

Поставленная задача решается путем осуществления способа штамповки жидкого вещества, включающего получение расплава вещества, перемещение его в охлаждаемый трубопровод и штамп, последующее воздействие на него в штампе импульсным давлением при температуре, время фазового или химического превращения вещества при которой стремится к нулю, и отвод тепловой энергии в количестве, достаточном для предотвращения обратного превращения в веществе. В отличие от известного перемещение вещества к охлаждаемому трубопроводу осуществляют с предварительным переохлаждением вещества, а перемещение вещества по охлаждаемому трубопроводу и штампу проводят с его переохлаждением до температуры, стремящейся к температуре кристаллизации.

Предложенный способ реализуют различные модификации установок, представленные на фиг.1, фиг.2, фиг.3, в несколько этапов.

I Этап: Нагрев вещества до жидкофазного состояния.

II Этап: Перемещение вещества к охлаждаемому трубопроводу с его предварительным переохлаждением.

III Этап: Перемещение вещества по охлажденному трубопроводу и штампу с его максимальным переохлаждением до температуры, стремящейся к температуре кристаллизации.

IV Этап: Обработка переохлажденного расплава в штампе импульсным давлением и дополнительно возникающей при сжатии температурой до получения новой модификации вещества.

V Этап: Отвод тепловой энергии из модифицированного вещества, сжатого повышенным давлением в штампе настолько, что после снятия давления это способствует сохранению полученной новой модификации вещества.

Установки включают охлаждаемый трубопровод 1, штамп 2, и предполагают отдельное место для получения расплава вещества 3. Одна из модификаций установок снабжена пуансонами 4.

Установки, изображенные на фиг.1, 2, 3, работают по схожим технологическим схемам с соблюдением принципов способа получения новой модификации вещества. В соответствии с первым этапом устройства предполагают в начале пути Z разогрев вещества до жидкофазного состояния. Плавление осуществляется с использованием электродуги, сопротивления, плазмы, электронного луча, лазера, индуктора и т.д.

Для технически более простого осуществления способа нагрев вещества и место его дальнейшей обработки разделено. Поэтому второй этап осуществления способа является необходимым звеном технологической цепочки и служит для перемещения вещества к охлаждаемому трубопроводу, в процессе чего и происходит его предварительное переохлаждение. Согласно работе [3], (стр.69) данный этап позволяет уменьшить тепловую энергию вещества на определенную величину ниже его равновесной температуры, но при этом имеется возможность сохранить его жидкотекучесть.

Для снижения тепловой нагрузки на вещество при его последующей обработке давлением служит третий этап, с учетом высокой скорости охлаждения, порядка 10³-10⁸К/с, во время перемещения вещества по охлажденному трубопроводу и штампу, обеспечивается его максимальное переохлаждение до температуры, стремящейся к температуре кристаллизации. По данным работы [4], (стр.18), вещества могут охлаждаться ниже равновесной температуры плавления на величину, составляющую 40-60 % от равновесной температуры.

На четвертом этапе во время обработки переохлажденного расплава вещества в штампе импульсным давлением и дополнительно возникающей температурой при его сжатии происходит формирование твердой фазы вещества. При определенном сочетании величин давления и температуры скорость превращения в веществе может достигать очень высоких значений, а следовательно, за весь промежуток времени сжатия время на превращения в веществе занимает только небольшую его часть.

Согласно работе [5], (стр.13) можно определить давление, возникающее в веществе, при определенной скорости соударения со штампом, а также [5], (стр.20-22) приращение дополнительной температуры при сжатии вещества.

Согласно работе [5], (стр.23-24) технологической особенностью осуществляемого процесса является снижение тепловой нагрузки на вещество за счет ступенчатого возрастания акустического сопротивления (жидкость, твердая фаза низкого давления, твердая фаза высокого давления и т.д.), что позволяет значительно снизить прирост температуры сжатия по сравнению с однородным твердым веществом.

Так как процесс превращения вещества завершен, а процесс сжатия еще длится, то за оставшееся время от полученной твердой фазы вещества производится отвод тепловой энергии настолько, что после снятия давления это способствует сохранению полученной новой модификации. Для этого и предназначен пятый этап, основанный, как известно из работы [5], (стр.200-202), на изменении термодинамического стимула в зависимости от изменения температуры и давления.

С практической точки зрения при осуществлении данного способа, в сравнении с аналогами, важно следующее: затраты при получении одного и того же количества синтезированного вещества снижаются в 3-5 раз. Не вдаваясь в точные теоретические расчеты, которые осложняются краткотекущими превращениями, можно на основе приближенных сравнительных примеров показать практическую выгоду для производства при использовании данного способа.

Принимаем в качестве сравнительного примера известный способ [2], (стр. 100) синтеза искусственного алмаза методом взрыва мелкого порошка графита с предлагаемым способом.

Установка, изображенная на фиг. 1, позволяет за счет своей простоты конструкции воздействовать на вещество с максимально возможными давлениями при максимальной длительности импульса и с максимально возможной скоростью теплоотвода из модифицированного вещества. Так, например, используя установку возможно получение особо плотных веществ. Высокое давление в штампе, воздействующее на вещество, достигается за счет столкновения этого вещества и штампа. Например, при столкновении расплава вещества и штампа на встречных орбитах. При этом достигаемая скорость столкновения составит 15 км/с, а возникающее давление будет около 2000 ГПа.

В отличие от известных способов синтеза новых веществ, когда взрывчатое вещество накладывается на обрабатываемое вещество, этот способ позволяет максимально сохранить полученную новую модификацию, минимально подвергая ее остаточному тепловому и механическому разрушению в волнах разгрузки. За счет подбора длины и диаметра охлаждаемого трубопровода-штампа регулируется время удержания новой модификации вещества в сжатом состоянии, что позволяет получать и синтезировать в достаточно больших объемах новые вещества. Причем синтез может протекать при самых высоких давлениях и температурах, достигаемых на сегодня, при использовании существующей техники.

Установка, изображенная на фиг.2, позволяет за счет прямого наложения взрывчатого вещества на охлаждаемый трубопровод и штамп осуществить способ штамповки жидкого вещества, не прибегая к дополнительным устройствам. Эта установка позволяет на сегодня осуществлять способ при относительно средних давлениях и скоростях теплоотвода.

Установка, изображенная на фиг.3, позволяет за счет введения пуансонов и использования ВВ осуществлять предлагаемый способ, максимально увеличив время воздействия давления на вещество за счет дополнительных устройств. Рассмотрим работу установки, изображенную на фиг.3, применительно к синтезу искусственного алмаза. В ударных волнах синтез алмаза гарантированно начинается при min давлении 12,5 ГПа и min температуре 1600К. За время ударного синтеза: Δt= 10^-6с, образуется 1% алмаза от всего объема изначального графита, Следовательно, при этом давлении и температуре за время в 100 раз большее: Δtl=10^-4с, будет образовано 100% алмаза.

Температура выхода, при которой гарантированно не происходит распада полученного алмаза, равна 1000К.

1. Пусть средний радиус обрабатываемого расплава R=0,5 мм.

2. Определяем по графику [4], (стр.62) среднюю скорость охлаждения расплава в штампе Uo для этого радиуса Uo=4•10⁶K/c.

3. При этой скорости расплав охлаждается на величину (Тр-Тn)/2.

С учетом того, что температура штампа Тn=300К, а к моменту начала теплоотвода из вещества, его температура достигла Тр=1600К, ΔT=650К.

При потерянной температуре ΔT со средней скоростью Uo вещество охладится до Тк = 950К за общее время
Δt2=650К / 4•10⁶ К/с=1,6•10^-4.

Следовательно, для получения 100%-ного выхода алмаза необходимое время сжатия в ударных волнах составит
tc=Δt1+Δt2,
tc=10⁴+1,6•10⁴=2,6•10^-4c.

При этом будет получен алмазный состав в диаметре 1 мм. Зная время сжатия вещества, определим длину двух стальных пуансонов, изображенных на фиг. 3. Зная, что время сжатия
tc=2t/Co.

tc=2,6•10^-4c,
Со= 6•10³ м/с (скорость прохождения продольных волн по стали) подбираем длину стального пуансона
l=tc•Со/2=2,6•10^-4c•6•10³ м/с/2=7,8•10^-1м=780 мм.

Скорость столкновения Up двух пуансонов должна быть такой, чтобы в сумме возникло давление 12,5 ГПа. Следовательно, один стальной пуансон должен развивать скорость, равную 150 м/с, при которой возникает давление 6,25 ГПа.

Для увеличения диаметра получаемого изделия из новой модификации вещества можно сделать следующие изменения в конструкции и технологическом процессе установки - уменьшить температуру Тn-инструмента, т.е. довести ее до 10÷100К;
увеличить длину пуансона до 1÷100 м;
подобрать материал пуансона, где Со- min., т.е. 1000÷2000 м/с.

Тем самым появляется реальная возможность получения алмаза в больших объемах, где радиус камеры прессования может достигнуть 2÷10 мм. Особенно больших объемов можно добиться, применяя катализаторы. Из работ [6] - "При каталитическом синтезе удается снизить температуры и давления более чем в два раза".

На сегодня все машины, предназначенные для синтеза новых модификаций веществ, основаны на принципе разогрева вещества и его обработке давлением в определенном месте устройства, а это не способствует развитию особо высоких давлений и скоростей теплоотвода.

Все основные способы синтеза новых материалов в ударных волнах, основанные на непосредственном наложении взрывчатого вещества на обрабатываемое вещество, ограничены в объеме фракции получаемого синтезированного материала. Поэтому применение способа для получения новых веществ в относительно больших объемах и при относительно высоких давлениях и температурах считается перспективным и полезным для производства.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования (способа) и расширение технических возможностей за счет получения изделий с новыми свойствами, причем получение таких модификаций или химических соединений, которые другими способами не производятся. В результате осуществления способа будет получена новая фаза или химическое соединение с плотностью вещества, которая при обычных условиях не образуется.

Что касается получения фазовых модификаций, которые другими способами не производятся, то способ может быть полезен для получения плотной углеродной фазы такой, как углерод III [6], (стр.91). Данным способом можно получать и нестабильные химические соединения в процессе резкого "замораживания" реакции [7] , (стр. 12, 61-64). Предлагаемый способ может достигать скоростей охлаждения химических реакций более 10⁸ к/с. При этом могут производиться такие химические соединения, как Ti-C; Zn-C; Ti-B; Hf-C и многие другие, имеющие наименьший размер зерна или аморфную структуру, что, как известно, может использоваться при производстве сверхпроводников, полупроводников и т. п. направлениях.

Согласно описанию работы установок при производстве синтетического алмаза, где в качестве силового воздействия используется ударная волна, стоимость относительно силового привода предлагаемых устройств будет примерно меньше в 3-5 раз при сравнении с гидравлическими машинами, предназначенными для тех же целей [6], (стр.94-100). Сравнение по конструкционным параметрам при использовании предлагаемых устройств и гидропрессов показывает, что новое устройство не требует спец. камер, выдерживающих длительно высокие давления и температуры, так как время обработки в предлагаемом способе в сравнении с получением алмаза на прессах на несколько порядков меньше. Разделение мест нагрева вещества и его обработки также снижает стоимость устройства, т. к. упрощается управление процессом, упрощается конструкция, а в пресс-камере не используются изолирующие вещества. Поэтому предлагаемые установки при производстве того же количества синтетического алмаза, в сравнении с гидропрессовыми установками, потребуют экономических затрат меньше минимум в 10 раз.

Проблемы существования материалов при температуре значительно большей, чем 4000К, с учетом больших давлений, работоспособных в таких условиях, не возникает, если учесть разность в массах устройства и обрабатываемого вещества, а также время протекания подобных процессов.

Поэтому предлагаемый способ для получения новой модификации вещества более эффективен, чем прототип, и может быть полезен для применения в широком производстве.

Литература
1. Волков А.Е. и др. - RU 2106226 (27.06.96 г.).

2. Прюммер Р. - Обработка порошкообразных материалов взрывом. - М.: Из-во "Мир". 1990 г.

3. Овсиенко Д. Е. - Зарождение и рост кристаллов из расплава. - Киев: Из-во "Наукова Думка". 1994 г.

4. Гилман Д.Д. и др. - Металлические стекла. - М.: Из-во "Металлургия". 1984 г.

5. Эпштейн Г.П. - Строение металлов деформированных взрывом. - М.: Из-во "Металлургия". 1988 г.

6. Костиков В.И. и др. - Графитизация и алмазообразование. - М.: Из-во "Металлургия". 1991 г.

7. Левашов Е.А. и др. - Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. - М.: ЗАО "Издательство БИНОМ". 1995 г.

Изобретение относится к области жидкой штамповки и получения новых особо плотных материалов и может быть использовано для обработки любых металлов и неметаллов. Предложен способ штамповки жидкого вещества, включающий получение расплава вещества, перемещение его в охлаждаемый трубопровод и штамп, последующее воздействие на него в штампе импульсным давлением при температуре, время фазового или химического превращения вещества при которой стремится к нулю, и отвод тепловой энергии в количестве, достаточном для предотвращения обратного превращения в веществе. Перемещение к охлаждаемому трубопроводу осуществляют с предварительным переохлаждением вещества, а перемещение вещества по охлаждаемому трубопроводу и штампу проводят с его переохлаждением до температуры, стремящейся к температуре кристаллизации. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа и расширение его технических возможностей. 3 ил.

Способ штамповки жидкого вещества, включающий получение расплава вещества, перемещение его в охлаждаемый трубопровод и штамп, последующее воздействие на него в штампе импульсным давлением при температуре, время фазового или химического превращения вещества при которой стремится к нулю, и отвод тепловой энергии в количестве, достаточном для предотвращения обратного превращения в веществе, отличающийся тем, что перемещение вещества к охлаждаемому трубопроводу осуществляют с предварительным переохлаждением вещества, а перемещение вещества по охлаждаемому трубопроводу и штампу проводят с его переохлаждением до температуры, стремящейся к температуре кристаллизации.