close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15718

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.04.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 01J 3/06
(2006.01)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦА ИЗ ТУГОПЛАВКИХ
МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ И ВЫСОКОЙ
ТЕМПЕРАТУРЕ
(21) Номер заявки: a 20100043
(22) 2010.01.13
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Автор: Урбанович Владимир Степанович (BY)
BY 15718 C1 2012.04.30
BY (11) 15718
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(56) BY 12636 C1, 2009.
RU 2188703 C1, 2001.
RU 2195363 C2, 2001.
US 4290741, 1981.
(57)
Устройство для получения образца из тугоплавких материалов спеканием при высоком давлении и высокой температуре, содержащее две одинаковые соосно установленные
матрицы, скрепленные поддерживающими кольцами, на обращенных друг к другу торцах
матриц выполнены центральные углубления и коаксиальные запирающие канавки, при
этом в центральные углубления установлен контейнер из теплоэлектроизоляционного материала для спекаемого образца, содержащий электронагреватель, отличающееся тем,
что каждая матрица выполнена с осевым коническим отверстием, сужающимся в сторону
центрального углубления, в которое запрессована коническая вставка, угол конусности
которой меньше угла трения сопрягаемых конических поверхностей, при этом вставки
выполнены из высокопрочного материала с меньшим коэффициентом Пуассона, чем у материала матриц.
Фиг. 4
BY 15718 C1 2012.04.30
Изобретение относится к области обработки материалов высоким давлением, в частности к устройствам для спекания материалов на основе алмаза, кубического нитрида бора и других тугоплавких соединений, а также для синтеза указанных материалов.
Известно устройство высокого давления [1], содержащее две соосно установленные
матрицы, скрепленные поддерживающими кольцами, центральные углубления на торцовых поверхностях матриц, контейнер из теплоэлектроизоляционного материала с образцом и электронагреватель.
Недостатком известного устройства является небольшой размер спекаемых образцов.
Полезный объем реакционной ячейки с образцом составляет лишь небольшую часть контейнера. Поэтому попытка увеличить диаметр образца приводит к снижению эффективности генерации давления в устройстве, поскольку большая часть усилия пресса при сжатии
устройства затрачивается на периферийную часть контейнера.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности
и достигаемому результату является устройство высокого давления типа "наковальни с
углублениями" [2], содержащее две одинаковые соосно установленные матрицы, выполненные из твердого сплава и скрепленные поддерживающими стальными кольцами, на
обращенных друг к другу торцах матриц выполнены центральные углубления, коаксиальные запирающие канавки вокруг центральных углублений, установленный в центральных
углублениях контейнер из теплоэлектроизоляционного материала с образцом и электронагреватель из прессованного графита, выполненный из двух одинаковых частей с разъемом
между ними в горизонтальной плоскости (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом. В процессе сжатия устройства при приложении усилия пресса происходит сближение матриц, которые в свою очередь сжимают
контейнер с образцом и нагревателем. При этом в полости, образуемой центральными углублениями, генерируется необходимое давление, передаваемое на образец. Герметизация
рабочего объема при сжатии обеспечивается за счет сил внутреннего трения в материале
контейнера при сжатии его периферийной части, выдавливаемой в кольцевой зазор, образуемый торцевыми поверхностями матриц с коаксиальными запирающими канавками,
давление в которых препятствует вытеканию материала контейнера из рабочего объема
наружу, и уступами, образованными внутренними поверхностями колец поддержки и
торцевыми поверхностями матриц на их стыках. Герметизация рабочего объема достигается также и за счет сил трения на границе торцевых поверхностей матриц и материала
контейнера. Указанное устройство используется для спекания композитов на основе тугоплавких соединений при высоких давлениях в диапазоне 2,5-4 ГПа.
Данное устройство выбрано нами в качестве прототипа и базового объекта.
Недостатком известного устройства является небольшой размер спекаемых образцов,
около 10 мм, и невозможность его увеличения за счет простого увеличения габаритных
размеров устройства. Анализ напряженно-деформированного состояния матриц показал,
что распределение разрушающих напряжений по объему матриц неоднородное. Наиболее
напряженные участки каждой матрицы, обусловливающие ее разрушение и определяющие срок службы, расположены по периферии дна центрального углубления [3]. В этих
местах под действием изгибающей нагрузки в процессе работы устройства возникают
наиболее высокие циклические напряжения. При увеличении диаметра матрицы изгибающий момент между центральной и периферийной ее частями в процессе нагружения
возрастает, что вызывает быстрое разрушение матрицы и сокращение срока службы устройства. Характер разрушения показан на фиг. 2. Из нее видно, что при работе устройства
каждая матрица подвергается кольцевому изгибу, который в результате многократных
циклических нагрузок приводит к ее расслоению в области дна центрального углубления.
Поэтому такое устройство не пригодно для получения образцов диаметром более 12 мм и
для работы на прессовых установках усилием более 5 МН.
2
BY 15718 C1 2012.04.30
Общими существенными признаками заявляемого технического решения и прототипа
является наличие двух одинаковых соосно установленных матриц, скрепленных поддерживающими кольцами, на обращенных друг к другу торцах матриц выполнены центральные углубления и коаксиальные запирающие канавки, при этом в центральные углубления
установлен контейнер из теплоэлектроизоляционного материала для спекаемого образца,
содержащий электронагреватель.
Задачей настоящего изобретения является увеличение рабочего объема устройства и
диаметра спекаемых образцов за счет изготовления матриц составными и снижения разрушающих циклических напряжений.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для получения образца
из тугоплавких материалов спеканием при высоком давлении и высокой температуре, содержащем две одинаковые соосно установленные матрицы, скрепленные поддерживающими кольцами, на обращенных друг к другу торцах матриц выполнены центральные
углубления и коаксиальные запирающие канавки, при этом в центральные углубления установлен контейнер из теплоэлектроизоляционного материала для спекаемого образца,
содержащий электронагреватель, каждая матрица выполнена с осевым коническим отверстием, сужающимся в сторону центрального углубления, в которое запрессована коническая вставка, угол конусности которой меньше угла трения сопрягаемых конических
поверхностей, при этом вставки выполнены из высокопрочного материала с меньшим коэффициентом Пуассона, чем у материала матриц, а диаметр конической вставки со стороны углубления составляет 0,6-0,85 диаметра центрального углубления.
На фиг. 1 представлено устройство высокого давления, взятое нами в качестве прототипа и базового объекта. На фиг. 2 представлен вид матрицы устройства-прототипа и показан характер ее разрушения. На фиг. 3 представлено осевое сечение заявляемого
устройства для получения образца из тугоплавких материалов спеканием при высоком
давлении и высокой температуре; на фиг. 4 представлен вариант выполнения устройства,
в котором каждая вставка выступает над линией стыка с боковой поверхностью центрального углубления на величину ∆hв, составляющую 0,1-0,5 его высоты hу, способствуя увеличению давления в реакционном объеме за счет его меньшей высоты для спекания
образцов в виде тонких дисков.
Устройство для получения образца из тугоплавких материалов спеканием при высоком давлении и высокой температуре (фиг. 3) содержит две одинаковые соосно установленные матрицы 1, скрепленные поддерживающими кольцами 2, на обращенных друг к
другу торцах матриц 1 выполнены центральные углубления 3 и коаксиальные запирающие
канавки 4, при этом в центральные углубления 3 установлен контейнер 5 из теплоэлектроизоляционного материала для спекаемого образца 6, содержащий электронагреватель 7,
выполненный из двух одинаковых частей с разъемом между ними в горизонтальной плоскости. Каждая матрица 1 выполнена с осевым коническим отверстием 8, сужающимся в
сторону центрального углубления 3, в которое запрессована коническая вставка 9, угол
конусности которой меньше угла трения сопрягаемых конических поверхностей, при этом
вставки 9 выполнены из высокопрочного материала с меньшим коэффициентом Пуассона,
чем у материала матриц 1. Для тепло- и электроизоляции электронагревателя 7 от торцов
конических вставок 9 в осевом отверстии контейнера 5 установлены кольцевые прокладки
10 из теплоэлектроизоляционного материала.
Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении рабочего
объема устройства и размера спекаемых образцов 6 за счет выполнения матриц 1 составными с разъемом в области наибольших напряжений. Благодаря такому решению все составные элементы - матрицы 1 и конические вставки 9 - в процессе работы устройства
находятся под воздействием сжимающих напряжений. При этом наиболее нагруженные
области вблизи края дна центральных углублений 3 испытывают гораздо меньшие разрушающие циклические напряжения, поскольку изгибающий момент оказывается рассредо3
BY 15718 C1 2012.04.30
точенным между различными элементами конструкции. Более высокий коэффициент Пуассона конических вставок 9, запрессованных в осевые конические отверстия 8 матриц 1,
обеспечивает жесткость конструкции матриц 1 и равномерность сжатия образца 6 при нагружении устройства. Более пластичный материал периферийной части матрицы 1 позволяет обеспечить радиальную скрепляющую поддержку более жесткой центральной части конической вставки 9, что невозможно в устройстве-прототипе, в котором матрицы изготовлены целиком из твердого сплава. Изготовление центральной части матрицы 1 в виде
конической вставки 9 из более жесткого материала, например жаростойкого твердого
сплава, позволяет саму матрицу 1 выполнять из менее жаростойкого и менее дефицитного
материала, например из стали ШХ15 вместо стали Р6М5, поскольку основной разогрев
будет происходить в центральной части матрицы, в области конической вставки 9. Угол
конусности α осевых конических отверстий 8, сужающихся в сторону центральных углублений 3 матриц 1, и конических вставок 9 меньше угла трения сопрягаемых поверхностей. Это обеспечивает фиксацию конической вставки 9 в отверстии 8 матрицы 1 при
разгрузке устройства. Выполнение диаметра dв конической вставки 9 со стороны центрального углубления 3 равным 0,6-0,85 его диаметра dу позволяет обеспечить оптимальное соотношение размеров центрального углубления 3.
Уменьшение отношения dв/dу менее 0,6 не обеспечивает уменьшение изгибающего
момента и необходимую жесткость матрицы. Увеличение этого отношения более 0,85 не
обеспечивает требуемое уплотнение ячейки с образцом вследствие недостаточного объема
материала контейнера для ее герметизации.
Пример конкретного выполнения заявляемого устройства. На основе предлагаемого
технического решения было изготовлено устройство высокого давления для спекания тугоплавких материалов (фиг. 3). Оно содержало две соосно установленные матрицы из
твердозакаленной стали Р6М5 (HRC62, коэффициент Пуассона к = 0,28) диаметром
D = 115 мм и высотой H = 30 мм с центральными углублениями диаметром dу = 70 мм и
глубиной hу = 7,5 мм. Матрицы скреплялись трехслойной обоймой из стальных колец
(сталь 35ХГСА) наружным диаметром 360 мм. Вокруг центральных углублений выполнялись коаксиальные запирающие канавки с внутренним диаметром 76 мм. В осевые конические отверстия матриц запрессованы конические вставки из твердого сплава ВК6
(к = 0,21) высотой 22,5 мм. Диаметр dв конических вставок со стороны центральных углублений составлял 28 мм и совпадал с диаметром дна центральных углублений. Угол конусности осевого конического отверстия и конических вставок составлял 1,5°. Контейнер
выполнялся из прессованного литографского камня на бакелитовой связке. Он имел наружный диаметр 75 мм, высоту 26 мм и осевое отверстие диаметром 55 мм. Нагрев спекаемых образцов производился нагревателем, расположенным в осевом отверстии
контейнера. Испытание устройства проводилось при спекании керамических образцов из
нитрида алюминия диаметром 53 мм и высотой 3 мм при давлении 2,5 ГПа и температуре
1600 °С. Для спекания использовалась прессовая установка ДО044 усилием 20 МН. Давление 2,5 ГПа в устройстве достигалось при усилии пресса 12,8 МН. Полученные образцы
имели плотность 3,21 г/см3, относительную плотность 98,5 %, что позволяет использовать
их в качестве мишени для напыления тонких пленок из нитрида алюминия. В устройствепрототипе [2] с диаметром матриц 40 мм и высотой 18 мм, центральными углублениями
диаметром 25 мм и глубиной 6,5 мм максимально возможный диаметр спекаемых образцов
из нитрида алюминия с такими же характеристиками составлял 10-12 мм при спекании в
таком же режиме. Давление 2,5 ГПа в устройстве достигалось при усилии пресса 2 МН.
Для сравнения устройств был произведен расчет эффективности генерации давления в
обоих устройствах. Для расчета использовали формулу: Э = (3,14P(dу)2/4 F)⋅100 %, где Э эффективность устройства, P - давление в устройстве, dу - диаметр центрального углубления, F - усилие пресса для достижения давления P.
4
BY 15718 C1 2012.04.30
Эффективность генерации давления в устройстве-прототипе составила 61 %, а в заявляемом устройстве - 75 %.
Таким образом, предлагаемое устройство, по сравнению с известным, обеспечивает
более высокую, на 14 %, эффективность генерации давления. Оно позволяет увеличить
диаметр спекаемых образцов более чем в 4 раза (с 10-12 мм до 53 мм) при одинаковых
режимах спекания.
Источники информации:
1. Устройство для создания высокого давления / Л.Ф.Верещагин и др. // Верещагин Л.Ф. Синтетические алмазы и гидроэкструзия: Сб. статей. - М: Наука, 1982. - С. 10-11
(Аналог).
2. Мазуренко А.М., Урбанович В.С., Кучинский В.М. Устройство высокого давления
для спекания керамики на основе тугоплавких соединений // Весцi АНБ, сер. фiз.-тэхн.
навук. - 1994. - № 1. - С. 42-45 (прототип).
3. Урбанович В.С., Турбинский С.С., Антонович В.А. Исследование напряженнодеформированного состояния наковален аппаратов высокого давления для спекания тугоплавкой керамики: Сб. докладов конф. "Актуальные проблемы физики твердого тела"
(ФТТ-2005), 26-28 октября 2005 г. - С. 450-453.
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
790 Кб
Теги
by15718, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа