Устройство для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ И ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Урбанович Владимир Степанович Антонович Вячеслав Александрович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре,содержащее матрицу с осевым отверстием, реакционный контейнер, пару установленных соосно с осевым отверстием усеченных конических пуансонов, пару конических прокладок,установленных между пуансонами и матрицей, отличающееся тем, что дополнительно содержит вторую матрицу, расположенную соосно с первой, осевые отверстия которых вместе 12097 1 2009.06.30 с торцевой поверхностью пуансонов образуют реакционную камеру, в которой размещен реакционный контейнер, имеющий на боковой поверхности кольцевой выступ, контактирующий с торцевыми поверхностями матриц, причем толщина конических прокладок в 1,2-2,5 раза больше толщины кольцевого выступа, а наружный диаметр кольцевого выступа составляет 1,5-2 наружных диаметра конических прокладок. Предлагаемое устройство относится к химическому машиностроению, а более конкретно к области обработки материалов при высоких давлениях и температурах и производства искусственных алмазов и кубического нитрида бора. Из известных устройств для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в 1. Это устройство включает матрицу с осевым отверстием, реакционный контейнер,пару установленных соосно с осевым отверстием усеченных конических пуансонов, пару конических прокладок, установленных между пуансонами и матрицей. Реакционный контейнер помещен в это осевое отверстие вместе с прокладкой на каждом пуансоне между пуансоном и матрицей. Встречное движение пуансонов создает квазигидростатическое давление в реакционном сосуде. Это устройство принято за прототип и базовый объект. Недостатком известного устройства является то, что объем реакционной камеры недостаточно большой. Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются матрица с осевым отверстием и размещенным в нем реакционным контейнером, пара установленных соосно с осевым отверстием усеченных конических пуансонов, пара прокладок, установленных между пуансонами и матрицей. Задачей настоящего изобретения является увеличение объема обрабатываемого материала с сохранением срока службы устройства. Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре, содержащем матрицу с осевым отверстием, реакционный контейнер, пару установленных соосно с осевым отверстием усеченных конических пуансонов, пару конических прокладок между пуансонами и матрицей, оно дополнительно содержит вторую матрицу, расположенную соосно с первой,осевые отверстия которых вместе с торцевой поверхностью пуансонов образуют реакционную камеру, в которой размещен реакционный контейнер, имеющий на боковой поверхности кольцевой выступ, контактирующий с торцевыми поверхностями матриц,причем толщина конических прокладок в 1,2-2,5 раза больше толщины кольцевого выступа, а наружный диаметр кольцевого выступа составляет 1,5-2 наружных диаметра конических прокладок. Увеличение объема реакционной камеры предлагаемого устройства и, как следствие,увеличение объема обрабатываемого материала достигается за счет того, что оно дополнительно содержит вторую матрицу, расположенную соосно с первой. Придание реакционной камере соответствующей формы позволяет сохранить на том же уровне радиальную составляющую квазигидростатического давления в камере, а циркуляция хладагента между верхней и нижней частями блок-матрицы (матрица с поддерживающими кольцами) позволяет независимо от увеличения объема камеры с той же эффективностью охлаждать матрицу устройства. При этом обращение с хладагентом становится намного удобнее. На фиг. 1 изображен радиальный разрез предлагаемого устройства для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре. На фиг. 2 представлено предлагаемое устройство для предварительного компактирования и последующей обработки заготовок изделий инструментального назначения с диаметром, в несколько раз превосходящим высоту. 2 12097 1 2009.06.30 На фиг. 3 представлено для сравнения графическое изображение базового (левая часть) и предлагаемого (правая часть) устройства, а также векторные диаграммы удельных нагрузок, действующих в реакционных полостях вышеуказанных устройств. Предложенное устройство для обработки материала при высоком давлении и высокой температуре (фиг. 1) включает не менее чем две соосно расположенные, выполненные из твердого сплава или инструментальной стали матрицы 1 и 2 с осевыми отверстиями 3 и 4 соответственно. Соосно с осевыми отверстиями матриц 1 и 2 установлены усеченные конические пуансоны 5 и 6 (из твердого сплава или инструментальной стали), торцевые поверхности 7 и 8 которых соответственно вместе с осевыми отверстиями 3 и 4 образуют реакционную камеру высокого давления, в которой размещен реакционный контейнер 9 из пирофиллита или литографского камня, имеющий осевое отверстие 10 с размещенным в нем трубчатым графитовым нагревателем 11 и цилиндрическим обрабатываемым образцом 12, и кольцевой выступ 15 на боковой поверхности, контактирующий с торцевыми поверхностями матриц. Между матрицами 1 и 2 и коническими пуансонами 5, 6 расположены уплотняющие прокладки 13, 14 из пирофиллита или литографского камня. При этом толщина конических прокладок 13, 14 в 1,2-2,5 раза больше толщины кольцевого выступа 15, а наружный диаметр кольцевого выступа 15 составляет 1,5-2 наружных диаметра конических прокладок 13, 14. Устройство располагается между опорными плитами 16, 17 пресса. Матрицы 1 и 2, пуансоны 5 и 6 скреплены кольцами из высокопрочной стали 18,19 и 20, 21 соответственно. Устройство охлаждается водой 22. При воздействии прессового усилия через опорные плиты 16 и 17 пуансоны 5 и 6 сближаются, сжимая прокладки 13,14 и реакционный контейнер 9 вместе с графитовым нагревателем 11, обрабатываемым образцом 12 и кольцевым выступом 15. Температура в реакционном контейнере 9 создается путем пропускания электрического тока через нагреватель 11, пуансоны 5 и 6, опорные плиты пресса 16 и 17. После соответствующей выдержки во времени при заданных температуре и давлении пуансоны 5 и 6 отводятся в осевое первоначальное состояние и реакционный контейнер 9 вместе с обрабатываемым образцом 12 извлекается из камеры. На практике, особенно при предварительном компактировании и последующей обработке заготовок 23 изделий инструментального назначения с диаметром 3, в несколько раз превосходящим высоту 3 (фиг. 2), необходимо варьировать соотношение осевого и радиального давлений на заготовку. Эксперименты с заявляемым устройством показали 1. Для передачи прессового усилия пуансонов 5, 6 на заготовку 23 необходимо, чтобы толщинапрокладок 13, 14 не менее чем в 1, 2 раза превышала толщинукольцевого выступа 15 контейнера 9, а внешний диаметркольцевого выступа 15 контейнера 9 при этом должен превышать внешний диаметрпрокладок 13, 14 не менее чем в 1,5 раза в силу того, что при одинаковом внешнем диаметрепрокладок 13, 14 и диаметрекольцевого выступа 15 контейнера 9 площадь криволинейной поверхности контакта между пуансонами 5 и 6 и матрицами 1 и 2 соответственно больше, чем площадь плоской поверхности между кольцевым выступом 15 контейнера 9 и матрицами 1 и 2. 2. Для увеличения осевого давления по сравнению с радиальным на заготовку 23 необходимо увеличивать отношение толщиныпрокладок 13, 14 к толщине кольцевогокольцевого выступа 15 контейнера 9 не более чем в 2,5 раза при одновременном увеличении внешнего диаметракольцевого выступа 15 контейнера 9 к внешнему диаметрупрокладок 13, 14 не более чем в 2,0 раза. Дальнейшее увеличение вышеназванных отношений не имеет смысла, поскольку при превышении величин этих отношений увеличения осевого давления по сравнению с радиальным не происходит. Таким образом, путем подбора толщины прокладок 13, 14 между матрицами и соответствующими им пуансонами 5, 6 и толщины кольцевого выступа 15 контейнера 9 можно регулировать соотношение удельных давлений на боковую и торцевую поверхности заготовки 23. Преимущества заявляемого устройства перед известным показаны на фиг. 3 и в таблице, в которой приведены основные технико-экономические показатели обоих устройств. 3 12097 1 2009.06.30 Как видно из таблицы (п. 4), объем реакционной камеры в предлагаемом устройстве возрастает в 3,3 раза, а объем обрабатываемого материала (п. 6) - в 5,1 раза. Затрачиваемое осевое усилие пресса для предлагаемого устройства (п. 16) возрастает в 1,5 раза, но показатель экономичности устройства повышается, т.к. отношение усилия пресса к объему реакционной камеры (п. 22) снижается в 2,2 раза. Срок службы предлагаемого устройства увеличивается благодаря тому, что матрица состоит из двух частей и условия разгрузки устройства при этом улучшаются. Кроме того, выход алмазов на одно устройство (п. 21) увеличивается в 3,25 раза. Ожидаемый экономический эффект, который может быть получен в результате использования заявляемого устройства вместо базового объекта, достигается в основном за счет увеличения объема камеры. Это приводит к увеличению выхода алмаза с одного пресс-спекания и, в конечном счете, к снижению себестоимости производства одного карата синтетического алмаза или другого материала, получаемого с применением техники высоких давлений и температур. Базовый объЗаявляемое Характеристика устройства п/п ект 1 устройство 1 Высота реакционной камеры, мм 40 40 Радиус плоской поверхности пуансона, обращен 2 12,5 12,5 ной внутрь реакционного объема, мм Наименьшее расстояние от нагревателя до стенки 3 7 7 отверстия матрицы, мм 4 Объем реакционной камеры, см 3 9,8 32,6 Угол при вершине конуса в радиальном сечении 5 60 60 осевого отверстия 6 Объем обрабатываемого материала 12, см 3 2,05 10,4 7 Материал матриц 1 (2) 1,2 Р 6 М 5 Р 6 М 5 8 Материал пуансонов 5,6 Р 6 М 5 Р 6 М 5 Боковое давление поддержки матриц 1(2) и 1,2,9 120 120 кг/мм 2 Боковое давление поддержки пуансонов 5,6,10 120 120 кг/мм 2 11 Внешний диаметр матриц 1 (2) и 1, 2, мм 114 114 12 Высота матриц 1, 2, мм 80 80 13 Давление в реакционной камере, ГПа 4,5 4,5 14 Радиальная составляющая, ГПа 3,8 3,8 15 Осевая составляющая, ГПа 2,25 2,25 Усилие пресса, необходимое для достижения 16 5103 7,5103 давления 4,5 ГПа в реакционной зоне, кН 17 Количество испытанных устройств (матриц) 10 10 18 Срок службы устройства (средний для 10), циклы 150 175 Синтезируемый материал (Р 4,5 ГПа,Порошок ал 19 Порошок алмаза Т 1700 К, выдержка 2 мин) маза Выход алмазного порошка на одно пресс 20 4,0 13,0 спекание, карат 21 Выход алмазов на одно устройство, карат 4,0150 цик 13,0175 циклов 600 лов 2275 Показатель экономичности устройства (отноше 5103/9,85,1 22 ние усилия пресса к объему реакционной каме 7,5103/32,62,3102 2 10 ры) кН/см 3 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5