Способ изготовления контейнеров устройства высокого давления

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРОВ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ(71) Заявители Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ Гомельское производственное объединение Кристалл(72) Авторы Гамеза Людмила Михайловна Русакевич Михаил Иванович Старовойтов Александр Семенович Зайцев Валентин Алексеевич Горлач Александр Григорьевич Кузнецов Владимир Витальевич Потапенко Владимир Иванович Бутко Александр Дмитриевич Хомич Павел Михайлович Марченко Николай Алексеевич(73) Патентообладатели Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ Гомельское производственное объединение Кристалл(57) Способ изготовления контейнеров устройства высокого давления, включающий введение в вещество на основе карбоната кальция, выбранное из группы, содержащей известняк, мел, литографский камень или доломит, связующего в виде 6 -ного водного раствора поливинилового спирта в количестве 8-10 мас.прессование таблеток под давлением 0,15-0,20 ГПа их сушку при комнатной температуре дробление до размеров гранул 0,05-2,0 мм введение 6 -ного водного раствора поливинилового спирта в количестве 4-10 мас.прессование контейнеров под давлением 0,15-0,20 ГПа сушку контейнеров при комнатной температуре.(56)642271 , 1979.1262 1, 1996.960388 , 1998.960692 , 1998.666155 , 1979.2055051 1, 1996.2078747 1, 1997. Изобретение относится к области обработки материалов высоким давлением, в частности к синтезу алмаза и кубического нитрида бора. Известен способ изготовления контейнеров устройства высокого давления 1 путем введения в вещество на основе карбоната кальция (карбонат кальция, известняк, мел, литографский камень, доломит) связующего (гидроксид кальция), которое вводят путем 5764 1 смешивания вещества на основе карбоната кальция с негашеной известью, взятой в количестве 5-80 от массы смеси, или путем термообработки вещества на основе карбоната кальция до образования негашеной извести в указанном количестве и последующего гашения извести, а после прессования контейнеры подвергают карбонизации. Получаемые по известному способу контейнеры весьма сложны в изготовлении, поскольку для их изготовления приходится применять много трудоемких операций, включая гашение извести и карбонизацию. Кроме того, получаемые контейнера не обладают достаточной прочностью для проведения синтеза при температурах свыше 1300 С, а именно синтез порошков кубического нитрида бора в таких контейнерах либо не происходит вовсе из-за разгерметизации контейнера при температурах синтеза 1600-1800 С, либо выход их весьма незначителен. Известен способ изготовления контейнеров высокого давления 2 путем введения в вещество на основе карбоната кальция (литографский камень) и наполнителя (оксид железа) органического связующего (до 10 раствора поливинилового спирта в воде) и прессование из полученной шихты контейнеров с последующим отжигом. Получаемые по известному способу контейнеры обладают недостаточной прочностью и пластичностью, поэтому синтез порошков сверхтвердых материалов происходит не во всем пространстве реакционного объема контейнера, и выход синтезируемых порошков в связи с этим недостаточно высок. Известный способ изготовления контейнеров 2 является наиболее близким техническим решением к заявленному по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа и базового объекта. Общим существенным признаком прототипа и заявленного изобретения является способ изготовления контейнеров устройства высокого давления путем введения в вещество на основе карбоната кальция (карбонат кальция, известняк, мел, литографский камень, доломит) связующего (раствор поливинилового спирта в воде) и прессование из полученной шихты контейнеров. Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных свойств контейнеров устройства высокого давления, предусматривающее увеличение выхода синтезируемых порошков, а также применение более дешевых материалов на основе карбоната кальция природного происхождения месторождений Республики Беларусь. В заявленном способе изготовления контейнеров устройства высокого давления, включающем введение в вещество на основе карбоната кальция связующего и прессование из полученной шихты контейнеров, в отличие от известного, в качестве связующего используют 6 -ный раствор поливинилового спирта в воде, вводимый в шихту в количестве 810 от массы вещества на основе карбоната кальция, затем из указанной шихты прессуют таблетки под давлением 0,15-0,20 ГПа, которые сушат при комнатной температуре, затем дробят до размеров гранул 0,05-2,0 мм, после чего дополнительно вводят в шихту 4-10 мас.водного раствора поливинилового спирта и из нее прессуют контейнера при давлении 0,150,20 ГПа, которые затем сушат при комнатной температуре. Такая последовательность операций позволяет даже самый рыхлый мел превратить в материал, не уступающий по своим эксплуатационным свойствам природному известняку алгетского месторождения Грузии. Введение в вещество на основе карбоната кальция 6 -ного водного раствора поливинилового спирта в количестве менее 12 по массе не оказывает на материал контейнера упрочняющего эффекта, а введение более 20 по массе - опять приводит к снижению прочностных характеристик. Нами выбран именно 6 -ный водный раствор поливинилового спирта, поскольку раствор такой концентрации обладает достаточной густотой, хорошей текучестью и хорошими связующими свойствами, что позволяет равномерно распределяться жидкости в исходной шихте и хорошо смачивать ее. Прессование контейнеров при давлении ниже 0,15 ГПа не позволяет получить достаточную плотность прессуемого материала, в результате чего происходит значительная 2 5764 1 усадка контейнера при нагружении и в реакционном объеме не достигается необходимое для синтеза давление. Прессование контейнеров при давлении свыше 0,20 ГПа приводит к расслоению материала контейнера и невозможности его использования. Дробление таблеток до размеров менее 0,05 мм весьма трудоемкая операция, не приводящая к значительному эффекту в плане уплотнения и упрочнения прессуемого контейнера. Более того, если присутствует мелкая фракция (0,05 мм), то происходит расслоение контейнеров. Если же размеры гранул превышают 2,0 мм, то плотность и прочность контейнеров снижается и наблюдается либо значительное уменьшение выхода синтезируемого продукта, либо вообще происходит разгерметизация контейнера при нагревании в процессе синтеза. Дополнительная операция обработки шихты прессованием в таблетки при давлении 0,15-0,20 ГПа, последующее их дробление, введение снова связующего и вторичное прессование уже в виде контейнера позволяют уплотнить и упрочнить используемый материал, в результате чего возрастает выход синтезируемого материала. Предлагаемый способ изготовления контейнеров технологичен, не требует больших затрат на механизацию, в то же время сокращаются операции активации порошка в воде с помощью металлических шаров, карбонизации и отжига контейнеров. Положительным моментом следует считать также то, что исчезает надобность ввозить из Грузии природный литографский камень, поскольку можно использовать с не меньшим успехом дешевый белорусский мел и доломит, которые обладают стабильными характеристиками, соответствующими ТУ РБ. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. В качестве вещества на основе СаСО 3 используют мел Волковысского месторождения РБ (ТУ 1 БССР 296-89). В порошок указанного мела вводят 10 по массе раствора поливинилового спирта в воде (6 -ного). Шихту тщательно перемешивают, подсушивают на воздухе до слегка влажного состояния, затем из нее под давлением 0,15 ГПа прессуют таблетки диаметром 30 мм и высотой 15 мм. После сушки на воздухе в течение 2-4 часов таблетки дробят в щековой дробилке до размеров гранул порядка 0,05-2,0 мм. Затем просеивают через сито с размерами ячеек 2 мм. В просеянный порошок добавляют еще 10 мас.водного раствора (6 -ного) поливинилового спирта, тщательно перемешивают,подсушивают до слегка влажного состояния и затем прессуют контейнера в пресс-форме под давлением 0,20 ГПа, после чего контейнера сушат на воздухе в течение нескольких часов, а затем уже используют их для синтеза сверхтвердых материалов, в частности для синтеза порошков кубического нитрида бора в аппарате высокого давления. Так, при давлении 4,3 ГПа и температуре 1870 К за 60 секунд выход порошка кубического нитрида бора составил 50 . Пример 2. В качестве вещества на основе СаСО 3 берут доломитовый порошок Витебского месторождения (г.п. Руба, ТУ 21 БССР 216-88), смешивают с 10 по массе 6 -ного раствора поливинилового спирта в воде, шихту слегка подсушивают, затем прессуют ее в таблетки под давлением 0,15 ГПа, которые подсушивают на воздухе в течение 2-4 часов. Затем таблетки дробят до размеров гранул 0,05-2,0 мм, просеивают их сквозь сито с размерами ячеек до 2 мм, добавляют в шихту еще 10 по массе раствора поливинилового спирта в воде(6 -ного), тщательно перемешивают, подсушивают на воздухе до слегка влажного состояния, затем прессуют контейнера под давлением 0,2 ГПа и сушат их несколько часов на воздухе, после этого контейнера готовы к синтезу. Выход порошка кубического нитрида бора при давлении 4,3 ГПа, температуре 1870 К за 60 секунд составил 70 . Ниже в таблице приведены другие примеры практического осуществления изготовления контейнеров для устройств высокого давления по известному и заявленному способам. В таблице указаны состав смеси, условия приготовления шихты, давление прессова 3 5764 1 ния таблеток и контейнеров, размеры гранул материала шихты и процент выхода порошка кубического нитрида бора (параметры синтеза порошка кубического нитрида бора во всех приведенных примерах были одинаковыми давление - 4,3 ГПа, температура - 1870 К,время - 60 секунд). Исходное Вид свявещество зующего ип/п карбоната его коликальция,чество,мас. Выход порошков кубического нитрида бора (либо невозможность синтеза из-за разгерметизации или расслоения) контейнера мас. Размеры гранул Давление Давление материала шихпрессова- прессоваты для прессония шихты ния конвания контейв таблетки, тейнеров,неров,ГПа ГПа Известные способы 0,07 0,07 0,07 Заявляемый способ 0,15 0,20 0,15 0,20 0,15 0,20 0,15 0,20 0,10 0,20 0,20 0,075 0,15 0,20 0,25 0,20 0,15 0,20 0,25 0,20 0,15 0,20 0,15 0,20 0,10 0,10 0,15 0,25 0,15 0,20 0,15 0,20 4 5764 1 ЛК - литографский камень ПВС - водный раствор поливинилового спирта. Как следует из данных таблицы, использование контейнеров на основе карбоната кальция, полученных согласно заявленному способу (примеры 3-6, 14), существенно увеличивает выход порошков кубического нитрида бора по сравнению с контейнерами, изготовленными согласно известным способам (примеры 1-2). При запредельных соотношениях ингредиентов исходной шихты (примеры 7-11, 12, 13, 15-18) либо уменьшается выход порошков, либо происходит расслоение контейнеров при прессовании, либо разгерметизация их при синтезе. Наилучший результат наблюдается при соблюдении условий, соответствующих примеру 6, когда в качестве исходного вещества применяется доломит, который при таком способе обработки сочетает в наилучшей степени прочностные и пластические свойства. Источники информации 1. Патент РБ 1262, МКИ С 04 В 35/00. Способ изготовления контейнеров устройства высокого давления. Шипило В.Б. 2. А.с. 642271 (СССР), МКИ С 04 В 35/00. Шихта для контейнеров сверхвысокого давления. Боровиков С.В., Давиденко В.М., Дигонский В.В. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.