Устройство для создания высокого давления и температуры

 

Использование: в технике высоких давлений, в устройствах для синтеза сверхтвердых материалов. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем две, скрепленные поддерживающими кольцами, соосно расположенные матрицы, на сопрягающихся торцах которых выполнены углубления, образующие камеру высокого давления с размещенным в ней контейнером с образцом, поверхность центральных углублений выполнена волнистой. Высота волны составляет 0,05 - 0,2 глубины центрального углубления, а длина волны - 0,02-0,11 наибольшего диаметра углубления. Волнистой может быть выполнена поверхность нижней части углублений на участке, соответствующем половине глубины центрального углубления. Изобретение позволяет значительно повысить стойкость и срок службы устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Устройство для создания высокого давления и температуры Изобретение относится к технике высоких давлений, а именно к устройствам высокого давления и температуры, применяемым при синтезе сверхтвердых материалов.

В устройствах высокого давления и температуры в процессе работы твердосплавная матрица испытывает неоднородные деформационные и тепловые нагрузки, подвергается высокотемпературному коррозионному воздействию на нее реакционной смеси. Все эти факторы приводят к негативным последствиям при эксплуатации устройства высокого давления и температуры: образование трещин в основании матрицы, сколов, коррозии, потере геометрической формы, образованию в теле матрицы радиальных канавок и прочим отрицательным явлениям, что в конечном счете значительно сокращает срок службы устройства.

В настоящее время предпринимаются попытки устранить перечисленные выше негативные явления. Однако, как показывает практика, эта задача до сих пор не получила удовлетворительного разрешения, т.к. один из предложенных решений технологически сложно осуществить, а другие не достаточно надежны.

Таким образом, задача продления срока службы матрицы устройств высокого давления и температуры остается актуальной и на сегодняшний день, особенно если учесть возросший дефицит твердосплавных материалов и их высокую стоимость.

Известно устройство для создания высокого давления и температуры, которое представляет собой две идентичные соосно расположенные матрицы с центральными углублениями, вокруг которых выполнены концентрические выступы и выемки. При сближении матриц центральные углубления образуют камеру, в которой размещен контейнер с образцом. Выступы и выемки образуют концентрические замкнутые полости, заполненные термоизоляционным материалом. Поверхность центральных углублений выполнена гладкой.

Недостатком этого устройства является изменение профиля матрицы и снижение величины давления. Происходит это вследствие неравномерности распределения контактного давления по рабочим поверхностям матриц и неравномерности распределения температур при синтезе сверхтвердых материалов. Наиболее нагруженные участки испытывают пластическое течение материала матриц, что искажает геометрию центральных углублений. Дно матриц часто подвергается выкрашиванию по всей площади прохождения тока нагрева.

Известно также устройство для создания высокого давления и температуры, принятое за прототип, выполненное в виде двух, скрепленных поддерживающими кольцами, соосно расположенных матриц, на сопрягающихся торцах которых выполнены центральные углубления, образующие камеру для размещения контейнера с образцом.

Недостатком данного устройства также является недостаточно большой срок службы матриц, который в значительной мере зависит от состояния поверхности рабочей полости матриц. Как свидетельствует статистика, более 50% аппаратов такого типа выходит из строя из-за значительного изменения геометрических параметров рабочей полости, приводящих к такому увеличению рабочего объема аппарата, при котором невозможно создать необходимое для синтеза сверхтвердых материалов давление.

Задачей, положенной в основу данного изобретения, является усовершенствование матриц устройства высокого давления путем изменения их геометрии центрального углубления, что даст возможность предотвратить искажение рабочего профиля матриц и повысить срок их службы.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в устройстве для создания давления и температуры, содержащем две, скрепленные поддерживающими кольцами, соосно расположенные матрицы, на сопрягающихся торцах которых выполнены центральные углубления, образующие камеру для размещения контейнера с образцом, поверхность центральных углублений выполнена волнистой.

Высота волны выбрана в пределах 0,03-0,2, глубина центрального углубления, а длина волны 0,02-0,15 наибольшего диаметра углубления.

Волнистой может быть выполнена поверхность нижней части центрального углубления на участке, соответствующем половине глубины центрального углубления. В верхней части профиль поверхности центрального углубления может быть гладким.

Как показали проведенные нами исследования, наибольшие напряжения при работе устройства возникают в зоне контакта реакционной шихты с поверхностью матрицы и в прилегающих к этой зоне участках, т.е. зона, подверженная негативным воздействием, расположена в нижней половине центрального углубления. При разгерметизации устройства матрица испытывает также значительные динамические нагрузки, т.к. происходит выброс раскаленной реакционной шихты в одном узком направлении, что приводит к образованию в теле матрицы радиальных канавок глубиной и шириной до 3 мм.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан один из вариантов заявляемого устройства, в котором вся поверхность центрального углубления выполнена волнистой, с вогнутой центральной частью, на фиг. 2 другой вариант матрицы, где вся поверхность также выполнена волнистой, но центральная часть углубления выпуклая; на фиг. 3 вариант матрицы, где волнистой выполнена поверхность нижней части центрального углубления.

Устройство содержит (фиг. 1) матрицы 1, в центральных углублениях 2 которых установлен контейнер 3 с образцом 4. В центральной части углубления размещен токопровод 5. Матрицы 1 запрессованы в блок поддерживающих стальных колец 6. Сами матрицы могут быть выполнены из твердого сплава или стали. Контейнер снабжен муфтой 7 из эластичного материала. Поверхность контейнера 3 может повторять форму центрального углубления, т.е. может быть выполнена волнистой, а при минимальной высоте волны может быть гладкой.

Как показали эксперименты, высота волны А составляет 0,03-0,02 глубины H центрального углубления, а длина волны λ составляет 0,02-0,15 наибольшего диаметра центрального углубления Д.

При выходе за максимальные значения этих величин А и l искажается геометрическая форма углубления, что делает невозможным поддержание высокого давления.

При выходе за минимальные значения А и l не достигается эффект увеличения срока службы матрицы.

Устройство работает следующим образом.

При сближении матриц 1 под высоким давлением материал контейнера 3 с образцом 4 деформируется. Часть материала контейнера 3, выполненного из пластичного материала, заполняет центральные углубления 2, а часть вытекает, образуя заусенец. По достижении заданного давления на заусенце создается дополнительное давление, благодаря чему он удерживает постоянное давление в устройстве.

Истечение материала в заусенце происходит в основном по поверхности матрицы 1. Кроме того при спонтанной разгерметизации устройства происходит выброс контейнера.

Волнистая поверхность матрицы увеличивает площадь поверхности, увеличивая путь скольжения материала контейнера, что уменьшает износ поверхности матриц при работе. Кроме того, гребни волнистой поверхности удерживают материал контейнера, а значит и все устройство от спонтанной разгерметизации нагруженного устройства. Это предохраняет устройство от образования трещин, сколов, прострелов (каналов).

Как показали эксперименты, наиболее нагруженной частью матрицы является нижняя часть углубления, особенно дно. Поэтому эффект увеличения срока службы устройства наблюдается также в случае выполнения волнистой только нижней половины центрального углубления матрицы (фиг. 3).

Авторами были изготовлены и испытаны устройства с различными значениями параметров, а также разновидности устройств согласно фиг. 1, 2, 3. Результаты испытаний приведены в таблице.

Как видно из результатов испытаний, изложенных в таблице, поставленная авторами техническая задача решена. В пределах заявляемых соотношений параметров устройство для создания высокого давлениял

Формула изобретения

1. Устройство для создания высокого давления и температуры, содержащее две скрепленные поддерживающими кольцами соосно расположенные матрицы, на сопрягающихся торцах которых выполнены центральные углубления, образующие камеру для размещения контейнеров с образцом, отличающееся тем, что поверхность центральных углублений выполнена волнистой, при этом высота волны составляет 0,03 0,2 глубины центрального углубления, а длина волны 0,02 - 0,15 наибольшего диаметра углубления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волнистой выполнена поверхность нижней части центральных углублений на участке, соответствующем половине глубины центрального углубления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4