Материал контейнера аппарата высокого давления и температуры

Изобретение относится к технике высоких давлений и температур и может быть использовано в технологических условиях и процессах, имеющих целью получение моно- и поликристаллических сверхтвердых материалов различного назначения, а также при лабораторных физико-механических исследованиях веществ при высоких термодинамических параметрах. Материал контейнера аппарата высокого давления и температуры содержит, мас.%: наполнитель на основе природного минерала - кальцита 90-99 и связующее 1-10. Наполнитель включает следующие компоненты, мас.%: карбонат кальция 65,30-93,25, диоксид кремния 4,40-11,30, карбонат магния 1,80-15,50, оксид алюминия 0,40-5,00, оксид железа 0,05-2,90 и, возможно, оксид марганца 0,05-0,60 и оксид фосфора 0,05-0,70. Наполнитель имеет предел прочности при сжатии 77-277 МПа. Предложенный материал обеспечивает схему наиболее равномерного напряженного состояния контейнера в процессе создания и поддержания давления в аппарате высокого давления и температуры, увеличение срока его службы и диапазона рабочих давлений, более надежную работу аппарата, уменьшение количества разгерметизаций полости высокого давления в аппарате в процессе эксплуатации. 1 з.п ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к технике высоких давлений и температур и может быть использовано в технологических условиях и процессах, имеющих целью получение моно- и поликристаллических сверхтвердых материалов различного назначения, а также при лабораторных физико-механических исследованиях веществ при высоких термодинамических параметрах.

Известен материал контейнера аппарата высокого давления и температуры (АВД) тальк (стеатит) 3MgO· 4SiO₂·H₂O (патент США №3080661, НКИ; 18-34, опубл. 24.04.62).

Контейнер, изготовленный из такой шихты, имеет высокие диэлектрические свойства благодаря содержанию большого количества диоксида кремния (27,2-36,2)% и карбоната магния (34,5-41,8)%, которые являются изоляторами. Однако при нагружении прессом такой контейнер вытекает между твердосплавными рабочими поверхностями из-за чрезмерной пластичности наполнителя, что обусловлено слишком малым пределом прочности при сжатии (0,0138-0,197) МПа, слоистой структурой наполнителя и невысоким коэффициентом внутреннего трения талька 0,23 (См. Барон Л.И. "Характеристики трения горных пород" Вид. "Наука", Москва, 1967). В процессе деформирования контейнера части кристаллов диоксида кремния и карбоната магния смещаются один относительно другого на субмикроскопическом уровне путем скольжения по границе зерен отдельных кристаллов, а поскольку структура слоистая и содержание диоксида кремния и карбоната магния значительное, возникает чрезмерная пластичность из-за большого количества систем скольжения. Это является значительным недостатком, поскольку нет возможности для создания надежной герметизации реакционной зоны АВД.

Известен также наиболее близкий по технической сути к изобретению материал контейнера АВД (см. Патент Украины за № 10255А, МПК⁵ С 04 В 35/00, опубл. 29.12.1999, Бюл. №8), содержащий, мас.%: наполнитель на основе природного минерала кальцита, включающий карбонат кальция, диоксид кремния и карбонат магния, 90-99 и связующее 1-10, при этом природный минерал - кальцит - имеет предел прочности при сжатии 30-60 МПа и водопоглощение 4-8%.

Такие свойства способствуют повышению выхода сверхтвердых материалов и несколько стабилизируют процесс синтеза, однако при создании и поддержании давления в аппарате не обеспечивается равномерное напряженное состояние из-за низкого предела прочности при сжатии (в особенности на нижней границе диапазона), а значит, иногда возникает чрезмерная пластичность и вследствие этого большое количество разгерметизаций реакционной зоны, а также достаточно высокий уровень тепловых нагрузок. Это значительно снижает технико-экономические показатели использования аппаратов высокого давления и эффективность использования сложного и дорогостоящего технологического оборудования.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования материала контейнера АВД, при котором за счет выбора материала наполнителя предлагаемого состава и свойств обеспечивается такая структура материала, благодаря которой реализуется схема наиболее равномерного напряженного состояния контейнера в процессе создания и поддержания давления в АВД, уменьшение неоднородности напряженного состояния контейнера и деталей АВД при нагревании, уменьшение уровня тепловых погрузок на детали АВД во время синтеза и, как результат, повышение эффективности создания давления, увеличение диапазона давлений, который достигается, а значит, и более надежной работы аппарата и срока его действия, снижение количества разгерметизаций полости высокого давления АВД как при создании, так и при поддержании давления и нагревании.

Для решения этой задачи в материале контейнера АВД, содержащем, мас.%: наполнитель на основе природного минерала - кальцита, включающий карбонат кальция, диоксид кремния и карбонат магния, 90-99 и связующее 1-10, согласно изобретению наполнитель содержит оксид алюминия и оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбонат кальция 65,30-93,25

диоксид кремния 4,40-11,30

карбонат магния 1,80-15,50

оксид алюминия 0,40-5,00

оксид железа 0,05-2,90

и имеет предел прочности при сжатии 77…277 МПа,

при этом оптимальным является вариант, когда наполнитель дополнительно содержит оксид марганца и/или оксид фосфора в количестве, мас.%:

оксид марганца 0,05-0,60

оксид фосфора 0,05-0,70

Научной основой предложения является выполненное нами моделирование и экспериментальные исследования при синтезе алмазов контейнеров, изготовленных из шихты, содержащей наполнитель различного состава. При этом установлено, что обеспечение надежной герметизации реакционной зоны при синтезе сверхтвердых материалов обусловлено как внешними механическими силами (усилием пресса), так и химическим составом, величиной зерна, пределом прочности при сжатии наполнителя и температурой нагрева реакционной зоны.

Исследуя поведение контейнеров, изготовленных из наполнителя, имеющего скрытокристаллическую структуру и различный предел прочности при сжатии, нами было установлено, что для контейнеров, выполненных из материала, в котором наполнитель имеет предел прочности при сжатии меньший, чем 77 МПа, не удавалось достичь необходимый для синтеза уровень давления из-за недостаточной прочности и чрезмерной пластичности, которые сопровождались разгерметизацией реакционной зоны.

При сжатии контейнеров из наполнителя, имеющего предел прочности при сжатии больше, чем 277 МПа, также не обеспечивалась достаточная герметизация из-за чрезмерной прочности и недостаточной пластичности, что сопровождалось разгерметизацией реакционной зоны.

При исследовании контейнеров, выполненных из материала, в котором наполнитель имеет скрытокристаллическую структуру (равномернозернистую) и предел прочности при сжатии (77-277) МПа отмечались необходимые твердость и пластичность контейнера, которые обеспечивали надежную герметизацию реакционной зоны.

При деформировании контейнера и создании герметизации реакционной зоны происходит увеличение пластической деформации при одновременном уменьшении упругой деформации. В процессе пластического деформирования контейнера части кристаллов карбоната кальция, диоксида кремния, карбоната магния, оксида алюминия, оксида железа, оксида марганца и/или оксида фосфора смещаются один относительно другого на субмикроскопическом уровне путем скольжения по границе зерен отдельных кристаллов, вследствие чего обеспечиваются достаточные твердость и пластичность как при наборе давления, так и при синтезе сверхтвердых материалов. Таким образом, объединение высокой начальной прочности наполнителя и высокой пластичности при высоких давлениях и температурах за счет изготовления наполнителя с предлагаемым составом компонентов в конечном счете обеспечивают достаточный диапазон создаваемых давлений, наиболее равномерно-напряженное состояние контейнера и деталей АВД, самую малую тепловую нагрузку на контейнер и детали АВД, а значит, и более надежную работу аппарата и срока его службы, снижение количества разгерметизаций полости высокого давления АВД как при создании, так и при поддержании давления и нагревании.

Оптимизация эффекта достигается за счет введения в состав наполнителя оксида марганца и оксида фосфора, которые также обеспечивают достаточную пластичность именно при высоких давлениях и температурах.

Во всех приведенных ниже примерах для изготовления контейнеров использовали материалы, создаваемые химическим путем, а также природные известняки различных месторождений. При этом природные минералы измельчали до частичек меньше 1 мм. В случае использования природных минералов для достижения нужного содержимого добавляли еще и материалы, создаваемые химическим путем.

Поскольку нашими исследованиями установлено, что результаты адекватны как при использовании только материалов, создаваемых химическим путем, так и в случае добавления необходимых материалов к природному материалу, во всех приведенных ниже примерах приводится только химический состав материала без указания на происхождение составляющих. Компоненты наполнителя, взятые в нужном соотношении, смешивали со связующим и сушили при комнатной температуре. Из изготовленной шихты прессовали контейнеры, термообрабатывали при температуре 1400^о С на протяжении одного часа.

При синтезе алмазов марок АС4-АС6 оценивали эффективность создания давления в аппарате по степени превращения графита в алмаз при фиксированном усилии прессового оборудования, а также надежность работы аппарата по проценту количества разгерметизаций полости высокого давления АВД при наборе давления и в процессе нагрева и сроку службы АВД к его разрушению (последняя величина приводится в относительных единицах по отношению к прототипу, для которого она принята равной 1.

Пример 1. Состав шихты для изготовления контейнеров:

наполнитель 92% с пределом прочности при сжатии 200 МПа;

связующее (бакелитовый лак)- 8%,

При этом использовали наполнитель такого состава:

карбонат кальция 84,7

диоксид кремния 6

карбонат магния 7

оксид алюминия 1,5

оксид железа 0,5

оксид марганца 0,15

оксид фосфора 0,15

Средняя степень преобразования графита в алмаз 41,0%, количество разгерметизаций камеры высокого давления при создании давления 2,4%, при нагреве 3,7%.

Срок службы аппарата 1,36 (относительных единиц).

Были изготовленны также контейнеры АВД при одних и тех же условиях при предельных и при выходе за предельные значения содержания компонентов контейнера и наполнителя (прим. 2-8), а также по прототипу (п.9).

Данные сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что использование предлагаемого наполнителя шихты контейнера аппарата высокого давления и температур с пределом прочности при сжатии, предлагаемого нами, позволяет значительно повысить эффективность создания давления в аппарате при фиксированном усилии пресса, что обеспечивает повышение производительности процесса синтеза до 30% при одинаковых затратах.

Кроме того, уменьшение количества разгерметизаций полости высокого давления АВД не менее чем на 10% при создании давления и не менее чем на 10-15% при нагреве способствует повышению культуры производства, значительной экономии дефицитных материалов и, главное, ведет как минимум до 10% росту срока службы аппаратов высокого давления.

Следовательно, данные изобретения значительно расширяют объем производства синтетических сверхтвердых материалов, которые используют для изготовления различных видов инструмента.

1. Материал контейнера аппарата высокого давления и температуры, содержащий, мас.%: наполнитель на основе природного минерала-кальцита, включающий карбонат кальция, диоксид кремния и карбонат магния, 90-99 и связующее 1-10, отличающийся тем, что наполнитель дополнительно содержит оксид алюминия и оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбонат кальция 65,30-93,25

Диоксид кремния 4,40-11,30

Карбонат магния 1,80-15,50

Оксид алюминия 0,40-5,00

Оксид железа 0,05-2,90

и имеет предел прочности при сжатии 77-277 МПа.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит оксид марганца и /или оксид фосфора в количестве, мас.%:

Оксид марганца 0,05-0,60

Оксид фосфора 0,05-0,70.