Matrice
La présente invention a pour objet une matrice.
La fabrication de matrices, capables d'exercer sur la matière qu'elles contiennent des pressions élevées de l'ordre de 50000 atm let plus, ne présente pas de difficultés techniques sérieuses. En effet, pour des installations de laboratoire, on a fabriqué des matrices dans lesquelles des pressions supérieures à 70000 atm peuvent tre produites. De mme, il n'est pas difficile d'amener des matières à des températures élevées pouvant atteindre 18000, ce qui peut tre obtenu aisément en maintenant la matière sous une pression modérée. Par contre, on rencontre de grandes difficultés quand la matière doit tre chauffée à des températures de cet ordre et quand elle doit, en mme temps, tre maintenue à une pression élevée, de l'ordre de 70000 atm par exemple.
La matrice selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un corps délimitant une chambre de pression, au moins un poinçon mobile propre à tre engagé dans ladite chambre pour comprimer la charge qu'elle contient, des moyens de frettage pour la partie du poinçon qui se trouve en dehors de ladite chambre, ces moyens comprenant un collier qui entoure cette partie dépassante du poinçon et qui occupe un emplacement tel qu'il puisse tre comprimé entre le corps de la matrice et une enclume ou le poinçon sans la pression d'une presse dans laquelle la matrice est logée afin de renforcer le poinçon, ledit collier étant constitué en une matière propre à subir une déformation plastique par la pression agissant sur la matrice.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemples, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 montrent, en coupe axiale verticale, respectivement deux matrices de ces formes d'exécutions.
La fig. 3 montre, semblablement, un dispositif de chauffage de ces matrices.
La fig. 1 montre une matrice dont le corps est constitué par un anneau 10 délimitant une chambre de pression 12. Les faces supérieure et inférieure 14 de cet anneau sont en forme de cuvette. L'anneau 10 est constitué par un carbure aggloméré à l'aide d'un métal et présentant une résistance très élevée à la traction et une résistance élevée à la compression.
A titre d'exemple, l'anneau peut tre constitué en un carbure de tungstène à grains de grosseur moyenne et liés entre eux par environ 10 % de cobalt.
L'anneau 10 est fretté par trois bagues 16, 18 et 20 en acier à résistance élevée à la traction, ces bagues étant emmanchées à ohaud ou à force les unes sur les autres.
Deux poinçons 22 comportent des becs 24 propres à tre engagés dans la chambre 12. Les parties 26 des poinçons, qui se trouvent en dehors de la chambre, ont un diamètre plus grand que celui des becs.
Les parties dépassantes 26 sont entourées de col liers en acier 28, par exemple en acier inoxydable, qui comportent des gorges annulaires 30 ouvertes de côté des faces périphériques des poinçons.
Chaque gorge 30 est remplie avec une matière 32, ayant une résistance réduite au cisaillement et une résistance négligeable à la compression, telle que le plomb. Les faces internes 34 des colliers, adjacentes à l'anneau 10, ont une forme complémentaire, ou à peu près, de celle des cuvettes formées dans les faces adjacentes de l'anneau 10.
Pour le fonctionnement, la chambre de pression 12 est remplie avec la matière constituant la charge et la matrice chargée est placée entre les enclumes 36 fixées sur les plateaux de la presse.
Les faces externes 38 des poinçons 22 doivent tre exactement complémentaires des faces internes 40 des enclumes 36 de la presse. On évite ainsi les sollicitations locales élevées aux endroits où la surface de contact est moindre que l'étendue totale de la face du poinçon 38. Pour que les faces 38 et 40 aient des formes exactement complémentaires, une mince couche de métal peut tre intercalée entre chaque face 38 et la face 40 de l'enclume correspondante.
Quand la presse fonctionne, le poinçon est refoulé dans la chambre de pression et, comme les colliers 28 sont interposés entre les enclumes 36 et l'anneau 10 de la matrice, ces colliers 28 sont également comprimés et sont ainsi déformés plastiquement. Un effort de compression est produit dans la matière de remplissage 32, cet effort étant transmis, sous forme d'une pression aux faces périphériques 26 des parties des poinçons qui font saillie sur les faces supérieure et inférieure de la matrice.
La partie de chaque poinçon qui pénètre dans la chambre de pression 12 a un diamètre plus petit que celui de la chambre pour qu'elle puisse tre engagée dans celle-ci. I1 existe donc des passages d'extrusion annulaires 42 par lesquels la matière comprimée peut s'éahapper. La largeur de chaque intervalle est choisie de manière telle que le frottement interne dans la matière comprimée ainsi que la pression exercée par la matière de remplissage 32 soient suffisants pour empcher une extrusion appréciable et, par conséquent, une perte de pression.
L'obturation étanche des intervalles peut tre réalisée efficacement en longeant dans la chambre de pression 12 un corps 44, en une matière telle que la pyrophyllite, dans laquelle se produit un frottement interne élevé, cette matière étant déformable aux pressions à considérer.
La matière, constituant le corps 44, s'engage seulement à un degré limité, par extrusion, dans les intervalles annulaires en étant retenue par son propre frottement interne et par la pression produite dans la matière de remplissage 32 (plomb). Les poinçons peuvent avoir une forme telle que leur section transversale aille en diminuant vers leur face interne. De cette manière, les sections des intervalles annulaires diminuent à mesure que les poinçons s'engagent dans la chambre de pression et que des pressions internes plus élevées sont produites.
Le corps 44 comporte une cavité centrale 46 dans laquelle la charge sera logée.
Sur la fig. 2, l'anneau 10 de la matrice est analogue à celui de la fig. 1, cet anneau étant également logé dans des bagues de frettage 16, 18 et 20 en un acier ayant une résistance élevée à la traction. Les poinçons 48 présentent des bossages 56 qui peuvent venir de fabrication avec des enclumes 50 en faisant saillie sur celles-ci ou y tre rapportées. Ces enclumes sont supportées par des bagues 52 ayant une résistance élevée à la traction.
Les faces 54 des enclumes 50 qui portent les poinçons 48 ont une forme conique complémentaire à celle des cuvettes ménagées dans les faces supérieure et inférieure de l'anneau 10. Entre chaque face 54 et l'anneau 10 est intercalé un collier 58, en tôle d'acier, profilé en forme de cuvette, qui entoure le bossage 56 de chaque poinçon.
Cet acier peut, par exemple, tre un acier moyennement allié, qui à l'état détrempé ou adouci a une résistance à la rupture de 86,5 kg/mm2 et un allongemment de 20 %. Des revtements 60, par exemple en plomb, peuvent tre interposés entre les colliers 58 et les poinçons 56.
Les colliers 58, intercalés entre les enclumes 50 et l'anneau 10 de la matrice, sont comprimés et subissent ainsi une déformation plastique. Le frottement entre les colliers et les faces des enclumes et l'anneau résiste à la tendance à l'étalement desdits colliers et il se produit une force orientée vers l'intérieur, qui agit sur les bossages 56 des poinçons et constitue un soutien radial à l'aide duquel on augmente notablement la pression à laquelle les poinçons peuvent résister à travers leurs faces latérales.
Le frottement entre les colliers et les enclumes et l'anneau de la matrice peut tre augmenté en recouvrant les faces de contact avec du rouge à polir ou avec une autre matière analogue ayant un coefficient de frottement élevé.
Comme dans le cas montré sur la fig. 1, il existe un intervalle annulaire 62 entre la face périphérique de la partie entrante du plongeur et la paroi de la chambre de pression. L'extrusion de la matière comprimée est diminuée par frottement et par l'effet obturateur des colliers. La largeur de chaque intervalle 62 est choisie de manière telle que l'extrusion soit maintenue entre des limites acceptables. Comme dans le cas précédent, l'étanchéité des intervalles en question peut tre rendue plus efficace en logeant dans la chambre de pression 12 un corps creux 64 en une matière, telle que la pyrophyllite, qui a un coefficient de frottement élevé et qui est déformable aux pressions à considérer. Les poinçons peuvent avoir une forme telle que leur section transversale aille en diminuant vers leurs faces internes.
On diminue ainsi la section des intervalles annulaires à mesure que les poinçons pénètrent dans la chambre de pression et que des pressions internes de plus en plus élevées sont exercées. Le corps 64 comporte une cavité centrale 66 dans laquelle la charge est logée.
La charge peut tre chauffée électriquement pendant qu'elle est sous pression, ce qui peut tre obtenu, par exemple, en recouvrant la face interne de la cavité du corps 64 d'un tube conducteur 70 qui est isolé électriquement par rapport à la charge, par un tube intérieur 68 (fig. 3). Du courant est fourni au tube 70 par un chemin comprenant un poinçon 22 ou 48, une pastille conductrice 72 qui est aussi isolée électriquement, par rapport à la charge, par un dis que74, ledit chemin passant ensuite par une deuxième pastille conductrice 76, isolée électriquement par un disque 77 et par le deuxième poinçon ou par une enclume fixe si l'on utilise seulement un poinçon.
Suivant une variante, l'élément chauffant peut tre une tige ou un fil, en une matière conductrice, incorporé dans la charge en étant isolé électriquement par rapport à celle-ci. La tige ou le fil conducteur peut tre en graphite. Toutefois, la charge elle mme, quand elle est t conductrice de l'électricité, peut tre utilisée comme élément chauffant.
Pour isoler les poinçons par rapport à l'anneau 10 de la matrice, une couche isolante, telle qu'une rondelle en mica 78 (fig. 1), est intercalée entre la face interne d'au moins un collier et la face correspondante de l'anneau. I1 est inutile de recouvrir le mica d'une matière ayant un coefficient de frottement élevé, telle que le rouge à polir. Avec la matrice décrite, on peut produire des pressions au moins de l'ordre de 70000 atm dans la chambre de pression.
Matrix
The present invention relates to a matrix.
The manufacture of dies, capable of exerting on the material which they contain high pressures of the order of 50,000 atm or more, does not present any serious technical difficulties. In fact, for laboratory installations, matrices have been manufactured in which pressures greater than 70,000 atm can be produced. Likewise, it is not difficult to bring materials to high temperatures which can reach 18000, which can be easily obtained by maintaining the material under moderate pressure. On the other hand, great difficulties are encountered when the material must be heated to temperatures of this order and when it must, at the same time, be maintained at a high pressure, of the order of 70,000 atm for example.
The die according to the invention is characterized in that it comprises a body delimiting a pressure chamber, at least one movable punch suitable for being engaged in said chamber to compress the load it contains, hooping means for the part. of the punch which is located outside said chamber, these means comprising a collar which surrounds this projecting part of the punch and which occupies a location such that it can be compressed between the body of the die and an anvil or the punch without the pressure a press in which the die is housed in order to reinforce the punch, said collar being made of a material capable of undergoing plastic deformation by the pressure acting on the die.
The appended drawing represents, by way of examples, two embodiments of the object of the invention.
Figs. 1 and 2 show, in vertical axial section, respectively two dies of these embodiments.
Fig. 3 similarly shows a device for heating these dies.
Fig. 1 shows a die, the body of which consists of a ring 10 delimiting a pressure chamber 12. The upper and lower faces 14 of this ring are in the form of a cup. The ring 10 is formed by a carbide agglomerated with a metal and having a very high tensile strength and a high compressive strength.
By way of example, the ring may consist of a tungsten carbide with grains of medium size and linked together by approximately 10% of cobalt.
The ring 10 is wrapped by three rings 16, 18 and 20 made of high tensile steel, these rings being fitted with heat or by force on one another.
Two punches 22 have nozzles 24 suitable for being engaged in the chamber 12. The parts 26 of the punches, which are located outside the chamber, have a diameter greater than that of the nozzles.
The protruding parts 26 are surrounded by steel collars 28, for example stainless steel, which have annular grooves 30 open on the side of the peripheral faces of the punches.
Each groove 30 is filled with a material 32, having reduced shear strength and negligible compressive strength, such as lead. The internal faces 34 of the collars, adjacent to the ring 10, have a shape complementary to, or approximately, that of the cups formed in the adjacent faces of the ring 10.
For operation, the pressure chamber 12 is filled with the material constituting the charge and the loaded die is placed between the anvils 36 attached to the press plates.
The external faces 38 of the punches 22 must be exactly complementary to the internal faces 40 of the anvils 36 of the press. High local stresses are thus avoided at the places where the contact surface is less than the total extent of the face of the punch 38. In order for the faces 38 and 40 to have exactly complementary shapes, a thin layer of metal can be interposed between each face 38 and the face 40 of the corresponding anvil.
When the press is in operation, the punch is forced back into the pressure chamber and, as the collars 28 are interposed between the anvils 36 and the ring 10 of the die, these collars 28 are also compressed and are thus plastically deformed. A compressive force is produced in the filling material 32, this force being transmitted in the form of a pressure to the peripheral faces 26 of the parts of the punches which protrude on the upper and lower faces of the die.
The part of each punch which penetrates into the pressure chamber 12 has a smaller diameter than that of the chamber so that it can be engaged in the latter. There are therefore annular extrusion passages 42 through which the compressed material can escape. The width of each gap is chosen such that the internal friction in the compressed material as well as the pressure exerted by the filler 32 is sufficient to prevent appreciable extrusion and therefore loss of pressure.
The airtight sealing of the gaps can be effected effectively by running alongside in the pressure chamber 12 a body 44, made of a material such as pyrophyllite, in which a high internal friction occurs, this material being deformable at the pressures to be considered.
The material constituting the body 44 engages only to a limited degree, by extrusion, in the annular gaps by being retained by its own internal friction and by the pressure produced in the filling material 32 (lead). The punches may have a shape such that their cross section decreases towards their internal face. In this way, the sections of the annular gaps decrease as the punches engage the pressure chamber and higher internal pressures are produced.
The body 44 has a central cavity 46 in which the load will be housed.
In fig. 2, the ring 10 of the die is similar to that of FIG. 1, this ring also being housed in shrink rings 16, 18 and 20 made of a steel having a high tensile strength. The punches 48 have bosses 56 which may come from manufacture with anvils 50 by projecting thereon or being attached to them. These anvils are supported by rings 52 having high tensile strength.
The faces 54 of the anvils 50 which carry the punches 48 have a conical shape complementary to that of the cups formed in the upper and lower faces of the ring 10. Between each face 54 and the ring 10 is interposed a collar 58, made of sheet metal. of steel, cup-shaped profile, which surrounds the boss 56 of each punch.
This steel can, for example, be a medium alloy steel, which in the softened or softened state has a tensile strength of 86.5 kg / mm 2 and an elongation of 20%. Coatings 60, for example of lead, can be interposed between the collars 58 and the punches 56.
The collars 58, interposed between the anvils 50 and the ring 10 of the matrix, are compressed and thus undergo plastic deformation. The friction between the collars and the faces of the anvils and the ring resists the tendency of said collars to spread out and there is produced an inwardly oriented force which acts on the bosses 56 of the punches and constitutes a radial support for said collars. by means of which the pressure to which the punches can withstand through their lateral faces are notably increased.
The friction between the collars and the anvils and the ring of the matrix can be increased by covering the contact faces with red to be polished or with another similar material having a high coefficient of friction.
As in the case shown in fig. 1, there is an annular gap 62 between the peripheral face of the entering part of the plunger and the wall of the pressure chamber. The extrusion of the compressed material is reduced by friction and by the sealing effect of the collars. The width of each gap 62 is chosen such that the extrusion is kept within acceptable limits. As in the previous case, the sealing of the gaps in question can be made more effective by accommodating in the pressure chamber 12 a hollow body 64 made of a material, such as pyrophyllite, which has a high coefficient of friction and which is deformable. pressures to consider. The punches may have a shape such that their cross section tapers towards their internal faces.
The section of the annular gaps is thus reduced as the punches enter the pressure chamber and as increasingly high internal pressures are exerted. The body 64 has a central cavity 66 in which the load is housed.
The load can be heated electrically while it is under pressure, which can be obtained, for example, by covering the internal face of the body cavity 64 with a conductive tube 70 which is electrically insulated from the load, by an inner tube 68 (fig. 3). Current is supplied to the tube 70 by a path comprising a punch 22 or 48, a conductive pad 72 which is also electrically insulated, with respect to the load, by a dis that 74, said path then passing through a second conductive pad 76, isolated electrically by a disc 77 and by the second punch or by a fixed anvil if only one punch is used.
According to one variant, the heating element may be a rod or a wire, made of a conductive material, incorporated in the load while being electrically insulated with respect to the latter. The rod or the conductive wire can be made of graphite. However, the load itself, when it is electrically conductive, can be used as a heating element.
To insulate the punches with respect to the ring 10 of the die, an insulating layer, such as a mica washer 78 (fig. 1), is interposed between the internal face of at least one collar and the corresponding face of the die. the ring. It is unnecessary to cover the mica with a material having a high coefficient of friction, such as polish. With the matrix described, pressures of at least the order of 70,000 atm can be produced in the pressure chamber.