JP3840850B2 - 超高圧発生用金型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素等の焼結体の製造に用いられる超高圧発生用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工業用ダイヤモンドやＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）等の硬質の結晶体の合成には、例えば４〜８万気圧程度の超高圧状態と、例えば１２００〜２０００℃程度の高温状態とが必要とされており、こうした超高圧高温状態を安定して発生させて、ダイヤモンドやＣＢＮ等の粉末から焼結体を製造する超高圧発生装置が知られている。
【０００３】
図６は、上述した従来技術の一例による超高圧発生装置を示す側断面図であり、図７は図６に示す超高圧発生装置の中心部を拡大して示す要部側断面図であり、図８は図６に示すシリンダーを構成する第４締付リングと、第５締付リングとが押し嵌めされる状態を示す側断面図である。この超高圧発生装置１０は、一対のアンビル１１，１１及びシリンダー１２からなる超高圧発生用金型１０ａと、ガスケット１３と、試料部１４とを備えて構成されている。
アンビル１１は、例えば円柱状のアンビル本体２１と、このアンビル本体２１と同軸に形成された截頭略円錐状のアンビル突出部２２とから構成されており、アンビル突出部２２は、中心軸線Ｏに沿ってアンビル本体２１からアンビル突出部２２の截頭面２２Ａに向かい縮径されたテーパ面状の外周面２２Ｂを有している。
【０００４】
シリンダー１２は例えば超硬合金からなる円環状に形成されており、最も内周側に配置されたリング状のコア３１の外周側に、複数、例えば６個の径が異なる第１締付リング３２と、第２締付リング３３と、第３締付リング３４と、第４締付リング３５と、第５締付リング３６と、第６締付リング３７とが、順次、中心軸線Ｏと同軸、かつ内周側の締付リングの外周面に外周側の締付リングの内周面が当接するように多重に嵌合されて構成されている。
図６に示すように、第１，…，第５締付リング３２，…，３６は、例えば略円環板状に形成されており、それぞれの内周面及び外周面は、例えば鉛直方向下方（図６における下方向）に向かい僅かに縮径したテーパ面状とされている。ここで隣接する締付リング、例えば図８に示す第４締付リング３５と、第５締付リング３６とに対しては、内側に位置する第４締付リング３５の外周面３５Ａは、外側に位置する第５締付リング３６の内周面３６Ｂと当接するように形成されており、さらに、第４締付リング３５の外周面３５Ａの上端の直径Ｒは、第５締付リング３６の内周面３６Ｂの下端の直径Ｒ１よりも小さく、かつ内周面３６Ｂの上端の直径Ｒ２よりも大きくなるように設定されている。すなわち、第４締付リング３５は、例えば押し嵌め等により第５締付リング３６の内周側に圧入されている。
【０００５】
さらに、図６及び図７に示すように、第１及び第２締付リング３２，３３の各上面３２Ｃ，３３Ｃは中心軸線Ｏに向かい所定の第１傾斜角θ１で下り勾配となるように傾斜し、各下面３２Ｄ，３３Ｄは中心軸線Ｏに向かい所定の第１傾斜角θ１で上り勾配となるように傾斜している。すなわち第１及び第２締付リング３２，３３は側断面視で台形状となるように形成されている。
シリンダー１２の最も内側に配置されたリング状のコア３１は、コア外周面３１Ａから中心軸線Ｏに向かい下り勾配となるように傾斜したコア上面３１Ｃと、中心軸線Ｏに向かい上がり勾配となるように傾斜したコア下面３１Ｄとが形成されており、図７に示すように、コア上面３１Ｃはコア外周面３１Ａから中心軸線Ｏに向かう所定の位置において下り勾配の第１傾斜角θ１が第２傾斜角θ２（例えば、θ１≦θ２）へと変化しており、同様に、コア下面３１Ｄはコア外周面３１Ａから中心軸線Ｏに向かう所定の位置において上り勾配の第１傾斜角θ１が第２傾斜角θ２へと変化している。そして、コア上面３１Ｃ及びコア下面３１Ｄのそれぞれと、コア内周面３１Ｂとの接続部は側断面視で適宜の円弧状に形成されて滑らかに接続されている。
【０００６】
中心軸線Ｏと同軸に配置されたシリンダー１２に対して、図６及び図７に示すように、このシリンダー１２を上下方向から挟み込むように、一対のアンビル１１，１１が互いの截頭面２２Ａ，２２Ａを所定の間隔だけ離間して対向させるように配置されている。これらの一対のアンビル１１，１１と、シリンダー１２とで囲まれた領域の中心位置には試料部１４が設けられており、この試料部１４を埋設するように、例えばパイロフィライト等からなるガスケット１３が挿入されている。
試料部１４は、例えば、試料容器４１と、封止部材４２と、電極板４３とを備えて構成されている。試料容器４１は、例えば円筒状の黒鉛からなり、中心軸線Ｏと同軸に配置されている。そして、試料容器４１内にダイヤモンドやＣＢＮ等の試料が充填され、例えば試料容器４１の内径と等しい外径を有する円板状の超硬合金からなる２つの封止部材４２，４２により試料容器４１の上部開口部及び下部開口部が封止されている。さらに、試料容器４１の上面及び下面のそれぞれには、例えばモリブデン等からなる円板状の電極板４３が当接するように配置されている。ここで、試料容器４１は試料容器４１内の試料を加熱するヒータを兼ねており、電極板４３を介して試料容器４１に交流が通電されることで試料の加熱が行われる。
【０００７】
そして、一対のアンビル１１，１１が、図示しない油圧シリンダー装置等によって、対向する截頭面２２Ａ，２２Ａ間の距離を縮めるように上下方向に押動されることによって、ガスケット１３を介して試料容器４１の上部開口部及び下部開口部に嵌合された各封止部材４２，４２が押圧され、試料容器４１内が超高圧に加圧される。なお、この圧力負荷時において、加圧されたガスケット１３は適度な流動を伴って試料容器４１内に発生した超高圧状態を保持する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような超高圧発生用金型１０ａでは、一対のアンビル１１，１１が鉛直方向に押動されて発生する超高圧によって、円環状のシリンダー１２に引張応力（フープ応力）が作用する。この引張応力はシリンダー１２の内周側になるほど大きくなり、シリンダー１２を構成する材料、例えば超硬合金等の強度限界を超えるとシリンダー１２が破損してしまう。そこで、シリンダー１２の最も内周側に位置するコア３１に対して、各締付リング３２，…，３７が多重押し嵌めされることによって、予め、圧縮応力が付加されており、超高圧による引張応力がコア３１の強度限界を超えないように軽減され、シリンダー１２の破損防止が図られている。
しかしながら、ダイヤモンドやＣＢＮ等を合成する収率を向上させたり、ダイヤモンドやＣＢＮ等の良質な焼結体を製造するためには、試料部１４への加圧を高くする必要があり、これに応じて、例えばコア３１に対する各締付リング３２，…，３７の締め代が大きくされる等によって、コア３１に付加される圧縮応力が高くされる。この場合、コア３１では、例えば超硬合金等の材質に固有のポアソン比に従って、図６及び図７における鉛直方向に作用する引張応力が増大し、この鉛直方向の引張応力がコア３１の強度限界を超えると、例えば各締付リング３２，…，３７が押し嵌めされる時点等において、コア３１が鉛直方向に引きちぎられるようにして破損してしまうという問題が発生する。ここで、特に破損しやすい箇所の一つはコア３１の外縁部、すなわち外周面３１Ａの軸線方向の厚み中央部であり、この部分の軸線方向に作用する引張応力が最大となり破損するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、予め、高い圧縮応力が付加された場合でもシリンダーが破損するのを防ぐことが可能な超高圧発生用金型を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１記載の本発明の超高圧発生用金型は、円環状のシリンダーと、前記シリンダーの軸線に沿って、前記シリンダーの内部を両側から挟み込む一対のアンビルとを備えてなる超高圧発生用金型において、前記シリンダーは、最も内周側に配置されたリング状のコアの外周側に、前記コアを内周側に向かい締め付ける締付リングが前記コアと同軸に嵌合されてなり、前記コアは、前記コアの外周部よりも半径方向内側に、前記軸線方向の厚さが最大となる位置が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
上記構成の超高圧発生用金型では、シリンダーの最も内周側に位置するリング状のコアは、その軸線方向の厚さがコアの外周部よりも半径方向内側の位置において最大とされており、例えば外周部の位置のみにおいてその軸線方向の厚さが最大とされたコアの外周部と端部との交差稜線部、すなわちコアの外側に向かって突出した外縁部が、切除されたような形状に形成されている。このような形状では、コアの外周側に嵌合された締付リングによって半径方向内側へ向かう圧縮応力が付加された場合に、軸線方向の引張応力はコアの外周部と、コアの最大厚み部分での軸線方向断面近傍とに分散され、軸線方向の引張応力の最大値は低下し、コアの耐破損性を向上させることができる。
【００１２】
さらに、請求項２記載の本発明の超高圧発生用金型は、前記コアの外周部は、前記軸線方向の外側から中央側に向い漸次拡径されたテーパ面を備えることを特徴としている。
上記構成の超高圧発生用金型では、コアの外周側に嵌合された締付リングによってコアに付加される圧縮応力は、コアの外周部に直交する方向、すなわちテーパ面においてはテーパ面に直交する方向に作用する。そして、この圧縮応力に起因してコアに作用する引張応力の方向は軸線方向から傾いた方向となり、軸線方向に引張応力が作用する場合に比べて、コアの端部に作用する引張応力の成分を小さくすることができ、より一層、コアが破損することを防ぐことができる。
【００１３】
また、請求項３記載の本発明の超高圧発生用金型は、前記コアの前記厚さが最大となる位置近傍は、所定の曲率の凸曲面状に形成されていることを特徴としている。
上記構成の超高圧発生用金型では、コアの軸線方向の厚さが最大となる位置近傍が所定の曲率の凸曲面状に形成されて滑らかとされており、コアに作用する引張応力によって、例えば軸線方向に引きちぎられるようにして破損が生じやすい突出した部分が形成されていないことから、より一層、コアの耐破損性を向上させることがきる。
【００１４】
また、請求項４記載の本発明の超高圧発生用金型は、前記コアの前記軸線方向における端部には、前記厚さが最大となる位置近傍と、前記軸線方向における前記締付リングの端部とを滑らかに接続するスペーサが設けられていることを特徴としている。
上記構成の超高圧発生用金型では、コアの軸線方向の厚さが最大となる位置がコアの外周部よりも半径方向内側に位置しているため、例えば締付リングの軸線方向の厚さがコアの厚さと同じ、もしくはコアの厚さよりも厚くされている場合には、コアの外周部と締付リングの内周部とが当接する位置おいて、軸線方向におけるコアの端部と締付リングの端部との接続が滑らかとはならず、コアの端部と締付リングの端部との間に、いわば切欠部が形成されたような形状とされている。ここで、この切欠部を埋めるようにしてスペーサが設けられていることによって、例えば、超高圧発生用金型と、この超高圧発生用金型の中心部に配置された試料との間に挿入された圧力封止用のガスケットが、切欠部に入り込んで変形等することが無く、超高圧発生用金型の中心部で発生された超高圧を確実に封止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による超高圧発生用金型について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態による超高圧発生用金型を備える超高圧発生装置を示す側断面図であり、図２は図１に示す超高圧発生装置の中央部を拡大して示す側断面図である。なお、上述した従来技術と同一部分には同じ符号を配して説明を簡略または省略する。本実施の形態に係る超高圧発生装置５０は、一対のアンビル１１，１１及びシリンダー５１からなる超高圧発生用金型５０ａと、ガスケット１３と、試料部１４とを備えて構成されており、上述した従来技術と大きく異なる点はシリンダー５１中央部近傍の構造に関する点である。
シリンダー５１は例えば超硬合金からなる円環状に形成されており、最も内周側に配置されたリング状のコア６１の外周側に、複数、例えば６個の径が異なる第１締付リング６２と、第２締付リング３３と、第３締付リング３４と、第４締付リング３５と、第５締付リング３６と、第６締付リング３７とが、順次、中心軸線Ｏと同軸、かつ内周側の締付リングの外周面に外周側の締付リングの内周面が当接するように多重に嵌合されて構成されている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、シリンダー５１の最も内周側に配置されたリング状のコア６１は、コア外周面（コアの外周部）６１Ａと、中心軸線Ｏに向かい所定の傾斜角θで下り勾配となるように傾斜したコア上面６１Ｃとの交差稜線部が全周に亘って切除されて切除部上面（コアの端部）６１ａが形成されており、同様に、コア外周面６１Ａと、中心軸線Ｏに向かい所定の傾斜角θで上り勾配となるように傾斜したコア下面６１Ｄとの交差稜線部が全周に亘って切除されて切除部下面６１ｂが形成されている。
切除部上面６１ａはコア６１の内周側から外周側に向かい、例えば所定角αで下り勾配となるように傾斜した平坦面をなしており、同様に、切除部下面（コアの端部）６１ｂはコア６１の内周側から外周側に向かい、例えば所定角βで上り勾配となるように傾斜した平坦面をなしている。
なお、コア外周面６１Ａの周方向に対する断面は、例えば直線状とされており、さらに、コア上面６１Ｃ及びコア下面６１Ｄのそれぞれと、コア内周面６１Ｂとの接続部は側断面視で適宜の円弧状に形成されて滑らかに接続されている。
【００１７】
コア６１の外周側に嵌合されたリング状の第１締付リング６２の上面（締付リングの端部）６２Ｃは、第２締付リング３３の上面３３Ｃと滑らかに連なるように、中心軸線Ｏに向かい所定の第１傾斜角θ１で下り勾配となるように傾斜しており、同様に、第１締付リング６２の下面（締付リングの端部）６２Ｄは、第２締付リング３３の下面３３Ｄと滑らかに連なるように、中心軸線Ｏに向かい所定の第１傾斜角θ１で上り勾配となるように傾斜している。
また、第１締付リング６２の上面６２Ｃ及び下面６２Ｄのそれぞれと第１締付リング６２の内周面６２Ｂとの各交差稜線部には、上部切欠部６２ａと下部切欠部６２ｂとがそれぞれ全周に亘って形成されている。そして、コア上面６１Ｃの外周側への延長面と、第１締付リング６２の上面６２Ｃの内周側への延長面と、第１締付リング６２の上部切欠部６２ａ及びコア６１の切除部上面６１ａとで形成される領域を埋めるようにして、略円環状の上部スペーサ６３ａが設けられており、同様に、コア下面６１Ｄの外周側への延長面と、第１締付リング６２の下面６２Ｄの内周側への延長面と、第１締付リング６２の下部切欠部６２ｂ及びコア６１の切除部下面６１ｂとで形成される領域を埋めるようにして、略円環状の下部スペーサ６３ｂが設けられている。
【００１８】
各スペーサ６３ａ，６３ｂは、例えば超硬合金により形成されており、第１締付リング６２の各切欠部６２ａ，６２ｂの周方向に所定の間隔をおいて配設された各ボルト装着穴６４，…，６４の開口部に臨むようにして、複数のボルト挿入孔６５，…，６５が貫設されており、ボルト装着穴６４及びボルト挿入孔６５にボルト６６が螺着されることによって、各スペーサ６３ａ，６３ｂが、第１締付リング６２の各切欠部６２ａ，６２ｂに固定されている。
【００１９】
上述したように本実施の形態による超高圧発生用金型５０ａによれば、シリンダー５１の最も内周側に配置されたリング状のコア６１は、コア外周面６１Ａと、中心軸線Ｏに向かい所定の傾斜角θで下り勾配となるように傾斜したコア上面６１Ｃとの交差稜線部が全周に亘って切除されて切除部上面６１ａが形成されており、同様に、コア外周面６１Ａと、中心軸線Ｏに向かい所定の傾斜角θで上り勾配となるように傾斜したコア下面６１Ｄとの交差稜線部が全周に亘って切除されて切除部下面６１ｂが形成されているため、例えばコア６１の外縁部において外側に向かい突出するような部分、すなわちコア６１に作用する引張応力によって破損が生じやすい部分が無いことから、コア６１の耐破損性を向上させることができる。
また、コア外周面６１Ａと、コア上面６１Ｃ及びコア下面６１Ｄとの各交差稜線部が全周に亘って切除された部分には、略円環状の各スペーサ６３ａ，６３ｂが挿入されていることから、一対のアンビル１１，１１及びシリンダー５１と、試料部１４との間に挿入された圧力封止用のガスケット１３が、この切除された部分に入り込んで変形等することを防ぐことができ、超高圧発生用金型５０ａの中心部で発生された超高圧状態を確実に試料部１４内に維持することができる。
【００２０】
なお、本実施の形態においては、切除部上面６１ａはコア６１の内周側から外周側に向かい所定角αで下り勾配となるように傾斜しており、切除部下面６１ｂはコア６１の内周側から外周側に向かい所定角βで上り勾配となるように傾斜しているとしたが、これに限定されず、所定角α及びβがゼロ、すなわち切除部上面６１ａ及び切除部下面６１ｂが水平面であってもよい。この場合、切除部上面６１ａと切除部下面６１ｂとの間の距離、すなわちコア６１の厚さは一定となる。
また、本実施の形態においては、コア６１と第１締付リング６２との間の上部切欠部６２ａ及び下部切欠部６２ｂのそれぞれには、各スペーサ６３ａ，６３ｂが設けられるとしたが、これに限定されず、各スペーサ６３ａ，６３ｂは省略されてもよい。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、コア外周面６１Ａの周方向に対する断面は直線状に形成されているとしたが、これに限定されず、図３に示す本実施形態の第１変形例による超高圧発生用金型のコア７１のように、コア外周面（テーパ面）７１Ａが、中心軸線Ｏと直交する中心線Ｐに向かい漸次拡径するようなテーパ面状に形成されてもよい。この場合、コア７１に付加される圧縮応力は、コア７１の外周面７１Ａに直交する方向に作用するため、この圧縮応力に起因してコア７１に作用する引張応力の方向は中心軸線Ｏ方向から傾いた方向となり、中心軸線Ｏ方向に引張応力が作用する場合に比べて、コア７１の外縁部に作用する引張応力の成分を小さくすることができ、より一層、コア７１が破損することを防ぐことができる。
さらに、図４に示す本実施形態の第２変形例による超高圧発生用金型のコア７２のように、コア外周面７２Ａが、中心線Ｐに向かい漸次拡径するようなテーパ状外周面（テーパ面）７２ａと、中心線Ｐ近傍に設けられた直径が一定の外周面７２ｂとから形成されていても良い。
【００２２】
また、本実施の形態においては、切除部上面６１ａ及び切除部下面６１ｂは平坦面をなすとしたが、これに限定されず、図５に示す本実施形態の第３変形例による超高圧発生用金型のコア７３のように、切除部上面６１ａ及び切除部下面６１ｂが側断面視で適宜の円弧状に形成されても良い。さらに、これらの切除部上面６１ａ及び切除部下面６１ｂと、コア７３の上面６１Ｃ及び下面６１Ｄとの接続部が円弧状に形成されて滑らかとされていても良い。この場合、圧縮応力付加時に破損が生じやすい突出した部分が形成されていないことから、より一層、コア７３の耐破損性を向上させることがきる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明の超高圧発生用金型によれば、シリンダーの最も内周側に位置するリング状のコアは、その軸線方向の厚さがコアの外周部よりも半径方向内側の位置において最大とされており、例えば外周部においてその軸線方向の厚さが最大とされたコアにおいて、コアの外周部と端部との交差稜線部すなわちコアの外側に向かって突出した外縁部が、切除されたような形状に形成されているため、コアの軸線方向に引張応力が作用しても、この引張応力によって破損が生じやすい突出部分が無いことから、コアの耐破損性を向上させることができる。
さらに、請求項２記載の本発明の超高圧発生用金型によれば、コアの外周側に嵌合された締付リングによってコアに付加される圧縮応力は、コアの外周部に直交する方向、すなわちテーパ面においてはテーパ面に直交する方向に作用するため、この圧縮応力に起因してコアに作用する引張応力の方向は軸線方向から傾いた方向となり、軸線方向に引張応力が作用する場合に比べて、コアの軸線方向の外縁部に作用する引張応力の成分を小さくすることができ、より一層、コアが破損することを防ぐことができる。
【００２４】
また、請求項３記載の本発明の超高圧発生用金型によれば、コアの軸線方向の厚さが最大となる位置近傍が所定の曲率の凸曲面状に形成されて滑らかとされており、圧縮応力付加時に破損が生じやすい突出した部分が形成されていないことから、より一層、コアの耐破損性を向上させることがきる。
また、請求項４記載の本発明の超高圧発生用金型によれば、コアの軸線方向の厚さが最大となる位置と、軸線方向における締付リングの端部とを滑らかに接続するようにしてスペーサが挿入されているため、例えば、超高圧発生用金型と、この超高圧発生用金型の中心部に配置された試料との間に挿入された圧力封止用のガスケットが変形等することを防いで、超高圧発生用金型の中心部で発生された超高圧を確実に封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による超高圧発生用金型を備える超高圧発生装置を示す側断面図である。
【図２】 図１に示す超高圧発生装置の中央部を拡大して示す要部側断面図である。
【図３】 図１に示す本実施形態の第１変形例による超高圧発生用金型のコアの側断面図である。
【図４】 図１に示す本実施形態の第２変形例による超高圧発生用金型のコアの側断面図である。
【図５】 図１に示す本実施形態の第３変形例による超高圧発生用金型のコアの側断面図である。
【図６】 従来技術の一例による超高圧発生装置の側断面図である。
【図７】 図６に示す超高圧発生装置の中央部を拡大して示す要部側断面図である。
【図８】 図６に示すシリンダーを構成する第４締付リングと、第５締付リングとが押し嵌めされる状態を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０，５０ 超高圧発生装置
１０ａ，５０ａ 超高圧発生用金型
１１ アンビル
１２，５１ シリンダー
１３ ガスケット
１４ 試料部
２１ アンビル本体
２２ アンビル突出部
３１，６１，７１，７２，７３ コア
３２，６２ 第１締付リング
３３ 第２締付リング
３４ 第３締付リング
３５ 第４締付リング
３６ 第５締付リング
３７ 第６締付リング
４１ 試料容器
４２ 封止部材
４３ 電極板
６１Ａ コア外周面（コアの外周部）
６１Ｂ コア内周面
６１Ｃ コア上面（コアの端部）
６１Ｄ コア下面（コアの端部）
６１ａ 切除部上面（コアの端部）
６１ｂ 切除部下面（コアの端部）
６３ａ 上部スペーサ
６３ｂ 下部スペーサ
７１Ａ コア外周面（テーパ面）
７２ａ テーパ状外周面（テーパ面）
Ｏ 中心軸線

Claims (4)

1. 円環状のシリンダーと、前記シリンダーの軸線に沿って、前記シリンダーの内部を両側から挟み込む一対のアンビルとを備えてなる超高圧発生用金型において、
   前記シリンダーは、最も内周側に配置されたリング状のコアの外周側に、前記コアを内周側に向かい締め付ける締付リングが前記コアと同軸に嵌合されてなり、
   前記コアは、前記コアの外周部よりも半径方向内側に、前記軸線方向の厚さが最大となる位置が形成されていることを特徴とする超高圧発生用金型。
2. 前記コアの外周部は、前記軸線方向の外側から中央側に向い漸次拡径されたテーパ面を備えることを特徴とする請求項１に記載の超高圧発生用金型。
3. 前記コアの前記厚さが最大となる位置近傍は、所定の曲率の凸曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の超高圧発生用金型。
4. 前記コアの前記軸線方向における端部には、前記厚さが最大となる位置近傍と、前記軸線方向における前記締付リングの端部とを滑らかに接続するスペーサが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の超高圧発生用金型。

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