RU163794U1 - Устройство для получения изделий из композиционных порошков - Google Patents

Abstract

1. Устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного материала матрицу, установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны и средство измерения температуры в зоне спекания, при этом один из пуансонов снабжен цилиндрическим каналом с дном, предназначенным для измерения температуры в зоне спекания упомянутым устройством измерения, отличающееся тем, что дно цилиндрического канала выполнено в виде сферической линзы с плоской входной и выпуклой выходной поверхностями из тугоплавкого оптически прозрачного материала с переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления, установленной в выполненном в пуансоне ответном пазе, при этом линза плоской выходной поверхностью обращена к зоне спекания и выпуклой выходной поверхностями обращена в канал, причем средство измерения температуры в зоне спекания выполнено в виде регистратора изменения фокусного расстояния сферической линзы.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде спектрофотометра.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде спектрографа.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде пирометра.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для

Description

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых материалов и порошкообразных композиций, в частности, к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием.

Процесс горячего прессования предназначен для получения изделий из порошков, которые не поддаются формованию или спеканию иными способами. Как известно, горячее прессование производят в закрытых пресс-формах, при высоких температурах и давлении, которые возрастают до заданной величины. Величина давления, необходимого для уплотнения порошка, обратно пропорциональна величине температуры, то есть с ее увеличением давление уменьшается. В результате данного процесса получаются материалы, обладающие свойствами компактных металлов, плотность которых приближается к теоретической, при этом механические свойства материала повышаются.

Искровое плазменное спекание предназначено для более эффективного получения изделий из порошков за счет экономии энергии и времени по сравнению с горячим прессованием. Суть данного процесса заключается в совместном воздействии на порошковый материал импульсного постоянного тока и механического давления.

Как правило, для реализации вышеописанных методов используются устройства для получения изделий из композиционных порошков, содержащие схожие основные элементы, а именно: выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны (см., например, RU №115719 U1, опубл. 10.05.2012).

К недостаткам аналога следует отнести низкое качество получаемых изделий, обусловленное невозможностью установить оптимальную температуру из-за отсутствия контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания (внутри матрицы между пуансонами).

Наиболее близким решением к заявленному - прототипом - является устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с дном канала. Губина канала равна высоте пуансона минус 10 миллиметров (из условия неразрушения пуансона в процессе спекания), а дно канала - плоское, для обеспечения измерения температуры на этой поверхности средством измерения температуры - пирометром [Salvatore Grasso, Johannes Poetschke, Volkmar Richter, Giovanni Maizza, Yoshio Sakka, and Michael J. Reece Low-Temperature Spark Plasma Sintering of Pure Nano WC Powder. J. Am. Ceram. Soc., Volume 96, Issue 6, 1702-1705. DOI: 10.1111/jace. 12365, 2013]. В измеренное устройством значение температуры вводится поправка, учитывающая наличие перемычки между поверхностью дна канала, на которой температура измерена, и зоной спекания. С учетом поправки (рассчитывается программными средствами системы управления) в зависимости от определенной температуры в зоне спекания, осуществляется управление технологическими параметрами спекания (например, давление, плотность тока, частота импульсов и т.п.).

К недостаткам прототипа, как и известных из уровня техники аналогов, следует отнести отсутствие контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания (ввиду недоступности зоны спекания, обусловленной конструкцией устройства, и весьма приблизительного значения рассчитываемой поправки), следствием чего является низкое качества полученных изделий из композиционного порошка из-за невозможности точного управления технологическими параметрами спекания.

Полезная модель направлена на решение задачи контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания.

Технический результат - повышение качества получаемых изделий.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с дном канала, дно канала выполнено в виде установленной в ответном пазе пуансона вставки в виде сферической линзы из тугоплавкого оптически прозрачного материала с переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления с плоской входной и выпуклой выходной поверхностями, размещенной так, что ее входная поверхность обращена к зоне спекания, выходная поверхность обращена в канал, а средство измерения температуры выполнено в виде регистратора изменения фокусного расстояния сферической линзы, возможно регистратор выполнять в виде спектрофотометра, спектрографа, пирометра, болометра, тепловизора или ультрафиолетового спектрометра, оптимально матрицу и пуансоны выполнять из графита, а сферическую линзу выполнять из лейкосапфира.

Полезная модель поясняется следующими изображениями:

- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;

- Фиг. 2 - Вид поперечного сечения области фокусировки;

- Фиг. 3-сферическая линза;

- Фиг. 4 - пуансон с каналом.

Устройство для получения изделий из композиционных порошков в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие элементы:

1 - матрица;

2 - пуансон монолитный;

3 - пуансон с каналом;

4 - сферическая линза;

5 - канал;

6 - регистратор;

7 - система управления;

8 - генератор импульсов тока.

Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на сферическую линзу 4, выполненную из тугоплавкого оптически прозрачного материала с переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления, и включающую плоскую входную 9 и выпуклую выходную 10 поверхность, размещенную так, что ее входная поверхность 9 обращена в зону спекания 11, а выходная поверхность 10 обращена в канал 5. Сферическая линза 4 способна фокусировать излучения из зоны спекания 11 в плоскость параллельно нормали апертуры регистратора 6. Длина фокусного расстояния 12 линзы зависит от коэффициента преломления сферической линзы 4, являющегося функцией температуры зоны спекания 11. Изменение длины фокусного расстояния 12 линзы 4 в зависимости от температуры приводит к варьированию величины площади поперечного сечения 13 области фокусировки и, таким образом сферическая линза 4, в свою очередь, изменяет величину мощности падающего излучения на единицу площади поперечного сечения 13 области фокусировки. Сферическая линза 4 способна пропускать электромагнитное излучение из зоны спекания 11 в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетового, видимого диапазона до ближнего инфракрасного. На этом эффекте основано применение пирометра, болометра или тепловизора в качестве регистратора 6 для измерения температуры (энергии, мощности, интенсивности) для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне с использованием линзы 4, проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, применение спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне с использованием линзы 4, проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, или ультрафиолетового спектрометра для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне с использованием линзы 4, проницаемой для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне.

Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение линзы 4 с ответным пазом 14 пуансона 3 оптимально осуществлять по сферической поверхности - в этом случае практически отсутствуют концентраторы напряжения в зоне их контакта, что делает сопряжение максимально надежным с точки зрения возможности разрушения сопрягаемых элементов.

С точки зрения близости физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к линзе 4, оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а линзу - из лейкосапфира.

Устройство для получения изделий из композиционных порошков работает следующим образом: в матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 2. В полости между матрицей 1 и пуансоном 2 засыпается порошковый материал, который заполняет зону спекания 11. Линза 4 устанавливается с натягом в ответный паз 14 пуансона 3 таким образом, что выпуклая выходная 10 поверхность линзы 4 была обращена в канал 5. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что плоская входная 9 поверхность линзы 4 сопрягалась с зоной спекания 11. Далее осуществляется подпрессовка порошкового материала пуансонами 2 и 3. После чего, собранная конструкция зажимается, например, в установке искрового плазменного спекания (на чертеже не показана), таким образом, чтобы пуансоны 2 и 3 опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), при этом выходная 10 поверхность линзы 4 должна быть обращена к продолжению канала 5 внутри установки искрового плазменного спекания (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 8 и одновременно увеличивается давление в зоне спекания 11 за счет встречного движения пуансонов 2 и 3. При подаче напряжения электрический ток проходит через верхний токоподвод пресса (на чертеже не показан), пуансона 3, матрицу 1, пуансона 2 и нижний токоподвод пресса (на чертеже не показан). Проходя через эти графитовые элементы, электрический ток нагревает их, обеспечивая таким образом нагрев зоны спекания 11 до температуры спекания. При нагреве, зона спекания 11 излучает электромагнитные волны в широком спектре длин волн и входящий в линзу 4 коллимированный пучок света проходит внутрь линзы 4 через входную поверхность 9. Линза 4 фокусирует излучения из зоны спекания 11 в плоскость параллельно нормали апертуры регистратора 6 через канал 5. При изменении температуры в зоне спекания 11 длина фокусного расстояния 12 изменяется в связи того, что коэффициент преломления сферической линзы 4 является функцией температуры зоны спекания 11. Изменение длины фокусного расстояния 12 линзы 4 приводит к варьированию величины площади поперечного сечения 13 области фокусировки и последнее, в свою очередь, изменяет величину мощности падающего излучения на единицу площади данного сечения 13. Регистратор 6 фиксирует изменения величины мощности падающего излучения на единицу площади данного сечения 13 и определяет температуру зоны спекания 11. Регистратор 6 передает сигнал в систему управления 7 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой при процессе спекания. После обработки сигнала система управления 7 контролирует работу генератора 8 и вводит поправки для поддержания температуры в пределах заданного (эталонного) диапазона, гарантирующего качественное спекание изделия.

Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - контроль/измерение реальной температуры в зоне спекания - решена, а заявленный технический результат - повышение качества получаемых изделий - достигнут.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых материалов и композиций, в частности, к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Claims (9)

1. Устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного материала матрицу, установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны и средство измерения температуры в зоне спекания, при этом один из пуансонов снабжен цилиндрическим каналом с дном, предназначенным для измерения температуры в зоне спекания упомянутым устройством измерения, отличающееся тем, что дно цилиндрического канала выполнено в виде сферической линзы с плоской входной и выпуклой выходной поверхностями из тугоплавкого оптически прозрачного материала с переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления, установленной в выполненном в пуансоне ответном пазе, при этом линза плоской выходной поверхностью обращена к зоне спекания и выпуклой выходной поверхностями обращена в канал, причем средство измерения температуры в зоне спекания выполнено в виде регистратора изменения фокусного расстояния сферической линзы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде спектрофотометра.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде спектрографа.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде пирометра.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде болометра.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде тепловизора.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линза выполнена проницаемой для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне, а упомянутый регистратор выполнен в виде ультрафиолетового спектрометра.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что матрица и пуансоны выполнены из графита.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сферическая линза выполнена из лейкосапфира.

Images