RU163891U1

RU163891U1 - DEVICE FOR PRODUCTION OF COMPOSITE POWDERS

Info

Publication number: RU163891U1
Application number: RU2015152527/02U
Authority: RU
Inventors: Сан Милан Рамон Торресильяс; Пинарготе Нестор Вашингтон Солис; Андрей Владимирович Смирнов; Денис Игоревич Юшин; Михаил Владиславович Журавлев
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-08-10

Abstract

1. Устройство для получения изделий спеканием композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания композиционных порошков матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, средство измерения температуры в зоне спекания, при этом один из пуансонов выполнен с цилиндрическим каналом, имеющим дно, выполненное с возможностью взаимодействия со средством измерения температуры в зоне спекания, отличающееся тем, что упомянутое дно цилиндрического канала пуансона выполнено в виде тугоплавкой вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, проницаемой для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания композиционных порошков и установленной в ответном пазе пуансона.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка выполнена проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а средство измерения температуры выполнено в виде пирометра.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а средство измерения температуры выполнено в виде спектрометра.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка выполнена проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а средство измерения температуры выполнено в виде спектрофотометра.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка выполнена проницаемой для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне, а средство измерения температуры выполнено в виде ультрафиолетового спектрометра.6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка1. A device for producing articles by sintering composite powders, comprising a matrix made of a powder that is refractory within the sintering regime of composite powders and installed inside the matrix with the formation of a sintering zone and the possibility of opposed movement of opposed punches, a means of measuring the temperature in the sintering zone, one of the punches being made with a cylindrical channel having a bottom, made with the possibility of interaction with a means of measuring temperature in the sintering zone, characterized in that the said bottom of the cylindrical channel of the punch is made in the form of a refractory insert with plane-parallel end surfaces, permeable to electromagnetic waves in the thermal limits of the sintering conditions of composite powders and installed in the reciprocal groove of the punch. 2. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the infrared range, and the temperature measuring means is made in the form of a pyrometer. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the visible range, and the temperature measuring means is made in the form of a spectrometer. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the visible range, and the temperature measuring means is made in the form of a spectrophotometer. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the ultraviolet range, and the temperature measuring means is made in the form of an ultraviolet spectrometer. The device according to claim 1, characterized in that the insert

Description

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых композиций, в частности, к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием.The utility model relates to the field of high-temperature sintering of various powder compositions, in particular, to devices for producing products from composite powders by hot pressing or spark plasma sintering.

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. В результате данного процесса получаются материалы, обладающие свойствами компактных металлов, плотность которых приближается к теоретической, при этом механические свойства материала повышаются.The hot pressing process is designed to produce products from powders that are not amenable to molding or sintering in other ways. As you know, hot pressing is carried out in closed molds, at high temperatures and pressures, which increase to a predetermined value. As a result of this process, materials are obtained that have the properties of compact metals, the density of which is close to theoretical, while the mechanical properties of the material increase.

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.Spark plasma sintering is designed to more efficiently obtain products from powders by saving energy and time compared to hot pressing. The essence of this process is the combined action of pulsed direct current and mechanical pressure on the powder material.

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).As a rule, to implement the above methods, devices are used to obtain products from composite powders containing similar basic elements, namely, a matrix made of a material that is refractory within the sintering regimes of the material and installed inside the matrix with the formation of a sintering zone and the possibility of opposed movement of opposed punches (see ., for example, RU No. 115719 U1, publ. 05/10/2012).

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).The disadvantages of the analogue include the low quality of the products obtained, due to the inability to establish the optimum temperature due to the lack of control / measurement of the actual temperature in the sintering zone (inside the matrix between the punches).

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.).The closest solution to the claimed - the prototype - is a device for producing products from composite powders, containing a matrix made of refractory material within the sintering regimes and installed inside the matrix with the formation of a sintering zone and the possibility of opposing movement of opposed punches, one of which is equipped with a cylindrical channel, intended for the interaction of the temperature measuring means included in the device with the bottom of the channel. The channel mouth is equal to the height of the punch minus 10 millimeters (from the condition that the punch is not destroyed during sintering), and the channel bottom is flat, to provide temperature measurement on this surface with a temperature measuring instrument — a pyrometer [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]. A correction is introduced into the temperature value measured by the device, taking into account the presence of a jumper between the bottom surface of the channel at which the temperature is measured and the sintering zone. Subject to an amendment (calculated by the control system software) depending on a specific temperature in the sintering zone, sintering technological parameters are controlled (for example, pressure, current density, pulse frequency, etc.).

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.The disadvantages of the prototype, as well as analogues known from the prior art, include the lack of control / measurement of the actual temperature in the sintering zone (due to the inaccessibility of the sintering zone due to the design of the device and the very approximate value of the calculated correction), which results in low quality of the obtained products from composite powder due to the impossibility of precise control of the technological parameters of sintering.

Полезная модель направлена на решение задачи контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания.The utility model is aimed at solving the problem of monitoring / measuring the real temperature in the sintering zone.

Технический результат - повышение качества получаемых изделий.The technical result is an increase in the quality of the products obtained.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения изделий из композиционных порошков, содержащем 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 тугоплавкой и проницаемой для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, возможно вставку выполнять проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а средство измерения температуры выполнять в виде пирометра, также возможно вставку выполнять проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, а средство измерения температуры выполнять в виде спектрометра или спектрофотометра, или возможно вставку выполнять проницаемой для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне, а средство измерения температуры выполнять в виде ультрафиолетового спектрометра, желательно вставку сопрягать с пуансоном по сферической поверхности, оптимально матрицу и пуансоны выполнять из графита, а вставку - из лейкосапфира. Полезная модель поясняется следующими изображениями:The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that in the device for producing products from composite powders containing a matrix made of refractory material within the sintering regimes and installed inside the matrix with the formation of a sintering zone and the possibility of opposed movement of opposed punches, one of which equipped with a cylindrical channel intended for the interaction of the temperature measuring means included in the device with the bottom of the channel, the bottom of the channel it can be inserted in the form of a refractory permeable and permeable to electromagnetic waves within the thermal limits of the sintering modes of the insert with plane-parallel end surfaces, the insert can be permeable to electromagnetic waves in the infrared range, and the temperature measuring means can be implemented as a pyrometer, it is also possible to carry out the permeable insert for electromagnetic waves in the visible range, and the temperature measuring means can be performed in the form of a spectrometer or spectrophotometer, or The insert must be permeable to electromagnetic waves in the ultraviolet range, and the temperature measuring instrument should be in the form of an ultraviolet spectrometer, it is advisable to match the insert with a punch on a spherical surface, optimally make the matrix and punches of graphite, and the insert of leucosapphire. The utility model is illustrated by the following images:

- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;- FIG. 1 is a schematic diagram of a device for producing products from composite powders;

- Фиг. 2 - вставка;- FIG. 2 - insert;

- Фиг. 3-пуансон с каналом.- FIG. 3-punch with channel.

Устройство для получения изделий из композиционных порошков в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие элементы:A device for producing products from composite powders in accordance with the circuit of FIG. 1 includes, but is not limited to, the following elements:

1 - матрица;1 - matrix;

2 - пуансон монолитный;2 - monolithic punch;

3 - пуансон с каналом;3 - a punch with a channel;

4 - вставка;4 - insert;

5 - средство измерения температуры;5 - means for measuring temperature;

6 - система управления;6 - control system;

7 - генератор импульсов тока.7 - current pulse generator.

Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на тугоплавкую и проницаемую для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставку 4 с плоскопараллельными торцевыми входной 8 и выходной 9 поверхностями. Такая вставка способна пропускать электромагнитное излучение спекаемого порошкового материала, интенсивность (для инфракрасного диапазона) или спектр (для видимого диапазона или ультрафиолетового диапазона) которого является функцией температуры в зоне спекания.The main difference between the claimed technical solution and the prototype is to replace the jumper (see prototype) with a refractory and permeable for electromagnetic waves in the thermal limits of the sintering modes insert 4 with plane-parallel end 8 input and output 9 surfaces. Such an insert is capable of transmitting electromagnetic radiation from a sintered powder material whose intensity (for the infrared range) or spectrum (for the visible range or ultraviolet range) is a function of the temperature in the sintering zone.

На этом эффекте основано применение в качестве средства измерения температуры пирометра для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне с использованием вставки 4, проницаемой для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а также спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне с использованием вставки 4, проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне, или ультрафиолетового спектрометра для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне с использованием вставки 4, проницаемой для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне.This effect is based on the use as a means of measuring the temperature of a pyrometer for electromagnetic waves in the infrared range using an insert 4 permeable to electromagnetic waves in the infrared range, as well as a spectrometer or spectrophotometer for electromagnetic waves in the visible range using an insert 4 permeable to electromagnetic waves in the visible range, or an ultraviolet spectrometer for electromagnetic waves in the ultraviolet range using insert 4, permeable for electromagnetic waves in the ultraviolet range.

Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение вставки 4 с ответным пазом 10 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.Since the working pressure in the sintering zone is very high, it is optimal to pair the insert 4 with the counter groove 10 of the punch 3 over a spherical surface - in this case, there are practically no stress concentrators in the zone of their contact, which makes the coupling as reliable as possible from the point of view of the possibility of destruction of the mating elements.

С точки зрения близости физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к вставке 4 (проницаемой для электромагнитных волн, в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах), оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а вставку 4 - из лейкосапфира.From the point of view of the proximity of physical and mechanical properties, which is important for the identical behavior of the elements in the process of mutual work, taking into account the optical requirements for insert 4 (permeable to electromagnetic waves, in the infrared, visible and ultraviolet ranges), it is optimal to perform matrix 1 and punches 2, 3 from graphite, and insert 4 from leucosapphire.

Устройство для получения изделий из композиционных порошков (на примере установки для искрового плазменного спекания) работает следующим образом: В матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 2. В полости между матрицей 1 и пуансоном 2 засыпается порошковый материал, который формирует зону спекания 11. Вставка 4 устанавливается с натягом в ответный паз 10 пуансона 3 таким образом, чтобы выходная поверхность 9 вставки 4 была обращена в канал 12, а входная поверхность 8 вставки 4 была обращена в зону спекания. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что входная поверхность 8 вставки 4 сопрягалась с зоной спекания 11. Далее осуществляется подпрессовка порошкового материала пуансонами 2 и 3, после чего собранная конструкция зажимается в установке, например, 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 поверхность 9 вставки 4 должна быть обращена в продолжение канала 12 внутри установки искрового плазменного спекания (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 7 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 зоны спекания 11 от нее происходит излучение электромагнитных волн, входящий во вставку 4 коллимированный пучок света проходит сквозь нее, испытывая при этом множественные переотражения внутри вставки 4, включая множество полных внутренних отражений, поэтому на выходе, через выходную поверхность 9, пучок света 13 имеет гауссову форму пространственного распределения интенсивности. Световой пучок 13 попадает через канал 12 в средство измерения температуры 5, и оно передает сигнал в систему управления 6 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой (эталонной) для качественного процесса спекания. После обработки сигнала, система управления 6 контролирует работу генератора 7 и вводит поправки для поддержания температуры в заданном (эталонном) диапазоне спекания, что позволяет получить качественно спеченное изделие.A device for producing products from composite powders (for example, an installation for spark plasma sintering) works as follows: A punch 2 is inserted with interference fit in the matrix 1. Powder material is poured into the cavity between the matrix 1 and punch 2, which forms the sintering zone 11. Insert 4 is installed with an interference fit in the counter groove 10 of the punch 3 so that the output surface 9 of the insert 4 faces the channel 12, and the input surface 8 of the insert 4 faces the sintering zone. Next, the punch 3 is installed in the matrix 1 so that the input surface 8 of the insert 4 is mated to the sintering zone 11. Next, the powder material is pressed into the punches 2 and 3, after which the assembled structure is clamped in an installation, for example, spark plasma sintering (not shown in the drawing) so that the punches 2 and 3 rest on the press current leads (not shown in the drawing), while the output surface 9 of the insert 4 should be facing the continuation of the channel 12 inside the spark plasma sintering unit (on tezhe not shown). Through current leads of the press (not shown in the drawing), current pulses are supplied from the generator 7 and at the same time the pressure in the sintering zone 11 increases due to the oncoming movement of the punches 2 and 3. When voltage is applied, electric current passes through the upper current lead of the press (not shown), the punch 3, the matrix 1, the punch 2 and the lower current supply of the press (not shown). Passing through these graphite elements, an electric current heats them, thus providing heating of the sintering zone 11 to the sintering temperature. When the sintering zone 11 is heated, electromagnetic radiation is emitted from it, a collimated light beam entering insert 4 passes through it, undergoing multiple reflections inside insert 4, including many total internal reflections, therefore, at the exit, through the exit surface 9, the light beam 13 has a Gaussian shape of the spatial intensity distribution. The light beam 13 enters through the channel 12 into the temperature measuring means 5, and it transmits a signal to the control system 6 for comparing and monitoring the actual temperature with the required (reference) temperature for the sintering process. After processing the signal, the control system 6 controls the operation of the generator 7 and introduces corrections to maintain the temperature in a given (reference) sintering range, which allows to obtain a high-quality sintered product.

Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.In the same way, the device works when it is included in the hot-pressing unit.

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.The foregoing allows us to conclude that the task of the utility model — the control / measurement of the real temperature in the sintering zone — has been solved, and the claimed technical result — improving the quality of the products obtained — has been achieved.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- 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;- an object embodying the claimed technical solution, when implemented, relates to the field of high temperature sintering of various powder materials and compositions, in particular, to devices for producing products from composite powders by hot pressing or spark plasma sintering;

- 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;- for the claimed object in the form described in the formula, the possibility of its implementation using the methods and methods described above or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the criteria of patentability "novelty" and "industrial applicability" under applicable law.

Claims

1. A device for producing articles by sintering composite powders, comprising a matrix made of a powder that is refractory within the sintering regime of composite powders and installed inside the matrix with the formation of a sintering zone and the possibility of opposed movement of opposed punches, a means of measuring the temperature in the sintering zone, one of the punches being made with a cylindrical channel having a bottom, made with the possibility of interaction with a means of measuring temperature in the sintering zone, characterized in that the said bottom of the cylindrical channel of the punch is made in the form of a refractory insert with plane-parallel end surfaces, permeable to electromagnetic waves in the thermal limits of the sintering regimes of composite powders and installed in the reciprocal groove of the punch.

2. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the infrared range, and the temperature measuring means is made in the form of a pyrometer.

3. The device according to p. 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the visible range, and the temperature measuring means is made in the form of a spectrometer.

4. The device according to p. 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the visible range, and the temperature measuring means is made in the form of a spectrophotometer.

5. The device according to claim 1, characterized in that the insert is made permeable to electromagnetic waves in the ultraviolet range, and the temperature measuring means is made in the form of an ultraviolet spectrometer.

6. The device according to p. 1, characterized in that the insert is paired with a mating groove of the punch on a spherical surface.

7. The device according to claim 1, characterized in that the matrix and punches are made of graphite.

8. The device according to p. 1, characterized in that the insert is made of leucosapphire.