RU2048882C1

RU2048882C1 - Punching machine for the synthesis of supersolid materials

Info

Publication number: RU2048882C1
Application number: RU93042536A
Authority: RU
Inventors: Борис Тимофеевич Ерохин; Николай Алексеевич Букин; Юрий Андреевич Гаркуша; Валерий Павлович Полишвайко; Владимир Евлампьевич Меркулов; Виктор Сатарович Мухамедов; Вячеслав Дмитриевич Полунин; Валерий Федорович Довгучиц; Владимир Петрович Киреев
Original assignee: Борис Тимофеевич Ерохин; Николай Алексеевич Букин; Юрий Андреевич Гаркуша; Валерий Павлович Полишвайко; Владимир Евлампьевич Меркулов; Виктор Сатарович Мухамедов; Вячеслав Дмитриевич Полунин; Валерий Федорович Довгучиц; Владимир Петрович Киреев
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: manufacture of supersolid materials. SUBSTANCE: punching machine has a power member in the form of a steel rod, the mechanism for displacing the power member in the form of a wedge with a cavity and a piston placed in the cavity. One face end of the piston contacts with the machine housing. Quick-burning non-brisant agent is placed on the other face end. The usage in the capacity of an energy source of the quick-burning non-brisant agent and the power member in the form of a steel rod as an accumulator of the potential energy of compression results in making the production process cheaper. EFFECT: lowered price of the production process. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике для производства сверхтвердых материалов (СТМ), например алмазов, путем синтеза. The invention relates to techniques for the production of superhard materials (STM), for example diamonds, by synthesis.

Существуют разные методы получения СТМ. В настоящее время в технологии промышленного производства СТМ наиболее широко применяют методы синтеза, основанные на использовании высоких статических или динамических давлений (до 10 ГПа) при температуре до 4000 К. Таким экстремальным давлениям и температуре нагрева подвергают аппарат высокого давления (АВД), в котором размещена шихта исходный состав для синтеза СТМ, например, для производства алмазов, графит. There are various methods for obtaining STM. Currently, synthesis methods based on the use of high static or dynamic pressures (up to 10 GPa) at temperatures up to 4000 K are most widely used in the STM industrial production technology. High pressure apparatus (AED) is placed in such extreme pressures and heating temperature. charge initial composition for the synthesis of STM, for example, for the production of diamonds, graphite.

При статическом методе синтеза применяют мощные гидравлические прессы различной конструкции со сложным гидроприводом. Воздействие на АВД силового элемента рабочего плунжера возможно в данном случае за счет гидропривода в течение нескольких часов. Это позволяет обеспечить надежный рост кристаллов СТМ, получить их достаточно крупными и хорошего качества. The static synthesis method uses powerful hydraulic presses of various designs with a complex hydraulic drive. The impact on the AED of the power element of the working plunger is possible in this case due to the hydraulic drive for several hours. This makes it possible to ensure reliable growth of STM crystals, to obtain them sufficiently large and of good quality.

Однако, в целом, используемое оборудование очень сложное и больших габаритов. However, in general, the equipment used is very complex and large.

При динамическом методе шихта вместе с взрывчатым веществом (ВВ) помещается в специальной взрывной камере. Воздействие высокого взрывного давления газов кратковременно, что позволяет сократить время синтеза примерно на три порядка по сравнению с статическим методом, но получаемые в этом случае алмазы имеют размер лишь микрочастиц и с большим числом дефектов поверхности. In the dynamic method, the charge, together with the explosive (BB), is placed in a special explosive chamber. The effect of high explosive gas pressure is short-lived, which allows to reduce the synthesis time by about three orders of magnitude compared with the static method, but the diamonds obtained in this case are only microparticles in size and with a large number of surface defects.

Оборудование и в этом случае является достаточно сложным, а взрывную установку по условиям техники безопасности возможно использовать только в полигонных условиях [1]
Известен гидравлический пресс [2] содержащий корпус в виде замкнутой жесткой рамы, установленный в ней силовой элемент и его привод (рабочие и возвратные цилиндры с плунжерами). Движение и необходимое давление силового элемента обеспечивают гидравлическим приводом с насосами.The equipment in this case is also quite complicated, and an explosive installation according to safety conditions can only be used in field conditions [1]
Known hydraulic press [2] comprising a housing in the form of a closed rigid frame, a power element installed in it and its drive (working and return cylinders with plungers). The movement and the required pressure of the power element are provided with a hydraulic drive with pumps.

Для обеспечения значительного статического давления (в несколько десятков меганьютонов) необходим мощный и сложный гидропривод. Для размещения всего прессового оборудования требуются большие рабочие площади сотни и более квадратных метров, т.е. помещение сопоставимое с площадью промышленного цеха. To provide significant static pressure (several tens of meganewtons), a powerful and complex hydraulic drive is needed. To accommodate all the press equipment requires large working areas of hundreds or more square meters, i.e. a room comparable to the area of an industrial workshop.

Обслуживание такого гидропресса является процессом трудоемким и сложным. Maintenance of such a hydraulic press is a laborious and complicated process.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для получения алмазов, содержащее корпус, камеру с шихтой и контактирующий с камерой силовой элемент с направляющими и приводом перемещения силового элемента [3]
Сопоставительный анализ данного устройства и предлагаемой прессовой установки показывает, что отличием последней является выполнение силового элемента и привода его перемещения.Closest to the proposed technical essence is a device for producing diamonds, comprising a housing, a chamber with a charge and a power element in contact with the camera with guides and a drive for moving the power element [3]
A comparative analysis of this device and the proposed press installation shows that the difference between the latter is the implementation of the power element and drive its movement.

Целью изобретения является упрощение технологии и удешевление производства СТМ, например алмазов, путем синтеза и за счет использования в качестве источника энергии быстрогорящего вещества небризантного действия и силового элемента в виде стального штока как накопителя потенциальной энергии сжатия с приводом его перемещения в виде подвижного клинового соединения, обеспечивающего выигрыш в энергии. The aim of the invention is to simplify the technology and reduce the cost of production of STMs, for example diamonds, by synthesis and by using a quick-burning substance of non-blaring action as a power source and a power element in the form of a steel rod as a storage of potential compression energy with a drive of its movement in the form of a movable wedge connection, providing gain in energy.

Предлагаемая прессовая установка позволяет использовать одновременно преимущества и статического, и динамического методов: действие статического сжимающего усилия на АВД силового элемента в течение длительного времени (несколько часов) и применение в качестве энергии быстрогорящего вещества не бризантного действия (например, пороха). Это позволяет получить и крупные качественные кристаллы при достаточно простой малогабаритной установке, которую можно эксплуатировать в обычном заводском помещении ограниченной площади. The proposed press unit allows you to use both the advantages of both static and dynamic methods: the action of a static compressive force on the AED of a power element for a long time (several hours) and the use of non-explosive action (for example, gunpowder) as a quick-burning substance. This allows you to get large and high-quality crystals with a fairly simple small-sized installation, which can be operated in an ordinary factory premises with a limited area.

Цель достигается созданием прессовой установки для синтеза сверхтвердых материалов, содержащей корпус, размещенную в нем камеру с шихтой и контактирующий с камерой силовой элемент с направляющими и механизмом его перемещения, в котором согласно изобретению механизм перемещения силового элемента выполнен в виде клина с полостью, установленного с возможностью перемещения и размещенного в полости поршня с осевым отверстием, причем один торец поршня контактирует с корпусом, а на другом торце размещено быстрогорящее вещество не бризантного действия, а силовой элемент выполнен в виде стального штока, длину которого выбирают по формуле: l=ΔFE/(P₁-P₂) где l длина стального штока; F площадь сечения стального штока; Е модуль упругости; Δ линейная усадка шихты; Р₁ и Р₂ начальное и конечное усилие сжатия стального штока в процессе синтеза.The goal is achieved by creating a press unit for the synthesis of superhard materials, comprising a housing, a chamber placed in it with a charge and a power element in contact with the camera with guides and a mechanism for moving it, in which, according to the invention, the mechanism for moving the power element is made in the form of a wedge with a cavity installed with the possibility of displacement and placed in the piston cavity with an axial hole, with one end of the piston in contact with the housing, and on the other end placed quick-burning substance is not brisant th action, and the power element is made in the form of a steel rod, the length of which is selected by the formula: l = ΔFE / (P ₁ -P ₂ ) where l is the length of the steel rod; F is the cross-sectional area of the steel rod; E modulus of elasticity; Δ linear shrinkage of the mixture; P ₁ and P _{2 the} initial and final compression force of the steel rod in the synthesis process.

Проведенные патентные и литературные исследования показали, что аналоги по существенным отличительным признакам отсутствуют. Conducted patent and literary studies have shown that there are no analogues for essential distinguishing features.

На чертеже схематически показана конструкция прессовой установки для синтеза сверхтвердых материалов. The drawing schematically shows the design of a press unit for the synthesis of superhard materials.

Прессовая установка для синтеза сверхтвердых материалов содержит корпус 1, выполненный в виде жесткой рамы, установленный в нем аппарат высокого давления 2 с шихтой, контактирующий с ним силовой элемент стальной шток 3, являющийся накопителем потенциальной энергии сжатия, взаимодействующий с ним клиновой механизм, в клине 4 которого выполнена полость 5 и привод его перемещения, выполненный в виде установленного в полости 5 неподвижного поршня 6, жестко опирающегося торцем на корпус 1, на второй торцевой поверхности которого, находящейся в полости 5, размещено быстрогорящее вещество 7 небризантного действия. A press unit for the synthesis of superhard materials contains a housing 1 made in the form of a rigid frame, a high-pressure apparatus 2 installed in it with a charge, a steel rod 3 power element in contact with it, which is a storage of potential compression energy, a wedge mechanism interacting with it, in a wedge 4 which cavity 5 is made and its displacement drive, made in the form of a fixed piston 6 installed in the cavity 5, rigidly supported by the end face on the housing 1, on the second end surface of which is located in Lost 5 taken, fast-medium 7 nebrizantnogo action.

Поршень 6 размещен в полости 5 с уплотнением и обеспечением возможности перемещения относительно него клина 4 по его направляющим 8, выполненным в корпусе 1. В неподвижном поршне 6 выполнено продольное осевое отверстие 9 для сброса продуктов горения в атмосферу. Стальной шток 3 установлен в направляющих 10. Фиксация его положения относительно клина 4 обеспечивается шпонкой 11. В корпусе 1 установлен напротив торца клина 4 ограничительный винт 12. Аппарат высокого давления 2 закреплен в корпусе 1 держателем 13. The piston 6 is placed in the cavity 5 with a seal and making it possible to move the wedge 4 relative to it along its guides 8 made in the housing 1. A longitudinal axial hole 9 is made in the stationary piston 6 to discharge combustion products into the atmosphere. The steel rod 3 is installed in the guides 10. The fixation of its position relative to the wedge 4 is provided with a key 11. In the housing 1, a restriction screw 12 is installed opposite the end of the wedge 4. The high-pressure apparatus 2 is fixed in the housing 1 by the holder 13.

Прессовая установка для синтеза сверхтвердых материалов работает следующим образом. Press installation for the synthesis of superhard materials works as follows.

В корпусе 1 устанавливают аппарат высокого давления 2 с шихтой, которую, например, для производства алмазов приготавливают на основе графита. На торцовую поверхность неподвижного поршня 6 в полости 5 закладывают быстрогорящее вещество 7. Воспламенение последнего осуществляют электровоспламенителем (не показано). Образовавшиеся при горении газы создают давление в полости 5 клина 4, под действием которого он перемещается по направляющим 8 в корпусе 1, и его наклонная плоскость, выполненная под углом, скользя относительно срезанного под тем же углом торца стального штока 3, будет его сжимать и деформировать в пределах упругой деформации, в основном (в продольном) направлении. Это усилие сжатия передается на аппарат высокого давления 2. Величина силы сжатия должна быть достаточной для осуществления синтеза СТМ и может достигать до 10 МН. Усилие сжатия зависит от количества быстрогорящего вещества 7 и величины хода клина 4. Предельный ход клина 4 ограничен ограничительным винтом 12. С помощью этого же винта клин 4 возвращается обратно в исходное положение после выполнения процесса синтеза. Количество быстрогорящего вещества 7 подбирают предварительно путем расчета, а затем уточняют на основании опыта. Угол наклона α клина 4 и контактирующего с ним торца стального штока 3 устанавливают из условия самоторможения α≅ρ, где ρ угол трения клинового соединения. In the housing 1, a high-pressure apparatus 2 is installed with a charge, which, for example, is prepared on the basis of graphite for the production of diamonds. On the end surface of the stationary piston 6 in the cavity 5 lay a quick-burning substance 7. Ignition of the latter is carried out by an electric igniter (not shown). The gases formed during combustion create pressure in the cavity 5 of the wedge 4, under which it moves along the guides 8 in the housing 1, and its inclined plane, made at an angle, sliding relative to the end face of the steel rod 3, will compress and deform it within elastic deformation, mainly (in the longitudinal) direction. This compression force is transmitted to the high-pressure apparatus 2. The magnitude of the compression force must be sufficient for the synthesis of the STM and can reach up to 10 MN. The compression force depends on the amount of quick-burning substance 7 and the size of the wedge 4. The maximum stroke of the wedge 4 is limited by the restrictive screw 12. Using the same screw, the wedge 4 is returned to its original position after the synthesis process. The amount of quick-burning substance 7 is selected previously by calculation, and then specified on the basis of experience. The angle of inclination α of the wedge 4 and the end face of the steel rod 3 contacting it is established from the condition of self-braking α≅ρ, where ρ is the friction angle of the wedge joint.

В начальный период горения отверстие 9 закрыто быстрогорящим веществом 7, что препятствует утечке газов. В момент достижения максимального значения давления в полости 5 быстрогорящее вещество 7 полностью сгорает и открывает отверстие 9. После создания необходимого сжимающего усилия на аппарат высокого давления образовавшиеся в полости 5 газы выходят через продольное отверстие 9 в атмосферу. Стальной шток 3 остается по-прежнему в сжатом состоянии, являясь аккумулятором потенциальной энергии. Самотормозящее клиновое соединение не позволяет ему разжаться, т.е. вернуться из упругосжатого состояния в начальное, недеформированное. Это дает возможность выдержать аппарат 2 высокого давления под сжимающей нагрузкой в течении длительного времени (нескольких часов), необходимых для проведения полного цикла синтеза СТМ, получить крупные кристаллы. В процессе синтеза СТМ шихта в аппарате 2 высокого давления уменьшается в объеме (дает усадку), уменьшается и линейный размер в осевом направлении. Сжатый в пределах упругой деформации как жесткая пружина стальной шток 3 начинает удлиняться, отдает накопленную потенциальную энергию на работу по сжатию АВД и тем самым компенсирует его линейную усадку при переходе шихты из одного состояния в другое. Сила давления сжатия на АВД будет в этом случае несколько снижаться, но остается достаточной (несколько МН) для продолжения синтеза СТМ. In the initial period of combustion, the opening 9 is closed by a quick-burning substance 7, which prevents the leakage of gases. When the maximum pressure in the cavity 5 is reached, the quick-burning substance 7 completely burns out and opens the opening 9. After creating the necessary compressive force on the high-pressure apparatus, the gases formed in the cavity 5 exit through the longitudinal opening 9 into the atmosphere. The steel rod 3 is still in a compressed state, being a battery of potential energy. Self-braking wedge connection does not allow it to unclench, i.e. return from an elastic-compressed state to an initial, undeformed state. This makes it possible to withstand the high-pressure apparatus 2 under a compressive load for a long time (several hours), necessary for conducting a full cycle of STM synthesis, to obtain large crystals. During the synthesis of STM, the charge in the high-pressure apparatus 2 decreases in volume (shrinks), and the linear dimension in the axial direction also decreases. Compressed within the limits of elastic deformation as a stiff spring, the steel rod 3 begins to lengthen, gives up the accumulated potential energy to the work of compressing the AED and thereby compensates for its linear shrinkage when the charge is transferred from one state to another. In this case, the pressure force of compression on the pressure transducer will decrease somewhat, but remains sufficient (several MN) to continue the synthesis of STMs.

Это позволяет проводить синтез СТМ под высоким статическим давлением в условиях, практически близких к тем, что имеют место при использовании мощных гидравлических прессов. Устройство и условия его работы, а также размеры значительно проще и меньше. This allows the synthesis of STMs under high static pressure under conditions that are almost similar to those that occur when using powerful hydraulic presses. The device and its working conditions, as well as dimensions are much simpler and smaller.

Длину стального штока 3 и его диаметр выбирают из условий компенсации усадки шихты, обеспечения требуемого для синтеза СТМ усилия сжатия (несколько МН) до конца процесса. The length of the steel rod 3 and its diameter is selected from the conditions of compensation of shrinkage of the mixture, providing the compression force (several MN) required for the synthesis of STM until the end of the process.

Разность упругих деформаций штока в начале Δ₁ и в конце Δ₂ процеccа синтеза должна быть равна линейной усадке шихты Δ.The difference in the elastic deformations of the rod at the beginning of Δ ₁ and at the end of Δ _{2 of the} synthesis process should be equal to the linear shrinkage of the charge Δ.

Δ Δ₁-Δ₂ или на основании закона Гука
Δ= (P₁-P₂)

где l и F соответственно длина и площадь сечения штока; Е модуль упругости; Р₁ и Р₂ начальное и конечное усилие сжатия штока в процессе синтеза. Длину штока получают по выражению
l

.Δ Δ ₁ -Δ ₂ or based on Hooke's law
Δ = (P ₁ -P ₂ )

where l and F, respectively, the length and cross-sectional area of the rod; E modulus of elasticity; P ₁ and P _{2 the} initial and final force of the compression of the rod in the synthesis process. The length of the stock is obtained by the expression
l

.

Claims

A PRESS INSTALLATION FOR SYNTHESIS OF SUPER-SOLID MATERIALS, comprising a housing, a chamber placed in it with a charge and a force element in contact with the camera with guides and a mechanism for moving it, characterized in that the mechanism for moving the power element is made in the form of a wedge with a cavity mounted for movement, and placed in the piston cavity with an axial bore, and one end of the piston is in contact with the housing, and on the other end there is a quick-burning substance of not blasting effect, and the power element is made en in the form of a rod, the length l of which is selected by the formula
l = ΔFE (P ₁ -P ₂ ),
where F is the cross-sectional area of the steel rod;
E modulus of elasticity;
Δ linear shrinkage of the mixture;
P ₁ and P _{2 are the} initial and final compressive forces of the steel rod during the synthesis process.