УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ

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.
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.
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, 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:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - вставка;
- Фиг. 3-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 - вставка;
5 - средство измерения температуры;
6 - система управления;
7 - генератор импульсов тока.
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.
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.
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.
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.
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.
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.