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 (Патент РФ №115719 U1, опубл. 10.05.2012 г).
Недостатком данного устройства является низкое качество получаемых изделий, обусловленное невозможностью точно установить оптимальную температуру, градиент распределения температуры и энергию спекания из-за отсутствия контроля/измерения реальной температуры и энергии в зоне спекания и на поверхности (внутри матрицы между пуансонами).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранное в качестве прототипа 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, средство измерения температуры в зоне спекания, при этом первый из пуансонов выполнен с цилиндрическим каналом для измерения температуры в зоне спекания, отличающееся тем, что канал первого пуансона выполнен сквозным, а второй пуансон снабжен тугоплавким и проницаемым для электромагнитных волн цилиндрическим стержнем, установленным с возможностью перемещения по скользящей посадке внутри канала первого пуансона при встречном перемещении пуансонов с образованием своей торцевой поверхностью дна канала первого пуансона (Патент РФ №163895, опубл. 10.08.2016 г.).
Недостатком известного устройства, в том числе технической проблемой является недостаточная точность при измерении реальной температуры в зоне спекания, обусловленная присутствия недостаточных энергетических характеристик пучка электромагнитного излучения, что в свою очередь не позволяет провести точный контроль/измерение температуры и энергии излучения.
В основу заявленного решения был положен технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения точности контроля и измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания, путем создания концентрированного пучка электромагнитного излучения.
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, при этом первый из пуансонов выполнен со сквозным каналом, а второй пуансон снабжен оптической деталью, выполненной из тугоплавких и проницаемых для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания материалов и установленной с возможностью перемещения по скользящей посадке внутри канала первого пуансона при встречном перемещении пуансонов с образованием своей торцевой поверхностью дна канала первого пуансона, оптическая деталь выполнена в виде объединенных и скрученных в жгут стержней.
Полезная модель поясняется графическими изображениями.
На фиг.1 схематично изображена принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков.
На фиг.2 - изображена схема жгута с тремя стержнями.
Устройство для получения изделий из композиционных порошков содержит выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу 1 и установленные внутри матрицы 1 с образованием зоны 2 спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны 3 и 4, при этом первый из пуансонов 3 выполнен со сквозным каналом 5, а второй пуансон 4 снабжен оптической деталью 6, выполненной из тугоплавких и проницаемых для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания материалов и установленной с возможностью перемещения по скользящей посадке внутри канала 5 первого пуансона 3 при встречном перемещении пуансонов 3 и 4 с образованием своей торцевой поверхностью дна 7 канала 5 первого пуансона 3, оптическая деталь 6 выполнена в виде объединенных и скрученных в жгут 8 стержней 9.
Кроме того, диаметр стержней 9 может составить 33-50% от диаметра жгута 8, при этом количество стержней 9 должно быть не менее 2-х, а число кручений стержней 9 на метр жгута 8 находится в диапазоне 5-100.
Такой жгут 8, находясь в самом центре зоны спекания 2, способен пропускать через каждый из его стержней 9 электромагнитное излучение спекаемого порошкового материала, энергетические характеристики которого, а именно: интенсивность, мощность (для инфракрасного диапазона) и их спектральная плотность или спектр (для видимого и ультрафиолетового диапазона) являются функцией температуры в зоне спекания. На этом эффекте основано применение пирометра в качестве средства 10 измерения параметров зоны спекания для измерения температуры (энергии, мощности, интенсивности) при использовании электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне с помощью жгута 8, проницаемого для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, применение спектрометра или спектрофотометра при использовании электромагнитных волн в видимом диапазоне с помощью жгута 8, проницаемого для электромагнитных волн в видимом диапазоне, или ультрафиолетовый спектрометр при использовании электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне с помощью жгута 8, проницаемого для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне. При этом электромагнитное излучение, выходящее из дна 7 канала 5, может попадать напрямую в средство 10 измерения параметров зоны спекания или косвенно с помощью волновода (на чертеже не показан), соединяющего дно 7 канала 5 и вход средства 10 измерения.
С точки зрения близости физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к жгуту 8 (температурные зависимости диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь для электромагнитных волн в ИК, УФ и в видимом диапазонах длин волн), оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 3, 4 из графита, а жгут 8 - из сапфира.
Устройство для получения изделий из композиционных порошков работает следующим образом.
Жгут 8 устанавливается с натягом в цилиндрический паз пуансона 4. В матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 4 так, что жгут 8 находился в полости между матрицей 1 и пуансоном 4. Далее засыпается в полости между матрицей 1, пуансоном 4 и жгут 8 порошковый материал, который заполняет зону 2 спекания. Следом устанавливается в матрицу 1 пуансон 3 таким образом, что в канал 5 пуансона 3 входил жгут 8, и он мог перемещаться по скользящей посадке внутри канала 5. Далее осуществляется подпрессовки порошкового материала пуансонами 3 и 4. После подпрессовки собранная конструкция зажимается в установке, например, искрового плазменного спекания (на чертеже не показана), таким образом, чтобы пуансоны 3 и 4 опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), при этом торцевая поверхность (дно 7) жгута 8 была обращена к продолжению канала 5 внутри установки (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 11 и одновременно увеличивается давление в зоне 2 спекания за счет встречного движения пуансонов 3 и 4. При подаче напряжения импульсы постоянного тока проходят через верхний токоподвод пресса (на чертеже не показан), пуансона 3, матрицу 1, пуансона 4 и нижний токоподвод пресса (на чертеже не показан). Проходя через графитовые элементы (матрицу 1, пуансоны 3 и 4), электрический ток нагревает их, обеспечивая, таким образом, нагрев зоны 2 спекания до температуры спекания. При нагреве, зона 2 спекания излучает электромагнитные волны в широком спектре длин волн и входящий в каждый стержень 9 жгута 8 коллимированный пучок света испытывает множественные переотражения внутри стрежней 9, включая множество полных внутренних отражений, поэтому на выходе из каждого стержня 9 жгута 8, через торцевую поверхность (дно 7), пучки 12 света имеют гауссову форму пространственного распределения интенсивности. Световой пучок 12 попадает через канал 5 в средство 10 измерения, и оно передает сигнал в систему 13 управления для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой при процессе спекания. После обработки сигнала система 13 управления контролирует работу генератора 11 и вводит поправки для поддержания температуры спекания в пределах заданного (эталонного) диапазона, гарантирующего качественное спекание изделия.
Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения точности контроля и измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания, путем создания концентрированного пучка электромагнитного излучения.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
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.