Способ ударно-волновой консолидации сверхтвердых порошковых материалов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ КОНСОЛИДАЦИИ СВЕРХТВЕРДЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Смирнов Геннадий Васильевич Коморный Александр Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56) Тавадзе Ф.Н. и др. Трудысовещания по обработке материалов взрывом. Новосибирск, 1982. - . 70-71.1731438 1, 1992.1012277 , 2000.2218241 2, 2003.1496115 , 1994.(57) 1. Способ ударно-волновой консолидации сверхтвердых порошковых материалов,включающий коаксиальную установку ампулы сохранения с образцом и заряда взрывчатого вещества, нагрев образца прямым пропусканием тока через него и инициирование заряда взрывчатого вещества, отличающийся тем, что образец готовят из сверхтвердых порошковых материалов и 5-50 электропроводящей углеродной составляющей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сверхтвердых порошковых материалов используют алмазные порошковые материалы. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сверхтвердых порошковых материалов используют керамические неэлектропроводные композиции. 11800 1 2009.04.30 Изобретение относится к области динамической обработки материалов и предназначено для создания необходимых технологических параметров при консолидации продвинутых керамических и алмазоподобных композиций. Данные композиции применяются для изготовления сверхтвердых режущих элементов обрабатывающего и правящего инструмента в машиностроительной промышленности и стройиндустрии. Известны установочные схемы для прессования порошковых материалов различными зарядами бризантных взрывчатых веществ по цилиндрической конфигурации Крупин А.В.,Соловьев В.Я. и др. Обработка металлов взрывом. - М. Металлургия, 1999. - С. 325. Они состоят из ампулы, которая представляет собой металлическую трубу, закрытую с торцов пробками, центрального стержня, окруженного обрабатываемым порошком и буферной прослойки из песка, позволяющего сохранить прессовку в процессе взрывного прессования. Недостатком таких ампул является невозможность их применения для прессования тугоплавких керамических сверхтвердых и алмазоподобных материалов. Такие материалы имеют высокие прочностные характеристики и температуру плавления. Для получения соединения между частицами необходимо создать условия деформации и пластического течения поверхностных слоев в момент прохождения ударной волны. Однако вследствие высокого динамического предела текучести сверхтвердых и алмазоподобных материалов таких условий добиться невозможно без предварительного разогрева обрабатываемых порошковых образцов. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому объекту является способ и схема для обработки материалов с предварительным разогревом образца из сплава - и ампулы методом сопротивления Трудысовещания по обработке материалов взрывом / Под ред. Г.Е. Кузмина и др. - Новосибирск, 1982. - . 7071. Схема предназначена для сварки взрывом материалов Ст.3 и ВК в случае осесимметричного нагружения. Данный способ сварки взрывом порошковых металлокерамических материалов включает коаксиальную установку ампулы сохранения с образцом с расположением токоподводов с противоположных сторон последнего и заряда взрывчатого вещества, нагрев ампулы и образца методом сопротивления и инициирования заряда взрывчатого вещества. Ампула сохранения представляет собой стальную трубу, запечатанную с двух сторон токоподводящими стальными заглушками и отделенную от заряда взрывчатого вещества теплоизолирующим слоем из асбеста. К недостаткам этого способа схемы следует отнести невозможность нагрева образца выше температуры 1000 С, т.к. в этом случае возможно возгорание, заряда взрывчатого вещества, а также невозможность быстрого охлаждения образца из-за разогрева стальной трубы ампулы сохранения, которая является накопителем энергии и при взрывной обработке метастабильных композиций, например, таких как алмаз, приведет к графитизации. Задачей предлагаемого изобретения является получение универсальной установочной схемы для обработки различных классов труднопрессуемых неэлектропроводных керамических и алмазоподобных материалов при повышенных исходных температурах. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе ударно-волновой консолидации сверхтвердых порошковых материалов, включающем коаксиальную установку ампулы сохранения с образцом и заряда взрывчатого вещества, нагрев образца прямым пропусканием тока через него и инициирование заряда взрывчатого вещества, при этом образец готовят из сверхтвердых порошковых материалов и 5-50 электропроводящей углеродной составляющей. В качестве сверхтвердых порошковых материалов могут быть использованы алмазные порошковые материалы. В качестве сверхтвердых порошковых материалов могут быть использованы керамические неэлектропроводные композиции. Способ осуществляют по схеме ударно-волновой обработки сверхтвердых порошковых материалов при повышенных исходных температурах, представленной на фиг. 1. 2 11800 1 2009.04.30 Данная схема состоит из детонирующего шнура 1, заряда взрывчатого вещества 2 и ампулы сохранения. В свою очередь, ампула сохранения представляет собой закрытый с одной стороны металлический контейнер 3, являющийся одним из токоподводов. В нем размещен обрабатываемый образец 4, отделенный от контейнера электроизолирующим и теплоизолирующим слоем 5 для электрической развязки схемы нагрева. Для удержания образца 4 в контейнере в процессе обработки и после снятия нагружения он запечатывается заглушкой, через которую выводится второй токоподвод. Предлагаемая схема работает следующим образом. Ампулу сохранения с обрабатываемым образцом 4 отделенным от металлического контейнера 3 электроизолирующим и теплоизолирующим слоем 5 устанавливают в месте проведения взрывных работ на грунтовом основании (на фиг. 1 не показано). После подсоединения токоподводов к зажимам силовой электроустановки (на фиг. 1 не показано), формования заряда взрывчатого вещества 2 и подключения электродетонатора производят нагрев обрабатываемого образца 4 до необходимой технологической температуры. После проведения нагрева производят инициирование заряда взрывчатого вещества 2 с помощью детонирующего шнура 1. Возникающая детонационная волна вызывает ударную волну в металлическом контейнере 3 ампулы сохранения, которая и производит консолидацию обрабатываемого образца 4. Заглушка запечатывает открытый канал контейнера и не только удерживает, но и сохраняет обрабатываемый образец в обжатом контейнере в напряженном состоянии. За счет однонаправленности детонационных и ударных процессов в сторону грунтового основания случайного разлета составляющих частей схемы не происходит и ампула сохранения остается в месте подрыва. По предлагаемому способу проводили консолидацию ультрадисперсных алмазных порошков (УДА) детонационного синтеза с исходным размером частиц 45 нм. Порошки предварительно подготавливались, смешивались с конденсированным углеродом (КУ) детонационного синтеза в процентном соотношении УДА - 80 , КУ - 20 . Затем образец помещался в ампулу сохранения и уплотнялся до плотности 30 от теоретической. Электрическое сопротивление собранной ампулы сохранения составило 10 Ом. Вокруг ампулы сохранения формовался заряд взрывчатого вещества из тротил-гексогенной смеси ТГ 40. Инициирование заряда осуществлялось с помощью детонирующего шнура и электродетонатора ЭД-8. Перед инициированием производился нагрев образца до температуры 1600 С в течение 60 миллисекунд. Консолидированные образцы в виде дисков извлекались с помощью токарного станка. Относительная плотность образцов измерялась с помощью метода гидростатического взвешивания и составила 95 от теоретической. Наблюдаемое укрупнение алмазных зерен до 250 мкм доказывает эффективность процесса ударно-волновой консолидации и возможность получения монолитной структуры. Установлено, что размер частиц алмаза может быть увеличен под динамической нагрузкой 35 ГПа в течение нескольких десятков микросекунд. Предлагаемая схема ударно-волновой консолидации алмазных порошковых материалов позволяет осуществлять ударно-волновую обработку труднопрессуемых неэлектропроводных керамических и алмазоподобных материалов при исходных температурах до 2500 С при обеспечении безопасности взрывных работ и сохранении ампулы с образцом после релаксации ударных процессов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3