Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза
Рассматривается оптимизация геометрических параметров углубления матрицы аппарата высокого давления (АВД), предназначенной для спекания композиционных материалов на основе порошков сверхтвердых материалов. Методика расчета геометрии основана на принципе «золотого сечения». В результате оптимизации з...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2005
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70144 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза / В.Д. Грицук, В.Т. Сенють, С.А. Ковалева, С.В. Гладких // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 116-121. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860078586672709632 |
|---|---|
| author | Грицук, В.Д. Сенють, В.Т. Ковалева, С.А. Гладких, С.В. |
| author_facet | Грицук, В.Д. Сенють, В.Т. Ковалева, С.А. Гладких, С.В. |
| citation_txt | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза / В.Д. Грицук, В.Т. Сенють, С.А. Ковалева, С.В. Гладких // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 116-121. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Рассматривается оптимизация геометрических параметров углубления матрицы аппарата высокого давления (АВД), предназначенной для спекания композиционных материалов на основе порошков сверхтвердых материалов. Методика расчета геометрии основана на принципе «золотого сечения». В результате оптимизации значительно снижена разница давлений в центре и на периферии полости матрицы, а также по поверхности лунки. Это позволило улучшить структуру компактов на основе порошков нанодисперсных алмазов и за счет этого повысить их микротвердость по сравнению с образцами, спеченными на стандартной аппаратуре при одних и тех же режимах. Можно утверждать, что свойства компактов на основе наноалмазов наряду с режимами спекания определяются условиями холодного нагружения, зависящими от конфигурации матрицы АВД.
The optimization of geometrical parameters of the hollow of the die of high-pressure apparatus (HPA) for the sintering of composite materials based on superhard materials powders has been developed. Calculations are based on the golden-section principle. As a result, the difference in pressures in the center and at the periphery of the hollow is considerably reduced and а more uniform distribution of pressure on the hollow’s surface has been reached. Thus it is possible to improve the structure of the compacts based on nanodiamond and to increase their microhardness in comparison with the compacts obtained at the same pressure and temperature on the standard HPA. One can state that properties of the compacts based on nanodiamond alongside with the high-pressure sintering parameters are determined by initial loading conditions, which considerably depend of hollow’s profile.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:15:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
116
УДК 539.89:539.893
В.Д. Грицук, В.Т. Сенють, С.А. Ковалева, С.В. Гладких
ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПОЛОСТИ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ АВД «НАКОВАЛЬНЯ С УГЛУБЛЕНИЕМ»
ДЛЯ СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВ НАНОДИСПЕРСНОГО АЛМАЗА
Институт механики и надежности машин НАН Беларуси
ул. Академическая, 12, г. Минск, 220072, Республика Беларусь
Статья поступила в редакцию 10 марта 2004 года
Рассматривается оптимизация геометрических параметров углубления матрицы
аппарата высокого давления (АВД), предназначенной для спекания композиционных
материалов на основе порошков сверхтвердых материалов. Методика расчета
геометрии основана на принципе «золотого сечения». В результате оптимизации
значительно снижена разница давлений в центре и на периферии полости матри-
цы, а также по поверхности лунки. Это позволило улучшить структуру компак-
тов на основе порошков нанодисперсных алмазов и за счет этого повысить их
микротвердость по сравнению с образцами, спеченными на стандартной аппара-
туре при одних и тех же режимах. Можно утверждать, что свойства компактов
на основе наноалмазов наряду с режимами спекания определяются условиями хо-
лодного нагружения, зависящими от конфигурации матрицы АВД.
Геометрическая форма углубления матрицы АВД оказывает существен-
ное влияние на распределение давления в полости ячейки, на характер де-
формации контейнера, формирование запирающего заусенца и, как следст-
вие, на стойкость АВД.
На рис. 1 показаны эпюры распределения давлений, полученные по ре-
зультатам тензометрических напряжений. Как видим, полости имеют форму
конуса, сопряженного со сферой [1] в плоскости разъема блок-матриц (эпю-
ра 1). Характер распределения давления достаточно неоднороден. Наиболее
низкое значение зафиксировано по оси полости. По мере удаления от оси
давление растет и достигает максимума вблизи острых кромок (на расстоя-
нии 1−2.5 mm от кромки в зависимости от объема камеры). Разница в значе-
ниях величины давления в центре и на периферии достигает 1.5 kbar. Анало-
гичный характер имеет распределение давления и по поверхности лунки.
Для процесса спекания композиционных материалов неоднородность рас-
пределения давления в объеме реакционной ячейки (на рис. 1 d – диаметр
ячейки) − крайне негативное явление с точки зрения качества производимо-
го изделия. Разница между значениями давления в центре реакционного
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
117
объема и на его периферии опреде-
ляет значения градиента давления
∆P. Для процесса спекания сверх-
твердых режущих пластин идеаль-
но использование безградиентной
аппаратуры, что на практике явля-
ется весьма сложной задачей. По-
этому одним из возможных реше-
ний проблемы есть оптимизация
геометрических параметров углуб-
ления матрицы с целью обеспече-
ния более равномерного распреде-
ления давления в реакционном
объеме камеры.
Теоретически максимум давления должен находиться на границе рабоче-
го объема и запирающего заусенца, т.е. по острым кромкам. Однако факти-
чески он несколько сдвинут внутрь рабочего объема. Данный факт, по-
видимому, можно объяснить характером поведения материала контейнера в
процессе нагружения. В момент возникновения нагружающего усилия про-
исходит разрушение и измельчение материала по острым кромкам и приле-
гающей к ним небольшой области пространства. Это приводит к смещению
максимума давления внутрь полости камеры.
Квазигидростатический характер поведения материала контейнера под вы-
соким давлением, нагрев реакционного объема и фазовые превращения в лито-
графском камне усиливают градиент давления в полости высокого давления.
Перечисленные выше явления оказывают негативное влияние на процесс
формирования структуры и связанные с ней механические свойства компози-
ционных материалов, получаемых спеканием порошков на основе алмаза и ку-
бического нитрида бора (КНБ) в условиях высоких давлений и температур. На-
личие концентраторов напряжений приводит к пластической деформации ост-
рых кромок матрицы, возникновению трещин на ее рабочей поверхности и, как
следствие, к преждевременному разрушению. Кроме того, матрица подвержена
значительному кольцевому изгибу. Эпюра 2 характеризует распределение кон-
тактных давлений по опорной поверхности матрицы (в плоскости контакта
матрицы с опорной плитой). Максимум давления на опорном торце приходится
на границу основания матрицы, вследствие чего она испытывает одновременно
неравномерное сжатие по боковой поверхности и кольцевой изгиб. Градиент
давления по поверхности углубления еще более усиливает изгибающие напря-
жения. Разница между максимальными значениями давлений по опорному
торцу и рабочей поверхности матрицы в конечном счете определяет величину
данного изгиба. Чем меньше это значение, тем выше стойкость аппаратуры.
Снижение уровня кольцевого изгиба возможно за счет уменьшения концентра-
ции напряжений в окрестности острых кромок рабочей поверхности матрицы,
что достигается оптимизацией геометрии углубления.
Рис. 1. Распределение давления в полости
и по опорному торцу матрицы АВД
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
118
Разупрочнение материала в области острых кромок приводит к тому, что
при разгрузке АВД в этой области давление уменьшается быстрее, чем в ра-
бочем объеме. В результате значительно возрастает вероятность разгермети-
зации камеры с последующим выбросом материалов контейнера и продук-
тов синтеза, на поверхности матрицы появляются механические дефекты.
Таким образом, возникает необходимость оптимизации геометрических па-
раметров углубления матрицы с целью возможного снижения всего комплекса
неблагоприятных факторов. В качестве базовой была принята конструкция ка-
меры, углубление которой выполнено в виде двух сопряженных конических
поверхностей (сечение углубления обозначено линией 4 на рис. 1) с последова-
тельно уменьшающимся от периферии к центру углом конусности [2]. Обычно
при выборе геометрических параметров углубления матрицы АВД используют
эмпирические зависимости между диаметром и глубиной лунки, а объем каме-
ры рассчитывают, исходя из максимального усилия пресса. Предлагаемая ме-
тодика расчета геометрии лунки основывается на принципе так называемого
«золотого сечения». Как известно, «золотое сечение» – это пропорциональное
деление отрезка на части, при котором длина меньшего отрезка так относится к
длине большего, как длина большего ко всему отрезку. В основе расчетов гео-
метрических фигур «золотого» прямоугольника и «золотого» треугольника ле-
жат коэффициенты числовой последовательности Фибоначчи.
На рис. 2 форма сечения углубления матрицы АВД представлена как со-
четание прямоугольника C и двух одинаковых треугольников A и B. В «зо-
лотом» прямоугольнике отношение сторон определяется как:
d : h = 1.618.
«Золотой» треугольник – это равнобедренный треугольник с отношением
длины боковой стороны к длине основания, равным также 1.618, и углом при
вершине 36°. Таким образом, задавшись значением какого-либо одного парамет-
ра лунки, например глубины, можно легко просчитать все остальные размеры.
Эпюра 3 на рис. 1 характеризует
распределение давления в оптимизи-
рованной камере, при этом градиент
давления по сечению реакционного
объема ∆P1 << ∆P. Дополнительно
оценку эксплуатационных характе-
ристик камеры производили путем
сравнения структуры и физико-
механических свойств компактов на
основе порошков нанодисперсных
алмазов, спеченных при одинаковых
режимах с использованием стандарт-
ной и разработанной на основе при-
веденных расчетов камер высокого
давления.
Рис. 2. Форма сечения углубления мат-
рицы АВД
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
119
Известно, что уменьшение зернистости исходной шихты при прочих оди-
наковых условиях снижает коэффициент изостатичности (отношение боко-
вого давления к осевому) в ячейке высокого давления. Это снижение осо-
бенно значительно при использовании субмикронных порошков сверхтвер-
дых материалов. Например, схема нагружения, близкая к изостатичной, при
спекании микропорошков КНБ реализуется только на этапе изотермическо-
го высокотемпературного спекания [3]. С другой стороны, известно, что уп-
лотнение под высоким давлением и формирование структуры и свойств
компактов на основе нанодисперсных порошков алмаза особенно интенсив-
но протекают на начальном этапе спекания при наличии экстремума плотно-
сти компактов между 5-й и 15-й секундами спекания [4]. Поэтому создание
оптимальных условий на стадии холодного нагружения является актуальной
задачей при спекании нанодисперсных порошков алмаза.
Для спекания использовали нанопорошки алмазов детонационного синте-
за производства НПО «Синта» (г. Минск), очищенные от неалмазного угле-
рода и примесей. Порошки характеризуются размером кристаллитов 4−6 nm,
удельная площадь поверхности составляет 300 m2/g, количество несгорае-
мых примесей не превышает 1 mass%. Сам порошок находится в виде сла-
босвязанных агрегатов, размеры которых могут достигать нескольких мик-
рон. Из порошка без использования пластификатора прессовали цилиндри-
ческие заготовки диаметром 6 mm и высотой 5 mm. Плотность исходных
прессовок не превышала 1.4 g/cm3, что соответствует пористости порядка 60%.
Спекание образцов проводили по стандартной методике на прессовой ус-
тановке ДО-138 при давлении 4.2 GPa в стандартной камере типа «тороид» и
по изложенной выше методике расчетов. Температура спекания составила
1500°C, время спекания – 15 s. На полученных образцах проводили измере-
ния плотности методом гидростатического взвешивания в CCl4 и микро-
твердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор Виккерса 100 g.
Структуру поверхности образцов исследовали в контактном режиме на
атомно-силовом микроскопе (АСМ) НАНОТОП-206 (производства ОДО
«МикроТестМашины» г. Гомель). Использовали треугольные кантилеверы
NSC11 фирмы MikroMasch. На рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 осу-
ществляли рентгеноструктурный анализ в Cu Kα-излучении.
Было установлено, что структура и микротвердость образцов, спеченных
в разных камерах при одинаковых режимах спекания, различаются весьма
значительно. На рис. 3 приведены АСМ-изображения поверхности компактов.
Поверхность образца № 1 (рис. 3,а) имеет преимущественно мелкокри-
сталлическую структуру размером частиц до 300 nm, содержит отдельные
крупные частицы и поры с размером до 1100 nm. Структура поверхности
образца № 2 (рис. 3,б) крупнозернистая, размер частиц колеблется от 1200
до 2500 nm. По данным рентгеноструктурного анализа, размер областей ко-
герентного рассеяния (ОКР) образцов в обоих случаях составляет 5 nm, ко-
личество графита не превышает 5%.
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
120
а б
Рис. 3. Структуры поверхности компактов: а − образец № 1: A = 23.4 nm, Ra = 2.0,
Rq = 2.8; б − образец № 2: A = 453.1 nm, Ra = 53.2, Rq = 65.2
В результате измерения плотности и микротвердости установлено, что
образцы обладают одинаковой плотностью на уровне 2.6 g/cm3. При этом
микротвердость образца № 1 составляет 10 GPa, образца № 2 – 30 GPa. Раз-
личие микротвердости, на наш взгляд, обусловлено различием в структуре
компактов, которая формируется на этапе холодного нагружения и в на-
чальный период спекания, поскольку при длительной изотермической вы-
держке структура и свойства компактов на основе нанодисперсных алмазов
практически не меняются [5].
Таким образом, рассчитанная геометрия углубления матрицы АВД по-
зволяет добиться снижения градиента давления в ячейке, улучшить гидро-
статичность на начальном этапе нагружения и спекания. Это, в свою оче-
редь, позволяет при спекании порошков нанодисперсных алмазов получать
компакты с более совершенной структурой.
Количественной оценкой совершенства структуры может являться мик-
ротвердость компактов. При одинаковой плотности микротвердость повы-
шается с 10 до 30 GPa с увеличением размеров частиц, составляющих ком-
пакт, с 0.2−0.5 до 1.5−2.5 µm. Размеры ОКР при содержании графита в ком-
пактах зависят от давления и температуры спекания и не зависят от вида ис-
пользуемой аппаратуры. Это обстоятельство также говорит о том, что на
свойства компактов на основе нанодисперсных алмазов наряду с другими
факторами влияет их структура, которая закладывается на этапе холодного
нагружения материала.
1. А.И. Прихна, Ю.С. Масленко, Е.П. Мясников, Синтетические алмазы 6, 5, (1975).
2. Устройство для прессования сверхвысоким давлением, А.с. СССР № 674276.
3. Н.П. Беженарь, С.А. Божко, в сб.: Синтез, спекание и свойства сверхтвердых
материалов, ИСМ НАН Украины, Киев (2000), с. 112.
4. В.Б. Шипило, Е В. Звонарев, И.М. Старченко, В.Т. Сенють, в сб.: Воздействие
высоких давлений на вещество, ИПМ НАН Украины, Киев (1995), с. 38.
5. В.В. Даниленко, Синтез и спекание алмазов взрывом, Энергоатомиздат, Москва
(2003).
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
121
V.D. Gritsuk, V.T. Senyut, S.A. Kovaleva, S.V. Gladkikh
OPTIMIZATION OF GEOMETRICAL SHAPE OF THE HIGH-PRESSURE
CAVITY AT HIGH-PRESSURE APPARATUS OF THE HOLLOW ANVIL-
TYPE FOR THE SINTERING OF NANODISPERSE DIAMOND POWDERS
The optimization of geometrical parameters of the hollow of the die of high-pressure ap-
paratus (HPA) for the sintering of composite materials based on superhard materials
powders has been developed. Calculations are based on the golden-section principle. As a
result, the difference in pressures in the center and at the periphery of the hollow is con-
siderably reduced and а more uniform distribution of pressure on the hollow’s surface has
been reached. Thus it is possible to improve the structure of the compacts based on nano-
diamond and to increase their microhardness in comparison with the compacts obtained at
the same pressure and temperature on the standard HPA. One can state that properties of
the compacts based on nanodiamond alongside with the high-pressure sintering parame-
ters are determined by initial loading conditions, which considerably depend of hollow’s
profile.
Fig. 1. Distribution of pressure in the hollow and on the back of the die of HPA
Fig. 2. Cross-section of the cave of the die of HPA
Fig. 3. Structures of the compact’s surface: а − sample № 1: A = 23.4 nm, Ra = 2.0, Rq = 2.8;
б − sample № 2: A = 453.1 nm, Ra = 53.2, Rq = 65.2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70144 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:15:05Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Грицук, В.Д. Сенють, В.Т. Ковалева, С.А. Гладких, С.В. 2014-10-30T06:58:05Z 2014-10-30T06:58:05Z 2005 Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза / В.Д. Грицук, В.Т. Сенють, С.А. Ковалева, С.В. Гладких // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 116-121. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0868-5924 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70144 539.89:539.893 Рассматривается оптимизация геометрических параметров углубления матрицы аппарата высокого давления (АВД), предназначенной для спекания композиционных материалов на основе порошков сверхтвердых материалов. Методика расчета геометрии основана на принципе «золотого сечения». В результате оптимизации значительно снижена разница давлений в центре и на периферии полости матрицы, а также по поверхности лунки. Это позволило улучшить структуру компактов на основе порошков нанодисперсных алмазов и за счет этого повысить их микротвердость по сравнению с образцами, спеченными на стандартной аппаратуре при одних и тех же режимах. Можно утверждать, что свойства компактов на основе наноалмазов наряду с режимами спекания определяются условиями холодного нагружения, зависящими от конфигурации матрицы АВД. The optimization of geometrical parameters of the hollow of the die of high-pressure apparatus (HPA) for the sintering of composite materials based on superhard materials powders has been developed. Calculations are based on the golden-section principle. As a result, the difference in pressures in the center and at the periphery of the hollow is considerably reduced and а more uniform distribution of pressure on the hollow’s surface has been reached. Thus it is possible to improve the structure of the compacts based on nanodiamond and to increase their microhardness in comparison with the compacts obtained at the same pressure and temperature on the standard HPA. One can state that properties of the compacts based on nanodiamond alongside with the high-pressure sintering parameters are determined by initial loading conditions, which considerably depend of hollow’s profile. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза Оптимізація геометричної форми порожнини високого тиску АВТ «кувалда з заглибленням» для спікання порошків нанодисперсного алмазу Optimization of geometrical shape of the high-pressure cavity at highpressure apparatus of the hollow anvil-type for the sintering of nanodisperse diamond powders Article published earlier |
| spellingShingle | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза Грицук, В.Д. Сенють, В.Т. Ковалева, С.А. Гладких, С.В. |
| title | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| title_alt | Оптимізація геометричної форми порожнини високого тиску АВТ «кувалда з заглибленням» для спікання порошків нанодисперсного алмазу Optimization of geometrical shape of the high-pressure cavity at highpressure apparatus of the hollow anvil-type for the sintering of nanodisperse diamond powders |
| title_full | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| title_fullStr | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| title_full_unstemmed | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| title_short | Оптимизация геометрической формы полости высокого давления АВД «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| title_sort | оптимизация геометрической формы полости высокого давления авд «наковальня с углублением» для спекания порошков нанодисперсного алмаза |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70144 |
| work_keys_str_mv | AT gricukvd optimizaciâgeometričeskoiformypolostivysokogodavleniâavdnakovalʹnâsuglubleniemdlâspekaniâporoškovnanodispersnogoalmaza AT senûtʹvt optimizaciâgeometričeskoiformypolostivysokogodavleniâavdnakovalʹnâsuglubleniemdlâspekaniâporoškovnanodispersnogoalmaza AT kovalevasa optimizaciâgeometričeskoiformypolostivysokogodavleniâavdnakovalʹnâsuglubleniemdlâspekaniâporoškovnanodispersnogoalmaza AT gladkihsv optimizaciâgeometričeskoiformypolostivysokogodavleniâavdnakovalʹnâsuglubleniemdlâspekaniâporoškovnanodispersnogoalmaza AT gricukvd optimízacíâgeometričnoíformiporožninivisokogotiskuavtkuvaldazzagliblennâmdlâspíkannâporoškívnanodispersnogoalmazu AT senûtʹvt optimízacíâgeometričnoíformiporožninivisokogotiskuavtkuvaldazzagliblennâmdlâspíkannâporoškívnanodispersnogoalmazu AT kovalevasa optimízacíâgeometričnoíformiporožninivisokogotiskuavtkuvaldazzagliblennâmdlâspíkannâporoškívnanodispersnogoalmazu AT gladkihsv optimízacíâgeometričnoíformiporožninivisokogotiskuavtkuvaldazzagliblennâmdlâspíkannâporoškívnanodispersnogoalmazu AT gricukvd optimizationofgeometricalshapeofthehighpressurecavityathighpressureapparatusofthehollowanviltypeforthesinteringofnanodispersediamondpowders AT senûtʹvt optimizationofgeometricalshapeofthehighpressurecavityathighpressureapparatusofthehollowanviltypeforthesinteringofnanodispersediamondpowders AT kovalevasa optimizationofgeometricalshapeofthehighpressurecavityathighpressureapparatusofthehollowanviltypeforthesinteringofnanodispersediamondpowders AT gladkihsv optimizationofgeometricalshapeofthehighpressurecavityathighpressureapparatusofthehollowanviltypeforthesinteringofnanodispersediamondpowders |