Апарат високого тиску

Изобретение относится к аппаратам высокого давления и температуры в частности к аппаратам, применяемым при синтезе алмаза и кубического нитрида бора. Известен аппарат высокого давления (аппарат) в виде двух наковален с углублениями, в которые помещается контейнер со сжимаемым образцом. Преимуществом аппарата является простота изготовления и применения. Недостатками аппарата являются большая сила пресса для привода аппарата в действие (отнесенная к единице объема полости аппарата) и довольно частые случаи разрушения уплотнения полости при нагружении аппарата. Свободным от этих недостатков является принятый нами за прототип аппарат согласно патенту Российской Федерации №2004382, представляющий собой две скобы, содержащие корпус и запрессованную в него вставку, обращенные зевами друг к другу и образующие при смыкании полость для помещения в нее контейнера с обрабатываемым материалом. Однако аппарат содержит бандажированные центральные цилиндрические вставки, скрепленные боковым давлением около 3Гпа, что представляет собой опасность для персонала в случае их разрушения. Задачей изобретения является повышение безопасности при использовании аппарата. Эта задача решается тем, что в аппарате в виде двух скоб, обращенных зевами друг к др угу, содержащих корпус и установленную в него цилиндрическую вставку и образующие при смыкании полость для помещения в нее контейнера со сжимаемым материалом, оси вставок направлены параллельно опорным поверхностям скоб и вставки сопрягаются с корпусом без натяга. Установка вставки в корпус без натяга не вызывает в ней напряжений. Поэтому, если под давлением она например, разрушится, то после снятия давления ввиду отсутствия натяга между вставкой и корпусом фрагменты вставки не будут разлетаться в стороны, как это случается со вставками, запрессованными в корпус с натягом. Выбранное направление оси вставки обеспечивает боковое скрепление наиболее нагруженной части ее при нагружении за счет давления сжимаемого материала на стенку полости (подробнее см. ниже). При снятии давления это скрепление также снимается. Т.е. выбранное направление оси вставки обеспечивает работоспособность аппарата при давлениях, превышающих предел текучести материала вставки при одноосном сжатии. На фиг.1 представлен осевой разрез аппарата высокого давления согласно данному изобретению; на фиг.2 - поперечный разрез аппарата, показанного на фиг.1; на фиг.3 представлено в увеличенном масштабе поперечное сечение полости давления аппарата; на фиг.4 - вставка аппарата; на фиг.5 - осевой разрез другого варианта вставки аппарата, представленного на фиг.1; на фиг.6 - поперечный разрез вариантов вставок, представленных на фиг.4; на фиг.7 - график эквивалентных напряжений во вставке аппарата при давлении в полости, равном 5,6ГПа. Как видно на фиг.1 и 2, аппарат состоит из двух одинаковых блок-матриц, каждая из которых включает корпус 1, сопряженный с ним по цилиндрической поверхности обтюратор 2, охватывающий две вставки 3 с цилиндрической наружной поверхностью. В сборе блок-матрицы образуют в центре полость, в которую установлен контейнер 4 с реакционной шихтой. Между вставками 3 установлена прокладка 5. При сборке взаимное направление блок-матриц осуществляется закрепленными на корпусе 1 электроизоляционными прокладками 6 и 7. В сборе вокруг контейнера 4 между смежными поверхностями вставок 3 имеются зазоры шириной h (фиг.3). Детали аппарата изготавливаются из следующи х материалов. Корпус 1 и обтюратор 2 - из легированной конструкционной стали высокой прочности (например 35ХГСА, закаленная на HRC 48 - 52), вставки 3 - из инструментальной стали (быстрорежущей или штамповой глубокой прокаливаемости), термообработанной на максимальную твердость, или из твердого сплава. Прокладки 5 - из стали твердостью несколько ниже твердости вставок 3. Прокладки 6 и 7 - из текстолита. Действуе т аппарат см. фиг.1 и 2 следующим образом. При сближении блок-матриц под действием силы пресса они давят на цилиндрические основания контейнера 4, вызывая в нем напряжения сжатия. При достижении предела текучести в материале контейнера он начинает деформироваться, оказывая давление на помещенную в него реакционную шихту. Одновременно часть материала контейнера экструдируется в зазоры между смежными поверхностями вставок 3 (см. фиг.3), образуя уплотнительный заусенец вокруг полости и одновременно скрепляя смежные поверхности вставок 3, принадлежащих разным блок-матрицам. Смежные поверхности вставок 3, принадлежащей одной блок-матрице, скрепляются посредством прокладки 5, давление на которую создается за счет встречных вращательных моментов, возникающих от давления тела контейнера на боковые стенки полости и от давления заусенца на примыкающие к этим стенкам боковые поверхности вставок. Глубина экструзии материала контейнера в зазоры зависит от давления в полости, физико-механических свойств материала контейнера и ширины h зазора. Материал контейнера и ширина h зазоров выбираются такими, чтобы материал контейнера проникал в зазор на такую глубину, на уровне которой напряжение сжатия во вставке не превышает предела прочности материала вставки при одноосном сжатии. Вдали от полости ширина зазоров может быть уменьшена (см. фиг.3). Это исключит выброс уплотнительного заусенца даже в случае применения для изготовления хрупкого материала или материала с неустойчивым значением коэффициента трения. При снижении силы пресса, сжимающей блок-матрицы, сначала начинает снижаться давление в полости, а затем в заусенце за счет обратной экструзии его в полость. При снижении силы пресса до нуля в заусенце сохраняется остаточное давление. Поэтому разъем блок-матриц осуществляется за счет силы обратного хода пресса. После разъема блок-матриц на поверхностях вставок 3 нет внешни х нагрузок. Поэтому обращение с аппаратом не представляет опасности. Кроме описанной формы вставок (фиг.4) вместо двух вставок может быть применена одна цельная вставка. Тогда отпадает необходимость в прокладке 5. Возможен также вариант аппарата, оснащенного тремя вставками, как это показано на фиг. 5 и 6. В этом случае упрощается форма контейнера (призма или цилиндр). Наиболее нагруженными деталями аппарата являются вставки 3. Опасным сечением вставки является радиальное сечение по оси (фиг.4). Так как эта часть вставки представляет собой часть кольца, то напряжения в нем можно определить по формулам Ляме. Растягивающие напряжения в тангенциальных направлениях, вызванные давлением содержимого полости на ее дно, т.е. на цилиндрическую часть поверхности, компенсируется сжимающими силами, вызванными вращающим моментом сил, возникающих на плоских вертикальных стенках полости, которые можно регулировать, изменяя высоту призматической части контейнера b. На фиг.7, кривой 1 представлены вычисленные указанным способом эквивалентные напряжения на различных радиусах кольцевой части вставки при b = 0,67a, а кривой 2 - те же напряжения при b - 0,89a. Так как эти напряжения не превышают 2ГПа, то учитывая, что прочность на сжатие инструментальных сталей, закаленных на максимальную твердость, достигает 3,2 - 3,5ГПа, не трудно прийти к выводу, что предлагаемый аппарат, изготовленный из стали, способен развивать не только давление 5,6Гпа, необходимое для синтеза высокопрочных кристаллов алмаза, но и более высокое, которое применяют, например, при спекании алмазных порошков в плотные блоки.