葉蠟石在合成金剛石中的流動規(guī)律研究及行為探析

王前進(jìn)　楊曉軍　唐　營　楊樂樂（河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南　許昌　461500）

葉蠟石在合成金剛石中的流動規(guī)律研究及行為探析

王前進(jìn)楊曉軍唐營楊樂樂
（河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南許昌461500）

本文通過探討研究葉蠟石在溫度和壓力作用下的流動規(guī)律，進(jìn)一步分析了葉蠟石在合成金剛石中的影響，詳細(xì)闡述了產(chǎn)生放炮和裂錘的根本原因。結(jié)果表明，白云石并不是一種性能良好的襯管材料；對于人造金剛石的合成，少量的水并不全是一件壞事；在合成金剛石中產(chǎn)生放炮和裂錘的根本原因是由于葉蠟石在較高溫度和壓力的作用下出現(xiàn)流動性不均勻所致；要想合成金剛石的穩(wěn)定性得到有效提高，則必須根據(jù)高壓模具的尺寸來進(jìn)行葉蠟石尺寸和腔體尺寸的設(shè)計，而以往流行的“小壓機(jī)、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區(qū)。

葉蠟石；合成金剛石；流動性規(guī)律及行為研究

在人造金剛石的合成中，葉蠟石是不可或缺的重要原材料之一，它不僅需要具備密封、絕熱、傳壓以及電絕緣等作用，同時，還必須為高壓腔體提供一個良好的金剛石生成空間。由于人工合成金剛石屬于一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因而人們一直在探索低成本、高質(zhì)量的金剛石合成工藝。而葉蠟石與金剛石的錘耗、產(chǎn)量以及質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，因此，不斷探究葉蠟石在合成金剛石中的流動規(guī)律及行為作用具有重要意義。

1　實驗與結(jié)果

1.1 實驗一：分別采用紅葉蠟石和白云石作為襯管材料，進(jìn)行片狀觸煤和Φ30mm腔體的金剛石合成工藝。與紅葉蠟石相比較，白云石的合成電流低200A左右，合成壓力低5.5MPa左右，其合成金剛石結(jié)果見表1。

1.2 實驗二：葉蠟石原料經(jīng)過對鄂式破碎機(jī)和輥機(jī)篩分、破碎，按照一定的比例加入重量百分比為6%的水玻璃，將其充分?jǐn)嚢杈鶆蛑?，分別壓制成實心塊和空心塊，然后嚴(yán)格按照階梯式焙燒合成工藝以待用，當(dāng)葉蠟石焙燒到200℃，并且保溫一段時間之后，葉蠟石中99.8%的層間水會被去除，當(dāng)溫度繼續(xù)升高至300℃～350℃時，葉蠟石基本上不會再失重。眾所周知，葉蠟石在超壓狀態(tài)下，會形成一個多棱體，具有12條棱邊，飛邊的長短與多棱邊的尺寸與超壓壓力和焙燒工藝有著直接的聯(lián)系。當(dāng)超壓壓力低于20MPa時，葉蠟石會發(fā)生不均勻變形，而且多棱體和多棱體飛幾乎不再具有強(qiáng)度，由此表明，多棱體與多棱體飛邊的密實度存在一定的差距；當(dāng)繼續(xù)超壓時，葉蠟石會逐漸進(jìn)入比較均勻的變形階段，多棱體與多棱體飛邊之間的連接越來越緊實，且兩者的強(qiáng)度會逐漸增大，由此表明，從多棱體內(nèi)部向多棱體飛邊流出了較多的葉蠟石；而當(dāng)超壓壓力達(dá)到50MPa時，多棱體與多棱體飛邊之間的連接強(qiáng)度會再次降低。

2　分析討論

以上是葉蠟石在壓力作用下的流動規(guī)律和金剛石合成結(jié)果，通過這些流動規(guī)律，可以以高壓模具的尺寸為依據(jù)對葉蠟石的尺寸進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。但是，這只是壓力作用下的一個方面，在人造金剛石的合成過程當(dāng)中，還必須考慮到溫度的作用，不然極易產(chǎn)生放炮或裂錘。通常情況下，我們所碰到的裂錘情況主要包括兩種情形，即非加熱頂錘裂和加熱頂錘裂。產(chǎn)生裂錘和放炮的根本原因是由于合成金剛石過程中所產(chǎn)生的高溫氣體侵蝕頂錘砧面和密封不住的結(jié)果。而要想有效解決這一問題，則必須從葉蠟石源頭做好，對合成塊產(chǎn)生氣體的來源進(jìn)行有效控制，具體可以下幾個方面進(jìn)行討論：（1）對葉蠟石的成分進(jìn)行合理控制。標(biāo)準(zhǔn)的葉蠟石主要是由酸性火山凝灰?guī)r經(jīng)過熱液蝕變而逐漸形成的，主要成分為5%的H2O、28.3% 的Al2O3和66.7%的SO2，通常含有較多的雜質(zhì)，與水呂石、高嶺石以及石英等礦物質(zhì)共生。葉蠟石原生礦經(jīng)過預(yù)處理之后，可以使其綜合性能得到進(jìn)一步優(yōu)化，降低產(chǎn)生裂錘和放炮的概率。（2）適當(dāng)增加葉蠟石的壁厚，保持適宜的堵頭大小。當(dāng)葉蠟石的壁厚增加到1mm時，能夠使四個黑點得到明顯改善，甚至是徹底消除；而保持適宜的堵頭大小，不僅可以消除其中的兩個黑點，同時對加熱頂錘具有很好的保護(hù)作用，可以使其不產(chǎn)生黑圈。根據(jù)葉蠟石的流動規(guī)律，可以對葉蠟石的尺寸進(jìn)行設(shè)計，從原則上來說，應(yīng)該在充分確保高壓腔密封性能的基礎(chǔ)上，盡可能設(shè)計出大尺寸的葉蠟石。確定了葉蠟石的尺寸之后，應(yīng)該在充分確保其壁厚的基礎(chǔ)上進(jìn)行腔體尺寸的確定，而稍微減小腔體的尺寸是增加葉蠟石壁厚的最佳方式，這樣不僅不可有效改善合成腔體內(nèi)部的壓力場和溫度場，同時能夠充分保證葉蠟石向多棱體飛邊流動的均勻性。因此，以往流行的“小壓機(jī)、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區(qū)。

結(jié)語

綜上所述，通過研究葉蠟石在合成金剛石的流動規(guī)律和分析其行為作用，然后與當(dāng)前金剛石合成工藝相結(jié)合，我們得出了以下幾點結(jié)論：第一，白云石并不是一種性能良好的襯管材料。第二，對于人造金剛石的合成，少量的水并不全是一件壞事。第三，在合成金剛石中產(chǎn)生放炮和裂錘的根本原因是由于葉蠟石在較高溫度和壓力的作用下，其流動性不均勻所致。第四，要想合成金剛石的穩(wěn)定性得到有效提高，則必須根據(jù)高壓模具的尺寸來進(jìn)行葉蠟石尺寸和腔體尺寸的設(shè)計，而以往流行的“小壓機(jī)、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區(qū)。

表1　不同內(nèi)襯材料合成金剛石結(jié)果比較

[1]郝兆印，賈攀，盧燦華.高溫高壓條件下葉蠟石的相變[J].金剛石與磨料磨具工程，2013，68（03）.

[2]楊炳飛，馮安生，岳鐵兵，劉杰.葉蠟石在高壓合成中作為密封傳壓介質(zhì)的應(yīng)用研究[J].礦產(chǎn)綜合利用，2013，41（01）.

[3]鄧福銘，陳為芳，趙國強(qiáng)，等.高溫高壓作用后葉蠟石腔體密度分布及流動規(guī)律探討[J].超硬材料工程，2012，66（01）.

TQ164

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王前進(jìn)（1984—），男，河南省焦作市，工作單位：河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，職務(wù)：材料研發(fā)，研究方向：葉蠟石。