新腔體的嘗試*
——大型壓機方腔體的實驗研究

楊 燁,方嘯虎,李 穎

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450007；3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

新腔體的嘗試*
——大型壓機方腔體的實驗研究

楊 燁1,2,方嘯虎2.3,李 穎2

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450007；3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

通過對腔體擴大過程中的新腔體——方腔體的設(shè)計、實驗并與傳統(tǒng)腔體進行比較，強調(diào)了方腔體的過渡弧設(shè)計，不僅避免了因腔體擴大導(dǎo)致的壓力提高、設(shè)備損害，而且大幅提升了設(shè)備的單次合成產(chǎn)出。

金剛石壓機；方腔體;過渡弧;合成壓力;單次產(chǎn)出

1 引言

近年來，雖然國內(nèi)超硬材料合成技術(shù)迅速發(fā)展，但國內(nèi)經(jīng)濟下行的壓力增大，尤其是房地產(chǎn)行業(yè)的調(diào)控政策收緊，使得人造金剛石單晶市場急劇惡化，市場競爭日益加劇，各金剛石生產(chǎn)企業(yè)為爭取市場份額和企業(yè)生存，不惜采用爭相降價的方式爭取客戶，這就給企業(yè)利益造成巨大損失，尤其是在合成設(shè)備大型化更替的關(guān)鍵時期。一方面，設(shè)備更新?lián)Q代投入巨大；另一方面，金剛石單晶價格繼續(xù)下行，進一步壓縮了生產(chǎn)企業(yè)的利潤空間，這直接關(guān)系企業(yè)的生存與發(fā)展。因此生產(chǎn)成本是金剛石生產(chǎn)企業(yè)能否在市場競爭中生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素。

如何發(fā)揮合成設(shè)備的合成潛能，在不降低金剛石品質(zhì)的前提下，提高單次合成的產(chǎn)出，降低合成成本，是現(xiàn)在每個人造金剛石合成企業(yè)所面臨的迫切需要解決的實際問題。本文通過新腔體的嘗試，在不增加現(xiàn)有設(shè)備合成壓力的前提下，通過改變腔體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了同等腔體單次產(chǎn)量提高15%以上的結(jié)果，為金剛石生產(chǎn)企業(yè)提供了一種新的合成思路。

2 方腔體的設(shè)計及合成

如何實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)一直是金剛石生產(chǎn)廠家和每個工程技術(shù)人員永恒的主題，合成腔體擴大[1]是降低合成成本的最有效、最直接的途徑。合成腔體擴大嘗試可以追溯到上世紀(jì)70年代，金剛石生產(chǎn)企業(yè)為實現(xiàn)單次產(chǎn)出的最大化，在小壓機上進行了腔體擴大的嘗試，并取得了較好的產(chǎn)出效果，尤其是進入21世紀(jì)以后，隨著金剛石市場競爭加劇，企業(yè)為追求市場占有率及生存發(fā)展的需要，為了在激烈的競爭中掌握主動權(quán)，在加大技術(shù)投入同時，通過腔體擴大，提高單次產(chǎn)量的方式，贏取了一定的市場競爭的主動，并且取得一定效果。

表1為傳統(tǒng)圓腔體不同缸徑設(shè)備、不同合成腔體的產(chǎn)出對比：

表1 不同缸徑壓機腔體擴大對比表

2.1 傳統(tǒng)圓腔體擴大弊端

現(xiàn)今人造金剛石合成普遍采用圓柱形腔體結(jié)構(gòu)[2]，其擴大腔體主要指在原有基礎(chǔ)上對合成柱直徑進行增加的過程。腔體擴大[3-5]分為兩種：(1)設(shè)備增大帶來的腔體擴大；(2)合成設(shè)備不變的情況下，增大合成柱直徑。第一種腔體擴大是設(shè)備更新?lián)Q代的必然結(jié)果。在不進行設(shè)備更新前提下的第二種腔體擴大才是設(shè)備挖潛能力的表現(xiàn)，所謂腔體擴大亦指第二種腔體擴大。

腔體擴大雖帶來產(chǎn)能的增加，但同時傳統(tǒng)腔體擴大也存在弊端：

(1)傳統(tǒng)合成腔體擴大帶來頂錘消耗增加。隨著合成腔體擴大，為保證合成安全性，合成塊尺寸必然擴大，從而帶來頂錘尺寸的增加，合成事故隨之增加。

(2)傳統(tǒng)合成腔體擴大帶來合成壓力提高，降低了設(shè)備的使用壽命。隨著合成腔體擴大，合成塊、頂錘尺寸增大，合成壓力必然提高，導(dǎo)致了合成設(shè)備在極限壓力或超負(fù)荷壓力下運轉(zhuǎn)，這大幅降低了合成設(shè)備的使用壽命，使斷梁、斷活塞幾率大幅增加，也帶來頂錘消耗的不可控提升。

(3)傳統(tǒng)合成腔體擴大導(dǎo)致保溫層變薄，金剛石品質(zhì)[6-7]降低。為了擴大合成腔體，部分廠家通過降低保溫層來提高內(nèi)部反應(yīng)腔體體積，此舉直接導(dǎo)致合成塊保溫性下降，反應(yīng)腔體內(nèi)部溫度梯度增大，金剛石生長速度雖提升，但品質(zhì)下降，同時浪費電能。

2.2 方腔體壓力分析

為了解決傳統(tǒng)圓腔體擴大帶來的上述弊端，同時充分發(fā)揮腔體擴大帶來的產(chǎn)能優(yōu)勢，并在腔體內(nèi)部創(chuàng)造出適合金剛石慢速生長的溫度場空間，在對現(xiàn)用圓腔體進行了分析對比的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了方腔體結(jié)構(gòu)。

首先、我們對壓縮后的合成塊進行分析，葉蠟石塊在受到壓力壓縮時，其部分葉蠟石流動方向如圖1所示：

圖1 葉蠟石塊受壓后的不同流動表示形式圖(a)葉蠟石立方體塊的流動形式圖；(b)俯視圖流動形式圖；(c)AA′剖面流動形式圖；(d)BB′剖面流動形式圖Fig.1 The pyrophyllite block flow after pressing

葉蠟石塊只有八個密封邊附近的葉蠟石參與流動，形成密封邊。在圓腔體中，葉蠟石塊靠近八個密封邊附近，葉蠟石層厚度比中間厚3倍以上，造成空間浪費，尤其采用保溫性能更優(yōu)異的紅葉蠟石塊，圓腔體設(shè)計的缺陷更為明顯；而方腔體能有效利用邊緣空間，擴大反應(yīng)腔體內(nèi)部有效空間，同時不影響密封安全性。如圖2：

圖2 方腔體A、方腔體B葉蠟石塊Fig.2 The pyrophyllite block A with cylindrical synthetic cavity and B with square synthetic cavity

其次、從圓腔體與方腔體在合成加壓的受力方面進行對比：在六面頂壓機上，將葉蠟石塊經(jīng)一定壓力加壓，除了方形容器因傳壓介質(zhì)密度不均造成的壓力損失外，其余在壓力范圍內(nèi)接近，對比結(jié)果可見方腔體對壓力傳遞更均勻，內(nèi)部形成的壓力場更穩(wěn)定，梯度更小，更有利于高品級金剛石生長。圖3為圓腔體、方腔體內(nèi)部壓力傳遞示意圖：

圖3 相同力矢量作用于圓腔體與方腔體內(nèi)部對比Fig.3 The difference between the same vector force acting on a cylinder and a cuboid

2.3 材料設(shè)計及實驗分析

在對圓腔體內(nèi)部受力及密封層流動[8]的分析基礎(chǔ)上，對同等腔體進行了方腔體的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計原則：(1)安全性不低于同等圓腔體；(2)合成產(chǎn)量高于同等圓腔體15%。

在方腔體設(shè)計時首先考慮合成安全性問題。影響方腔體合成安全性的因素主要有：方腔體圓弧過渡角度和合成柱高度。

方腔體圓弧過渡角度設(shè)計中進行了不同角度過渡的葉蠟石塊壓縮對合成柱變形的影響的實驗。

以Φ54mm腔體合成柱為例：圖4是不同圓弧過渡角度(R15、R13、R19)的方腔體合成柱，分別代表大圓弧過渡、適中圓弧過渡及小圓弧過渡。

圖4中A為適中圓弧過渡，其優(yōu)點：體積重量比同腔體圓柱重量增加20%，經(jīng)合成壓力壓縮后如圖4A：

圖4中B為小圓弧過渡，其特點：體積重量比同腔體圓柱重量增加達到25%以上；經(jīng)合成壓力壓縮后如圖4B：

圖4中C為大圓弧過渡，接近圓腔體，其優(yōu)點：安全性與圓腔體相同，體積重量比同腔體圓柱重量增加較小，產(chǎn)量增加不明顯。經(jīng)合成壓力壓縮后如圖4C：

從不同過渡弧合成柱合成壓縮后的實際效果圖(圖5)可以看出：合適的圓弧過渡，經(jīng)合成高壓后，合成柱變形適中，對合成密封安全性無明顯影響，同時合成柱有效合成體積增大15%～20%；當(dāng)方形合成柱邊緣過渡弧過小時(如圖5B)，經(jīng)合成高壓變形后，合成柱明顯向密封邊流動，影響其密封性能，造成合成事故；當(dāng)方形合成柱邊緣過渡弧過大時(如圖5C)，整體合成柱接近圓腔體，經(jīng)合成高壓后，合成柱更趨近于圓柱體，但有效合成體積增加不明顯。同樣以Φ54mm腔體合成柱為例，采用圖4A圓角過渡方式，

圖5 不同過渡弧合成柱壓縮后效果圖Fig.5 The diagram of synthetic columns with different transition arc after pressure

高度不變情況下，合成柱增加有效體積可達21.7%，單次合成在不增加設(shè)備壓力、不調(diào)整頂錘大小的情況下，可增加單次產(chǎn)量47克拉(按0.8轉(zhuǎn)化率計算)。

2.4 合成結(jié)果及分析

通過不同圓角過渡合成柱經(jīng)壓縮后形狀及葉蠟石塊的流動性分析對比，確定了圓角過渡直徑后。在2臺Φ760mm缸徑設(shè)備上進行了Φ54mm方腔體連續(xù)合成實驗。兩個月的實驗共合成1800塊，合成主粒度40/45,合成柱重334克，合成單次產(chǎn)量290克拉/塊，其合成結(jié)果如表2：

表2 方腔體中試結(jié)構(gòu)比例(%)

同期Φ54mm圓腔體合成結(jié)果如表3(主粒度同為40/45，正常生產(chǎn)兩機臺合成結(jié)果)，兩臺生產(chǎn)設(shè)備同樣合成1800塊，合成柱重量271克，合成單產(chǎn)：235克拉/塊。結(jié)構(gòu)比例如表3：

表3 正常圓腔體合成結(jié)構(gòu)比例(%)

3 方腔體的問題及解決方案

通過近兩個月的小規(guī)模合成中試，方腔體無論是合成單次產(chǎn)量和合成質(zhì)量均優(yōu)于同腔體的圓腔體，在合成的安全性方面，通過兩個月的小規(guī)模合成，其合成安全性與同腔體的圓腔體安全性相當(dāng)。方腔體長期合成安全性還需要更大規(guī)模、更長時間的合成驗證。

方腔體合成存在的主要問題：

(1) 合成輔助材料成型成品率偏低，包括葉蠟石塊、鎂杯等。由于沒有方形塊成型經(jīng)驗，造成輔助材料成型成品率低，并且不易成型。相信隨著材料成型技術(shù)的提高和加工經(jīng)驗的積累，成型成品率會逐步改善。

(2) 方腔體組裝效率低，組裝難度偏大。由于方形塊不能轉(zhuǎn)動，組裝難度相對圓腔體大，效率低。此問題需通過制作專門組裝模具解決。

4 總結(jié)

方腔體的實驗性合成，在通過兩臺設(shè)備長時間的試生產(chǎn)，并對合成現(xiàn)象及合成結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上，可以得到以下結(jié)論：

1、方腔體在不提高設(shè)備壓力及頂錘等輔助配件尺寸的條件下，可較大幅度提高合成的單次產(chǎn)量，為生產(chǎn)企業(yè)尋求一條在不犧牲設(shè)備使用壽命的前提下，可有效提高單次產(chǎn)出的路徑，使生產(chǎn)企業(yè)能在市場競爭中贏得先機。

2、方腔體通過對軸向四個棱角進行的合理圓弧過渡，不但解決了合成安全性的問題，同時經(jīng)合成驗證，四個棱角部位合成溫度均勻，金剛石生長品質(zhì)與其他部位基本相同，因此方腔體腔體內(nèi)部溫度場、壓力場分布更適合金剛石生長。

3、方腔體通過對棱柱過渡弧的合理設(shè)計，在頂錘不變，合成壓力不增加的前提下，并在確保合成安全性的基礎(chǔ)上，使單次合成產(chǎn)量提高15%～20%以上。

4、方腔體是一種很有發(fā)展前景的腔體擴大形式，隨著粉壓技術(shù)的提高，組裝模具的應(yīng)用，方腔體將會是腔體擴大的一種趨勢。

總之,方腔體作為一種腔體擴大的嘗試，其具有不犧牲合成設(shè)備使用壽命，不改變頂錘大小，不提高合成壓力等圓腔體擴大所無法比擬的優(yōu)勢。相信隨著合成技術(shù)、粉壓技術(shù)的提高，方腔體將會成為發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備合成潛力的有效方法。

[1] 方嘯虎.方腔體的研究與討論[J].超硬材料與工程,1996(3):21-24．

[2] 方嘯虎,鄧福明,鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2011:113-140．

[3] 李飛躍,李啟全.論大腔體合成金剛石技術(shù)中的幾個問題[J].礦業(yè)工程，2003(5):79-82．

[4] 謝有贊.金剛石理論與合成技術(shù)[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1993:157-244．

[5] 鄭日升,等.合成金剛石用材料的基本作用及選擇原則[J].珠寶科技,2002(3):32-34．

[6] 李穎,王秦生,等.高品級金剛石生長技術(shù)若干問題的研究[J].金剛石與模具磨料工程,1996(2):8-10．

[7] 王秦生,等.金剛石優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生長原理與工藝探討[J].金剛石與磨料磨具工程，2000(3):3-7．

[8] 亓曾篤.談?wù)勅~蠟石[J].工業(yè)金剛石，2001(3):13-16．

Newattemptoncavityexpansion─Experimentalresearchonlargesquarecavitydesign

YANG Ye1,2, FANG Xiao-Hu2.3, LI Ying2

(1.JingriDiamondIndustriesLtd.,Yanjiao065201; 2.HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China;3.ShanghaiCRGEMSSuperabrasivesCo.,Ltd.,Shanghai201108,China)

In this paper, the new square cavity was designed and experiment was carried out compared with the traditional cavity.The results show that according to the new cavity designing with transition arc,the pressure increase caused by the cavity expansion is avoid,the equipment damage is exempted and the yield of the diamond is increased obviously.

diamond press; quadrate cavity; transition arc; synthesis pressure; yield

2017-07-29

楊燁，(1973-)，男，高級工程師(河南工業(yè)大學(xué)在職研究生)，就職晶日金剛石工業(yè)公司技術(shù)中心，從事人造金剛石合成及產(chǎn)品研發(fā)。

楊燁,方嘯虎,李 穎.新腔體的嘗試[J].超硬材料工程，2017，29(5)：38-42.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0038-05