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(rùn)極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

新腔體的嘗試*
——大型壓機(jī)方腔體的實(shí)驗(yàn)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(rùn)極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

通過(guò)對(duì)腔體擴(kuò)大過(guò)程中的新腔體——方腔體的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)并與傳統(tǒng)腔體進(jìn)行比較，強(qiáng)調(diào)了方腔體的過(guò)渡弧設(shè)計(jì)，不僅避免了因腔體擴(kuò)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(jī)；方腔體;過(guò)渡弧;合成壓力;單次產(chǎn)出

1 引言

近年來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)超硬材料合成技術(shù)迅速發(fā)展，但國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)急劇惡化，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，各金剛石生產(chǎn)企業(yè)為爭(zhēng)取市場(chǎng)份額和企業(yè)生存，不惜采用爭(zhēng)相降價(jià)的方式爭(zhēng)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(shí)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(jià)格繼續(xù)下行，進(jìn)一步壓縮了生產(chǎn)企業(yè)的利潤(rùn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(gè)人造金剛石合成企業(yè)所面臨的迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題。本文通過(guò)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(guò)改變腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jì)及合成

如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)一直是金剛石生產(chǎn)廠家和每個(gè)工程技術(shù)人員永恒的主題，合成腔體擴(kuò)大[1]是降低合成成本的最有效、最直接的途徑。合成腔體擴(kuò)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(shí)現(xiàn)單次產(chǎn)出的最大化，在小壓機(jī)上進(jìn)行了腔體擴(kuò)大的嘗試，并取得了較好的產(chǎn)出效果，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著金剛石市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，企業(yè)為追求市場(chǎng)占有率及生存發(fā)展的需要，為了在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)權(quán)，在加大技術(shù)投入同時(shí)，通過(guò)腔體擴(kuò)大，提高單次產(chǎn)量的方式，贏取了一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)，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(duì)比：

表1 不同缸徑壓機(jī)腔體擴(kuò)大對(duì)比表

2.1 傳統(tǒng)圓腔體擴(kuò)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(kuò)大腔體主要指在原有基礎(chǔ)上對(duì)合成柱直徑進(jìn)行增加的過(guò)程。腔體擴(kuò)大[3-5]分為兩種：(1)設(shè)備增大帶來(lái)的腔體擴(kuò)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(kuò)大是設(shè)備更新?lián)Q代的必然結(jié)果。在不進(jìn)行設(shè)備更新前提下的第二種腔體擴(kuò)大才是設(shè)備挖潛能力的表現(xiàn)，所謂腔體擴(kuò)大亦指第二種腔體擴(kuò)大。

腔體擴(kuò)大雖帶來(lái)產(chǎn)能的增加，但同時(shí)傳統(tǒng)腔體擴(kuò)大也存在弊端：

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

(2)傳統(tǒng)合成腔體擴(kuò)大帶來(lái)合成壓力提高，降低了設(shè)備的使用壽命。隨著合成腔體擴(kuò)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(yùn)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(lái)頂錘消耗的不可控提升。

(3)傳統(tǒng)合成腔體擴(kuò)大導(dǎo)致保溫層變薄，金剛石品質(zhì)[6-7]降低。為了擴(kuò)大合成腔體，部分廠家通過(guò)降低保溫層來(lái)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(zhǎng)速度雖提升，但品質(zhì)下降，同時(shí)浪費(fèi)電能。

2.2 方腔體壓力分析

為了解決傳統(tǒng)圓腔體擴(kuò)大帶來(lái)的上述弊端，同時(shí)充分發(fā)揮腔體擴(kuò)大帶來(lái)的產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，并在腔體內(nèi)部創(chuàng)造出適合金剛石慢速生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)空間，在對(duì)現(xiàn)用圓腔體進(jìn)行了分析對(duì)比的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了方腔體結(jié)構(gòu)。

首先、我們對(duì)壓縮后的合成塊進(jìn)行分析，葉蠟石塊在受到壓力壓縮時(shí)，其部分葉蠟石流動(dòng)方向如圖1所示：

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

葉蠟石塊只有八個(gè)密封邊附近的葉蠟石參與流動(dòng)，形成密封邊。在圓腔體中，葉蠟石塊靠近八個(gè)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(fèi)，尤其采用保溫性能更優(yōu)異的紅葉蠟石塊，圓腔體設(shè)計(jì)的缺陷更為明顯；而方腔體能有效利用邊緣空間，擴(kuò)大反應(yīng)腔體內(nèi)部有效空間，同時(shí)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(jìn)行對(duì)比：在六面頂壓機(jī)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(duì)比結(jié)果可見(jiàn)方腔體對(duì)壓力傳遞更均勻，內(nèi)部形成的壓力場(chǎng)更穩(wěn)定，梯度更小，更有利于高品級(jí)金剛石生長(zhǎng)。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(duì)比Fig.3 The difference between the same vector force acting on a cylinder and a cuboid

2.3 材料設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

在對(duì)圓腔體內(nèi)部受力及密封層流動(dòng)[8]的分析基礎(chǔ)上，對(duì)同等腔體進(jìn)行了方腔體的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)首先考慮合成安全性問(wèn)題。影響方腔體合成安全性的因素主要有：方腔體圓弧過(guò)渡角度和合成柱高度。

方腔體圓弧過(guò)渡角度設(shè)計(jì)中進(jìn)行了不同角度過(guò)渡的葉蠟石塊壓縮對(duì)合成柱變形的影響的實(shí)驗(yàn)。

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

圖4中A為適中圓弧過(guò)渡，其優(yōu)點(diǎn)：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(guò)渡，其特點(diǎn)：體積重量比同腔體圓柱重量增加達(dá)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(guò)渡，接近圓腔體，其優(yōu)點(diǎn)：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(guò)渡弧合成柱合成壓縮后的實(shí)際效果圖(圖5)可以看出：合適的圓弧過(guò)渡，經(jīng)合成高壓后，合成柱變形適中，對(duì)合成密封安全性無(wú)明顯影響，同時(shí)合成柱有效合成體積增大15%～20%；當(dāng)方形合成柱邊緣過(guò)渡弧過(guò)小時(shí)(如圖5B)，經(jīng)合成高壓變形后，合成柱明顯向密封邊流動(dòng)，影響其密封性能，造成合成事故；當(dāng)方形合成柱邊緣過(guò)渡弧過(guò)大時(shí)(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(guò)渡方式，

圖5 不同過(guò)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(dá)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(jì)算)。

2.4 合成結(jié)果及分析

通過(guò)不同圓角過(guò)渡合成柱經(jīng)壓縮后形狀及葉蠟石塊的流動(dòng)性分析對(duì)比，確定了圓角過(guò)渡直徑后。在2臺(tái)Φ760mm缸徑設(shè)備上進(jìn)行了Φ54mm方腔體連續(xù)合成實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)月的實(shí)驗(yàn)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(jī)臺(tái)合成結(jié)果)，兩臺(tái)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(wèn)題及解決方案

通過(guò)近兩個(gè)月的小規(guī)模合成中試，方腔體無(wú)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(guò)兩個(gè)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(zhǎng)期合成安全性還需要更大規(guī)模、更長(zhǎng)時(shí)間的合成驗(yàn)證。

方腔體合成存在的主要問(wèn)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(méi)有方形塊成型經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)的積累，成型成品率會(huì)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(dòng)，組裝難度相對(duì)圓腔體大，效率低。此問(wèn)題需通過(guò)制作專門(mén)組裝模具解決。

4 總結(jié)

方腔體的實(shí)驗(yàn)性合成，在通過(guò)兩臺(tái)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的試生產(chǎn)，并對(duì)合成現(xiàn)象及合成結(jié)果進(jìn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得先機(jī)。

2、方腔體通過(guò)對(duì)軸向四個(gè)棱角進(jìn)行的合理圓弧過(guò)渡，不但解決了合成安全性的問(wèn)題，同時(shí)經(jīng)合成驗(yàn)證，四個(gè)棱角部位合成溫度均勻，金剛石生長(zhǎng)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(chǎng)、壓力場(chǎng)分布更適合金剛石生長(zhǎng)。

3、方腔體通過(guò)對(duì)棱柱過(guò)渡弧的合理設(shè)計(jì)，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(kuò)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(huì)是腔體擴(kuò)大的一種趨勢(shì)。

總之,方腔體作為一種腔體擴(kuò)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(kuò)大所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。相信隨著合成技術(shù)、粉壓技術(shù)的提高，方腔體將會(huì)成為發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備合成潛力的有效方法。

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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(jí)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