人們早在十八世紀后期就確定了金剛石是由碳元素構(gòu)成的一種晶體,于是探索金剛石晶體生長技術(shù)奧秘的實驗研究相繼展開,經(jīng)過近百年的努力,20世紀50年代初,美國通用電氣公司在H.T.Hall創(chuàng)建的2.1×105MPa、2000°C以上高壓裝置上才使用人工制取金剛石的追求變?yōu)楝F(xiàn)實,從而開辟了金剛石生產(chǎn)和應(yīng)用的新紀元。因此,可以認為,人造金剛石的問世是超高壓高溫技術(shù)發(fā)展的重大成果。
超高壓高溫裝置從簡單的實驗室裝置發(fā)展到今日的具有高技術(shù)水平的生產(chǎn)規(guī)模的工業(yè)性裝置,經(jīng)歷了一個實踐、創(chuàng)新、再實踐、再創(chuàng)新的過程。日前,產(chǎn)生和維持4.0~6.0GPa壓力、2000°C以上高溫的裝置種類很多,但真正用于工業(yè)生產(chǎn)和具有代表性的有:西方國家的“Belt”型裝置、原蘇聯(lián)的雙面凹砧型裝置和中國的鉸鏈式六面砧型裝置,這些超高壓高溫裝置各具特點,都為各自國家超硬材料工業(yè)的形成、發(fā)展、壯大做出了重要的貢獻。
從長期實踐中可悟出下列若干認識:
?。?)共認——高壓腔體的大型化是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和獲取顯著經(jīng)濟效益的必由之路,這個問題可從表1所列數(shù)據(jù)中得到說明。
表1:金剛石某廠歷年來生產(chǎn)成本和價格
年份 | 合成腔體(cm3) | 產(chǎn)品成本(美元/克拉) | 價格(美元/克拉) |
1963 | 5 | 4.39 | 3.37 |
1968 | 5 | 0.74 | 3.15 |
1974 | 25 | 0.42 | 3.00 |
1979 | 25 | 0.33 | 1.79 |
1983 | 75 | 0.18 | 1.47 |
1987 | 150 | 0.14 | 1.37 |
1989 | 150 | 0.14 | 0.74 |
2000 | 750 | 0.08 | 0.50 |
由表1中可見,從1963~1983年的20年中,每克拉產(chǎn)品成本由最初的4.39美元降至0.18美元,近十年來,由于合成腔體擴大了一倍,產(chǎn)品成本又下降22%。
?。?)不斷提高金剛是質(zhì)量和粒度是超硬材料行業(yè)為之奮斗的重大目標,是行業(yè)發(fā)展的一個永恒課題,在實現(xiàn)這一目標的眾多因素中,高壓腔的大型化是關(guān)鍵性因素,這點從表2中所列數(shù)據(jù)可得到印證。
表2:合成腔體大小與產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量的關(guān)系
腔體直徑(mm) | 平均單產(chǎn)(克拉) | 40/45單產(chǎn)(克拉) | ≥40/45單產(chǎn)(克拉) | 250N>40/45單產(chǎn)(克拉) |
Ø16 | 2.1 | 0.48 | 0.80 | 0.2~0.3 |
Ø18 | 3.2 | 0.98 | 1.44 | 0.6~0.75 |
Ø20 | 4.0 | 1.50 | 1.80 | 1.15 |
Ø23 | 6.0 | 1.91 | 3.05 | 1.55 |
?。?)主要關(guān)鍵技術(shù)——超高壓模具大型化的主要技術(shù)難點是硬質(zhì)合金頂砧(和壓缸)的大型化。早在70年代初,我們就提出高壓腔的大型化問題,并設(shè)計制造出了6×35MN、6×50MN的鉸鏈式六面砧超高壓裝置,分別于1971年和1974年安裝在上海砂輪廠和鄭州磨料磨具磨削研究所,由于無法提供大直徑的硬質(zhì)合金頂砧使該裝置長時間未能投入運行,由此可見,沒有硬質(zhì)合金頂砧(壓缸)的大型化,就不可能有超高壓裝置的大型化。
?。?)我國合成金剛石中鋸片級金剛石的提取率月20%,而采用年輪式高壓模具合成的金剛石中鋸片級金剛石的提取率可達60%~70%,差距十分明顯。
?。?)以年輪式模具為核心的超高壓技術(shù)的最大優(yōu)勢是合成腔大,而且頂砧和壓缸難度較小。
鑒于上述原因,筆者認為,要使我國的超硬材料工業(yè)有個高水平的發(fā)展,增強國家市場競爭實力,使我們自己建立起來的超硬材料工業(yè)永遠立于不敗之地。今后,應(yīng)提倡優(yōu)先采用兩面砧超高壓裝置的發(fā)展道路,我們相信,只要全行業(yè)大力協(xié)同、知難而進,困難是可以被克服的。
幾年來,株洲硬質(zhì)合金廠試制的Ø105mm頂砧經(jīng)陜西咸陽202所在12000KN壓機上試用獲得成功,標志著硬質(zhì)合金頂砧向大型化又邁出了可喜的一步。據(jù)了解,株洲硬質(zhì)合金廠為了進一步解決頂砧(壓缸)大型化的質(zhì)量問題,花巨額資金從國外引進了先進的工藝設(shè)備,這一重大舉措也為我國超硬材料工業(yè)快速發(fā)展帶來了福音。