中國超硬材料高壓設(shè)備的過去、現(xiàn)在與未來

作者：崔祥仁

       中國超硬材料整整走過了60多年的歷程，今天已經(jīng)成為門類齊全、質(zhì)量上乘、產(chǎn)量豐盈的世界級的生產(chǎn)大國。除了充分滿足國內(nèi)市場需求，還為全球絕大多數(shù)國家提供了優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，為全球經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展作出了應(yīng)有的貢獻。

       1、金剛石合成設(shè)備發(fā)展簡史

       中國超硬材料確實是在極端困難的條件下進行研究工作的，創(chuàng)造性地在1963年獲得了我國自己研發(fā)的第一批金剛石！經(jīng)過了近60年的發(fā)展，我們從從無到有、從小到大、從弱到強，已經(jīng)可以覆蓋整個領(lǐng)域，有的還有特色，進入強國之列。但是我們也應(yīng)認識到：有中尚缺、大不最強、強中有弱。

       1.1 金剛石合成設(shè)備的發(fā)展

       金剛石壓機設(shè)備是靜態(tài)高溫高壓的唯一基礎(chǔ)。不可爭議的是國產(chǎn)六面頂壓機的發(fā)展成就了中國和世界人造金剛石行業(yè)的發(fā)展。在中國進行金剛石等超硬材料研發(fā)中，合成設(shè)備進行過多種類型的探索，開始有兩面頂、四面頂、六面頂?shù)?。但到了上世紀70年代初，四面頂首先被淘汰。但兩面頂、六面頂之爭一直延續(xù)到上世紀90年代初（當(dāng)然有極少數(shù)人堅持到21世紀初），后來具有中國特色的六面頂壓機挺立在了潮頭。

       由于早期在擴大腔體時，我們就認識到擴大腔體不僅僅是提高產(chǎn)量，更重要的是可以帶來質(zhì)量提高，所以壓機大型化是早期科研人員的愿想。

       中國特色的六面頂壓機研制階段：1965年開始，中國的六面頂是Ф230mm缸徑專用壓機，其主要特點是缸梁結(jié)構(gòu)，鉸鏈結(jié)合。產(chǎn)生超高壓的工作缸組件置于承受其軸向及徑向壓力的剛性架體即鉸鏈梁中，鉸鏈梁則通過12件銷子穿接使之相互結(jié)合成為一體?；钊豿、y、x三軸運動，并向同一中心施加壓力。

       當(dāng)合成腔體僅為Ф10mm的上世紀70年代初，筆者就開始研究擴大腔體的可能性，后來相繼有了Ф12mm，Ф（15～16）mm，Ф（18～20）mm等不同腔體出現(xiàn)，但真正在國內(nèi)推廣是Ф18mm腔體。這時金剛石強度由18N提高到了100～110N。

       在1976年左右，第一次突破“小壓機”之框，實現(xiàn)了Ф（280～320）mm的“大壓機”，這是突破首次研發(fā)壓機后的新嘗試，這時合成腔體首次達Ф23mm，后來該型壓機穩(wěn)定在了Ф（25～28）mm。這時單產(chǎn)可達10～15ct或以上，金剛石強度可達150～180N。

       壓機大型化的過渡階段：1990年開始了Ф（360～400～420～450～480）mm的各種壓機的“大壓機”，其實筆者從來沒有把它們稱為“大壓機”，只是壓機大型化進程中的一個階段而已。但隨著壓機的逐步擴大，一個壓機大型化的理念已經(jīng)形成。這時頂錘為Ф（90～103）mm，合成腔體也逐步達到Ф（30～40）mm左右，頂錘和成本大幅度下降開始占了先機。單次產(chǎn)量達標35～60ct，TI>70，TTI>50。

       壓機大型化的第一階段：Ф（500～560～600～650）mm，采用PLC加人機界面控制系統(tǒng)，優(yōu)點：系統(tǒng)穩(wěn)定性強，操作簡單，可靠性高、工藝可自動跟蹤；不足：由于PLC信號量受限制，對模擬量的處理數(shù)量和速度較差；合成歷史儲存量有限。一些企業(yè)有意壓縮了單次產(chǎn)量。主要粒度集中在30/45目，延時之后可合成3～7mm大單晶，且金剛石單晶TTI（熱沖擊韌性值）75%～90%左右，TI（冷沖擊韌性值）85%～93%以上，優(yōu)良品率達到50%左右，頂錘消耗低于0.5～1kg/萬克拉。這時中國超硬材料的整體水平已經(jīng)接近達到國際先進水平。

       壓機大型化的第二階段：Ф（700～750～800）mm，采用可編程PLC為主控件控制系統(tǒng)，這是一種帶有計算機的系統(tǒng)，可檢驗我們的的設(shè)計跟蹤程序，也可以進行“記憶（儲存）”，可實現(xiàn)人工智能設(shè)計，提高金剛石產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，Φ54mm腔體合成金剛石單產(chǎn)穩(wěn)定地達到220～250克拉/塊，最高可達300～320克拉/塊以上，為了提高質(zhì)量，一些企業(yè)有意壓縮了單次產(chǎn)量。主要粒度集中在30/45目，延時之后可合成（3～7～10）mm大單晶，且金剛石單晶TTI（熱沖擊韌性值）75%～90%左右，TI（冷沖擊韌性值）85%～93%以上，優(yōu)良品率達到50%以上，頂錘消耗低于0.3千克/萬克拉。這時中國超硬材料的整體水平已經(jīng)達到國際先進水平。

       壓機大型化的延展階段：2012年開始，Ф（850～1000～≥1000）mm，應(yīng)該說Ф850mm缸徑壓機已經(jīng)開始走向成熟，全國已經(jīng)生產(chǎn)1000臺以上（包括出口壓機）。新的大型壓機控制系統(tǒng)仍然是采用可編程PLC，但新型大壓機的原輔材料成本上升，所以控制精度要求更高、穩(wěn)定性更好。目前主要用于單晶大顆粒（10～≥20mm）、大型復(fù)合片（Ф（62～70～75）mm，甚至≥80～90mm）及靜態(tài)超高壓的試驗研究與應(yīng)用（≥30～50萬大氣壓）。

       1.2 出現(xiàn)許多不同缸徑壓機的原因

       從上面陳述的情況看，可能會問為什么有這么多不同的缸徑，其原因是：

       1）最主要原因是硬質(zhì)合金頂錘（壓砧），它在生產(chǎn)過程中為了適應(yīng)高壓狀態(tài)下工作，它的直徑越大制造難度越大，有個研制-開發(fā)-穩(wěn)定過程。開始中國只能生產(chǎn)直徑為Ф70mm的，以后才有Ф（75～80）mm，Ф（90～105）mm，Ф（122～160）mm，Ф（168～200）mm，≥Ф200mm。只有當(dāng)頂錘性能過關(guān)，壓機才能生產(chǎn)得更大；

       （2）實際上國外兩面頂也是逐步增大的，如QRD10-150，QRD250-300，QRD500-750，QRD-1000

（實際上也未大量使用）。盡管曾有報道試過3萬噸級的，但卻因種種原因無法進行工作。所以逐步完善是更為合理的；

       （3）筆者認為，中國的大型化的缸徑還是過多，這與中國中期金剛石生產(chǎn)企業(yè)過多有關(guān)，中國在上世紀90年代曾有600家左右的金剛石企業(yè)（不包括制品企業(yè)），顯然這是不合理的。但越是大壓機，技術(shù)難度也越大，這樣很多企業(yè)無雄厚的技術(shù)支撐，不得不退出。而今真正有實力，有特色的金剛石生產(chǎn)企業(yè)僅十余家。

       2、超硬材料壓機狀態(tài)分析

       中國的六面頂壓機是依據(jù)中國特定的歷史條件，獨立自主，自行研發(fā)并通過多年由經(jīng)驗積累和長期摸索而形成的技術(shù)體系。

       2.1 壓機總狀態(tài)

       （1）六面頂金剛石專用壓機繼續(xù)保持大型化發(fā)展的趨勢。

       （2）缸徑Ф500mm以上（這里指的是工作缸徑，下同）壓機總臺數(shù)已經(jīng)達7000臺以上。

       （3）Ф（500～560mm）%缸徑，已成為小型壓機，目前占壓機總量的15%左右；

       （4）Φ（600～750mm）缸徑已成為主要壓機，目前占壓機總量的40%～45%；

       （5）缸徑超過850mm，已有20臺以上，總的看來比較穩(wěn)定。

       （6）無缸壓機制作工藝開始成熟，總臺數(shù)已達千臺以上，占總臺數(shù)近20%。

       2.2 中國六面頂壓機的主要特點

       我國多年來發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)的六面頂結(jié)構(gòu)，可分為缸梁組合結(jié)構(gòu)（俗稱有缸壓機）及缸梁一體結(jié)構(gòu)（俗稱無缸壓機）。在缸梁組合結(jié)構(gòu)中，根據(jù)缸梁受力位置的不同，又形成法蘭支撐結(jié)構(gòu)（通底結(jié)構(gòu)）、底支撐結(jié)構(gòu)（兜底結(jié)構(gòu)）以及雙支撐結(jié)構(gòu)。雙支撐結(jié)構(gòu)可以是法蘭支撐與底支撐形式的雙支撐，也可以是底支撐及側(cè)支撐形式的雙支撐。

       現(xiàn)代中國六面頂液壓機主要特點：

       （1）鉸鏈梁選用特殊材質(zhì)的優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過電弧爐冶煉、爐外精煉等鑄造或鍛造工藝，確保鉸鏈梁具有高的機械性能和物理性能。

       （2）壓機采用內(nèi)置缸筒和缸底結(jié)構(gòu)，鉸鏈梁與液壓缸筒采用過盈配合，缸筒、法蘭、鉸鏈梁應(yīng)力分布均勻，承載能力更強。

       （3）受壓零件均采用有限元與應(yīng)力分析技術(shù)，應(yīng)力分布合理，安全系數(shù)高，使用壽命長。

       （4）多種超高壓供油方式，變頻調(diào)速補壓，密封元件優(yōu)質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)合理可靠，超高壓密封可靠穩(wěn)定。

       （5）電控系統(tǒng)自動化程度高，觸摸屏與按鈕操作，可實時顯示設(shè)備進行狀態(tài)。人機交互方便，操作簡便易學(xué)。

       無缸壓機特點：

       （1）結(jié)構(gòu)簡單，維修少，容易保養(yǎng)。

       （2）目前從壓機的應(yīng)力有限元計算設(shè)計及鋼材選型熔煉技術(shù)等過關(guān)，設(shè)計和技術(shù)支撐保證了壓機的正常運轉(zhuǎn)。

       （3）壓機常規(guī)使用壓強為（70～85）MPa，試驗性生產(chǎn)壓強使用已超過105MPa，與有缸壓機相當(dāng)。

       （4）成本低，相當(dāng)?shù)膲簷C，如700mm有缸與760mm無缸，合成同樣腔體，無缸壓機價可節(jié)?。?0～15）萬元。

       （5）目前已經(jīng)進行合成Φ45mm，Φ50mm，Φ55mm，Φ60mm，Φ62mm，Φ65mm，Φ70～75mm等腔體試驗，證明與有缸壓機無多大差別。

       3、結(jié)論

       （1）中國六面頂壓機已成為金全剛石合成的主力支撐著中國金剛石和超硬材料的發(fā)展，中國近200億克拉的金剛石及超硬材料的產(chǎn)能都是在中國自行制造的中國式六面頂壓機上生產(chǎn)的。

       （ 2）中國六面頂壓機技術(shù)簡單，在溫度及合成腔壓力、溫度及環(huán)境綜合控制上有較強的優(yōu)勢，能有較大的合成壓力可提高單次產(chǎn)量，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本，經(jīng)濟效益好。

       （3）中國六面頂壓機技術(shù)發(fā)展前景廣闊，隨著不斷的大型化和精密化，對大單晶、PDC，NPD以及其他材料的高溫高壓合成都有著良好的應(yīng)用前景