提要：通過對高溫高壓合成金剛石3種主要裝備在關(guān)鍵部件受力狀況與使用壽命、高壓腔體積與壓力利用率、高壓沖程大小與壓力穩(wěn)定性，高壓腔變形與溫場、壓場的關(guān)系等方面的比較，分析了3種主要裝備在技術(shù)難易程度、適用性選擇和投入產(chǎn)出比的差異；強(qiáng)調(diào)了我國金剛石行業(yè)要改變當(dāng)前只能生產(chǎn)中低檔金剛石的現(xiàn)狀，向生產(chǎn)高品級鋸片級金剛石的方向發(fā)展，與國際接軌，應(yīng)該走大型化兩面頂的道路?！　?br /> 　　關(guān)鍵詞：兩面頂壓機(jī)，六面頂壓機(jī)，凹模，合成金剛石
　　1.引言　　
　　當(dāng)前世界上使用高溫高壓技術(shù)合成金剛石的主要裝備有兩面頂、六面頂、凹模3種形式。國內(nèi)圍繞這3種裝備優(yōu)缺點(diǎn)的議論已持續(xù)了多年，從黃山會(huì)議到深圳會(huì)議、鄭州會(huì)議都反復(fù)研討過，會(huì)議的看法是基本一致的：即行業(yè)要從當(dāng)前只能生產(chǎn)中低檔金剛石的現(xiàn)狀向生產(chǎn)鋸片級金剛石的方向發(fā)展，與國際接軌，就必須走大型化兩面頂?shù)牡缆贰６啻螘?huì)議的呼吁對有關(guān)部門的決策發(fā)生了作用，促成了貴陽第六砂輪廠、深圳亞州金剛石廠、八達(dá)穩(wěn)德金剛石公司等先后引進(jìn)國外大型兩面頂裝備，同時(shí)也堅(jiān)定了我們使用國產(chǎn)兩面頂進(jìn)行研究和生產(chǎn)的信心。　
　　凹模，主要是前蘇聯(lián)研制和使用的裝備。隨著蘇聯(lián)的解體，國內(nèi)有不少單位去獨(dú)聯(lián)體考察，并有單位引進(jìn)了此類裝備，其情況已基本了解?！　?br /> 　　六面頂，由于噸位低、投入少、技術(shù)相對容易、見效快，適應(yīng)我國市場經(jīng)濟(jì)初級階段的國情，從數(shù)量上發(fā)展很快，為我國進(jìn)入人造金剛石工業(yè)生產(chǎn)大國作出了貢獻(xiàn)。但是六面頂裝備與國際大型兩面頂裝備相比，在技術(shù)水平、生產(chǎn)能力，產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益方面都有很大差距。我國每年生產(chǎn)的4～5億克拉金剛石，也就相當(dāng)于國際市場上3～4千萬克拉高檔金剛石的價(jià)值。不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上G.E與De Beers，就連韓國水平也不如，從技術(shù)水平與綜合經(jīng)濟(jì)效益來說，我國仍然是工業(yè)金剛石生產(chǎn)弱國?！　?br /> 　　隨著近十幾年來國際交流的加強(qiáng)，對國外金剛石研制、合成裝備及其發(fā)展情況的了解，逐步由朦朧走向清晰，它進(jìn)一步證實(shí)了幾次研討會(huì)指明的方向，大體上是正確的?？晌覈默F(xiàn)實(shí)情況卻沒有按指明的方向發(fā)展，國產(chǎn)兩面頂由于資金投入不夠，技術(shù)難度較大，只有獨(dú)家在支撐，引進(jìn)的兩面頂也未形成氣候。其原因主要是除了投入少，國內(nèi)配套能力差以外，技術(shù)上封閉，缺乏對兩面頂技術(shù)復(fù)雜性認(rèn)識，決策層的體制缺陷，也是重要原因之一。對這一問題，以往的研討會(huì)都未進(jìn)行過深入的探討。本文將著力對3種不同裝備的基本特性、技術(shù)難易程度、經(jīng)濟(jì)投入大小等方面進(jìn)行分析比較，以期明確我國合成金剛石裝備大型化的方向。
　　2.三種設(shè)備的特點(diǎn)
　　2.1　頂錘、壓缸的受力狀況與壽命　　
　　硬質(zhì)合金頂錘、壓缸是合成金剛石超高壓模具的關(guān)鍵部件，由于3種類型裝備的結(jié)構(gòu)不同，壓缸、頂錘的受力狀態(tài)也不會(huì)相同。硬質(zhì)合金的性能是抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低，因而設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)采取措施，使應(yīng)力在硬質(zhì)合金允許強(qiáng)度范圍之內(nèi)，以保證模具的使用壽命。鑒于不同裝備的高壓核心區(qū)結(jié)構(gòu)完全不同，三向應(yīng)力分布差異必然很大，從而導(dǎo)致了硬質(zhì)合金使用次數(shù)的不同?！　?br /> 　　由光彈和有限元力學(xué)研究結(jié)果表明，凹模的中心底部受拉、受壓應(yīng)力最大，但整個(gè)模具三向受力較為合理，硬質(zhì)合金的使用次數(shù)應(yīng)該較高。兩面頂頂錘受力狀態(tài)較好，壓缸承受三向應(yīng)力，最危險(xiǎn)的應(yīng)力是外徑處的軸向應(yīng)力和內(nèi)孔的切應(yīng)力，經(jīng)設(shè)計(jì)調(diào)整后可得到改善。壓缸的損壞是內(nèi)孔的低周疲勞破壞所致，使用次數(shù)應(yīng)在102～103之間。六面頂頂錘主要承受壓應(yīng)力，除通電頂錘壽命略低外，非通電頂錘壽命較高，使用次數(shù)在103～104之間。從我國目前生產(chǎn)萬克拉金剛石硬質(zhì)合金消耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)字看，與上面的分析相一致，使用次數(shù)由高到低的排列順序應(yīng)為凹模，六面頂、兩面頂。有資料表明國外大型兩面頂?shù)捻斿N壓缸壽命可達(dá)數(shù)千次，這是與模具設(shè)計(jì)、高壓腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬質(zhì)合金質(zhì)量、裝備的控制精度、工作人員的操作水平等綜合水平高有關(guān)。
　　2.2　高壓腔體積與壓力利用率　　
　　表1列出3種合成金剛石裝備的高壓腔體積和表面積之間的關(guān)系。
　　從表中可以看出，兩面頂具有最高當(dāng)量體積(即單位表面積圍成的體積)，其次為六面頂，最小為凹模。這表明合成金剛石時(shí)，作用于相同表面積的力需相等，但相同表面積圍成的高壓室體積卻不等。因此合成金剛石原料的裝料量，依兩面頂——六面頂——凹模的次序減少，因而同噸位不同類型的壓機(jī)，合成人造金剛石產(chǎn)量的大小相差很大?！　?br /> 　　此外，由于裝備結(jié)構(gòu)不同，壓力利用率也不同。兩面頂最高，約為65%～75%；凹模次之，約為30%～34%；六面頂最低。這意味著相同施壓面積，要達(dá)到同樣的合成壓力，所需壓機(jī)的噸位有很大差異?！　?br /> 　　由于兩面頂具有最高當(dāng)量體積和最高的壓力利用率兩大特點(diǎn)，因而在合成金剛石壓機(jī)噸位相同時(shí)，金剛石產(chǎn)量高出其余二種裝備的幾倍，這是兩面頂?shù)漠a(chǎn)量優(yōu)勢。
　　2.3　高壓沖程大小與壓力穩(wěn)定性　　
　　高壓腔的高壓是通過頂錘位移產(chǎn)生沖程形成的。沖程的大小不僅涉及產(chǎn)生高壓的難易，而且還涉及對高壓腔物質(zhì)充填量的誤差要求，以及合成過程中高壓腔壓力變化的靈敏度等多個(gè)方面，直接影響合成金剛石的壓力控制精度。表2列出了3種合成裝備的沖程當(dāng)量。高壓腔的充填量和壓力靈敏度的比較。
　　由表2可知，凹模沖程小，壓力調(diào)節(jié)余地不大。當(dāng)高壓腔物質(zhì)充填量稍多時(shí)會(huì)爆炸，稍少時(shí)壓力升不上去，因此對高壓室元件性能與尺寸要求十分嚴(yán)格。在合成過程中，由于石墨轉(zhuǎn)變成金剛石導(dǎo)致體積收縮時(shí)，頂錘移動(dòng)補(bǔ)充壓力損失的靈敏度也差。兩面頂沖程大于凹模。六面頂在這3種類型裝備中，對合成塊尺寸要求相對不嚴(yán)，它具有初壓時(shí)合成塊壓縮和擠流的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，壓力靈敏度高?！_程的大小，高壓腔物質(zhì)充填量的準(zhǔn)確度要求與壓力靈敏度構(gòu)成了高壓室的壓力重復(fù)性和金剛石合成過程中壓力補(bǔ)充靈敏度特性，對合成高擋鋸片級金剛石工藝致關(guān)重要。它的適用性排序?yàn)椋簝擅骓?mdash;—六面頂——凹模。2.4　高壓腔變形與溫度場、壓力場關(guān)系　　
　　當(dāng)頂錘擠壓高壓腔時(shí)，不同類型設(shè)備的高壓腔變形亦有較大差異。六面頂在合成時(shí)，六個(gè)頂錘同時(shí)向中心移動(dòng)，若頂錘同步稍有誤差，高壓腔變形就不一致，而且圓柱形芯棒被六面擠壓向方形轉(zhuǎn)變，變形不規(guī)則，這必然導(dǎo)致合成芯棒的溫度場變化，且各次合成之間的溫場不同。凹模對上下壓砧對中性要求高，若有偏差，高壓腔容易被擠壓成橢圓形。兩面頂合成時(shí)，由于有壓缸支撐，在頂錘加壓時(shí)，芯棒逐漸被墩粗，但變形十分規(guī)矩，因而溫場穩(wěn)定，重復(fù)性好，易于控制。從壓場來說，由于加壓方式、沖程大小及高壓腔變形程度的不同，使得六面頂?shù)膲簣鲎罹鶆?，凹模次之，兩面頂排在最后。但?dāng)兩面頂采取措施后，壓力梯度可以減少，特別是大型兩面頂，高壓腔容積很大，可使壓場有明顯改善。
　　3.不同類型裝備的適用性　　
　　上面對3種不同類型裝備的技術(shù)特點(diǎn)做了分析比較，可以看出是各具特色，此長彼短。綜合其各自的特點(diǎn)，不難分析它們的適用性。
　　3.1　凹模　　
　　它的高壓腔壓力穩(wěn)定性差，變形不規(guī)矩，重復(fù)性差。因而，凹模不適合生產(chǎn)需要長時(shí)間生長的高檔金剛石和金剛石大單晶，也不適生產(chǎn)形狀嚴(yán)格的PCD。但它結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，效率高，硬質(zhì)合金消耗低，適合生產(chǎn)低擋金剛石和金剛石微粉。
　　3.2　六面頂
　　其高壓腔被擠壓時(shí)變形不規(guī)矩，造成溫度場不穩(wěn)定，且壓機(jī)噸位產(chǎn)生的高壓腔當(dāng)量體積小，這一主要缺點(diǎn)致使該類裝備也不宜用來生產(chǎn)需要生長較長時(shí)間的高檔金剛石，亦不宜生產(chǎn)大單晶和形狀規(guī)則的PCD。但它操作簡便，壓力傳遞快，效率高，最適宜生產(chǎn)中，低擋金剛石和柱狀PCD。
　　3.3　兩面頂　　
　　由于高壓沖程適中，壓力穩(wěn)定性好，高壓腔變形規(guī)矩，使得溫度場與壓力場相對比較穩(wěn)定，特別是高壓腔體積大，適合需要長時(shí)間生長的大單晶，尤其適合生長雜質(zhì)含量低的高檔鋸片級金剛石、形狀規(guī)矩的片狀PCD和拉絲模等聚晶產(chǎn)品。但兩面頂超高壓模具設(shè)計(jì)較復(fù)雜，操作相對繁瑣，硬質(zhì)合金消耗高，不適宜生產(chǎn)周期短的低擋金剛石。正因?yàn)?種類型設(shè)備的適用性不同，目前獨(dú)聯(lián)體國家多采用凹模生產(chǎn)低擋金剛石；而六面頂適合中國國情與綜合國力，用以生產(chǎn)中，低擋金剛石，得到了很快的發(fā)展；而發(fā)達(dá)國家以其雄厚的實(shí)力、巨大的投入、解決了大型兩面頂裝備的關(guān)鍵技術(shù)——超高壓模具的技術(shù)難點(diǎn)，發(fā)揮兩面頂優(yōu)勢，生產(chǎn)高檔鋸片級金剛石，壟斷控制了世界市場。
　　4.三種類型裝備的技術(shù)難易程度與投資比較　　
　　從技術(shù)角度對10MN級3種類型裝備的比較，技術(shù)復(fù)雜程度依凹模——六面頂——兩面頂次序遞增。但依據(jù)目前國內(nèi)實(shí)際水平，對10～25MN級的裝備，不論是凹模、六面頂，還是兩面頂?shù)募夹g(shù)均已基本掌握。特別是25MN兩面頂超高壓模具的研制成功為國產(chǎn)兩面頂?shù)於嘶A(chǔ)。從設(shè)備大型化的技術(shù)難易程度看，60～100MN大型兩面頂裝備，盡管技術(shù)難度大，但國外已完全過關(guān)，它壟斷了高檔金剛石的生產(chǎn)，主導(dǎo)了超硬材料發(fā)展的潮流。凹模與六面頂大型化的技術(shù)難度同樣很大，目前尚沒有非常成功的實(shí)例。
　　表3列出了6×12MN六面頂壓機(jī)與25MN兩面頂壓機(jī)的投入與產(chǎn)出的比較。
　　5　結(jié)　　論 　　
　　綜合以上分析，我們認(rèn)為采用兩面頂生產(chǎn)中、高檔金剛石具有明顯的優(yōu)勢；25MN兩面頂裝備與合成技術(shù)適合現(xiàn)階段中國國情，產(chǎn)品質(zhì)量與投資效益均好，且利于與國際市場接軌；兩面頂是合成金剛石裝備大型化的方向，60MN兩面頂裝備與技術(shù)，應(yīng)該成為今后縮短與國際先進(jìn)水平差距，與國際接軌的主要裝備。
　　作者單位：姚裕成　胡光亞　佟學(xué)禮　人工晶體研究所。
　　參考文獻(xiàn)　　
　　1　姚裕成等.我國兩面頂合成金剛石發(fā)展淺析.人工晶體學(xué)報(bào)，1998，27 (3)：299　　
　　2　胡恩良.高壓高溫設(shè)備大型化的幾個(gè)問題的剖析.機(jī)械部通用所，1983.10　　
　　3　Bundy F P.Ultra-High Pressure Apparatus.Physics Reports (Review Section of Physics Letters),1988，167：133