崔祥仁，方嘯虎, 邢 英

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司，河北 燕郊 065201； 2.上海昌潤(rùn)極銳超硬材料有限公司，上海 201108 )

中國(guó)超硬材料整整走過(guò)了60多年的歷程，今天已經(jīng)成為門(mén)類(lèi)齊全、質(zhì)量上乘、產(chǎn)量豐盈的世界級(jí)的生產(chǎn)大國(guó)。除了充分滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，還為全球絕大多數(shù)國(guó)家提供了優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，為全球經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1 金剛石合成設(shè)備發(fā)展簡(jiǎn)史

中國(guó)超硬材料確實(shí)是在極端困難的條件下進(jìn)行研究工作的，創(chuàng)造性地在1963年獲得了我國(guó)自己研發(fā)的第一批金剛石！經(jīng)過(guò)了近60年的發(fā)展，我們從無(wú)知到有知、從無(wú)到有、從小到大、從弱到強(qiáng)，已經(jīng)可以覆蓋整個(gè)領(lǐng)域，有的還有特色，進(jìn)入強(qiáng)國(guó)之列。但是我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到：知中無(wú)知、有中尚缺、大不最強(qiáng)、強(qiáng)中有弱。我們只有永遠(yuǎn)站立在零點(diǎn)的起跑線上，始終如一地看到登到頂峰尚有峰，一直不斷努力，才能永遠(yuǎn)前進(jìn)！

1.1 金剛石合成設(shè)備的發(fā)展

金剛石壓機(jī)設(shè)備是靜態(tài)高溫高壓的唯一基礎(chǔ)。不可爭(zhēng)議的是國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)的發(fā)展成就了中國(guó)和世界人造金剛石行業(yè)的發(fā)展。在中國(guó)進(jìn)行金剛石等超硬材料研發(fā)中，合成設(shè)備進(jìn)行過(guò)多種類(lèi)型的探索，開(kāi)始有兩面頂、四面頂、六面頂?shù)取５搅松鲜兰o(jì)70年代初，四面頂首先被淘汰。但兩面頂、六面頂之爭(zhēng)一直延續(xù)到上世紀(jì)90年代初(當(dāng)然有極少數(shù)人堅(jiān)持到21世紀(jì)初)，后來(lái)具有中國(guó)特色的六面頂壓機(jī)挺立在了潮頭。

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

中國(guó)特色的六面頂壓機(jī)研制階段：1965年開(kāi)始，中國(guó)的六面頂是Ф230mm缸徑專(zhuān)用壓機(jī)，其主要特點(diǎn)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(guò)12件銷(xiāo)子穿接使之相互結(jié)合成為一體?；钊豿、y、x三軸運(yùn)動(dòng)，并向同一中心施加壓力。

當(dāng)合成腔體僅為Ф10mm的上世紀(jì)70年代初，筆者就開(kāi)始研究擴(kuò)大腔體的可能性，后來(lái)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(guó)內(nèi)推廣是Ф18mm腔體。這時(shí)金剛石強(qiáng)度由18N提高到了100～110N。

在1976年左右，第一次突破“小壓機(jī)”之框，實(shí)現(xiàn)了Ф(280～320)mm的“大壓機(jī)”，這是突破首次研發(fā)壓機(jī)后的新嘗試，這時(shí)合成腔體首次達(dá)Ф23mm，后來(lái)該型壓機(jī)穩(wěn)定在了Ф(25～28)mm。這時(shí)單產(chǎn)可達(dá)10～15ct或以上，金剛石強(qiáng)度可達(dá)150～180N[1]。

壓機(jī)大型化的過(guò)渡階段：1990年開(kāi)始了Ф(360～400～420～450～480)mm的各種壓機(jī)的“大壓機(jī)”，其實(shí)筆者從來(lái)沒(méi)有把它們稱(chēng)為“大壓機(jī)”，只是壓機(jī)大型化進(jìn)程中的一個(gè)階段而已。但隨著壓機(jī)的逐步擴(kuò)大，一個(gè)壓機(jī)大型化的理念已經(jīng)形成。這時(shí)頂錘為Ф(90～103)mm，合成腔體也逐步達(dá)到Ф(30～40)mm左右，頂錘和成本大幅度下降開(kāi)始占了先機(jī)。單次產(chǎn)量達(dá)標(biāo)35～60ct，TI>70,TTI>50[2]。

壓機(jī)大型化的第一階段：Ф(500～560～600～650)mm，采用PLC加人機(jī)界面控制系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高、工藝可自動(dòng)跟蹤；不足：由于PLC信號(hào)量受限制，對(duì)模擬量的處理數(shù)量和速度較差；合成歷史儲(chǔ)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(shí)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(dá)到50%左右，頂錘消耗低于0.5～1kg/萬(wàn)克拉。這時(shí)中國(guó)超硬材料的整體水平已經(jīng)接近達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[3]。

壓機(jī)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(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，可檢驗(yàn)我們的的設(shè)計(jì)跟蹤程序，也可以進(jìn)行“記憶(儲(chǔ)存)”，可實(shí)現(xiàn)人工智能設(shè)計(jì)，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(dá)到220～250克拉/塊，最高可達(dá)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(shí)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(dá)到50%以上，頂錘消耗低于0.3千克/萬(wàn)克拉。這時(shí)中國(guó)超硬材料的整體水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

壓機(jī)大型化的延展階段：2012年開(kāi)始，Ф(850～1000～≥1000)mm，應(yīng)該說(shuō)Ф850mm缸徑壓機(jī)已經(jīng)開(kāi)始走向成熟，全國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)1000臺(tái)以上(包括出口壓機(jī))。新的大型壓機(jī)控制系統(tǒng)仍然是采用可編程PLC，但新型大壓機(jī)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(yàn)研究與應(yīng)用(≥30～50萬(wàn)大氣壓)。

1.2 出現(xiàn)許多不同缸徑壓機(jī)的原因

從上面陳述的情況看，可能會(huì)問(wèn)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(guò)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(gè)研制-開(kāi)發(fā)-穩(wěn)定過(guò)程。開(kāi)始中國(guó)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(guò)關(guān)，壓機(jī)才能生產(chǎn)得更大；

(2)實(shí)際上國(guó)外兩面頂也是逐步增大的，如QRD10-150，QRD250-300,QRD500-750,QRD-1000(實(shí)際上也未大量使用)。盡管曾有報(bào)道試過(guò)3萬(wàn)噸級(jí)的，但卻因種種原因無(wú)法進(jìn)行工作。所以逐步完善是更為合理的[4]；

(3)筆者認(rèn)為，中國(guó)的大型化的缸徑還是過(guò)多，這與中國(guó)中期金剛石生產(chǎn)企業(yè)過(guò)多有關(guān)，中國(guó)在上世紀(jì)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(jī)，技術(shù)難度也越大，這樣很多企業(yè)無(wú)雄厚的技術(shù)支撐，不得不退出。而今真正有實(shí)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(jī)狀態(tài)分析

中國(guó)的六面頂壓機(jī)是依據(jù)中國(guó)特定的歷史條件，獨(dú)立自主，自行研發(fā)并通過(guò)多年由經(jīng)驗(yàn)積累和長(zhǎng)期摸索而形成的技術(shù)體系。

2.1 壓機(jī)總狀態(tài)

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

(2)缸徑Ф500mm以上(這里指的是工作缸徑，下同)壓機(jī)總臺(tái)數(shù)已經(jīng)達(dá)7000臺(tái)以上。

(3)Ф(500～560mm)%缸徑， 已成為小型壓機(jī)，目前占?jí)簷C(jī)總量的15%左右；

(4)Φ(600～750mm)缸徑已成為主要壓機(jī)目前占?jí)簷C(jī)總量的40%～45%；

(5)缸徑超過(guò)850mm，已有20臺(tái)以上，總的看來(lái)比較穩(wěn)定。

(6)無(wú)缸壓機(jī)制作工藝開(kāi)始成熟，總臺(tái)數(shù)已達(dá)千臺(tái)以上，占總臺(tái)數(shù)近20%。

2.2 壓機(jī)大型化規(guī)律

基本情況如圖1所示。

圖1 壓機(jī)大型化態(tài)勢(shì)

表1 桂冶各型號(hào)壓機(jī)推向市場(chǎng)時(shí)間列表[6]

3.3 中國(guó)六面頂壓機(jī)的主要特點(diǎn)

我國(guó)多年來(lái)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(chēng)有缸壓機(jī))及缸梁一體結(jié)構(gòu)(俗稱(chēng)無(wú)缸壓機(jī))。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。

2.3.1 現(xiàn)代中國(guó)六面頂液壓機(jī)主要特點(diǎn)

(1)鉸鏈梁選用特殊材質(zhì)的優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過(guò)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(jī)械性能和物理性能。

(2)壓機(jī)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(guò)盈配合，缸筒、法蘭、鉸鏈梁應(yīng)力分布均勻，承載能力更強(qiáng)。

(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(zhǎng)。

(4)多種超高壓供油方式，變頻調(diào)速補(bǔ)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(dòng)化程度高，觸摸屏與按鈕操作，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)。人機(jī)交互方便，操作簡(jiǎn)便易學(xué)。

2.3.2 無(wú)缸壓機(jī)特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修少，容易保養(yǎng)。

(2)目前從壓機(jī)的應(yīng)力有限元計(jì)算設(shè)計(jì)及鋼材選型、熔煉技術(shù)等過(guò)關(guān)，設(shè)計(jì)和技術(shù)支撐保證了壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)壓機(jī)常規(guī)使用壓強(qiáng)為(70～85)MPa，試驗(yàn)性生產(chǎn)壓強(qiáng)使用已超過(guò)105MPa，與有缸壓機(jī)相當(dāng)。

(4)成本低，相當(dāng)?shù)膲簷C(jī)，如700mm有缸與760mm無(wú)缸，合成同樣腔體，無(wú)缸壓機(jī)價(jià)可節(jié)省(10～15)萬(wàn)元。

(5)目前已經(jīng)進(jìn)行合成Φ45mm，Φ50mm，Φ55mm，Φ60mm，Φ62mm，Φ65mm，Φ70～75mm等腔體試驗(yàn)，證明與有缸壓機(jī)無(wú)多大差別。

有缸壓機(jī)與無(wú)缸壓機(jī)對(duì)比圖，如圖2所示。

圖2 有缸壓機(jī)與無(wú)缸壓機(jī)對(duì)比

3 幾點(diǎn)結(jié)論

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

(2)中國(guó)六面頂壓機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)單，在溫度及合成腔壓力、溫度及環(huán)境綜合控制上有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(jì)效益好。

(3)中國(guó)六面頂壓機(jī)技術(shù)發(fā)展前景廣闊，隨著不斷的大型化和精密化，對(duì)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。