中國超硬材料高壓設備的過去、現在與未來

作者：崔祥仁

       中國超硬材料整整走過了60多年的歷程，今天已經成為門類齊全、質量上乘、產量豐盈的世界級的生產大國。除了充分滿足國內市場需求，還為全球絕大多數國家提供了優質產品，為全球經濟技術發展作出了應有的貢獻。

       1、金剛石合成設備發展簡史

       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，創造性地在1963年獲得了我國自己研發的第一批金剛石！經過了近60年的發展，我們從從無到有、從小到大、從弱到強，已經可以覆蓋整個領域，有的還有特色，進入強國之列。但是我們也應認識到：有中尚缺、大不最強、強中有弱。

       1.1 金剛石合成設備的發展

       金剛石壓機設備是靜態高溫高壓的唯一基礎。不可爭議的是國產六面頂壓機的發展成就了中國和世界人造金剛石行業的發展。在中國進行金剛石等超硬材料研發中，合成設備進行過多種類型的探索，開始有兩面頂、四面頂、六面頂等。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到上世紀90年代初（當然有極少數人堅持到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量，更重要的是可以帶來質量提高，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構，鉸鏈結合。產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合成為一體。活塞沿x、y、x三軸運動，并向同一中心施加壓力。

       當合成腔體僅為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，但真正在國內推廣是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，實現了Ф（280～320）mm的“大壓機”，這是突破首次研發壓機后的新嘗試，這時合成腔體首次達Ф23mm，后來該型壓機穩定在了Ф（25～28）mm。這時單產可達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，優點：系統穩定性強，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，對模擬量的處理數量和速度較差；合成歷史儲存量有限。一些企業有意壓縮了單次產量。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，這是一種帶有計算機的系統，可檢驗我們的的設計跟蹤程序，也可以進行“記憶（儲存）”，可實現人工智能設計，提高金剛石產品產量和質量，Φ54mm腔體合成金剛石單產穩定地達到220～250克拉/塊，最高可達300～320克拉/塊以上，為了提高質量，一些企業有意壓縮了單次產量。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，應該說Ф850mm缸徑壓機已經開始走向成熟，全國已經生產1000臺以上（包括出口壓機）。新的大型壓機控制系統仍然是采用可編程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、穩定性更好。目前主要用于單晶大顆粒（10～≥20mm）、大型復合片（Ф（62～70～75）mm，甚至≥80～90mm）及靜態超高壓的試驗研究與應用（≥30～50萬大氣壓）。

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

       （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企業過多有關，中國在上世紀90年代曾有600家左右的金剛石企業（不包括制品企業），顯然這是不合理的。但越是大壓機，技術難度也越大，這樣很多企業無雄厚的技術支撐，不得不退出。而今真正有實力，有特色的金剛石生產企業僅十余家。

       2、超硬材料壓機狀態分析

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

       2.1 壓機總狀態

       （1）六面頂金剛石專用壓機繼續保持大型化發展的趨勢。

       （2）缸徑Ф500mm以上（這里指的是工作缸徑，下同）壓機總臺數已經達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，總的看來比較穩定。

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

       2.2 中國六面頂壓機的主要特點

       我國多年來發展了不同結構的六面頂結構，可分為缸梁組合結構（俗稱有缸壓機）及缸梁一體結構（俗稱無缸壓機）。在缸梁組合結構中，根據缸梁受力位置的不同，又形成法蘭支撐結構（通底結構）、底支撐結構（兜底結構）以及雙支撐結構。雙支撐結構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支撐形式的雙支撐。

       現代中國六面頂液壓機主要特點：

       （1）鉸鏈梁選用特殊材質的優質鋼材，經過電弧爐冶煉、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）壓機采用內置缸筒和缸底結構，鉸鏈梁與液壓缸筒采用過盈配合，缸筒、法蘭、鉸鏈梁應力分布均勻，承載能力更強。

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

       （4）多種超高壓供油方式，變頻調速補壓，密封元件優質，密封結構合理可靠，超高壓密封可靠穩定。

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

       無缸壓機特點：

       （1）結構簡單，維修少，容易保養。

       （2）目前從壓機的應力有限元計算設計及鋼材選型熔煉技術等過關，設計和技術支撐保證了壓機的正常運轉。

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

       （4）成本低，相當的壓機，如700mm有缸與760mm無缸，合成同樣腔體，無缸壓機價可節省（10～15）萬元。

       （5）目前已經進行合成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展，中國近200億克拉的金剛石及超硬材料的產能都是在中國自行制造的中國式六面頂壓機上生產的。

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

       （3）中國六面頂壓機技術發展前景廣闊，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用前景