六面頂壓裝置

六面頂壓裝置是我國合成金剛石普遍采用的設備，其中絕大多數(shù)是鉸鏈 式六面頂。六面頂液壓機由主機、增壓器、液壓控制系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)和加熱 系統(tǒng)五部分組成。本文在PDC的高壓合成研究中采用的設備就是這種鉸鏈式六面 頂液壓機(見圖2-la) 。 壓機的高壓腔由六個硬質(zhì)合金頂錘組成(圖2-1b),
中間白色立方塊為合成塊，合成塊中的壓力由頂錘的擠壓產(chǎn)生，高溫由上下頂錘
引入的電流通過合成塊中的碳管發(fā)熱產(chǎn)生。






(a) 合成PDC 的設備-六面頂壓機 (b) 壓機的高壓腔

圖2-1 鉸鏈式六面頂液壓機

六面頂壓機超壓時，六個頂錘在六個液壓缸油壓的推動下從六個方向同時向 正立方體的葉蠟石塊施壓，使之發(fā)生塑性形變，在頂錘小斜邊處形成密封邊，在 葉蠟石腔體內(nèi)產(chǎn)生合成金剛石所需的壓條件。這種設備操作簡便，壓力傳遞 快，，不需要昂貴的硬質(zhì)合金壓缸，但高壓反應腔的體積較年輪模具兩面 頂裝置小，因而單次合成的金剛石產(chǎn)量較低。目前中國大陸擁有4000余臺六面頂
壓機，每年的金剛石產(chǎn)量約52億克拉，占總產(chǎn)量的85%以上[99。
本實驗采用的六面頂壓機六個頂錘位置如圖2-2所示。
六面頂裝置的設計與制造要求兩個相對的活塞的軸線重合為一直線，三對頂 錘形成的三根直線在空間應交于一點，這點稱為設備的結(jié)構中心。對設備制造來 說，要達到這種理想狀態(tài)是很困難的， 一般六個活塞的六根軸線在空間交織成一 個小球，小球的直徑愈小則設計與制造愈成功。裝在活塞端部的六個頂錘的軸線 在空間的交點稱匯力中心，同理這個交點也不是一個幾何點，它的大小取決于對 中性的調(diào)整。對中性的調(diào)整只是頂錘在合成起始狀態(tài)的定位，過程中的變化與設 備的同步性有關，這就是說結(jié)構中心完全是設備的屬性，與過程無關，而匯力中心 是與操作過程有關，設備工作時要努力實現(xiàn)兩個中心重合。此外，對于受壓物來說 還存在一個質(zhì)量中心。陳啟武教授認為160],一個理想的工作狀態(tài)要求設備的結(jié)構
中心、模具的匯力中心與受壓物的質(zhì)量中心做到三心合一。




圖2-2 六面頂裝置的六個頂錘位置示意
2.2 高壓腔設計與臨界體積的計算

2.2.1 高壓腔的設計

圖2-3是六面頂壓機用頂錘結(jié)構的示意圖，這里根據(jù)壓技術的基本原理
來討論本研究中采用的合成PDC的高壓腔體的結(jié)構尺寸。


圖2-3 六面頂壓機用頂錘結(jié)構示意圖

六面頂壓機的六個頂錘端面構成的空間稱高壓腔，a 為頂錘端面正方形邊
長，b 為小斜面寬度， a 為小斜面傾角。由圖2-3可知，只要確定a 、b 、α三個參 數(shù)，則高壓腔的尺寸就確定了，六個頂錘完全接觸形成的高壓腔占有的體積稱封


閉體積。
本實驗采用的是直徑500mm缸徑的六面頂壓機，其單缸設計噸位為2000噸。 根據(jù)文獻6報道，合成金剛石單晶時，如頂錘小斜面傾角a 取41.5°,頂錘正方形
端面邊長a與壓機設計噸位之間存在如下關系：
a×a×9.042 (GPa)= 設計壓力(ton)×95% (2-1)
由于合成PDC的壓力一般比合成金剛石單晶的要高10%左右，因此有：

a×a×9.042×1.1(GPa)= 設計壓力(ton)×95% (2-2)

對直徑500mm缸徑壓機，可求得合成PDC時的頂錘正方形端面邊長
a≈44mm 。 由a值的大小根據(jù)經(jīng)驗取頂錘小斜面寬b=13.5mm。
通過確定的硬質(zhì)合金頂錘的端面尺寸，由圖2-3可知：

C=a+2bcosa=44+2×13.5×cos41.5?=64.22mm

圖2-4 高壓腔結(jié)構示意圖
頂錘封閉時相對二面的距離Ec (見圖2-4)為：







正棱臺的體積為：
其中h 是棱臺高， 高壓區(qū)的體積Vb 為：


bsina
-2×13.5×sin41.5°
mm

(2-5)
S? 、S? 表示棱臺上、下底面的面積。則圖2-3所示頂錘

(2-6)



=26.50cm3

封閉體積Vc 等于由邊長為C 的立方體體積減去6Vb, 即：
Vc=C3-6Vb
=64.223-6×26495
=105887 mm3
=105.89 cm3

2.2.2 臨界體積的計算

不裝反應物的葉蠟石實心塊經(jīng)高壓作用后可以很容易去掉密封部分而得到
一個多棱柱體。圖2-5示出了其斷面形狀。


圖2-5 高壓形成的多棱柱體斷面
頂錘封閉時相應多棱柱體的體積Ve為：
Ve=a2Ec+2a2(Ec-a)=a2(3 Ec-2a) (2-8)
此多棱柱體積稱實心體積。根據(jù)我們實驗中選用的合成PDC的頂錘端面尺
寸可以由上式計算出其葉臘石的實心體積：
Ve=a2(3 Ec -2a)
=442(3×46.33-2×44)
=98.72cm3

設想如果取一系列不同尺寸的葉蠟石實心塊做壓縮試驗，取合成金剛石的壓 力作為試驗壓力，必然存在一個葉蠟石塊，邊長為Lk,體積為Vk=Lk3, 密度是po,


經(jīng)過壓縮后其壓縮體積正好等于封閉體積Vc, 我們稱這樣的葉蠟石塊為臨界葉 蠟石塊， Lk 稱臨界尺寸，Vg 稱臨界體積[60。
封閉體積是頂錘的屬性，由a 、b 與a 三個參數(shù)確定。臨界體積討論的對象 是葉蠟石，但它是相對封閉體積而言，它告訴我們當合成塊葉蠟石邊長達到臨界 尺寸時，其壓后的體積正好等于臨界體積。如果葉臘石邊長小于臨界尺寸，高壓
腔就建立不起所需要的壓力。所以合成用葉蠟石邊長大于臨界尺寸。
根據(jù)給定的頂錘參數(shù)，下面來計算葉蠟石塊的臨界體積Vk。
假設試驗中要用到的葉蠟石塊的初始密度為po,壓縮后實心體積的密度為 pi, 密封邊部分的平均密度為pz, 則由封閉體積 (Vc) 和實心體積 (Ve) 的定 義，根據(jù)葉蠟石塊在受壓前后重量保持恒定的道理，我們可以得出臨界體積Vk、
封閉體積Vc和實心體積Ve的關系：


Vk=[p?×Ve+p?×(Vc-Ve)]/p? (2-10)

因此，只要知道po、p?和pz, 對于給定參數(shù)的頂錘，可以很容易地求得其使 用的葉臘石塊的臨界體積Vk。
實際上， po、p?和p?可以通過對正常生產(chǎn)中采用的葉蠟石實心塊在壓前與壓 后(采用合成金剛石的壓力)的密度進行測量得到。
筆者分別對400mm缸徑和320mm缸徑壓機合成金剛石時采用的同一公司生
產(chǎn)的葉臘石實心塊在經(jīng)受合成壓力前后的密度進行過測量，結(jié)果見表2-1。

表2-1葉臘石實心塊在經(jīng)受合成壓力前后的密度

壓機缸徑 Po(g/cm p? (g/cm) p? (g/cm3
400mm 2.526 2.750 2.623
320mm 2.530 2.752 2.625
平均密度 2.528 2.751 2.624

從表2-1中數(shù)據(jù)可見，對于相同廠家生產(chǎn)的葉臘石塊，由于其所用葉臘石粉 料和生產(chǎn)工藝相同，塊的大小對其受壓前后密度的影響不大，因此，我們?nèi)y得 的po、p?和p?的平均值用于本實驗中葉臘石的臨界體積V,的計算：

Vk=[p?×Ve+p?×(Vc-Ve)]/po
=[2.751×98.72+2.624×(105.89-98.72)/2.528 =114.86cm3
由此得： Lk=VVk=48.61mm


2.3 合成塊邊長的確定
臨界體積Vk只是葉蠟石立方塊滿足的下限體積，實際工作中考慮到合 成的安全性和穩(wěn)定性，葉蠟石合成塊的體積V?大于Vk, 那么V?比Vx大多少 合適呢?筆者將在生產(chǎn)中曾經(jīng)使用過的幾種頂錘端面參數(shù)和所選用的葉蠟石合 成塊體積V?的數(shù)據(jù)列于表2-2,根據(jù)前述的公式求出的葉蠟石塊的臨界體積Vk、
臨界尺寸Lk以及具有體積Vo的葉蠟石塊的邊長L?也一并列入表2-2中。
表2-2 頂錘參數(shù)與臨界尺寸、合成塊邊長的關系

頂錘
參數(shù) a=23.5mm
b=10mm
a=41.5° a=27.5mm
b=11mm
a=41.5° a=32.5mm
b=12mm
a=41.5° a=36mm
b=13mm
α=41.5° a=46mm
b=14mm
a=41.5°
Ec 25.23mm 29.40mm 34.57mm 38.24mm 48.42mm
C 38.48mm 43.98mm 50.47mm 55.47mm 66.97mm
Vc 18.05cm3 28.22cm? 45.17cm3 60.94cm3 120.73 cm2
Ve 15.84cm3 25.11cm3 40.89cm3 55.37 cm3 112.70 cm3
Vc-Ve 2.21cm3 3.11 cm3 4.28cm3 5.57 cm3 8.03 cm3
Vk 19.53cm3 30.55cm3 48.93cm3 66.03 cm3 130.96 cm3
Lk 26.93mm 31.26mm 36.58mm 40.42 50.78mm
Vo 34.33cm3 50.65cm3 76.77cm3 100.54 cm3 195.11 cm
Lo 32.5mm 37mm 42.5mm 46.5 58mm
L?/Lk 1.207 1.184 1.162 1.150 1.142

根據(jù)表中不同頂錘端面正方形邊長的a值和其相應的Lo/Lk值可作出圖2-6。

頂錘正方形端面邊長 a(mm)

圖2-6頂錘正方形端面邊長a 值和相應的Lo/Lk值間的關系曲線


圖中平滑曲線為采用Origin7.0軟件擬合出的頂錘端面正方形邊長a值和相 應的Lo/Lk值間的關系曲線，擬合曲線的表達式為：

L/Lk=0.985exp(-a/9.05)+1.135 (2-11)

出圖2-6可見，合成腔體越大，頂錘端面正方形邊長越大，實際使用的葉蠟 石合成塊的邊長與具有臨界體積的葉蠟石塊的邊長就越接近。對于本實驗中選定 的頂錘端面參數(shù)a=44mm, 由式(2-11)可求出Lo/L?=1.142, 所以本實驗中合成PDC 采用的葉臘石立方塊邊長：


L?=Lk×1.142=48.61×1.142=55.5mm


V?=Lo3=170.95cm3

通過臨界體積來計算葉蠟石合成塊的邊長，不僅考慮了頂錘端面邊長，還 考慮了頂錘的小面寬度和角度以及所用葉蠟石的壓縮率等因素，應比通常僅根據(jù)
頂錘端面邊長來推算合成塊邊長的方法更準確合理、更接近實際使用的情況。
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