压机大型化对金刚石品质提高的新认识①

杨烨,温简杰,李颖,方啸虎,

(1.河南工业大学,河南郑州 450007;2.晶日超硬材料有限公司,河北燕郊 065201; 3.上海昌润极锐超硬材料有限公司,上海 201108)

压机大型化对金刚石品质提高的新认识①

杨烨1,2,温简杰3,李颖1,方啸虎1,3

(1.河南工业大学,河南郑州 450007;2.晶日超硬材料有限公司,河北燕郊 065201; 3.上海昌润极锐超硬材料有限公司,上海 201108)

文章从材料、腔体设计、合成工艺、合成设备及环境因素等方面对压机大型化带来进一步扩大腔体进行了阐述,从不同方面的技术进步及改进,论述了大腔体对金刚石品质提高的新认识,这是保证高品质金刚石获得的必然结果。

合成材料;腔体设计;合成工艺;设备控制;高品质金刚石

1 前言

早在上世纪70年代,方啸虎先生在扩大腔体、由Φ10mm扩大到Φ15mm→Φ16mm→Φ18mm的试验过程中,就深深体会到扩大腔体不仅仅是提高了单腔产量,随之而来的最大好处是同时提高了产品质量。如在与长沙矿冶研究院的陈启武先生合作研制2#触媒时,原来在Φ10mm中合成,强度只有50N左右;而调整到Φ15～16mm腔体中合成,强度很快突破了100N,最好达到125N。这项试验深深地影响着他们俩始终把扩大腔体及六面顶压机大型化作为自己的终身奋斗目标,认为扩大腔体是产量、质量一举两得的幸事。近年来,随着国内石材加工、建筑、汽车、石油、煤炭等行业对金刚石需求的不断扩大,国内金刚石用量已经由原来25～30亿ct/年急增到50余亿ct/年,这进一步带动了超硬材料行业实现了跨越式发展。全国合成金刚石总量在2012年达到120余亿ct,六面顶压机合成金刚石技术在国际市场竞争中已处于绝对优势地位。

随着我国超硬材料行业快速发展,在已成为世界金刚石产量大国的同时,部分金刚石已能与强国相较,而立方氮化硼已经全面进入强国引领行列。在这一过程中,国内大部分金刚石生产企业为了降低合成成本、提高单次合成效率、增强金刚石市场竞争力,纷纷进一步开发Φ600mm以上大缸径六面顶压机来扩大其合成腔体。如国内的中南、黄河、华晶,还有晶日、昌润等一批大中型金刚石生产厂家都投入大量资金,加紧投入开发,实现其合成腔体的进一步扩大化。除主体压机为Φ650～750mm之外,近年还发展了一批Φ800～850mm的超大型压机,这批超大型压机也正在试验中。国内某企业在大型化过程中,进一步深化了压机大型化后对提高质量的重要性认识,本文就从不同方面阐述这问题。

当然,压机大型化扩大腔体,提高产品质量仅仅是一个因素。更多的原因是,扩大腔体可以进行腔体的重新设计,可以进行间接加热,可以微机化高精度控制合成工艺,粉末触媒工艺又促使组装实现高精度,进一步促使了工艺高精度设计,等等。按方啸虎先生的解释:超硬材料生产中应分为硬件和软件两大部分,这两部分相互促进,相互配合才有我们今天超硬材料的大好局面。

2 压机大型化带来腔体大型化

随着国内金刚石合成设备的更新,国内几家规模较大的生产厂家都先后引进了Φ600mm及其以上缸径的六面顶压机。同时伴随着大压机的投产,其合成腔体随之扩大,使单次合成的产量、品质得到提高。国内某金刚石生产厂家不同缸径压机合成腔体及产品结构、成本的对比,见表1。

表1 不同缸径压机合成腔体效果对比Table 1 Synthesis effects of different cylinder diameter in the press

表1充分说明:从单产、产品优质结构、单块成本(单克拉成本)、单块产值、利润率等多方面考察,压机大型化在目前的范围内是越大越好。Φ700mm缸径压机在各方面都占有绝对的优势。

3 金刚石合成品质提高的要素

随着腔体大型化,合成腔内温度及压力变化减小,从而为金刚石的生长提供了良好的环境,为金刚石品质的提高打下了良好的合成基础。

3.1 合成材料方面的提高

(1)合成用主材料触媒及高纯石墨得以改变

近年来,全国粉末触媒合成工艺得到快速发展,首先是触媒得以改变,由片成了粉;从成分来说以Fe基为主,大大降低了成本,还从根本上停止了Co的使用。

在片状触媒时石墨片还要适当用一点高电阻,石墨化程度太高也不行,没有电阻直接加热不发热,温度上不去,合成金刚石就是空谈,这样高品质也成为空谈;粉末石墨后,再加上间接加热,高纯、高石墨化,这一切都为高品质金刚石打下了良好的基础。

(2)制柱工艺得到很大的进展

随着大腔体的逐步普及,材料制作厂家开始针对大腔体的合成特点使用不同配方的合成柱,这不仅可以提高单次合成的产量,特别重要的是同时提高了产品品质,并且可根据用户在粒度、品质等方面的要求改变材料配方,达到高产高质的效果。

通过研究发现在金刚石生长时,金刚石外围是一层金属包覆膜,当包覆膜破裂时,熔融的触媒合金与金刚石之间的碳源通道即被破坏,这样就会导致金刚石停止生长或者局部停止生长,出现蚀陷。传统Fe-Ni30触媒在金刚石合成中的催化能力有限,溶碳能力低不能提供足够的碳源供金刚石生长需要。针对大腔体合成不同粒度的要求,材料制造厂家通过触媒改进,考虑触媒合金熔融时的张力以及其余金刚石之间的浸润性。通过综合性能对比最终开发出新型FeNiX合金触媒,完全满足了不同颗粒金刚石生长的动力需要,大幅提高了金刚石合成的粒度集中、大颗粒及品质。

以大颗粒单晶合成为例,随着合成材料技术的不断提高及大腔体的推广,使大颗粒单晶的合成变得相对容易。材料制造厂家通过对触媒合金粉末的探索和雾化技术的提高,优化系列参数,最终生产出可用的雾化触媒,并能够大批量稳定生产;使大颗粒金刚石20/30粒度比例大于55%,优晶率提高15%。转化率提高7%左右。

3.2 腔体的优化设计

随着大缸径压机的逐步普及,合成腔体的大型化逐渐被各个生产厂家重视,大腔体的腔体设计直接影响合成腔体内温度场、压力场的分布,从而进一步影响了金刚石的合成品质。

以Φ700mm缸径压机为例,为了充分利用大缸径压机的合成优势,在腔体设计中的主要遵循原则:

(1)合成压力在设备设计推力(即设备吨位)的90%左右。在腔体设计中为了保证设备能长期处于平稳工作,其使用压力一般在设计压力的85%～90%,比较利于发挥设备的使用性能,同时保证设备的使用寿命。

(2)腔体结构的设计原则:采用相对小的合成块、相对小的顶锤,使合成在相对稳定的环境中,慢速生长。

在Φ700mm缸径压机的腔体设计中正是遵循了上述原则,设计了54腔体的腔体机构,实现了在合成压力小于90MPa的情况下,稳定合成Φ54mm腔体,在实现转化率超过1∶1的情况下,金刚石的低磁比例及热稳定性均有所提高。

3.3 合成设备控制精度的提高和合成工艺设计的优化

这为大腔体金刚石合成品质的提高又提供了新的提升平台。

(1)合成设备控制精度的提高

在国内,随着金刚石市场竞争逐步加剧的背景下,金刚石合成设备逐步被金刚石生产厂家重视,随着各金刚石制造厂家根据自身的市场定位及生产需求,对金刚石合成设备的控制精度、性能要求、控制项目都提出更多、更精准的要求,为大腔体、高品质金刚石的合成控制,提供了技术保证,如表2所示。

表2 不同缸径、不同腔体设备控制精度对比Table 2 Comparison of control precision under different cylinder and cavity

另外,材料制作设备的控制精度也为大腔体合成高品质金刚石提供了保障,尤其是合成柱材料引入后期的高真空、高精度烧结工艺,使合成材料品质得到大幅提升。

(2)合成工艺的优化选择及两面顶合成工艺技术的转化,为大腔体高品质合成提供了工艺保证。

在合成工艺上,大腔体的合成工艺设计借鉴了两面顶合成工艺制定思路,围绕确保合成腔体内温度、压力场均匀的思想,提出了六面顶大腔体合成工艺的设计思路:

a.加热初期使合成柱充分预热,使触媒材料充分熔合,在一定压力条件下,使石墨充分融入溶媒中;

b.提供足够的融入时间,并且能使石墨进行重结晶,从而控制成核数量和金刚石粒度;

c.充分考虑成核时间和成核压力,控制金刚石晶核临界尺寸;

d.考虑不同颗粒金刚石生长特性,提高温度控制、压力控制的精度,控制生长速率、杂质含量;

e.考虑合成时间及腔内热量积累,保持腔体内温度平衡。

基于以上设计思路,终于摸索出一套适合于大腔体金刚石合成的生长工艺,使金刚石的生长速度由小腔体的0.4mg/h控制到现在的0.6～0.8mg/h,不但缩短了合成时间,提高了合成效率,提高了大腔体的合成品质。

3.4 腔体大型化后对合成人员及合成环境的理解和重视程度的提高

这也是促进大腔体合成品质提高的重要保证。

大缸径压机带来了合成腔体的大型化,使单次合成的产量大幅提高,但同时单次合成的直接材料成本也比小腔体增加,每次合成在当班合成总量所占比重比小腔体提高近一倍,每次合成的效果对合成总体效果影响加大,因此各金刚石生产厂家对大腔体的每次合成都非常重视,对合成人员的合成技能、操作技能提出了更高的要求,这也促使大腔体的合成技术水平的相对提高。

此外,在小腔体合成中不被重视的环境因素,在大腔体合成中也被重新认识。以环境温度及冷却水为例,在小腔体合成中合成环境温度在短时间合成中基本被忽略,但在大腔体长时间合成中,腔体内对外损失的温度直接影响了单次合成的效果,同时环境温度变化大时,直接导致每次合成顶锤散热量的不同,造成每次合成腔体内温度场的变化,影响了合成效果的稳定性。

大腔体带来了高单产、高品质的同时,对合成操作人员及工艺合成人员的要求也相应提高,各生产厂家也把对相应人员的技能培训提到更高的位置。以笔者所在公司为例,大腔体压机合成操作人员、工艺人员都经过严格的岗前培训、岗位考核及实际操作考核等严格的考核程序,这些都是大腔体合成品质提高的影响因素。

3.5 不同压机合成质量的对比

为了进一步说明产品质量问题,我们进行了不同压机和不同腔体的金刚石TI、TTI的对比:

小压机(Φ500mm缸径以下)合成人造金刚石TI、TTI值的对比,见表3。

表3 Φ500mm缸径金刚石TI、TTI值的对比表Table 3 Comparison of TI and TTI with 500mm cylinder diameter

Φ600mm缸径以上压机合成人造金刚石TI、TTI值的对比,见表4。

表4 Φ600mm缸径以上压机金刚石TI、TTI值的对比表Table 4 Comparison of TI and TTI with cylinder diameter above 600mm

通过对表3、表4的TI、TTI的检验对比可以明显看出,随着压机腔体的大型化,人造金刚石的合成品质在不断提高。

4 结束语

1)大缸径六面顶压机替代现有小压机,已在金刚石行业形成必然趋势,随着合成装备的更新,人造金刚石合成技术迅猛发展,尤其是人造金刚石应用技术创新和应用领域的拓展,人造金刚石等超硬材料大规模工业化生产时代已经到来。

2)从目前看,我国在高品质金刚石生产方面已经部分进入世界先进行列;而cBN已经进入引领世界先进水平行列;中、小复合片也逐步被国外接受,大复合片尚有一定差距,这正是我国同仁要努力赶超之处;

3)大压机、大腔体带来高品质金刚石,不仅是设备更新和市场需求的结果,更是各个生产厂家腔体设计及合成材料技术进步的结果。当然,我们也应该充分认识到扩大腔体必须压机大型化,大腔体给我们带来一系列可调整、试验的新空间,这是我们的必行之路!

参考文献:

[1]株洲硬质合金厂,湖南省超硬材料协会,硬质合金顶锤使用技术研讨会论文集[C].1995.

[2]方啸虎.我国六面顶压机大型化的优势及压机继续大型化的难点和对策[C].湖南超协年会论文集,1997.

[3]方啸虎.合成金刚石的研究与应用[M].北京:地质出版社, 1996.

[4]田宇,马红安,等.宝石级金刚石生长速率与晶体品质的关系[C].中国超硬材料新技术研讨会论文集,2004,12:37-39.

[5]羊建高.梯度结构硬质合金的制备原理及梯度形成机理研究[J].中南大学.2004.

[6]彭文,等.硬质合金六面顶大顶锤的质量控制[J].硬质合金, 2000.

[7]方啸虎,等.现代超硬材料与制品[M].杭州:浙江大学出版社, 2011.12.

新一轮金刚石找矿瞄准五大战略选区

近日通过专家论证的《全国金刚石找矿总体方案》显示,全国新一轮金刚石找矿工作将瞄准华北克拉通郯庐断裂带、鄂尔多斯古陆、太行山断裂带、扬子克拉通雪峰古陆、塔里木克拉通5个区域性战略选区,分四个层次推进。

我国金刚石矿多出露于与深大断裂有关的地带,分布在地台与地槽衔接处、地槽褶皱系中及地台内部。含金刚石的金伯利岩主要见于华北地台、扬子地台、塔里木地台,有金刚石储量的原生矿主要见于华北地台的沿郯庐断裂地区,有金刚石储量的砂矿主要见于华北地台的沿郯庐断裂地区、扬子地台的雪峰古陆地区。与国外相比,金刚石仍然是我国目前紧缺的矿产之一,总资源储量逐年减少,不少矿山资源枯竭,保证程度严重不足。我国保有金刚石矿物储量仅相当世界金刚石储量基础的0.1%,可供开发利用的矿产地不足。

为推动全国金刚石找矿,中国地质调查局提出由南京地质调查中心牵头,开展我国新一轮金刚石找矿总体方案编制,部署我国金刚石找矿的方法技术、找矿理论研究、远景调查和重点找矿突破工作。

《方案》提出,以金刚石成矿新理论、新认识为指导,借鉴国外金刚石勘查经验和技术方法,分层次开展郯庐断裂带、雪峰古陆为主体的全国金刚石战略调查,基本查清全国金刚石资源潜力;建立典型矿床成矿模型与找矿模型,丰富我国金刚石找矿的理论与方法技术;通过开展金刚石地质调查评价,查明我国金刚石重点成矿区(带)成矿地质背景、金刚石母岩赋存条件和找矿指示信息,为我国提供金刚石找矿靶区和矿产地。

《方案》全面系统收集、梳理、分析了全国几十年来金刚石找矿的成果和进展,总结了金刚石找矿方法技术,在综合分析、研究我国金刚石成矿地质条件和找矿潜力的基础上,提出了华北克拉通郯庐断裂带、鄂尔多斯古陆、太行山断裂带、扬子克拉通雪峰古陆、塔里木克拉通5个区域性战略选区。根据《方案》,全国金刚石找矿将分四个层次推进,一是选取工作程度相对较高、在已知金刚石矿及外围、有丰富的找矿信息、具有找矿前景的重点靶区,开展金刚石找矿调查评价或勘查示范工作,探寻金刚石矿产地。二是在以往工作程度相对较高、具金刚石出土或有丰富的指示矿物显示、具有找矿前景的重要远景区,有针对性地开展基础调查和矿产远景调查;提出金刚石找矿靶区。三是在工作程度相对较低,但有金刚石出土或有金刚石指示矿物发现的地区,开展资料二次开发和综合研究,划分找矿远景区,有针对性地开展金刚石找矿远景调查工作。四是开展金刚石找矿研究工作,包括金刚石找矿模型、成矿规律、区域编图和成矿预测和潜力评价。

《方案》指出,全国新一轮金刚石找矿工作,将开展全国性、区域性和重点勘查区战略选区研究,在辽宁瓦房店—登沙河、山东蒙阴—郯城、安徽宿州—江苏新沂、湘西—黔东—桂北等重点勘查区开展金刚石找矿远景调查,圈定金伯利岩、钾镁煌斑岩等岩管,指出有望突破的找矿靶区;在辽宁瓦房店,山东蒙阴西峪、郯城小埠岭,安徽宿州栏杆,江苏张集,湖南桃江筑金坝、贵州镇远—施秉—黄平,广西融安—泗顶等地区开展金刚石调查评价,力争取得找矿突破,提供金刚石矿产地。此外,还将选择典型金刚石矿,开展金刚石成矿模型和找矿方法研究,总结勘查理论和方法技术,提出最佳地、物、化、遥找矿方法组合,丰富我国金刚石找矿理论;开展郯庐断裂带、雪峰古陆等地区镁铁质、超镁铁质岩岩石学特征、形成时代以及与金刚石成矿关系、与断裂带分布关系等方面的研究,为探讨金刚石成矿规律、矿产预测提供支撑。 (中国国土资源报)

The new understanding of increasing the quality of diamond depend on large-size of cubic hinge apparatus

YANG Ye1,2,WEN Jian-jie3,LI Ying1,FANG Xiao-hu1,3
(1.Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China; 2.Jingri-Cumi Super-hard Material Co.,Ltd.,Yanjiao 065201,China; 3.Shanghai CR GEMS Superabrasives Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China)

Expanding the diamond synthesis cavity based on the large-size of the cubic hinge apparatus was discussed from the materials,cavity design,synthesis technology, synthesis equipment,and environment and so on.There were some new ideas from increasing the quality of diamond by means of expanding the synthesis cavity.It was pointed that expanding the synthesis cavity was the inevitable way to get high quality diamond.

synthesis materials;cavity design;synthesis technology;equipment control; high quality diamond

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0015-05

2014-02-18

杨烨(1973-),男,河北省望都县人,1998年7月毕业于包头钢铁学院金属材料及热处理专业,获工学学士学位,在读硕士。高级工

程师,十余年一直从事超硬材料技术及其合成工艺方面研发。