六面顶压机卸压气泡产生机理的探究

贾攀,刘乾坤,张凤莲,胡来运,吴定雨,王飞飞,丁建

(豫西集团中南钻石有限公司,河南南阳 473264)

六面顶压机卸压气泡产生机理的探究

贾攀,刘乾坤,张凤莲,胡来运,吴定雨,王飞飞,丁建

(豫西集团中南钻石有限公司,河南南阳 473264)

在合成金刚石的过程中,叶蜡石密封性能的降低会出现气泡,影响顶锤寿命,给企业带来较大的经济损失。笔者根据实际生产情况,建立叶蜡石密封边流变性与六面顶顶锤结构之间的模型,并提出因顶锤模型设计的原因,叶蜡石密封边两端的相对压缩密度比中间小,造成密封边两端密封性能较弱,这就是气泡常在密封边两端产生的重要原因之一。

叶蜡石;金刚石;密封性;六面顶压机

1 前言

我国使用六面顶压机合成金刚石。叶蜡石由于其层状结构,具有较低的硬度,低的内摩擦系数,和良好的回弹性,抗剪切强度随压缩应力的增加而增大的特性。在实际生产中,叶蜡石密封性能的降低会在卸载过程中出现气泡。气泡的出现对顶锤具有一定伤害。卸载压力越高,这种伤害越大,裂锤几率越大。由于硬质合金顶锤成本较高,这种损耗将使企业承受巨大损失。本文建立叶蜡石流变性与顶锤结构之间的模型,探究气泡产生的原因,以期为技术人员提供一些参考。

2 理论模型

合成金刚石时,叶蜡石高压块与顶锤关系如图1所示。其中c是顶锤小斜边的长度,θ是顶锤小斜边与锤面平面的夹角,线段BCD是密封边与叶蜡石高压块的边界,FBCDG围成的区域是密封边被压缩区域,该区域面积为S。

图1 密封边与顶锤几何关系图Fig.1 Geometric diagram of sealing edge and anvil

根据几何分析,其中

图2为高压块密封边示意图。为了更好地研究其密封性,标记密封边中间为M,边缘处为N。

图2 高压块密封边示意图Fig.2 The diagram of sealing edge of the high pressure block

合成过程中,密封边一端与约5.4GPa压力相连,另一端与常压相连,靠小斜边内叶蜡石抗剪切强度密封,借鉴岩石力学,叶蜡石的抗剪切强度为[1]

τ=σ·tgφ+Σ+C

法向应力为σ,内摩擦角为ψ,不可逆凝聚力为C。本文所有数据均在本公司缸径Φ650mm压机上测得。

3 模型讨论

3.1 密封边的密封性与相对压缩密度

叶蜡石(∑+C)数量级为3～4MPa,抗剪切强度与内摩擦角关系十分重要[2]。此外,抗剪切强度还与法向正压力有关。合成金刚石时,当压力达到水玻璃与叶蜡石的粘结强度,楔缝内的叶蜡石被挤碎成疏松粉体,发生叶蜡石粉体自由流动,受压叶蜡石也被压碎向四周流动挤入楔缝内,随着压力的升高而开始发生塑性流变。塑性流变发生在20至30MPa[3]之间,之后楔形密封边内的叶蜡石质量不再增加。假设30MPa时塑性流变结束,密封边内的叶蜡石因抗剪切强度等于摩擦力而不再发生流动,此时密封边的密度为ρ1,之后密封边被顶锤小斜边挤压,密度逐渐增加,保压时密封边密度为ρ2。定义相对压缩密度ρ,表示保压时与塑性流变结束时密封边密度的比值,为ρ=ρ2/ρ1。随着油压的增加,相对压缩密度ρ逐渐增大,法向应力σ变大,密封边抗剪切强度τ增加,密封性能变强。

保压结束时(油压约105MPa),密封边中间M处与边缘N处各参数如表1所示。

表1 密封边M与N处参数对比Table 1 The parameters contrast of the sealing edge at point M and N

由于顶锤模型的设计原因,M处和N处斜边长度与夹角有很大的差别,导致相对压缩密度ρ相差较大。密封边M处与N处相对压缩密度分别是1.25和1.06。密封边M处相对压缩密度比N处高出约20%,可以推测,密封边M处叶蜡石所受正压力也比N处大。当内摩擦角ψ相同时,密封边M处的抗剪切强度τ要比N处大,其密封性能高于N处,这也就是实际生产中,气泡往往从N处产生的原因。

3.2 行程对密封边密封能力的影响

实际生产中,对设备的行程要求较高。如图1所示,行程主要影响a与b的长度。右顶锤行程大,则a的长度变长,反之亦然。以N处为例,行程与相对压缩密度的关系如表2所示。

表2 行程与相对压缩密度关系Table 2 The relationship between the working stroke and relative compression density

由表2可以看出,随着a长度的变长,密封边N处的相对压缩密度不断变大。密封边抗剪切强度也会相应的变高。可见,行程的大小会影响密封边的密封性能。气泡往往从行程小、密封边薄的地方出现,就是因为该处相对压缩密度变小,抗剪切强度变弱,使密封边的密封性降低,不足以密封合成腔内高压,卸载时压力瞬间释放而造成的。因此六面顶压机对设备的同步性、对中性要求较高。实际生产中,顶锤正、行程合适的设备,放气泡的几率是很小的。

受材质和工艺的影响,叶蜡石内摩擦角减小,由于密封边边缘N处的密封性能较低,当抗剪切强度不足以密封合成腔内高压时,会使图一中BCD面向密封边的方向移动。当BCD面移动超过某个临界点时,密封边会明显变长,出现“伸腿”现象。密封边内的叶蜡石因“流出”顶锤小斜边范围,造成密封边相对压缩密度急剧变小,抗剪切强度大幅减弱,最终出现气泡或者“放炮”,给企业带来巨大损失。我们可以实时监测密封边长度来判断合成腔安全性,防止气泡、“放炮”的发生,虽然这只是一种理论假设,但是却为超硬材料企业提供了一个可能的解决方法。

4 结论

(1)楔形密封边靠叶蜡石抗剪切强度密封,密封性能的大小与内摩擦角和法向正压力有关系。

(2)由于顶锤模型设计的原因,造成密封边两端相对压缩密度较低,密封性能较弱。当叶蜡石抗剪切强度降低时,气泡常常从密封边两端出现。

(3)行程影响密封边的密封性。气泡更易发生在密封边薄的方位。行程小会增加气泡产生的几率,因此六面顶压机要求较高的同步性、对中性。

[1] 贾攀,卢灿华,赫兆印.金刚石生长相关技术的讨论[J].2011, 23(2):19-23.

[2] 赫兆印,贾攀,卢灿华.金刚石生长基础[M].长春:吉林大学出版社,2012:121-122.

[3] 郑日升.叶蜡石流变学与六面顶超高压技术研究[D].中南大学.2011.

河南省人造金刚石微粉质检中心通过省级"二合一"评审

在中原经济区承接产业转移示范市建设中,列入商丘市"一谷三城六基地五中心"重点项目计划的河南省人造金刚石微粉质量监督检验中心,在商丘市柘城县历经4年艰辛筹建,于近日顺利通过河南省质监局专家组现场评审,取得省级计量认证、审查认可"二合一"检验资质。

柘城县质监局于2011年1月向河南省质监局上报该项目的《可行性报告》,得到省、市质监局大力支持。2011年12月10日,省质监局组织该项目可行性论证会。2012年3月2日,省质监局批复同意筹建该中心。柘城县人民政府和各级质监部门齐心协力,为加快建设"商丘国家超硬材料及制品高新技术产业基地",精心构建技术创新公共技术平台,力促区域优势产业转型发展,提升品牌产业(品)的核心竞争力。

柘城县人民政府在工业园区为该中心无偿划拨20亩土地,投入资金500万元,支持基础工程建设。总面积1500平方米的该中心实验大楼现已投入使用,完成基建投资1100万元。

目前,柘城县年产人造金刚石单晶体10亿克拉、人造金刚石微粉45亿克拉、金刚石制品7大系列700余万件(套),成为全国金刚石产业技术创新、品牌提升的领跑者。 (河南省人民政府网)

Study of the Pressure Relief Bubble Generation Mechanism of the Cubic Press

JIA Pan,LIU Qian-kui,ZHANG Feng-lian,HU Lai-yun,WU Dingyu, WANG Fei-fei,Ding Jian
(YU XI INDUSTRIES GROUP Zhongnan Diamond Co.,Ltd.,Nanyang,Henan 473264,China)

During the process of diamond synthesis,the reducing sealing performance of pyrophyllite will generate bubbles which influences the service life of anvil and causes big economic losses for enterprise.The author has set up a model between pyrophyllite sealing edge rheological property and anvil structure of cubic press according to the actual production condition.He also points out that due to the model design of the anvil,the relative compression density of both sides of the pyrophyllite sealing edge is smaller than that in the middle.This leads to the weaker sealing performance for the both sides of the sealing edge and contributes to the reasons why bubbles always generate at both sides of the sealing edge.

pyrophyllite;diamond;sealing performance;Cubic Press

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0034-03

2015-05-26

贾攀,男,中南钻石有限公司总工程师。长期从事金刚石生长过程的研究。

王飞飞(1988-),男,助理工程师。E-mail:080302116@163.com

贾攀,刘乾坤,张凤莲,等.六面顶压机卸压气泡产生机理的探究[J].超硬材料工程,2015,27(4):34-36.