叶蜡石在合成金刚石中的流动规律研究及行为探析

2015-07-18王前进杨晓军杨乐乐河南黄河旋风股份有限公司河南许昌461500

中国新技术新产品 2015年12期

王前进　杨晓军　唐　营　杨乐乐（河南黄河旋风股份有限公司，河南　许昌　461500）

王前进杨晓军唐营杨乐乐
（河南黄河旋风股份有限公司，河南许昌461500）

本文通过探讨研究叶蜡石在温度和压力作用下的流动规律，进一步分析了叶蜡石在合成金刚石中的影响，详细阐述了产生放炮和裂锤的根本原因。结果表明，白云石并不是一种性能良好的衬管材料；对于人造金刚石的合成，少量的水并不全是一件坏事；在合成金刚石中产生放炮和裂锤的根本原因是由于叶蜡石在较高温度和压力的作用下出现流动性不均匀所致；要想合成金刚石的稳定性得到有效提高，则必须根据高压模具的尺寸来进行叶蜡石尺寸和腔体尺寸的设计，而以往流行的“小压机、大腔体”是金刚石合成工艺的一个误区。

叶蜡石；合成金刚石；流动性规律及行为研究

在人造金刚石的合成中，叶蜡石是不可或缺的重要原材料之一，它不仅需要具备密封、绝热、传压以及电绝缘等作用，同时，还必须为高压腔体提供一个良好的金刚石生成空间。由于人工合成金刚石属于一个非常复杂的系统工程，因而人们一直在探索低成本、高质量的金刚石合成工艺。而叶蜡石与金刚石的锤耗、产量以及质量有着密切的联系，因此，不断探究叶蜡石在合成金刚石中的流动规律及行为作用具有重要意义。

1　实验与结果

1.1 实验一：分别采用红叶蜡石和白云石作为衬管材料，进行片状触煤和Φ30mm腔体的金刚石合成工艺。与红叶蜡石相比较，白云石的合成电流低200A左右，合成压力低5.5MPa左右，其合成金刚石结果见表1。

1.2 实验二：叶蜡石原料经过对鄂式破碎机和辊机筛分、破碎，按照一定的比例加入重量百分比为6%的水玻璃，将其充分搅拌均匀之后，分别压制成实心块和空心块，然后严格按照阶梯式焙烧合成工艺以待用，当叶蜡石焙烧到200℃，并且保温一段时间之后，叶蜡石中99.8%的层间水会被去除，当温度继续升高至300℃～350℃时，叶蜡石基本上不会再失重。众所周知，叶蜡石在超压状态下，会形成一个多棱体，具有12条棱边，飞边的长短与多棱边的尺寸与超压压力和焙烧工艺有着直接的联系。当超压压力低于20MPa时，叶蜡石会发生不均匀变形，而且多棱体和多棱体飞几乎不再具有强度，由此表明，多棱体与多棱体飞边的密实度存在一定的差距；当继续超压时，叶蜡石会逐渐进入比较均匀的变形阶段，多棱体与多棱体飞边之间的连接越来越紧实，且两者的强度会逐渐增大，由此表明，从多棱体内部向多棱体飞边流出了较多的叶蜡石；而当超压压力达到50MPa时，多棱体与多棱体飞边之间的连接强度会再次降低。

2　分析讨论

以上是叶蜡石在压力作用下的流动规律和金刚石合成结果，通过这些流动规律，可以以高压模具的尺寸为依据对叶蜡石的尺寸进行科学合理的设计。但是，这只是压力作用下的一个方面，在人造金刚石的合成过程当中，还必须考虑到温度的作用，不然极易产生放炮或裂锤。通常情况下，我们所碰到的裂锤情况主要包括两种情形，即非加热顶锤裂和加热顶锤裂。产生裂锤和放炮的根本原因是由于合成金刚石过程中所产生的高温气体侵蚀顶锤砧面和密封不住的结果。而要想有效解决这一问题，则必须从叶蜡石源头做好，对合成块产生气体的来源进行有效控制，具体可以下几个方面进行讨论：（1）对叶蜡石的成分进行合理控制。标准的叶蜡石主要是由酸性火山凝灰岩经过热液蚀变而逐渐形成的，主要成分为5%的H2O、28.3% 的Al2O3和66.7%的SO2，通常含有较多的杂质，与水吕石、高岭石以及石英等矿物质共生。叶蜡石原生矿经过预处理之后，可以使其综合性能得到进一步优化，降低产生裂锤和放炮的概率。（2）适当增加叶蜡石的壁厚，保持适宜的堵头大小。当叶蜡石的壁厚增加到1mm时，能够使四个黑点得到明显改善，甚至是彻底消除；而保持适宜的堵头大小，不仅可以消除其中的两个黑点，同时对加热顶锤具有很好的保护作用，可以使其不产生黑圈。根据叶蜡石的流动规律，可以对叶蜡石的尺寸进行设计，从原则上来说，应该在充分确保高压腔密封性能的基础上，尽可能设计出大尺寸的叶蜡石。确定了叶蜡石的尺寸之后，应该在充分确保其壁厚的基础上进行腔体尺寸的确定，而稍微减小腔体的尺寸是增加叶蜡石壁厚的最佳方式，这样不仅不可有效改善合成腔体内部的压力场和温度场，同时能够充分保证叶蜡石向多棱体飞边流动的均匀性。因此，以往流行的“小压机、大腔体”是金刚石合成工艺的一个误区。

结语

综上所述，通过研究叶蜡石在合成金刚石的流动规律和分析其行为作用，然后与当前金刚石合成工艺相结合，我们得出了以下几点结论：第一，白云石并不是一种性能良好的衬管材料。第二，对于人造金刚石的合成，少量的水并不全是一件坏事。第三，在合成金刚石中产生放炮和裂锤的根本原因是由于叶蜡石在较高温度和压力的作用下，其流动性不均匀所致。第四，要想合成金刚石的稳定性得到有效提高，则必须根据高压模具的尺寸来进行叶蜡石尺寸和腔体尺寸的设计，而以往流行的“小压机、大腔体”是金刚石合成工艺的一个误区。