壓機大型化對金剛石品質提高的新認識①

楊燁,溫簡杰,李穎,方嘯虎,

(1.河南工業大學,河南鄭州 450007;2.晶日超硬材料有限公司,河北燕郊 065201; 3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司,上海 201108)

壓機大型化對金剛石品質提高的新認識①

楊燁1,2,溫簡杰3,李穎1,方嘯虎1,3

(1.河南工業大學,河南鄭州 450007;2.晶日超硬材料有限公司,河北燕郊 065201; 3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司,上海 201108)

文章從材料、腔體設計、合成工藝、合成設備及環境因素等方面對壓機大型化帶來進一步擴大腔體進行了闡述,從不同方面的技術進步及改進,論述了大腔體對金剛石品質提高的新認識,這是保證高品質金剛石獲得的必然結果。

合成材料;腔體設計;合成工藝;設備控制;高品質金剛石

1 前言

早在上世紀70年代,方嘯虎先生在擴大腔體、由Φ10mm擴大到Φ15mm→Φ16mm→Φ18mm的試驗過程中,就深深體會到擴大腔體不僅僅是提高了單腔產量,隨之而來的最大好處是同時提高了產品質量。如在與長沙礦冶研究院的陳啟武先生合作研制2#觸媒時,原來在Φ10mm中合成,強度只有50N左右;而調整到Φ15～16mm腔體中合成,強度很快突破了100N,最好達到125N。這項試驗深深地影響著他們倆始終把擴大腔體及六面頂壓機大型化作為自己的終身奮斗目標,認為擴大腔體是產量、質量一舉兩得的幸事。近年來,隨著國內石材加工、建筑、汽車、石油、煤炭等行業對金剛石需求的不斷擴大,國內金剛石用量已經由原來25～30億ct/年急增到50余億ct/年,這進一步帶動了超硬材料行業實現了跨越式發展。全國合成金剛石總量在2012年達到120余億ct,六面頂壓機合成金剛石技術在國際市場競爭中已處于絕對優勢地位。

隨著我國超硬材料行業快速發展,在已成為世界金剛石產量大國的同時,部分金剛石已能與強國相較,而立方氮化硼已經全面進入強國引領行列。在這一過程中,國內大部分金剛石生產企業為了降低合成成本、提高單次合成效率、增強金剛石市場競爭力,紛紛進一步開發Φ600mm以上大缸徑六面頂壓機來擴大其合成腔體。如國內的中南、黃河、華晶,還有晶日、昌潤等一批大中型金剛石生產廠家都投入大量資金,加緊投入開發,實現其合成腔體的進一步擴大化。除主體壓機為Φ650～750mm之外,近年還發展了一批Φ800～850mm的超大型壓機,這批超大型壓機也正在試驗中。國內某企業在大型化過程中,進一步深化了壓機大型化后對提高質量的重要性認識,本文就從不同方面闡述這問題。

當然,壓機大型化擴大腔體,提高產品質量僅僅是一個因素。更多的原因是,擴大腔體可以進行腔體的重新設計,可以進行間接加熱,可以微機化高精度控制合成工藝,粉末觸媒工藝又促使組裝實現高精度,進一步促使了工藝高精度設計,等等。按方嘯虎先生的解釋:超硬材料生產中應分為硬件和軟件兩大部分,這兩部分相互促進,相互配合才有我們今天超硬材料的大好局面。

2 壓機大型化帶來腔體大型化

隨著國內金剛石合成設備的更新,國內幾家規模較大的生產廠家都先后引進了Φ600mm及其以上缸徑的六面頂壓機。同時伴隨著大壓機的投產,其合成腔體隨之擴大,使單次合成的產量、品質得到提高。國內某金剛石生產廠家不同缸徑壓機合成腔體及產品結構、成本的對比,見表1。

表1 不同缸徑壓機合成腔體效果對比Table 1 Synthesis effects of different cylinder diameter in the press

表1充分說明:從單產、產品優質結構、單塊成本(單克拉成本)、單塊產值、利潤率等多方面考察,壓機大型化在目前的范圍內是越大越好。Φ700mm缸徑壓機在各方面都占有絕對的優勢。

3 金剛石合成品質提高的要素

隨著腔體大型化,合成腔內溫度及壓力變化減小,從而為金剛石的生長提供了良好的環境,為金剛石品質的提高打下了良好的合成基礎。

3.1 合成材料方面的提高

(1)合成用主材料觸媒及高純石墨得以改變

近年來,全國粉末觸媒合成工藝得到快速發展,首先是觸媒得以改變,由片成了粉;從成分來說以Fe基為主,大大降低了成本,還從根本上停止了Co的使用。

在片狀觸媒時石墨片還要適當用一點高電阻,石墨化程度太高也不行,沒有電阻直接加熱不發熱,溫度上不去,合成金剛石就是空談,這樣高品質也成為空談;粉末石墨后,再加上間接加熱,高純、高石墨化,這一切都為高品質金剛石打下了良好的基礎。

(2)制柱工藝得到很大的進展

隨著大腔體的逐步普及,材料制作廠家開始針對大腔體的合成特點使用不同配方的合成柱,這不僅可以提高單次合成的產量,特別重要的是同時提高了產品品質,并且可根據用戶在粒度、品質等方面的要求改變材料配方,達到高產高質的效果。

通過研究發現在金剛石生長時,金剛石外圍是一層金屬包覆膜,當包覆膜破裂時,熔融的觸媒合金與金剛石之間的碳源通道即被破壞,這樣就會導致金剛石停止生長或者局部停止生長,出現蝕陷。傳統Fe-Ni30觸媒在金剛石合成中的催化能力有限,溶碳能力低不能提供足夠的碳源供金剛石生長需要。針對大腔體合成不同粒度的要求,材料制造廠家通過觸媒改進,考慮觸媒合金熔融時的張力以及其余金剛石之間的浸潤性。通過綜合性能對比最終開發出新型FeNiX合金觸媒,完全滿足了不同顆粒金剛石生長的動力需要,大幅提高了金剛石合成的粒度集中、大顆粒及品質。

以大顆粒單晶合成為例,隨著合成材料技術的不斷提高及大腔體的推廣,使大顆粒單晶的合成變得相對容易。材料制造廠家通過對觸媒合金粉末的探索和霧化技術的提高,優化系列參數,最終生產出可用的霧化觸媒,并能夠大批量穩定生產;使大顆粒金剛石20/30粒度比例大于55%,優晶率提高15%。轉化率提高7%左右。

3.2 腔體的優化設計

隨著大缸徑壓機的逐步普及,合成腔體的大型化逐漸被各個生產廠家重視,大腔體的腔體設計直接影響合成腔體內溫度場、壓力場的分布,從而進一步影響了金剛石的合成品質。

以Φ700mm缸徑壓機為例,為了充分利用大缸徑壓機的合成優勢,在腔體設計中的主要遵循原則:

(1)合成壓力在設備設計推力(即設備噸位)的90%左右。在腔體設計中為了保證設備能長期處于平穩工作,其使用壓力一般在設計壓力的85%～90%,比較利于發揮設備的使用性能,同時保證設備的使用壽命。

(2)腔體結構的設計原則:采用相對小的合成塊、相對小的頂錘,使合成在相對穩定的環境中,慢速生長。

在Φ700mm缸徑壓機的腔體設計中正是遵循了上述原則,設計了54腔體的腔體機構,實現了在合成壓力小于90MPa的情況下,穩定合成Φ54mm腔體,在實現轉化率超過1∶1的情況下,金剛石的低磁比例及熱穩定性均有所提高。

3.3 合成設備控制精度的提高和合成工藝設計的優化

這為大腔體金剛石合成品質的提高又提供了新的提升平臺。

(1)合成設備控制精度的提高

在國內,隨著金剛石市場競爭逐步加劇的背景下,金剛石合成設備逐步被金剛石生產廠家重視,隨著各金剛石制造廠家根據自身的市場定位及生產需求,對金剛石合成設備的控制精度、性能要求、控制項目都提出更多、更精準的要求,為大腔體、高品質金剛石的合成控制,提供了技術保證,如表2所示。

表2 不同缸徑、不同腔體設備控制精度對比Table 2 Comparison of control precision under different cylinder and cavity

另外,材料制作設備的控制精度也為大腔體合成高品質金剛石提供了保障,尤其是合成柱材料引入后期的高真空、高精度燒結工藝,使合成材料品質得到大幅提升。

(2)合成工藝的優化選擇及兩面頂合成工藝技術的轉化,為大腔體高品質合成提供了工藝保證。

在合成工藝上,大腔體的合成工藝設計借鑒了兩面頂合成工藝制定思路,圍繞確保合成腔體內溫度、壓力場均勻的思想,提出了六面頂大腔體合成工藝的設計思路:

a.加熱初期使合成柱充分預熱,使觸媒材料充分熔合,在一定壓力條件下,使石墨充分融入溶媒中;

b.提供足夠的融入時間,并且能使石墨進行重結晶,從而控制成核數量和金剛石粒度;

c.充分考慮成核時間和成核壓力,控制金剛石晶核臨界尺寸;

d.考慮不同顆粒金剛石生長特性,提高溫度控制、壓力控制的精度,控制生長速率、雜質含量;

e.考慮合成時間及腔內熱量積累,保持腔體內溫度平衡。

基于以上設計思路,終于摸索出一套適合于大腔體金剛石合成的生長工藝,使金剛石的生長速度由小腔體的0.4mg/h控制到現在的0.6～0.8mg/h,不但縮短了合成時間,提高了合成效率,提高了大腔體的合成品質。

3.4 腔體大型化后對合成人員及合成環境的理解和重視程度的提高

這也是促進大腔體合成品質提高的重要保證。

大缸徑壓機帶來了合成腔體的大型化,使單次合成的產量大幅提高,但同時單次合成的直接材料成本也比小腔體增加,每次合成在當班合成總量所占比重比小腔體提高近一倍,每次合成的效果對合成總體效果影響加大,因此各金剛石生產廠家對大腔體的每次合成都非常重視,對合成人員的合成技能、操作技能提出了更高的要求,這也促使大腔體的合成技術水平的相對提高。

此外,在小腔體合成中不被重視的環境因素,在大腔體合成中也被重新認識。以環境溫度及冷卻水為例,在小腔體合成中合成環境溫度在短時間合成中基本被忽略,但在大腔體長時間合成中,腔體內對外損失的溫度直接影響了單次合成的效果,同時環境溫度變化大時,直接導致每次合成頂錘散熱量的不同,造成每次合成腔體內溫度場的變化,影響了合成效果的穩定性。

大腔體帶來了高單產、高品質的同時,對合成操作人員及工藝合成人員的要求也相應提高,各生產廠家也把對相應人員的技能培訓提到更高的位置。以筆者所在公司為例,大腔體壓機合成操作人員、工藝人員都經過嚴格的崗前培訓、崗位考核及實際操作考核等嚴格的考核程序,這些都是大腔體合成品質提高的影響因素。

3.5 不同壓機合成質量的對比

為了進一步說明產品質量問題,我們進行了不同壓機和不同腔體的金剛石TI、TTI的對比:

小壓機(Φ500mm缸徑以下)合成人造金剛石TI、TTI值的對比,見表3。

表3 Φ500mm缸徑金剛石TI、TTI值的對比表Table 3 Comparison of TI and TTI with 500mm cylinder diameter

Φ600mm缸徑以上壓機合成人造金剛石TI、TTI值的對比,見表4。

表4 Φ600mm缸徑以上壓機金剛石TI、TTI值的對比表Table 4 Comparison of TI and TTI with cylinder diameter above 600mm

通過對表3、表4的TI、TTI的檢驗對比可以明顯看出,隨著壓機腔體的大型化,人造金剛石的合成品質在不斷提高。

4 結束語

1)大缸徑六面頂壓機替代現有小壓機,已在金剛石行業形成必然趨勢,隨著合成裝備的更新,人造金剛石合成技術迅猛發展,尤其是人造金剛石應用技術創新和應用領域的拓展,人造金剛石等超硬材料大規模工業化生產時代已經到來。

2)從目前看,我國在高品質金剛石生產方面已經部分進入世界先進行列;而cBN已經進入引領世界先進水平行列;中、小復合片也逐步被國外接受,大復合片尚有一定差距,這正是我國同仁要努力趕超之處;

3)大壓機、大腔體帶來高品質金剛石,不僅是設備更新和市場需求的結果,更是各個生產廠家腔體設計及合成材料技術進步的結果。當然,我們也應該充分認識到擴大腔體必須壓機大型化,大腔體給我們帶來一系列可調整、試驗的新空間,這是我們的必行之路!

參考文獻:

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[7]方嘯虎,等.現代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社, 2011.12.

新一輪金剛石找礦瞄準五大戰略選區

近日通過專家論證的《全國金剛石找礦總體方案》顯示,全國新一輪金剛石找礦工作將瞄準華北克拉通郯廬斷裂帶、鄂爾多斯古陸、太行山斷裂帶、揚子克拉通雪峰古陸、塔里木克拉通5個區域性戰略選區,分四個層次推進。

我國金剛石礦多出露于與深大斷裂有關的地帶,分布在地臺與地槽銜接處、地槽褶皺系中及地臺內部。含金剛石的金伯利巖主要見于華北地臺、揚子地臺、塔里木地臺,有金剛石儲量的原生礦主要見于華北地臺的沿郯廬斷裂地區,有金剛石儲量的砂礦主要見于華北地臺的沿郯廬斷裂地區、揚子地臺的雪峰古陸地區。與國外相比,金剛石仍然是我國目前緊缺的礦產之一,總資源儲量逐年減少,不少礦山資源枯竭,保證程度嚴重不足。我國保有金剛石礦物儲量僅相當世界金剛石儲量基礎的0.1%,可供開發利用的礦產地不足。

為推動全國金剛石找礦,中國地質調查局提出由南京地質調查中心牽頭,開展我國新一輪金剛石找礦總體方案編制,部署我國金剛石找礦的方法技術、找礦理論研究、遠景調查和重點找礦突破工作。

《方案》提出,以金剛石成礦新理論、新認識為指導,借鑒國外金剛石勘查經驗和技術方法,分層次開展郯廬斷裂帶、雪峰古陸為主體的全國金剛石戰略調查,基本查清全國金剛石資源潛力;建立典型礦床成礦模型與找礦模型,豐富我國金剛石找礦的理論與方法技術;通過開展金剛石地質調查評價,查明我國金剛石重點成礦區(帶)成礦地質背景、金剛石母巖賦存條件和找礦指示信息,為我國提供金剛石找礦靶區和礦產地。

《方案》全面系統收集、梳理、分析了全國幾十年來金剛石找礦的成果和進展,總結了金剛石找礦方法技術,在綜合分析、研究我國金剛石成礦地質條件和找礦潛力的基礎上,提出了華北克拉通郯廬斷裂帶、鄂爾多斯古陸、太行山斷裂帶、揚子克拉通雪峰古陸、塔里木克拉通5個區域性戰略選區。根據《方案》,全國金剛石找礦將分四個層次推進,一是選取工作程度相對較高、在已知金剛石礦及外圍、有豐富的找礦信息、具有找礦前景的重點靶區,開展金剛石找礦調查評價或勘查示范工作,探尋金剛石礦產地。二是在以往工作程度相對較高、具金剛石出土或有豐富的指示礦物顯示、具有找礦前景的重要遠景區,有針對性地開展基礎調查和礦產遠景調查;提出金剛石找礦靶區。三是在工作程度相對較低,但有金剛石出土或有金剛石指示礦物發現的地區,開展資料二次開發和綜合研究,劃分找礦遠景區,有針對性地開展金剛石找礦遠景調查工作。四是開展金剛石找礦研究工作,包括金剛石找礦模型、成礦規律、區域編圖和成礦預測和潛力評價。

《方案》指出,全國新一輪金剛石找礦工作,將開展全國性、區域性和重點勘查區戰略選區研究,在遼寧瓦房店—登沙河、山東蒙陰—郯城、安徽宿州—江蘇新沂、湘西—黔東—桂北等重點勘查區開展金剛石找礦遠景調查,圈定金伯利巖、鉀鎂煌斑巖等巖管,指出有望突破的找礦靶區;在遼寧瓦房店,山東蒙陰西峪、郯城小埠嶺,安徽宿州欄桿,江蘇張集,湖南桃江筑金壩、貴州鎮遠—施秉—黃平,廣西融安—泗頂等地區開展金剛石調查評價,力爭取得找礦突破,提供金剛石礦產地。此外,還將選擇典型金剛石礦,開展金剛石成礦模型和找礦方法研究,總結勘查理論和方法技術,提出最佳地、物、化、遙找礦方法組合,豐富我國金剛石找礦理論;開展郯廬斷裂帶、雪峰古陸等地區鎂鐵質、超鎂鐵質巖巖石學特征、形成時代以及與金剛石成礦關系、與斷裂帶分布關系等方面的研究,為探討金剛石成礦規律、礦產預測提供支撐。 (中國國土資源報)

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

楊燁(1973-),男,河北省望都縣人,1998年7月畢業于包頭鋼鐵學院金屬材料及熱處理專業,獲工學學士學位,在讀碩士。高級工

程師,十余年一直從事超硬材料技術及其合成工藝方面研發。