葉蠟石在合成金剛石中的流動規律研究及行為探析

王前進　楊曉軍　唐　營　楊樂樂（河南黃河旋風股份有限公司，河南　許昌　461500）

葉蠟石在合成金剛石中的流動規律研究及行為探析

王前進楊曉軍唐營楊樂樂
（河南黃河旋風股份有限公司，河南許昌461500）

本文通過探討研究葉蠟石在溫度和壓力作用下的流動規律，進一步分析了葉蠟石在合成金剛石中的影響，詳細闡述了產生放炮和裂錘的根本原因。結果表明，白云石并不是一種性能良好的襯管材料；對于人造金剛石的合成，少量的水并不全是一件壞事；在合成金剛石中產生放炮和裂錘的根本原因是由于葉蠟石在較高溫度和壓力的作用下出現流動性不均勻所致；要想合成金剛石的穩定性得到有效提高，則必須根據高壓模具的尺寸來進行葉蠟石尺寸和腔體尺寸的設計，而以往流行的“小壓機、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區。

葉蠟石；合成金剛石；流動性規律及行為研究

在人造金剛石的合成中，葉蠟石是不可或缺的重要原材料之一，它不僅需要具備密封、絕熱、傳壓以及電絕緣等作用，同時，還必須為高壓腔體提供一個良好的金剛石生成空間。由于人工合成金剛石屬于一個非常復雜的系統工程，因而人們一直在探索低成本、高質量的金剛石合成工藝。而葉蠟石與金剛石的錘耗、產量以及質量有著密切的聯系，因此，不斷探究葉蠟石在合成金剛石中的流動規律及行為作用具有重要意義。

1　實驗與結果

1.1 實驗一：分別采用紅葉蠟石和白云石作為襯管材料，進行片狀觸煤和Φ30mm腔體的金剛石合成工藝。與紅葉蠟石相比較，白云石的合成電流低200A左右，合成壓力低5.5MPa左右，其合成金剛石結果見表1。

1.2 實驗二：葉蠟石原料經過對鄂式破碎機和輥機篩分、破碎，按照一定的比例加入重量百分比為6%的水玻璃，將其充分攪拌均勻之后，分別壓制成實心塊和空心塊，然后嚴格按照階梯式焙燒合成工藝以待用，當葉蠟石焙燒到200℃，并且保溫一段時間之后，葉蠟石中99.8%的層間水會被去除，當溫度繼續升高至300℃～350℃時，葉蠟石基本上不會再失重。眾所周知，葉蠟石在超壓狀態下，會形成一個多棱體，具有12條棱邊，飛邊的長短與多棱邊的尺寸與超壓壓力和焙燒工藝有著直接的聯系。當超壓壓力低于20MPa時，葉蠟石會發生不均勻變形，而且多棱體和多棱體飛幾乎不再具有強度，由此表明，多棱體與多棱體飛邊的密實度存在一定的差距；當繼續超壓時，葉蠟石會逐漸進入比較均勻的變形階段，多棱體與多棱體飛邊之間的連接越來越緊實，且兩者的強度會逐漸增大，由此表明，從多棱體內部向多棱體飛邊流出了較多的葉蠟石；而當超壓壓力達到50MPa時，多棱體與多棱體飛邊之間的連接強度會再次降低。

2　分析討論

以上是葉蠟石在壓力作用下的流動規律和金剛石合成結果，通過這些流動規律，可以以高壓模具的尺寸為依據對葉蠟石的尺寸進行科學合理的設計。但是，這只是壓力作用下的一個方面，在人造金剛石的合成過程當中，還必須考慮到溫度的作用，不然極易產生放炮或裂錘。通常情況下，我們所碰到的裂錘情況主要包括兩種情形，即非加熱頂錘裂和加熱頂錘裂。產生裂錘和放炮的根本原因是由于合成金剛石過程中所產生的高溫氣體侵蝕頂錘砧面和密封不住的結果。而要想有效解決這一問題，則必須從葉蠟石源頭做好，對合成塊產生氣體的來源進行有效控制，具體可以下幾個方面進行討論：（1）對葉蠟石的成分進行合理控制。標準的葉蠟石主要是由酸性火山凝灰巖經過熱液蝕變而逐漸形成的，主要成分為5%的H2O、28.3% 的Al2O3和66.7%的SO2，通常含有較多的雜質，與水呂石、高嶺石以及石英等礦物質共生。葉蠟石原生礦經過預處理之后，可以使其綜合性能得到進一步優化，降低產生裂錘和放炮的概率。（2）適當增加葉蠟石的壁厚，保持適宜的堵頭大小。當葉蠟石的壁厚增加到1mm時，能夠使四個黑點得到明顯改善，甚至是徹底消除；而保持適宜的堵頭大小，不僅可以消除其中的兩個黑點，同時對加熱頂錘具有很好的保護作用，可以使其不產生黑圈。根據葉蠟石的流動規律，可以對葉蠟石的尺寸進行設計，從原則上來說，應該在充分確保高壓腔密封性能的基礎上，盡可能設計出大尺寸的葉蠟石。確定了葉蠟石的尺寸之后，應該在充分確保其壁厚的基礎上進行腔體尺寸的確定，而稍微減小腔體的尺寸是增加葉蠟石壁厚的最佳方式，這樣不僅不可有效改善合成腔體內部的壓力場和溫度場，同時能夠充分保證葉蠟石向多棱體飛邊流動的均勻性。因此，以往流行的“小壓機、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區。

結語

綜上所述，通過研究葉蠟石在合成金剛石的流動規律和分析其行為作用，然后與當前金剛石合成工藝相結合，我們得出了以下幾點結論：第一，白云石并不是一種性能良好的襯管材料。第二，對于人造金剛石的合成，少量的水并不全是一件壞事。第三，在合成金剛石中產生放炮和裂錘的根本原因是由于葉蠟石在較高溫度和壓力的作用下，其流動性不均勻所致。第四，要想合成金剛石的穩定性得到有效提高，則必須根據高壓模具的尺寸來進行葉蠟石尺寸和腔體尺寸的設計，而以往流行的“小壓機、大腔體”是金剛石合成工藝的一個誤區。

表1　不同內襯材料合成金剛石結果比較

[1]郝兆印，賈攀，盧燦華.高溫高壓條件下葉蠟石的相變[J].金剛石與磨料磨具工程，2013，68（03）.

[2]楊炳飛，馮安生，岳鐵兵，劉杰.葉蠟石在高壓合成中作為密封傳壓介質的應用研究[J].礦產綜合利用，2013，41（01）.

[3]鄧福銘，陳為芳，趙國強，等.高溫高壓作用后葉蠟石腔體密度分布及流動規律探討[J].超硬材料工程，2012，66（01）.

TQ164

A

王前進（1984—），男，河南省焦作市，工作單位：河南黃河旋風股份有限公司，職務：材料研發，研究方向：葉蠟石。