賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,胡來運(yùn),吳定雨,王飛飛,丁建

(豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司,河南南陽 473264)

六面頂壓機(jī)卸壓氣泡產(chǎn)生機(jī)理的探究

賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,胡來運(yùn),吳定雨,王飛飛,丁建

(豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司,河南南陽 473264)

在合成金剛石的過程中,葉蠟石密封性能的降低會(huì)出現(xiàn)氣泡,影響頂錘壽命,給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,建立葉蠟石密封邊流變性與六面頂頂錘結(jié)構(gòu)之間的模型,并提出因頂錘模型設(shè)計(jì)的原因,葉蠟石密封邊兩端的相對壓縮密度比中間小,造成密封邊兩端密封性能較弱,這就是氣泡常在密封邊兩端產(chǎn)生的重要原因之一。

葉蠟石;金剛石;密封性;六面頂壓機(jī)

1 前言

我國使用六面頂壓機(jī)合成金剛石。葉蠟石由于其層狀結(jié)構(gòu),具有較低的硬度,低的內(nèi)摩擦系數(shù),和良好的回彈性,抗剪切強(qiáng)度隨壓縮應(yīng)力的增加而增大的特性。在實(shí)際生產(chǎn)中,葉蠟石密封性能的降低會(huì)在卸載過程中出現(xiàn)氣泡。氣泡的出現(xiàn)對頂錘具有一定傷害。卸載壓力越高,這種傷害越大,裂錘幾率越大。由于硬質(zhì)合金頂錘成本較高,這種損耗將使企業(yè)承受巨大損失。本文建立葉蠟石流變性與頂錘結(jié)構(gòu)之間的模型,探究氣泡產(chǎn)生的原因,以期為技術(shù)人員提供一些參考。

2 理論模型

合成金剛石時(shí),葉蠟石高壓塊與頂錘關(guān)系如圖1所示。其中c是頂錘小斜邊的長度,θ是頂錘小斜邊與錘面平面的夾角,線段BCD是密封邊與葉蠟石高壓塊的邊界,FBCDG圍成的區(qū)域是密封邊被壓縮區(qū)域,該區(qū)域面積為S。

圖1 密封邊與頂錘幾何關(guān)系圖Fig.1 Geometric diagram of sealing edge and anvil

根據(jù)幾何分析,其中

圖2為高壓塊密封邊示意圖。為了更好地研究其密封性,標(biāo)記密封邊中間為M,邊緣處為N。

圖2 高壓塊密封邊示意圖Fig.2 The diagram of sealing edge of the high pressure block

合成過程中,密封邊一端與約5.4GPa壓力相連,另一端與常壓相連,靠小斜邊內(nèi)葉蠟石抗剪切強(qiáng)度密封,借鑒巖石力學(xué),葉蠟石的抗剪切強(qiáng)度為[1]

τ=σ·tgφ+Σ+C

法向應(yīng)力為σ,內(nèi)摩擦角為ψ,不可逆凝聚力為C。本文所有數(shù)據(jù)均在本公司缸徑Φ650mm壓機(jī)上測得。

3 模型討論

3.1 密封邊的密封性與相對壓縮密度

葉蠟石(∑+C)數(shù)量級為3～4MPa,抗剪切強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角關(guān)系十分重要[2]。此外,抗剪切強(qiáng)度還與法向正壓力有關(guān)。合成金剛石時(shí),當(dāng)壓力達(dá)到水玻璃與葉蠟石的粘結(jié)強(qiáng)度,楔縫內(nèi)的葉蠟石被擠碎成疏松粉體,發(fā)生葉蠟石粉體自由流動(dòng),受壓葉蠟石也被壓碎向四周流動(dòng)擠入楔縫內(nèi),隨著壓力的升高而開始發(fā)生塑性流變。塑性流變發(fā)生在20至30MPa[3]之間,之后楔形密封邊內(nèi)的葉蠟石質(zhì)量不再增加。假設(shè)30MPa時(shí)塑性流變結(jié)束,密封邊內(nèi)的葉蠟石因抗剪切強(qiáng)度等于摩擦力而不再發(fā)生流動(dòng),此時(shí)密封邊的密度為ρ1,之后密封邊被頂錘小斜邊擠壓,密度逐漸增加,保壓時(shí)密封邊密度為ρ2。定義相對壓縮密度ρ,表示保壓時(shí)與塑性流變結(jié)束時(shí)密封邊密度的比值,為ρ=ρ2/ρ1。隨著油壓的增加,相對壓縮密度ρ逐漸增大,法向應(yīng)力σ變大,密封邊抗剪切強(qiáng)度τ增加,密封性能變強(qiáng)。

保壓結(jié)束時(shí)(油壓約105MPa),密封邊中間M處與邊緣N處各參數(shù)如表1所示。

表1 密封邊M與N處參數(shù)對比Table 1 The parameters contrast of the sealing edge at point M and N

由于頂錘模型的設(shè)計(jì)原因,M處和N處斜邊長度與夾角有很大的差別,導(dǎo)致相對壓縮密度ρ相差較大。密封邊M處與N處相對壓縮密度分別是1.25和1.06。密封邊M處相對壓縮密度比N處高出約20%,可以推測,密封邊M處葉蠟石所受正壓力也比N處大。當(dāng)內(nèi)摩擦角ψ相同時(shí),密封邊M處的抗剪切強(qiáng)度τ要比N處大,其密封性能高于N處,這也就是實(shí)際生產(chǎn)中,氣泡往往從N處產(chǎn)生的原因。

3.2 行程對密封邊密封能力的影響

實(shí)際生產(chǎn)中,對設(shè)備的行程要求較高。如圖1所示,行程主要影響a與b的長度。右頂錘行程大,則a的長度變長,反之亦然。以N處為例,行程與相對壓縮密度的關(guān)系如表2所示。

表2 行程與相對壓縮密度關(guān)系Table 2 The relationship between the working stroke and relative compression density

由表2可以看出,隨著a長度的變長,密封邊N處的相對壓縮密度不斷變大。密封邊抗剪切強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的變高。可見,行程的大小會(huì)影響密封邊的密封性能。氣泡往往從行程小、密封邊薄的地方出現(xiàn),就是因?yàn)樵撎幭鄬嚎s密度變小,抗剪切強(qiáng)度變?nèi)?使密封邊的密封性降低,不足以密封合成腔內(nèi)高壓,卸載時(shí)壓力瞬間釋放而造成的。因此六面頂壓機(jī)對設(shè)備的同步性、對中性要求較高。實(shí)際生產(chǎn)中,頂錘正、行程合適的設(shè)備,放氣泡的幾率是很小的。

受材質(zhì)和工藝的影響,葉蠟石內(nèi)摩擦角減小,由于密封邊邊緣N處的密封性能較低,當(dāng)抗剪切強(qiáng)度不足以密封合成腔內(nèi)高壓時(shí),會(huì)使圖一中BCD面向密封邊的方向移動(dòng)。當(dāng)BCD面移動(dòng)超過某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),密封邊會(huì)明顯變長,出現(xiàn)“伸腿”現(xiàn)象。密封邊內(nèi)的葉蠟石因“流出”頂錘小斜邊范圍,造成密封邊相對壓縮密度急劇變小,抗剪切強(qiáng)度大幅減弱,最終出現(xiàn)氣泡或者“放炮”,給企業(yè)帶來巨大損失。我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測密封邊長度來判斷合成腔安全性,防止氣泡、“放炮”的發(fā)生,雖然這只是一種理論假設(shè),但是卻為超硬材料企業(yè)提供了一個(gè)可能的解決方法。

4 結(jié)論

(1)楔形密封邊靠葉蠟石抗剪切強(qiáng)度密封,密封性能的大小與內(nèi)摩擦角和法向正壓力有關(guān)系。

(2)由于頂錘模型設(shè)計(jì)的原因,造成密封邊兩端相對壓縮密度較低,密封性能較弱。當(dāng)葉蠟石抗剪切強(qiáng)度降低時(shí),氣泡常常從密封邊兩端出現(xiàn)。

(3)行程影響密封邊的密封性。氣泡更易發(fā)生在密封邊薄的方位。行程小會(huì)增加氣泡產(chǎn)生的幾率,因此六面頂壓機(jī)要求較高的同步性、對中性。

[1] 賈攀,盧燦華,赫兆印.金剛石生長相關(guān)技術(shù)的討論[J].2011, 23(2):19-23.

[2] 赫兆印,賈攀,盧燦華.金剛石生長基礎(chǔ)[M].長春:吉林大學(xué)出版社,2012:121-122.

[3] 鄭日升.葉蠟石流變學(xué)與六面頂超高壓技術(shù)研究[D].中南大學(xué).2011.

河南省人造金剛石微粉質(zhì)檢中心通過省級"二合一"評審

在中原經(jīng)濟(jì)區(qū)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范市建設(shè)中,列入商丘市"一谷三城六基地五中心"重點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃的河南省人造金剛石微粉質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,在商丘市柘城縣歷經(jīng)4年艱辛籌建,于近日順利通過河南省質(zhì)監(jiān)局專家組現(xiàn)場評審,取得省級計(jì)量認(rèn)證、審查認(rèn)可"二合一"檢驗(yàn)資質(zhì)。

柘城縣質(zhì)監(jiān)局于2011年1月向河南省質(zhì)監(jiān)局上報(bào)該項(xiàng)目的《可行性報(bào)告》,得到省、市質(zhì)監(jiān)局大力支持。2011年12月10日,省質(zhì)監(jiān)局組織該項(xiàng)目可行性論證會(huì)。2012年3月2日,省質(zhì)監(jiān)局批復(fù)同意籌建該中心。柘城縣人民政府和各級質(zhì)監(jiān)部門齊心協(xié)力,為加快建設(shè)"商丘國家超硬材料及制品高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地",精心構(gòu)建技術(shù)創(chuàng)新公共技術(shù)平臺(tái),力促區(qū)域優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展,提升品牌產(chǎn)業(yè)(品)的核心競爭力。

柘城縣人民政府在工業(yè)園區(qū)為該中心無償劃撥20畝土地,投入資金500萬元,支持基礎(chǔ)工程建設(shè)?？偯娣e1500平方米的該中心實(shí)驗(yàn)大樓現(xiàn)已投入使用,完成基建投資1100萬元。

目前,柘城縣年產(chǎn)人造金剛石單晶體10億克拉、人造金剛石微粉45億克拉、金剛石制品7大系列700余萬件(套),成為全國金剛石產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、品牌提升的領(lǐng)跑者。 (河南省人民政府網(wǎng))

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

賈攀,男,中南鉆石有限公司總工程師。長期從事金剛石生長過程的研究。

王飛飛(1988-),男,助理工程師。E-mail:080302116@163.com

賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,等.六面頂壓機(jī)卸壓氣泡產(chǎn)生機(jī)理的探究[J].超硬材料工程,2015,27(4):34-36.