CN111203153B - 一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法，将六面顶压机的横向四个非加热锤顶面设计为长方形，运行时先行贴合形成方形腔体，两个竖向加热锤对应的油缸油路与另外四个油缸分开，单独控制；两个加热锤顶端设计合适高度的方柱，加压过程由方柱在方形腔体内推进来实现，加热锤和腔体之间采用内密封形式；方柱四边设计适当宽度和角度的内密封边。本发明通过改变传统的加压方式，在适当压力下四个非加热锤提前形成方形腔体，加热锤往前推进的同时，非加热锤的压力逐渐提高，与加热锤进行压力匹配，提高了油压的利用率，有利于改善金刚石合成过程中体积收缩造成的顶锤平面和密封边处压力不均匀问题。

Description

一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法

技术领域

本发明涉及一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法。

背景技术

金刚石合成工艺所采用的设备中，两面顶压机虽然腔体大、加压稳定、均匀，但由于使用成本太高，已逐步被成本相对低廉的六面顶压机替代。

六面顶压机的工作原理如图1所示，六个碳化钨顶锤从叶蜡石立方体的六个面垂直加压，通过锤面四周的小斜角（41-42°）在叶蜡石立方体的十二条棱上形成约12-14mm宽、剖面为三角形的密封边。叶蜡石、石墨等材料在高压下有较好的流动性，因此，腔体内的压力场保持相对均衡。叶蜡石在高压下的流动具有一定的粘滞性，凭借密封边的楔形结构和摩擦力作用，密封边处的叶蜡石将其余材料密封于顶锤面形成的腔体内。

如果不考虑叶蜡石的粘滞性，单从静态内压力的分解对顶锤小斜边的挤压来看，叶蜡石形成的密封边就类似于楔形物插入缝隙中，如果将腔体内的压力看作均匀的各向同性体系，顶锤的小斜边所受的挤压力远远大于顶锤面的压力（矢量的分解），如图2。

从合成工艺角度来看，金刚石合成过程是先将压力加大到所需值（约5GPa），再升高温度进行合成。石墨的理论密度为2.25g/cm³，实际生产中，加压成型的石墨块密度约为1.95g/cm³，金刚石密度为3.52g/cm³。随着石墨向金刚石的转化，体积逐渐缩小；要使得这一转化连续进行，腔体内压力必须保持在某一极限以上（一般为5GPa）。目前金刚石行业通用的做法为：一是用高膨胀、低热导率材料做衬管，通过白云石的膨胀补偿金刚石合成中的体积收缩；二是利用密封边处叶蜡石的流动性使顶锤不断前进。但是，研究发现：达到金刚石合成条件时，密封边已经形成，顶锤的前进必然造成密封边压力更大，虽然希望凭借叶蜡石的流动性使密封边变得更薄，不阻滞锤面前进。然而，由于密封边处压力远远大于叶蜡石晶体结构所承受的阈值，部分材料在高压下发生了相变，流动性变差。这会导致密封边处压力高于腔体内压（顶锤面压力）。如果将大腔体和小腔体进行对比可以看出，大腔体中石墨转变成金刚石引起的体积收缩更大，要获得高转化率，顶锤所要前进的距离更多，导致顶锤面心与密封边小斜面处的压力差更大，而这个压力差易引起顶锤形变（向内鼓起），造成沿锤面向外的张应力增大，如图3所示。

一旦张应力超出顶锤能承受的阈值时，锤面产生裂纹，并引起放炮。有时候，合成似乎完成，但在降温过程中“放炮”，行业中将这种现象称作“打高压气”。这是由于合成过程初期，顶锤面和密封边所承载的压力基本均衡。随着合成的进行，体积大幅收缩造成内压逐渐下降，尤其在顶锤面心位置的压力更低。合成完成时，顶锤面心与密封边的压力差已经很大；而降温过程，材料进一步收缩，高温下白云石分解产生的膨胀力消失，顶锤面产生张应力进一步加大，致使顶锤面压力不均匀度超出顶锤阈值，从而造成开裂并波及其它顶锤。鉴于上述原因，似乎传统的六面顶金刚石合成压机并非越大越好。多数已经组装的油缸直径750mm以上的压机在使用过程中，往往通过减小顶锤尺寸和粉压块体积来保障稳定性，形成了大马拉小车的格局，造成设备能力的浪费。综上所述，制约超大缸径六面顶压机发展的瓶颈应该是顶锤应力分布均匀性问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法，以有效改善顶锤面压力均匀性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法，具有以下步骤：

a、顶锤设计：将四个非加热锤的顶锤端面设置为长方形以形成方形腔体，相当于两面顶压机的腰环；两个加热锤顶端设置高度为20～35mm的方柱，其中在加热锤顶端前部设置成锥台，加压过程通过方柱在方形腔体内推进完成；

b、加压控制：将两个加热锤对应的油缸油路与四个非加热锤的油缸油路分别控制；放置合成块后，控制油缸压力小于0.5MPa以下，让四个非加热锤提前形成方形腔体，然后加热锤往前推进的同时，非加热锤的压力逐渐提高，并与加热锤进行压力匹配，使非加热锤对应的油缸压力高于加热锤对应的油缸压力1～3MPa，泄压时与加压过程一致，且始终保持非加热锤的油压比加热锤的油压高1～3MPa；

c、密封方式：非加热锤的顶锤斜面上设置采用塑性金属材料制作的密封层，用于非加热锤之间的密封；加热锤和方形腔体之间采用内密封形式，加热锤与方形腔体之间的间隙为0.5～1.0mm，方柱顶端四边设计宽度为6.0～9.0mm，角度为6～15°的内密封边。

优选地，所述的非加热锤顶面长度L1与其顶锤直径D之比为0.63＜L1/D＜0.66；非加热锤小斜边长度L2：L1-14mm＜L2＜L1-6mm；非加热锤顶面宽度W1与顶锤直径D之比W1/D取值范围为：0.38～0.40，非加热锤小斜边宽度W2：8～12mm，非加热锤高度H1与顶锤直径D之比的取值范围为：H1/D=0.73～0.8。

进一步地，所述的密封层材料选用铜、铁、镍、钴、锆、铌或铝金属材料中的一种或几种形成的合金，密封层覆盖非加热锤整个顶锤斜面。

优选地，所述的加热锤方柱宽度W3取值范围为：W1-2.0mm＜W3＜W1-1.0mm，锥台顶面宽度W4的取值范围为：W3-2＜W4＜W3-1.4，加热锤内密封边宽度W5为7～10.0mm，锥台斜面与锥台侧面之间的夹角为6～15°；加热锤总高度H3的取值范围为H1≤H3＜H1+20mm；加热锤方柱与锤底座之间圆弧直径R3为5.0±1.0mm；加热锤底座斜面角度R4取值范围：30.0°＜R4＜35.5°，加热锤底座锥度为1.5°。

进一步地，由于加热锤的方柱与非加热锤形成的方形腔体之间间隙较小，容易短路，在加热锤的方柱的侧面涂覆有厚度0.2mm聚四氟乙烯绝缘层（类似于不粘锅），内密封边则不能涂覆，以免影响密封性。

本发明的有益效果是：本发明具有如下显著特点：

（1）、改善了顶锤面的压力均匀性：对于非加热锤，其密封边是通过金属和叶蜡石后续流入间隙形成，密封边间隙最宽处不超过1.3mm，摩擦阻滞力对密封作用的占比大幅提升，楔形挤压力对密封作用的贡献下降；对于加热锤，由于是内密封的活塞推进方式，密封边类似于密封环，整体随方柱向前推进，不阻滞顶锤的推进，锤面压力均匀性大幅提高。

（2）、采用内密封方式，油缸压力的利用率大幅度提升。原六面顶压机的油压效率约为55～70%，采用内密封方式，油压效率可以达到90%以上。以油缸直径750mm的压机为例，用传统的175mm顶锤，产生5GPa的腔压，所需要的油缸压力为93.76×10⁶Pa，而采用内密封方式加压所需要的油压为57.3×10⁶Pa，这有利于充分发挥压机的潜能，设计更大的腔体。

（3）、密封边的厚度小，密封效率大幅提高，腔体的工作稳定性也大幅改善，这对于提高金刚石的品质和尺寸非常有利，尤其适合于金刚石大单晶的生产、宝石级金刚石的合成。

（4）、本发明保持了六面顶压机的特点：六个顶锤自由开合，合成块的装卸非常方便，省去了两面顶压机卸块时需要独立压机的麻烦，生产效率得到大幅提高。

（5）、设备成本低：六面顶压机的制造成本远低于两面顶压机，相应地六面顶的顶锤成本也远低于两面顶的腰环成本。

（6）、维护成本低：顶锤和腰环均为易损件，从力的作用方式来看，合成过程中腰环所受的力为张应力，凭借外围的钢带（材质与钢索桥的钢丝相同）的紧箍力和碳化钨的抗拉强度一起抵御张应力，张力沿圆环的径向分布必须非常均匀，才能避免腰环的不规则形变，减少腰环的损坏。而本发明中四个非加热锤形成方形腔体，通过油缸加压，顶锤上的压力比较平衡；另外，即使加压过程中轻微的压力不均匀可能引起腔体微小形变，但这种微小形变可以被顶锤间隙吸收，从而减少了顶锤的损坏。

（7）、镍、铜等材料的热导率是碳化钨的数倍，采用紫铜密封可大幅提高顶锤的热均匀性，降低因温度差异造成的应力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是六面顶压机合成金刚石工作原理示意图。

图2是非加热锤密封边处作用力的分析图。

图3是六面顶压机合成后期物料坍缩后顶锤面应力示意图。

图4是本发明所述非加热锤的俯视图。

图5是本发明所述非加热锤的正视图。

图6是本发明所述非加热锤的侧视图。

图7是本发明所述加热锤的俯视图。

图8是本发明所述加热锤的侧视图。

图9是本发明所述内密封式六面顶压机的加压方式示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法，在保持六面顶压机优势的前提下，引进了两面顶压机顶锤的运行方式，其设计原理如下：

（1）、将两个竖向设置的加热锤对应的油缸油路与另外四个横向设置的非加热锤的油缸油路分别控制。

（2）、改变顶锤形状，将四个非加热锤的顶锤面设计为长方形，可以形成方形腔体，类似于两面顶压机的腰环。

（3）、非加热锤之间的密封采用紫铜等塑性金属材料，并覆盖整个顶锤斜面，密封边的角度和宽度可以大幅度缩减（约为原来的三分之一）。镍、紫铜等塑性金属材料密封层可以采用电镀工艺制造。先将非加热锤斜面和密封边用激光拉毛，再通过电镀形成一层0.3～0.8mm厚的金属密封层；非加热锤斜面贴合时形成间距0.5～1mm的塑性金属层，其作用是防止非加热锤之间碰撞损坏，也避免了叶蜡石从间隙中挤出。

（4）、两个加热锤顶端设计合适高度的方柱，在方形腔体内推进。

（5）、加热锤和方形腔体之间采用内密封形式；位于方柱四边设计宽度6.0～9.0mm、角度6～15°的内密封边。

（6）、改变传统的加压方式，在适当压力下四个非加热锤提前形成方形腔体，加热锤往前推进的同时，非加热锤的压力逐渐提高，与加热锤进行压力匹配。

（7）、泄压时与加压过程类似，始终保持非加热锤的油压比加热锤略高。

实施例：如图1～图9所示，所用六面顶压机的油缸直径为800mm，六面顶压机的六个顶锤包括两个加热锤和四个非加热锤，六个顶锤的直径D均为175mm。

其中四个非加热锤的尺寸均为：非加热锤顶面长度L1为114.0mm，顶面宽度W1为68.0mm；非加热锤小斜边长度L2为102.0mm，小斜边宽度W2为9.0mm；将一块高分子膜粘贴于非加热锤顶面，然后将非加热锤的斜面（包括小斜边）用表面经激光拉毛后处理，再电镀0.80mm厚的镍层，最后精磨至大斜处镍层厚度为0.5mm，此时小斜边处被填平，形成四个完整的锥度为45°的大平面，此时非加热锤表面的宽度W1为69.4mm，非加热锤互相贴合斜边角度R1为41.5°，非加热锤自由斜边角度R2为45.0°，非加热锤高度H1为128mm。

加热锤的方柱宽度W3为68.0mm，方柱高度H2为35.0mm；加热锤顶面宽度W4为66.0mm，加热锤内密封边宽度W5为10.0mm，加热锤总高度H3为128；加热锤方柱与其底座之间的圆弧直径R3为5.0mm，加热锤底座的斜面角度R4为31.5°，加热锤底座锥度为1.5°，加热锤不需要电镀，但其小斜边（即内密封边）需要采用激光拉毛。

粉压块尺寸为69×69×98mm³，合成金刚石的油压（表压）与传统六面顶对比见表1。原六面顶压机所用的顶锤为直径175mm，高度128mm，顶面宽度为64.5mm，密封边角度41.5°，密封边宽度14mm，粉压块尺寸77×77×77mm³。

表1 顶锤改变前后油压与金刚石转化率对比

注：金刚石转换率以合成金刚石重量除以石墨柱中石墨总量计算，考虑到安全问题，以两面顶运行方式运行时未做更高油压的实验。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种基于两面顶方式的大型六面顶压机的运行和密封方法，其特征是：具有以下步骤：

a、顶锤设计：将四个非加热锤的顶锤端面设置为长方形以形成方形腔体；两个加热锤顶端设置高度为20～35mm的方柱，其中加热锤顶端的方柱顶端设置成锥台，加压过程通过方柱在方形腔体内推进完成；

b、加压控制：将两个加热锤对应的油缸油路与四个非加热锤的油缸油路分别控制；放置合成块后，控制非加热锤对应的油缸压力小于0.5MPa以下，让四个非加热锤提前形成方形腔体，然后加热锤往前推进的同时，非加热锤的压力逐渐提高，并与加热锤进行压力匹配，使非加热锤对应的油缸压力高于加热锤对应的油缸压力1～3MPa，泄压时与加压过程一致，即始终保持非加热锤的油压比加热锤的油压高1～3MPa；

c、密封方式：非加热锤的顶锤斜面上设置采用塑性金属材料制作的密封层，用于非加热锤之间的密封；加热锤和方形腔体之间采用内密封形式，加热锤与方形腔体之间的间隙为0.5～1.0mm，方柱顶端四边设计宽度为6.0～9.0mm，角度为6～15°的内密封边。

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