六面頂壓機卸壓氣泡產生機理的探究

賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,胡來運,吳定雨,王飛飛,丁建

(豫西集團中南鉆石有限公司,河南南陽 473264)

六面頂壓機卸壓氣泡產生機理的探究

賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,胡來運,吳定雨,王飛飛,丁建

(豫西集團中南鉆石有限公司,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出現氣泡,影響頂錘壽命,給企業帶來較大的經濟損失。筆者根據實際生產情況,建立葉蠟石密封邊流變性與六面頂頂錘結構之間的模型,并提出因頂錘模型設計的原因,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生的重要原因之一。

葉蠟石;金剛石;密封性;六面頂壓機

1 前言

我國使用六面頂壓機合成金剛石。葉蠟石由于其層狀結構,具有較低的硬度,低的內摩擦系數,和良好的回彈性,抗剪切強度隨壓縮應力的增加而增大的特性。在實際生產中,葉蠟石密封性能的降低會在卸載過程中出現氣泡。氣泡的出現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。由于硬質合金頂錘成本較高,這種損耗將使企業承受巨大損失。本文建立葉蠟石流變性與頂錘結構之間的模型,探究氣泡產生的原因,以期為技術人員提供一些參考。

2 理論模型

合成金剛石時,葉蠟石高壓塊與頂錘關系如圖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圍成的區域是密封邊被壓縮區域,該區域面積為S。

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

根據幾何分析,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,靠小斜邊內葉蠟石抗剪切強度密封,借鑒巖石力學,葉蠟石的抗剪切強度為[1]

τ=σ·tgφ+Σ+C

法向應力為σ,內摩擦角為ψ,不可逆凝聚力為C。本文所有數據均在本公司缸徑Φ650mm壓機上測得。

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

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

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

由于頂錘模型的設計原因,M處和N處斜邊長度與夾角有很大的差別,導致相對壓縮密度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。當內摩擦角ψ相同時,密封邊M處的抗剪切強度τ要比N處大,其密封性能高于N處,這也就是實際生產中,氣泡往往從N處產生的原因。

3.2 行程對密封邊密封能力的影響

實際生產中,對設備的行程要求較高。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系如表2所示。

表2 行程與相對壓縮密度關系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。密封邊抗剪切強度也會相應的變高?？梢?行程的大小會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,就是因為該處相對壓縮密度變小,抗剪切強度變弱,使密封邊的密封性降低,不足以密封合成腔內高壓,卸載時壓力瞬間釋放而造成的。因此六面頂壓機對設備的同步性、對中性要求較高。實際生產中,頂錘正、行程合適的設備,放氣泡的幾率是很小的。

受材質和工藝的影響,葉蠟石內摩擦角減小,由于密封邊邊緣N處的密封性能較低,當抗剪切強度不足以密封合成腔內高壓時,會使圖一中BCD面向密封邊的方向移動。當BCD面移動超過某個臨界點時,密封邊會明顯變長,出現“伸腿”現象。密封邊內的葉蠟石因“流出”頂錘小斜邊范圍,造成密封邊相對壓縮密度急劇變小,抗剪切強度大幅減弱,最終出現氣泡或者“放炮”,給企業帶來巨大損失。我們可以實時監測密封邊長度來判斷合成腔安全性,防止氣泡、“放炮”的發生,雖然這只是一種理論假設,但是卻為超硬材料企業提供了一個可能的解決方法。

4 結論

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

(2)由于頂錘模型設計的原因,造成密封邊兩端相對壓縮密度較低,密封性能較弱。當葉蠟石抗剪切強度降低時,氣泡常常從密封邊兩端出現。

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

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

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

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

河南省人造金剛石微粉質檢中心通過省級"二合一"評審

在中原經濟區承接產業轉移示范市建設中,列入商丘市"一谷三城六基地五中心"重點項目計劃的河南省人造金剛石微粉質量監督檢驗中心,在商丘市柘城縣歷經4年艱辛籌建,于近日順利通過河南省質監局專家組現場評審,取得省級計量認證、審查認可"二合一"檢驗資質。

柘城縣質監局于2011年1月向河南省質監局上報該項目的《可行性報告》,得到省、市質監局大力支持。2011年12月10日,省質監局組織該項目可行性論證會。2012年3月2日,省質監局批復同意籌建該中心。柘城縣人民政府和各級質監部門齊心協力,為加快建設"商丘國家超硬材料及制品高新技術產業基地",精心構建技術創新公共技術平臺,力促區域優勢產業轉型發展,提升品牌產業(品)的核心競爭力。

柘城縣人民政府在工業園區為該中心無償劃撥20畝土地,投入資金500萬元,支持基礎工程建設?？偯娣e1500平方米的該中心實驗大樓現已投入使用,完成基建投資1100萬元。

目前,柘城縣年產人造金剛石單晶體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),成為全國金剛石產業技術創新、品牌提升的領跑者。 (河南省人民政府網)

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.六面頂壓機卸壓氣泡產生機理的探究[J].超硬材料工程,2015,27(4):34-36.