鄧福銘，陳為芳，趙國(guó)強(qiáng)，陸邵悌，王 強(qiáng)，鄧相榮，張 丹

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

0 引言

在靜態(tài)超高壓高溫合成金剛石的過程中，葉蠟石作為密封傳壓介質(zhì)是必不可少的輔助材料之一，它起著傳壓、密封、隔熱、絕緣、支撐等作用［1-7］。目前我國(guó)超硬材料行業(yè)發(fā)展快速，對(duì)葉蠟石的需求量很大，雖然我國(guó)葉蠟石資源比較豐富，但幾十年來由于我國(guó)合成金剛石生產(chǎn)所用的固體密封傳壓介質(zhì)一直采用北京門頭溝葉蠟石，而該葉蠟石礦從1961年開采至今，可采資源已漸枯竭，且北京未來規(guī)劃門頭溝為旅游基地產(chǎn)業(yè)開發(fā)，已開始限制此地葉蠟石礦的開采。因此，急需尋找新的可供人造金剛石生產(chǎn)用固體密封傳壓介質(zhì)葉蠟石礦物資源，為此有必要對(duì)葉蠟石進(jìn)行深入研究。實(shí)際上國(guó)內(nèi)科研工作者對(duì)葉蠟石的研究也一直沒有停止過［8-11］，但很多研究都停留在物相研究上，根據(jù)物相的組成、變化以及金剛石的質(zhì)量、產(chǎn)量來確定葉蠟石的某些行為，判定其在合成金剛石上的優(yōu)劣。人造金剛石合成是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到材料科學(xué)、機(jī)械工程、化學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、礦物學(xué)等各個(gè)方面［12］。近些年來隨著金剛石行業(yè)的發(fā)展，世界金剛石生產(chǎn)用原材料價(jià)格大幅上漲，僅硬質(zhì)合金頂錘價(jià)格便翻了一倍。特別是腔體擴(kuò)大后硬質(zhì)合金頂錘隨之?dāng)U大，由于葉蠟石的密封性能不好造成的放炮，造成的錘耗動(dòng)輒便是上萬元的損失。李啟全等人［12］曾在對(duì)葉蠟石流動(dòng)規(guī)律研究中指出，合成金剛石中的裂錘、放炮產(chǎn)生的根本原因在于葉蠟石塊在高溫高壓下流動(dòng)的不均勻性所致，因此，研究合成金剛石時(shí)葉蠟石的流動(dòng)規(guī)律很有實(shí)用價(jià)值。

本實(shí)驗(yàn)以門頭溝葉蠟石為原材料，測(cè)試了經(jīng)高溫高壓作用后葉蠟石不同區(qū)域的密度，根據(jù)密度變化情況，對(duì)高溫高壓下葉蠟石的流動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了分析討論，旨在對(duì)高溫高壓下葉蠟石的密封、傳壓過程及機(jī)理有更深入的了解。

1 實(shí)驗(yàn)原材料及方法

本實(shí)驗(yàn)以北京門頭溝葉蠟石為原材料，按通常六面頂壓機(jī)金剛石合成工藝的要求對(duì)其進(jìn)行焙燒處理，這樣既可以保證將葉蠟石中的結(jié)構(gòu)水含量控制在適當(dāng)?shù)谋壤?，同時(shí)又可以兼顧葉蠟石的傳壓和密封性能。然后將烘烤好的葉蠟石等材料與合成棒進(jìn)行組裝，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成金剛石實(shí)驗(yàn)。選取高溫高壓合成金剛石后葉蠟石的不同區(qū)域，測(cè)試其密度。圖1為葉蠟石合成塊經(jīng)高溫高壓作用后形成的多棱體示意圖及其各取樣分析點(diǎn)的位置。我們以高溫高壓作用后的葉蠟石合成塊為研究對(duì)象，分別在圖1中A、B、C、D、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q各點(diǎn)區(qū)域取樣。其中A點(diǎn)為葉蠟石高溫高壓后形成飛邊的頂角位置，B點(diǎn)為飛邊的中間位置，C點(diǎn)為葉蠟石平面上的中心位置，D點(diǎn)為葉蠟石平面上對(duì)角線的1／4位置處，F(xiàn)點(diǎn)為三頂錘接觸的葉蠟石靠近密封邊根部的位置，I點(diǎn)為葉蠟石塊對(duì)角線外邊緣位置，K點(diǎn)為從I點(diǎn)出發(fā)的對(duì)角線靠近白云石套管的位置，J點(diǎn)位于I、K 中間。L、M、N 和F、G、H 位置同I、J、K位置相似，只不過分別是靠近上頂錘的葉蠟石表面位置和靠近下頂錘的葉蠟石表面位置。O點(diǎn)為葉蠟石腔體最薄方向的外表面位置，以O(shè)為起點(diǎn)做平行于葉蠟石邊的直線OQ，Q靠近白云石套管，P為OQ的中間位置。每個(gè)取樣點(diǎn)各取3份樣品，用砂紙將各個(gè)取樣點(diǎn)的試樣打磨成規(guī)則的長(zhǎng)方體形，用游標(biāo)卡尺測(cè)出各樣品的長(zhǎng)、寬、高。通過測(cè)量精度為0.0001g的電子天平測(cè)量其質(zhì)量。再根據(jù)公式ρ＝m／v得到各個(gè)區(qū)域樣品的密度，取三次測(cè)試結(jié)果的平均值作為分析數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 葉蠟石塊經(jīng)過高溫高壓后形成的多棱體示意圖及其取樣點(diǎn)分布Fig.1 Multi－edge body of pyrophyllite after high temperature and high pressure and distribution of the testing areas

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為更直觀地看出各個(gè)方向的密度變化情況，以方便對(duì)比討論葉蠟石在不同流動(dòng)方向上的密度變化規(guī)律，根據(jù)表1各取樣點(diǎn)樣品所測(cè)得的密度，列出了葉蠟石不同流動(dòng)方向的密度變化（見表2）。

表1 高溫高壓作用后葉蠟石不同區(qū)域取樣點(diǎn)密度測(cè)量值Table 1 Densities of samples at different areas of the pyrophyllite after HT／HP

表2 葉蠟石不同流動(dòng)方向的密度變化Table 2 Density changes of different flow direction of pyrophyllite

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在葉蠟石塊對(duì)角線方向ρ（F）＞ρ（G）＞ρ（H），ρ（L）＞ρ（M）＞ρ（N），ρ（I）＞ρ（J）＞ρ（K），在葉蠟石腔體最薄方向上ρ（O）＞ρ（P）＞ρ（Q），其各方向測(cè)量點(diǎn)的密度都是由葉蠟石塊外面向內(nèi)部逐漸減小。說明葉蠟石在高溫高壓合成金剛石過程中，合成塊在同一水平面上始終有從外部向內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)，以便于合成過程的補(bǔ)壓。壓力由頂錘從葉蠟石外表面向葉蠟石層內(nèi)部傳遞過程中，葉蠟石結(jié)構(gòu)兩Si－O四面體與Al－O（OH）八面體層間滑移以及葉蠟石顆粒之間發(fā)生位移、轉(zhuǎn)動(dòng)存在內(nèi)摩擦力，特別是高壓作用下葉蠟石晶格被壓縮也會(huì)吸收一部分壓力，這些因素都會(huì)導(dǎo)致葉蠟石從外到內(nèi)傳壓時(shí)的壓力損失，壓力從外到內(nèi)逐漸減小，從而造成靠近硬質(zhì)合金頂錘面的葉蠟石密度高，而靠近合成腔體的內(nèi)層葉蠟石密度低。同時(shí)我們通過表2的測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這幾組方向的密度變化雖然有從葉蠟石外部向內(nèi)部由大變小的規(guī)律，但各個(gè)數(shù)據(jù)之間差距不是很大，密度變化小。這說明葉蠟石從外部到內(nèi)部壓力梯度也不是很大，說明葉蠟石的傳壓性能較好。

從表2的上述數(shù)據(jù)還可分析看出，在三組葉蠟石塊對(duì)角線方向的中間和內(nèi)部相應(yīng)點(diǎn)的密度變化規(guī)律相同，均為 ρ（G）＞ρ（M）＞ρ（J），ρ（H）＞ρ（K）＞ρ（N），與上、下頂錘接觸的相應(yīng)點(diǎn)的葉蠟石密度高，中間點(diǎn)的密度低。這與一般粉末體雙向壓制方式的密度分布規(guī)律相同［13］，說明合成塊在同一垂直平面內(nèi)也有從外部向內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)，亦即葉蠟石在金剛石合成過程始終有從外部向內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)。而三組葉蠟石塊對(duì)角線方向的頂角處相應(yīng)點(diǎn)的密度變化規(guī)律卻不同，ρ（F）＝ ρ（I）＞ρ（L），即下面頂角點(diǎn)的密度最小。這可能與上下頂錘的活塞重量造成的上下硬質(zhì)合金頂錘面接觸的葉蠟石的壓力差異有關(guān)。這一點(diǎn)可進(jìn)一步從ρ（G）＞ρ（M），ρ（H）＞ρ（K）中證實(shí)。據(jù)此，我們可基本判斷在同一垂直平面內(nèi)雖然葉蠟石也有從外部向內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)，但同時(shí)還存在從上向下流動(dòng)的趨勢(shì)。由于六面頂壓機(jī)上下頂錘壓力不對(duì)稱而造成的葉蠟石從上向下流動(dòng)的趨勢(shì)，可能會(huì)造成葉蠟石上部的密封邊與下部密封邊厚度差異，使葉蠟石上部密封邊可能成為葉蠟石高壓密封的最薄弱環(huán)節(jié)。這可能是金剛石合成過程中葉蠟石上部密封邊發(fā)生“放炮”幾率高的原因所在。

在與頂錘接觸的葉蠟石外表面對(duì)角線方向，由表2中的數(shù)據(jù)明顯可以看出ρ（F）＞ρ（D）＞ρ（C），似乎葉蠟石的流動(dòng)趨勢(shì)應(yīng)由葉蠟石密封邊根部流向葉蠟石外表面中心位置，實(shí)則不然，因?yàn)镕點(diǎn)靠近密封邊，而密封邊的另一端是自由端，壓力最低，密度也最低，這一點(diǎn)由ρ（F）＞ρ（A）可以看出，流動(dòng)趨勢(shì)應(yīng)該是從葉蠟石外表面中心流向頂角處。那么是什么原因造成葉蠟石頂角處密度ρ（F）最大呢？我們分析認(rèn)為這是在頂錘之間的葉蠟石密封邊已建立起高壓密封情況下造成的。因?yàn)樵谶@種情況下，葉蠟石腔體的補(bǔ)壓過程類似于一般粉末體雙向壓制過程［13］，頂錘錘面中心的葉蠟石向頂錘邊流動(dòng)，而此時(shí)密封邊已封住，阻礙了流過來的葉蠟石繼續(xù)向密封邊流動(dòng)，其結(jié)果造成頂錘面中心葉蠟石密度低而靠近密封邊處或頂角處附近的葉蠟石密度升高。

此外，我們也還發(fā)現(xiàn)在密封邊位置ρ（B）＞ρ（A），密封邊中部密度大于密封邊邊緣處密度，此時(shí)葉蠟石有從密封邊中部向頂角處流動(dòng)的趨勢(shì)。由此判斷葉蠟石頂角處的密封性最差，因而三頂錘接觸處的葉蠟石密封邊是葉蠟石高壓腔體的密封薄弱環(huán)節(jié)，腔體內(nèi)高溫氣體或液體特別容易通過該位置流出造成“放炮”。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)葉蠟石的流動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)葉蠟石塊的尺寸，保證葉蠟石塊向密封邊適量流動(dòng)，從而使葉蠟石腔體在建立起高壓密封的同時(shí)，又能使葉蠟石腔體因腔體內(nèi)部金剛石高壓合成中體積收縮可以通過外部補(bǔ)壓產(chǎn)生葉蠟石內(nèi)部的合理流動(dòng)。

3 結(jié)論

通過對(duì)高壓高溫作用后葉蠟石不同區(qū)域密度的測(cè)試分析，以及對(duì)葉蠟石在高溫高壓下流動(dòng)規(guī)律的研究，得出以下結(jié)論：

（1）高溫高壓合成金剛石的高壓建立以后，壓力在葉蠟石中傳遞時(shí)有一定損失，造成靠近硬質(zhì)合金頂錘的葉蠟石密度高，內(nèi)層葉蠟石密度低，葉蠟石有從外部向內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)。

（2）上下錘加熱時(shí)葉蠟石上部密度大于下部密度，這是六面頂壓機(jī)上下頂錘壓力不對(duì)稱而造成的，合成過程中葉蠟石有從上向下流動(dòng)的趨勢(shì)，這可能會(huì)造成葉蠟石上部的密封邊變薄、密封性能變差，從而導(dǎo)致葉蠟石上部密封邊發(fā)生“放炮”幾率增高。

（3）與頂錘接觸的葉蠟石表面中心位置密度小，三頂錘交點(diǎn)處密度大，葉蠟石表面有從中心位置向密封邊以及頂點(diǎn)流動(dòng)的趨勢(shì)。葉蠟石密封邊中部密度大于頂角處密度，密封邊有從中部向頂角處流動(dòng)的趨勢(shì)。因此葉蠟石頂角處的密封性最差，是葉蠟石高壓腔體的密封最薄弱環(huán)節(jié)，容易造成“放炮”。

（4）葉蠟石密度最高部位不是通常所認(rèn)為的與硬質(zhì)合金頂錘接觸的葉蠟石表面的中心位置，而是與三頂錘接觸的葉蠟石頂角位置附近區(qū)域。這是在頂錘之間的葉蠟石密封邊已建立起高壓密封情況下造成的。

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