二、对两面顶与六面顶的再认识

笔者在多年前曾妄言：中国是生产金刚石的大国，金刚石产量占世界的90%。但中国不是生产金刚石的强国，中国金刚石行业的出路在发展两面顶技术。

(相关资料图)

十多年前，我们就开始了对两面顶模具的研究，为了研究两面顶模具，我们花了上百万元资金自行设计制造了一台60MN两面顶压机及配套模具，并进行了初步试验，但因为资金问题，现在处于停滞状态。但我们对两面顶的研究始终没有停止。

两面顶和两面顶本质上没有什么区别，压机制造不是问题，生产工艺大同小异。六面顶和两面顶的区别主要是在模具，模具的区别关键在高压腔的密封。两者的区别有两点：

1）由于六面顶顶锤侧面为45°角平面，两面顶的顶锤侧面是64°角的锥面，所以形成的密封面形状与受力状态不同。

2）六面顶密封是自动生成的，只要顶锤前面边长确定，密封就是固定模式，不可更改。两面顶压机的密封是“人为”设计添加的，既可改变顶锤、模具结构设计密封，也可改变密封本身材料、结构设计密封。

01、六面顶密封的研究

对于六面顶压机的压缩与密封，我国进行了大量研究。我国人造金刚石的奠基人之一陈启武教授研究得出：合成块最小初压缩量≤29%，密封棱厚度＜3.3mm，则不能生成金刚石。中国矿大研究得出，六面顶的叶腊石块和顶锤尺寸必须匹配。河南黄河经过对前边长为36 mm顶锤的大量试验得出：顶锤前边长36mm、叶腊石块为47.5×47.5×47.5mm时合成金刚石最佳，单产20～24克。边长增大到49mm时，不生成金刚石，并且易损坏顶锤。

对上述研究结果，都关系到“密封”。我们结合简图作以下解读：

1）合成块最小初压缩量≤29%，则不能生成金刚石。是指，叶腊石合成块在压缩时，最小压缩量必须达到29%以上，否则高压腔压力达不到5～6 GPa，所以不能生成金刚石。

2）密封棱厚度小于3.3mm，是指叶腊石块过小，挤流到密封缝隙内的叶腊石太少，密封棱厚度压缩至3.3mm时，不可再压缩，此时高压腔压力未达不到5～6 GPa.所以，同样不能生成金刚石。

3）河南黄河试验说明顶锤边长H确定后，叶腊石边长与顶锤边长H的比有一个最佳值U，此时金刚石单产最高、质量最好；随着U值增大和减小，金刚石单产量都会减小；大到一定值b，小到一定值a,则不再有金刚石生成。

4）中国矿大研究的叶腊石快和顶锤尺寸必须匹配，是指叶腊石合成块边长L与顶锤边长H的比例，必须既能保证高压腔的密封，又能保证压力达到5.5～6GPa。

5）综合第1、第4，保证高压腔的压力达到5.5～6GPa同时，密封棱厚度要大于3.3mm。我国在实践探索中，选择了顶锤边长与叶腊石块边长的对应关系。[page]

下表列出了我国各个年份六面顶顶锤边长、叶腊石块尺寸。

各个年代的H、L值，都是在当时条件下，经过无数次试验得出的。1996年后，比值U的平均值为1.279，并且随着H、L值增大，U值减小。但只要H值确定，只有一个最佳的L值与之匹配。也就是说，六面顶压机只要顶锤前边长确定，则最佳的L值确定，密封棱厚度及高压腔内的压力也确定。因而，六面顶生产金刚石的单产量、质量就受到了限制。

为了说明这个问题，我们先来分析一下两面顶和六面顶生产金刚石时的压缩过程。

对于六面顶，生产金刚石时，高压腔内压力的产生过程大致可分为3个阶段:

1）压机开始工作时,六个顶锤挤压传压介质,使部分传压介质分布到顶锤之间充当密封边,传压介质及密封边区域均以流动形变为主,这个过程腔体压力可达到约2GPa。

2）继续加压,密封边受到挤压且伴随少量流动而变薄，与此同时压腔体积也会变小,此过程只有少量传压介质流到顶锤之间充当密封边,压腔传压介质区域以弹性形变为主,密封边区域的弹性形变与流动形变同时存在,这个过程中，当压力升至4GPa(根据工艺要求）左右，开始升温至1450℃，压力再升至5.5GPa。

3）之后,进入“保压、保温”阶段。石墨开始转化为金刚石，由于金刚石的密度为3.5g/cm3，石墨的密度为2.2g/cm3。在石墨转化为金刚过程中高压腔体积缩小，由于密封边已经很薄且基本不再流动，传压介质及密封边均以弹性形变为主,(密封边材料的强度会随着压力的增大而增大),致使外部加载压力难以推动顶锤继续前进对压腔区域补充压力。外部加载大部分消耗在密封边区域,致使腔体压力基本不再增加，继续增加外部加载只会使顶锤碎裂。这也就是六面顶生产工艺控制“保压、保温”时间（金刚石生成和长大的时间）只能在10～15分钟的原因。这也限定了金刚石的粒度及单产量。

对于六面顶顶锤边长和叶腊石块边长的设计，在石墨合成柱直径小于φ40mm时，最初国内都采用L=H+12mm粗略计算，然后进行实际试验确定。对于大直径石墨柱，有文献提出了各种算法。我们根据高压压缩与密封的理论，以及过去的实际数据，推算出一个计算公式供设计者参考：

H=(L+5)/0.892

02、两面顶密封的研究

对于两面顶压机的压缩与密封，我国很少研究资料及试验数据。

实际上，两面顶压机的压缩过程同六面顶基本相同，所不同的是密封结构。除了密封角度不同外，六面顶的密封是自动生成的，两面顶压机的密封是“人为”设计添加的。

两面顶高压腔密封，是选择合适的密封材料或组合，结合压缸、顶锤结构，制作成锥筒型密封套。这种密封装置和六面顶密封不同的是，既能保证高压腔的密封与腔内压力，又能保证在生成金刚石体积缩小、压力下降时密封套可以继续压缩，使高压腔压力得到补充。[page]

上图是两面顶和六面顶的密封示意图。无论两面顶还是六面顶，高压腔压力达到5.5～6GPa,开始生成金刚石，由于石墨转化成金刚石体积缩小，高压腔压力就开始下降。顶锤在外力作用下，挤压密封边下行。在同样的外力作用下，对密封边产生的正压力N,两面顶和六面顶是不同的。

两面顶：

六面顶：

上式说明：在其他因素相同情况下，高压腔内石墨转化成金刚石体积缩小压力下降需要顶锤下行补压时，外力挤压密封边产生应变，两面顶是六面顶的1.424倍。因而两面顶“保压、保温”的稳定性更好、时间（金刚石生成和长大的时间）更长（在20～40分钟）。再加上密封结构与材料优选，就使得相同规格的两面顶生产金刚石的粒度及单产量是六面顶压机约1.5～2倍。

因此，两面顶模具的设计更重要的一个内容是密封设计。它直接关系到金刚石的产量、质量。

两面顶密封的具体设计设计方法将在后面叙述。

03、两面顶与六面顶密封的实例对比及两面顶密封创新

下面我们以6000吨两面顶和6×6000吨六面顶使用φ60×60石墨合成柱为例，解析两面顶与六面顶密封的区别。

六面顶叶腊石块边长90mm,体积729。两面顶叶腊石柱直径90mm,高90mm,体积572.26。

φ60×60石墨合成柱在制作压缩后体积为：169.56。重量为2.2g/×169.56=373g。

六面顶单产生成金刚石360～370ct,平均约73g，转化率为20%。两面顶单产生成金刚石约600ct,约120g，转化率为32%。

在石墨转化成金刚石生成过程中，每生成1g金刚石，体积缩小0.17。六面顶的石墨柱体积缩小73×0.17=12.41。两面顶的石墨柱体积缩小120×0.17=20.4。无论六面顶还是两面顶，在顶锤压缩叶腊石块到高压腔压力达到5.5～6GPa时，叶腊石块体积压缩约29～30%。

初压后六面顶叶腊石体积为：729×70%=510。初压后两面顶叶腊石体积为：572.2670%=400.6。之后，叶腊石块完全处于弹性压缩状态，生成金刚石时体积缩小和压力下降成正比。因此，若顶锤不继续行程补压，则高压腔压力下降为：

对于六面顶:(12.41/510)=0.0243。压力实际下降=5.5GPa×0.0243=0.128GPa。即使顶锤不能给高压腔补压，腔内仍能保持5.37GPa的压力。

对于两面顶：（20.4/400.6）=0.051。压力实际下降=5.5GPa×0.051=0.28GPa。即使顶锤不能给高压腔补压，腔内仍能保持5.22GPa的压力。

从以上数据分析，无论六面顶、两面顶，在生成金刚石过程中，即使顶锤不能给高压腔补压，腔内仍能继续生成金刚石（金刚石的质量会下降）。

但，事实是，当六面顶“保温、保压”到15分钟（生成金刚石360ct）时，两面顶“保温、保压”到30分钟（生成金刚石600ct）时，就不可继续生成金刚石，就必须卸压、停机。其根本原因是，再继续延时，顶锤的压力很少对高压腔压力起作用，主要作用在密封边上，延长金刚石生成时间，会使顶锤、高压缸损坏。[page]

如果能改变密封结构，使在金刚石生成过程中密封边可以被继续压缩，而又保证压缸的安全，顶锤不断前行给高压腔补压，保证高压腔压力稳定，不被密封边“限制”就太理想了。这也是我们后面要研究的《“无限压缩”设计》的概念及原因。

对两面顶而言，用“无限压缩”密封这个创新结构，将保持高压腔压力稳定、延长金刚石生成时间，提高石墨--金刚石转化率（六面顶很难做到这一点），甚至达到100%转化，这是提高金刚石产量、质量的最佳途径。这比一味追求压机大型化要科学、经济的多。

我们在后面《两面顶超高压模具的研究与设计》中给出了两种“无限压缩”设计方案供参考。

04、六面顶与两面顶的发展前景

五十多年来，六面顶的发展用一句话说，就是大型化。从1965年制造6×6MN压机，到现在制造出6×62MN压机。合成腔体从φ18，发展到φ60，单产由十几克拉增加到360克拉，转化率达到20%。并且大型化使金刚石质量不断提高。无疑，六面顶今后仍然是继续大型化。朝着6×80MN、6×100MN发展。现在已有的6×60MN六面顶，压机液压缸直径为1000mm,石墨合成柱为φ60×60，单产360克拉。整机重量已达300吨，高度达7米以上。再继续大型化，重量、体积将更加庞大。制造、安装、运输、操作、维修将更加困难，制造、使用成本也随之增大。

类似功能的60MN两面顶，石墨合成柱为φ60×60，单产600～1000克拉。整机重量约100吨。高度约为4.5米。由于两面顶结构简单，易于大型化。有报道，欧美两面顶已经有80MN、100MN、2000MN，甚至3000MN机型。

我们再重复一下中国两面顶的状况。当初，我们自制的25MN两面顶、引进的30MN、60MN两面顶都已经能够稳定地生产高质量的金刚石产品，所以生产工艺技术不是问题。仅仅是因为我们制造不了硬质合金高压缸，致使两面顶退出。典型的例子是北京远东恒嘉，其前身是河北八达稳德、涿州远东，引进德国Winter公司六台60MN两面顶，曾经生产出高质量金刚石及大直径复合片，并出口欧洲。但终因国内制造不了高压模具，进口模具价格高昂而被迫停产。以上所述是2005年以前的情况。当时我们制造不了高压模具主要原因是受硬质合金的制约。两面顶模具的核心是硬质合金压缸，单个重量大，25MN压机需要用30～50kg/个，60MN压机需要用120～150kg/个，当时我国硬质合金生产企业的制造技术能力解决不了，所以造成大型的两面顶压机引进的失败。2005年以后，两面顶继续遭冷遇的原因，则是由于六面顶的快速进步，人造金刚石企业经济效益井喷，没有人再关注两面顶的发展。期间，我国硬质合金生产企业的制造技术能力不断提高，现在已具备了生产高压缸的能力。因而，现在重新重视两面顶的发展是必要的。[page]

我们认为，两面顶压机高压模具的突破，将改变我国金刚石生产装备的结构，两面顶重新进入金刚石行业是早晚的事。两面顶终将成为主力。

中国人造金刚石装备会有一个这样的过程：以六面顶为主力，两面顶重新进入——六面顶、两面顶并存——以两面顶为主力。金刚石产量增加、质量提高。使我国从金刚石生产大国转变为真正的金刚石制造强国。

参考资料：

1、《中国人造金刚石装备的发展与两面顶超高压模具研究及设计》杨春旺，杨晓军

2、郑州千磨官网

3、磨料磨具网