自然界最硬的物質(zhì)——金剛石，是碳的同素異形體，也就是我們常說的高貴的鉆石，集硬度大、光學(xué)透明性、熱傳導(dǎo)性、電絕緣性、耐高壓和抗風(fēng)化等性能與一體，廣泛應(yīng)用與機(jī)加工刀具、光學(xué)材料、半導(dǎo)體及電子器件及首飾等。

       我國于1963年開始合成金剛石，截至2017年底，我國人造金剛石產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的90%以上，且近年來質(zhì)量已達(dá)到國際先進(jìn)水平。我國人造金剛石產(chǎn)量、質(zhì)量的成就，歸功于3大技術(shù)進(jìn)步：六面頂壓機(jī)的大型化、硬質(zhì)合金頂錘的優(yōu)質(zhì)化、粉末觸媒和間接加熱工藝（粉狀工藝）的工業(yè)化。

       一.  我國合成金剛石關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步

       工業(yè)合成金剛石，國內(nèi)外基本上采用高壓高溫靜態(tài)法，其工藝流程如下圖所示。

▲合成金剛石的工藝流程

       我國從人造金剛石誕生起的近40年內(nèi)，基本采用片狀工藝(片狀觸媒和直接加熱的合稱)合成金剛石。90年代初開始研究粉狀工藝，經(jīng)10年的努力，2001 年開始工業(yè)生產(chǎn)，由于其產(chǎn)出率和質(zhì)量均優(yōu)于片狀工藝，2005年在全行業(yè)迅速推廣應(yīng)用。粉狀工藝的應(yīng)用、合成壓機(jī)的大型化、合金頂錘的有力支撐，大大推動了中國金剛石邁向世界先進(jìn)水平的發(fā)展。

       二.  合成壓機(jī)的大型化

       1. 中國特色的鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)

       我國采用互成90°的三軸向壓力機(jī)，這種六面頂壓機(jī)，靠鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載三軸向壓力，下圖為鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)的實(shí)物圖和截面圖。

▲鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)

       六面頂壓機(jī)的發(fā)展，不僅表現(xiàn)在噸位的增大，而且在油缸結(jié)構(gòu)、整機(jī)精度、控制等方面有了明顯進(jìn)步。從油缸結(jié)構(gòu)看，從最早的法蘭支撐結(jié)構(gòu)-通底結(jié)構(gòu)，逐步向底支撐-兜底結(jié)構(gòu)及雙支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。從精度看，壓機(jī)的對中精度則通過鉸鏈梁耳孔軸線與工作缸孔軸線之距離尺寸精度為主導(dǎo)的鉸鏈梁加工精度與穿裝銷軸的裝配精度來控制。

▲油缸結(jié)構(gòu)的演變

       2.  無缸壓機(jī)的崛起

       所謂無缸壓機(jī)，是把原裝配在鉸鏈梁內(nèi)的高壓油襯缸去掉，使活塞直接與鉸鏈梁配合的壓機(jī)。即，有襯缸的是缸梁結(jié)合結(jié)構(gòu)有缸壓機(jī)，無襯缸的是缸梁一體結(jié)構(gòu)的無缸壓機(jī)。無缸壓機(jī)去掉了襯缸，即可去掉 6 個(gè)高強(qiáng)合金鋼襯缸的材料、加工、熱處理費(fèi)用，大大降低壓機(jī)造價(jià)，而且可在鉸鏈梁尺寸相同的情況下，增大活塞的尺寸，增大壓機(jī)的噸位，或是在噸位不變的情況下，降低油壓壓力。這些優(yōu)點(diǎn)使無缸壓機(jī)近年倍受青睞。

       ▲有缸壓機(jī)和無缸壓機(jī)的對比

       三.  硬質(zhì)合金頂錘的質(zhì)量提升

       中國硬質(zhì)合金頂錘從最早用的不足 3 kg 發(fā)展到現(xiàn)今50 kg左右，是壓機(jī)大型化的促進(jìn)，也是硬質(zhì)合金技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。伴隨頂錘直徑的加大，錘耗卻大幅下降。錘耗的下降，意味著金剛石生產(chǎn)成本的下降。這緣于：一是盡管頂錘尺寸加大，但頂錘本身質(zhì)量卻有了很大提高；二是壓機(jī)各性能參數(shù)的改善，諸如對中性、同步性、油壓穩(wěn)定性的提高和程序控制的應(yīng)用，均改善了頂錘的服役狀況，有助于頂錘使用壽命的提高；三是粉狀工藝的應(yīng)用。

▲硬質(zhì)合金頂錘

       四.  粉末工藝的工藝應(yīng)用

       中國合成金剛石前 40 年，基本采用片狀工藝，2005 年整個(gè)行業(yè)改用粉狀工藝。其區(qū)別是合成塊的組裝結(jié)構(gòu)不同，如下圖所示。

▲片狀工藝和粉狀工藝的組裝示意圖

       片狀工藝是石墨片和觸媒片交替疊放在高壓傳壓介質(zhì)的葉蠟石組成的合成腔體中，靠兩端的導(dǎo)電帽將大電流引入石墨片和觸媒片，依靠其自身的電阻加熱，即所謂的直接加熱工藝。而粉狀工藝是石墨粉和觸媒粉的混合粉，冷壓成合成塊，隨后脫氧處理，處理后的合成塊裝入葉蠟石的合成腔體中，靠兩端導(dǎo)電帽將大電流引入纏繞在合成塊周圍的碳質(zhì)之類的薄件發(fā)熱體上，在合成塊周圍形成 1個(gè)加熱爐，來加熱中間的合成塊。這一變化是中國合成金剛石的一大技術(shù)進(jìn)步，使金剛石性價(jià)比大幅提高。

       小結(jié)

       中國人造金剛石，在改革開放大背景下，伴隨合成壓機(jī)的大型化、硬質(zhì)合金頂錘的優(yōu)質(zhì)化、粉狀觸媒和間接加熱工藝的工業(yè)化的技術(shù)進(jìn)步，其產(chǎn)量連續(xù)多年年穩(wěn)居世界第1位，其質(zhì)量趕上世界先進(jìn)水平。這不能不說是中國制造業(yè)的一大驕傲！

       但業(yè)界也清醒看到，這一驚人成就是指合成單晶金剛石而言，特別是指鋸切、鉆進(jìn)用單晶金剛石而言，合成多晶金剛石復(fù)合片，合成大顆粒乃至寶石級金剛石，中國近年盡管有了長足進(jìn)步，但與世界先進(jìn)水平相比，差距仍大，而多晶金剛石復(fù)合片正是金剛石從加工硬脆類非金屬材料，比如石材、混凝土、瀝青等，跨入加工新型高強(qiáng)韌性難加工金屬材料和貴重材料，比如鈦合金、高溫合金、半導(dǎo)體材料等，在某些加工性能上，優(yōu)于硬質(zhì)合金的先進(jìn)加工材料。

       從工業(yè)用單晶金剛石升級到多晶及特殊單晶金剛石，仍需努力，從金剛石大國變?yōu)榻饎偸瘡?qiáng)國，仍需時(shí)日。