3.3　高压设备介绍

20世纪50年代中期，美国和瑞典分别利用高压技术成功制取了金刚石。随后越来越多的超硬材料（如金刚石和立方氮化硼）等实现了人工合成，促进了高压技术的迅速发展，拓宽了超硬材料研究和发展的新领域，使其成为一项很有发展的新技术。人造金刚石是高压技术发展最辉煌的成果。

随着人造金刚石的发展，合成金刚石的高压设备不断更新。其中静态高温高压合成装置发展最快，结构形式各样，由最初的活塞缸式装置发展到压砧式，由两面顶压机发展到多面顶压机，压机缸径也由原来的φ400、φ460增大到φ600、φ650。

中国超硬材料发展的初期，广泛采用的是两面顶和四面顶压机。直至1965年，郑州磨料磨具磨削研究所成功发明并安装了六面顶压机。四面顶压机逐渐退出市场，两面顶压机和六面顶压机成为了超高压合成金刚石的两种主力装备，在超高压产品生产中具有不可替代的作用。下面对这两种压机做一简单描述。

3.3.1　两面顶压机

两面顶压机只有一个液压源，又称为单压源压机。它是由上下两个油缸中的活塞推动相应的硬质合金顶锤向反应腔体两面施加静态压力，进行高温高压合成、相平衡或物理性能测试的装置（如图3-11所示），主要由主机、副机、液压系统、加热系统四部分组成。它能够产生4～10GPa压力，2770K左右的高温。人类所获得的第一颗人造金刚石便是由两面顶压机生产出来的。

两面顶压机有不同的分类方式。①按主油缸的位置不同，可分为上动式和下动式压机，主油缸位于机架的上端称为上动式，主油缸位于机架的下端则称为下动式。目前所生产的大部分都是下动式两面顶压机。②按主机机架的结构形式可分为梁柱式、钢丝缠绕式和框架式，常见的板块式和叠板式都属于框架式。但无论哪种机架都可以分为非预应力承载机架和预应力承载机架。

两面顶压机主机的主要部件为机架、活动梁、主油缸、回程缸以及上、下工作台等。副机是两面顶压机中的重要部分，安装在主机的一侧，主要配合主机完成各种工作程序。副机的结构要尽量灵活、简单、轻便，以提高工作效率。

两面顶压机的液压系统是整个压机的动力源，主要由油泵、油箱、管路、阀及油缸等部分组成。它的主要特点是系统压力和压力精度非常高，高压场的压力和温度集中、稳定可控。但受压机机架和模具的尺寸限制，两面顶压机的油缸一般不会很大。为了获得所需高压，通常采用加大系统油压的方法。对于人造金刚石压机来说，一般采用50～100MPa的额定压力。

整个液压系统分为中低压液压回路和超高压升压保压回路两部分，共同完成主机的各项工作程序。其中，中低压液压回路主要完成主缸的升降运动，超高压升压保压回路则负责完成升压、保压及泄压的控制。超高压回路由小流量的超高压泵直接供油。

两面顶压机为单液源压机，油缸设置在机架内的下部，这种结构便于使用加大直径的油缸，降低油缸的工作压力，延长油缸的维修周期。整体主机结构也简单得多，主机系统维修率低。两面顶压机的模具系统是整个装置的关键部分，为保证压缸在高压下长期使用，必须采用多层钢环或多层钢环加扁钢丝缠绕对模具中的硬质合金压缸进行保护，模具部分既要保证对压缸有足够的刚性支撑，又要保证压缸高压时的弯曲变形尽量小，否则压缸寿命极短，其模具设计计算和制造非常严格，对各配件硬度和尺寸要求极高。

两面顶压机的顶锤和压缸之间有卡具和密封碗的导向，对中精度高，装卸料简单，自动化容易实现。

硬质合金压缸受拉应力和弯曲应力影响，必须要有高的硬度和有一定韧性，生产难度极大，生产成本高，而且整体寿命短，硬质合金消耗大。

两面顶压机采用上下加压方式，水平方向的压力则是由模具限制合成块横向变形而产生的，易形成压力梯度。为了减小压力梯度，通常在合成金刚石时需在合成腔体中加盐管，这样不仅会减小合成腔体的体积，还会造成技术控制难度高，容易导致“放炮”现象。在合成过程中两面顶压机的顶锤需要更大的冲程，密封边长，升压和卸压速度很慢，单位合成次数浪费时间多。

3.3.2　六面顶压机

六面顶压机的种类繁多，但目前专门用于合成超硬材料（人造金刚石、立方氮化硼等）的超高压专用设备主要是铰链式六面顶压机，如图3-12（a）所示。现如今，中国人造金刚石的产量已达全世界的80%左右，主要是由铰链式六面顶压机生产出来的。

铰链式六面顶压机由主机、增压器（或超高压泵）、液压系统、电器控制系统及电加热装置等部分构成，结构紧凑，简单灵活。下面将主要介绍铰链式六面顶压机的典型部件。

（1）主机

六面顶压机的主机由机座、工作缸、铰链梁、活塞等部分构成，整体采用铰链连接。十二根销杆把六个铰链梁连接形成正六面体的机架，在六个铰链梁内分别安装六个工作缸，推动六个钉锤运动，钉锤通过缸环和大、小垫块连接在活塞的前部，活塞前端安装限位螺母，以调节活塞的位置。

六面顶压机的特点是主机能从六个方位同时向合成块施加压力[如图3-12（b）所示]，形成一个正六面体且各点受压比较均匀的超高压腔。这种结构有利于金刚石晶体的形核和长大。由于超高压腔呈正六面体形状，固容积比较大，能获得较高产量的金刚石。合成腔体加热以电加热的方式实现，使超高压腔内产生合成金刚石所需的高温。工作油压是通过增压器建立起来的100～150MPa超高压进行工作。机器总体结构较紧凑，体积小，重量轻，操作方便，生产效率高，适用于超硬材料工业化生产，也适用于其他工艺的研究。

（2）增压器

增压器是高压设备中产生液压系统所需的超高压的设备，主要由上下两个缸体、法兰盘、活塞等部分组成，上面直径较小的缸体称为超高压缸，下面直径较大的缸体称为增压缸，增压比一般为10∶1左右。其原理就是利用增压器上下腔活塞两端面积的比例使油压成比例增大，一般活塞两端面积比为10∶1。也就是说当活塞面积大的一端产生1倍高压油压强，活塞面积小的一端将会产生10倍的高压油压强。

（3）液压系统

液压系统与电气控制系统的配合，使机器能完成半自动、分段、调整三种工作循环。工作循环通过操作控制台上的开关进行选择。液压系统按油路不同可分为主油路和控制油路。其中主油路又分为高压油路和超高压油路，以超高压可控操纵单向阀为界限。

液压传动过程中的同步性是靠在各个缸体的起始容积和可压缩性相同的情况下，保证等量的供液来实现的。除此之外，为了保证同步性的精度，还要确保液压系统中油液未混入空气，因为空气严重影响油液的可压缩性，使六缸产生明显的不同步现象。因此，要求液压系统的密封性要相当好，日常维护时要特别防止空气的进入。

六面顶压机的液压系统采用六缸同步加压，液压系统结构复杂，维修率高。主机的六个铰链梁的设计和加工是主机部分的关键，主机部分容易出现的问题是：铰链梁断裂、油缸拉伤、兜底断裂。

高压腔体的形成主要靠六个顶锤挤压，顶锤系统主要由一个钢环和大小两个垫块组装而成，结构简单，便于组装和维修；合成过程中顶锤主要承受压应力，单位成本硬质合金消耗比两面顶压机少得多，合成成本低。

顶锤的对中性完全依赖手工调整，操作复杂，难以实现生产的自动化，但各种配件的材质和硬度要求较低，便于加工和维修。合成中顶锤前进冲程小，升压和卸压速度快，生产效率高。