跨越一甲子的“功勛壓機”

俗話說，沒有金剛鉆，攬不了瓷器活。千百年來，務實的我國先民把金剛鉆廣泛應用于瓷器加工等領域。

隨著工業化時代的到來，金剛鉆的應用場景越來越多，天然鉆石已經無法滿足需求。

1965年，中國第一臺鉸鏈式六面頂壓機在鄭州研制成功。這是我國第一臺具有完全自主知識產權的人造金剛石合成裝備。這臺裝備問世后，拉開了我國超硬材料產業化道路的序幕，該裝備問世后第一年就生產出了1萬克拉金剛石。

如今，這臺功勛裝備被保存在國機集團鄭州磨料磨具磨削研究所（簡稱“鄭州三磨所”），成為引領歷代科研人不懈奮斗的精神力量。

以此為起點，我國的人造金剛石產業快速發展，徹底改變了世界人造金剛石產業格局。來自中國機床工具工業協會超硬材料分會的數據顯示，我國人造金剛石產量占全球總產量的95%，已成為全球金剛石行業上下游產業的最大出口國。

點“石”成“金”

金剛石有極高的硬度和導熱性，在航空航天、國防軍工、高檔數控機床、芯片制造、汽車、石油與天然氣鉆井、地質勘探等國防、國民經濟和尖端科學技術領域都有廣泛應用。比如用于空間站宇航員的防輻射面罩，南水北調工程巨型盾構機的鉆頭等，人造金剛石相當于“工業的牙齒”，攬下一個又一個的“瓷器活”。

由于世界上天然金剛石資源十分稀少，且價格昂貴，因此各國科學家們紛紛投入人造金剛石的研究。20世紀60年代，我國在兩面頂壓機上研制成功了第一顆人造金剛石。

當時，我國工業剛起步，需要大量金剛石支撐工業發展。為了使人造金剛石的實驗室成果盡快實現產業化，1965年4月，經國家科委批準，第一機械工業部正式下達了“關于人造金剛石中間試驗計劃任務”。

記者從國機精工集團股份有限公司了解到，試驗由鄭州三磨所總負責。鄭州三磨所成立于 1958 年，起初名為鄭州磨料磨具研究所籌備處，1962年更名為機械工業部磨料磨具磨削研究所。中間試驗基地建在當時的鄭州三磨所，參與單位還有濟南鑄造鍛壓機械研究所和合肥通用機械研究院。

中國機床工具工業協會超硬材料分會秘書長孫兆達介紹，濟南鑄造鍛壓機械研究所負責研究制造符合金剛石合成條件的六面頂專用液壓機，合肥通用機械研究院負責研制硬質合金頂錘；三磨所除全面負責外，還負責合成工藝、原材料加工工藝、產品分選處理工藝和檢驗方法的研究。

為什么研發選擇六面頂壓機？而不是繼續使用兩面？據介紹，制造金剛石需要持續高溫高壓，密封不嚴會造成實驗失敗，從六個方向向中心匯聚，可以實現多面無縫隙加壓，六面頂壓機合成效率和成本上明顯優于兩面頂壓機。

選定了六面頂壓機的方向，研發人員對第一臺六面頂試驗樣機制定了設計要求：單缸壓力600t；工作液體壓力1500kg/cm2 ；具有半自動循環工作規范；單次循環時間30-45min；壓力腔內的最高壓力達7萬-10萬個標準大氣壓；壓力腔內的最高溫度達1600-2000℃；保壓時間30min；頂砧壽命達300次以上……

除此之外，設備要求頂砧的同步性要好，且須保證壓力腔的可靠密封。這一系列的設計要求，對研發人員來說是個極大的挑戰，必須要突破關鍵核心技術。

鄭州三磨所黨委副書記李超杰介紹，經過頑強拼搏，各兄弟單位共同努力研發的鉸鏈式六面頂壓機成功完成了安裝、調試，這是我國第一臺具有完全自主知識產權的人造金剛石合成裝備，也是老一輩科技工作者艱苦奮斗、開拓創新的真實寫照。

第一臺六面頂壓機研發出來后，當時的科技人員隨即轉入試驗樣機的同步、保壓、穩壓、頂砧試驗和溫度、壓力標定等工作。六面頂壓機面臨壓機的同步問題、對中問題、管接頭的漏油問題、工作缸的密封問題、液壓系統中各種閥件不正常運行問題、硬質合金頂砧由于受力不符合大質量支撐原理而嚴重破損問題等技術難題。時任研究室技術主任的王光祖介紹，每前進一步，都會有不同的困難，那種艱難局面若不身臨其境是很難體會到的。

1965年11月，我國自主研發的鉸鏈式六面頂壓機內，在超過1300℃和數萬倍大氣壓的條件下，比指甲還軟的石墨邊緣終于出現了亮晶晶的金剛石。這些金剛石正式向世人宣告，我國第一臺具有完全自主知識產權的人造金剛石合成裝備研制成功。

李超杰介紹，隨后的30年間，鉸鏈式六面頂壓機共合成金剛石約150萬次，為中國超硬材料產業化奠定了堅實的裝備基礎。

產業先驅

走進鄭州三磨所，當年的第一臺鉸鏈式六面頂壓機擺放在院內空曠處。支撐頂壓機的基石上，正面鐫刻了“功勛壓機”幾個大字，側面鐫刻了裝備的介紹。

李超杰告訴記者，時隔多年，這臺接上電源和設備仍可以正常生產。

據介紹，人造金剛石制作中，如果密封不嚴硬質合金壓砧會崩裂損毀，發出巨大的爆炸聲音，俗稱“放炮”，很多人的聽力和精神因此受到長久損傷。“放炮”產生的原因有很多種，除與裝置的同步精度、對中精度、鉸鏈梁的配合間隙精度等導致的主機形變的不規律有關以外，更重要的是與六面砧超高壓裝置中兩個相鄰的硬質合金壓砧間的夾角結構息息相關。

老一輩科技工作者沒有退縮，在各種可能原因里認真研究分析，試圖以變更原夾角結構為突破口，搬掉這只“攔路虎”。

經過對關鍵技術進行科學縝密的分析研究后，老一輩科技工作者在方錐頂砧的砧頭側面設計了一個小側面，使六面頂超高壓腔體具有楔密封作用。它把大質量支撐原理和側向支撐原理應用得淋漓盡致，為解決超高壓技術要解決的核心問題——密封問題和模具問題，提供了一個簡單有效的方法，同時降低了對傳壓介質的性能和設計的要求。

孫兆達介紹，這道技術難題的解決，不僅對六面砧裝置的正常運行起到了決定性作用，而且對超高壓技術發展作出了一大貢獻。在這臺專用液壓機上，還完成了“穩定金剛石合成工藝和原材料優選試驗”工作，開展了單晶大顆粒、聚晶大顆粒（PDC）研制以及立方氮化硼（CBN）等許多重大科研項目的探索和試驗研究，均取得良好成效。

第一臺鉸鏈式六面頂壓機成功投入生產后，全國掀起了一股“取經”熱潮。記者從鄭州三磨所獲悉，在黨中央號召科研院所“下樓出院、科研與生產相結合”的精神指引下，當年一機部通用所、鄭州三磨所和中科院物理研究所等科研單位的科技人員紛紛以“小分隊”形式深入工廠傳授經驗，或請進來“手把手”教、開辦培訓班。

王光祖說，無論是有一兩臺壓機的小作坊，還是有幾臺壓機的小型企業，都長途跋涉來鄭州學習經驗，“我不辱使命，把咱們三磨所的真經都送出去啦。”

據統計，鄭州三磨所為全國各兄弟單位培訓人員達400余人，推廣人造金剛石制造技術，一批以一機部系統為主的廠家紛紛搞起了人造金剛石，其中第六砂輪廠和上海砂輪廠率先形成規模化生產。1970年，全國人造金剛石產量已達24.5萬克拉，開啟我國人造金剛石產業化。

鄭州三磨所的一位科技老兵曾說，當時他參加了考驗壓機工作，組織金剛石生產。每天要完成計劃300多克拉金剛石，產值一萬元。如果因故拖延，加班也要完成。每天交接班時，他都會在本子上寫道：我今天又為國家創造了一萬元的財富。那時的自豪感真的無以言表。

孫兆達表示，面對困難，老一輩科技工作者全力克服，用技術報國，他們夜以繼日、廢寢忘食地拼搏，創造寶貴經驗和精神財富，是我們深入學習的榜樣。

砥礪前行

在繼承前人經驗的基礎上，經過一甲子的發展，新時代的六面頂壓機已成為靜壓法生產金剛石最廣泛采用的高溫超高壓設備。壓機的工作缸直徑已經由最初的230㎜發展到850㎜；6個工作缸壓力從6X6MN發展到6X50 MN。

記者在鄭州三磨所的生產車間看到，不同規格的六面頂壓機依次排列，安靜運行，可以生產不同大小的高純度金剛石。機體優化后運行更靈敏，為培育單晶大顆粒金剛石創造了得天獨厚的良好條件。

目前，鄭州三磨所已經成為中國人造金剛石業內主要生產企業之一。

隨著生產工藝不斷進步，產業鏈條持續拓展，全行業生產企業數量超5000家，總體形成“中上游材料集中，下游制品分散”的格局。

面對激烈的市場競爭，鄭州三磨所企管部部長張霖介紹，鄭州三磨所致力于超硬材料、超硬材料制品、行業專用生產裝備、檢測設備儀器的研發與生產。

據了解，繼成功研發出中國第一顆人造金剛石和立方氮化硼后，鄭州三磨所以電子信息、汽車、工具、航空航天、家用電器行業為目標，組織研發一系列具有“高、精、尖、專”特點的高速、高效、精密超硬材料制品，研發出的“高精度超薄超硬材料磨具”“汽車關鍵零件加工用高效陶瓷 CBN 磨具”“硅片減薄砂輪”“微孔陶瓷工作盤”“CNC 工具磨床配套用超硬材料砂輪”等多項高技術產品，改變了我國高檔精密超硬材料制品主要依靠進口的局面。

李超杰表示，六面頂壓機凝聚了機械制造行業艱苦奮斗、產業報國的崇高追求和使命擔當，成為企業的金名片。未來，鄭州三磨所將用現有制造技術，開展新型、超大型六面頂壓機及其關鍵零部件的研制，同步發展高溫高壓和MPCVD兩種工藝路線，進一步提高金剛石材料的應用屬性，以建設科技驅動的國際一流金剛石集團為愿景，堅守主責主業，在我國超硬材料前輩的研究基礎上，爭取早日邁入“碳時代”。