历史钩沉 | 跨越一甲子的“功勋压机”

文 · 本刊记者 曹婷

《 国资报告》杂志2024年第9期

俗话说，没有 金刚钻，揽不了瓷器活。千百年来，务实的我国先民把金刚钻广泛应用于瓷器加工等领域。

随着工业化时代的到来，金刚钻的应用场景越来越多，天然钻石已经无法满足需求。

1965年，中国第一台铰链式六面顶压机在郑州研制成功。这是我国第一台具有完全自主知识产权的人造金刚石合成装备。这台装备问世后，拉开了我国 超硬材料产业化道路的序幕，该装备问世后第一年就生产出了1万克拉 金刚石。

如今，这台功勋装备被保存在国机集团郑州磨料磨具磨削研究所（简称“郑州三磨所”），成为引领历代科研人不懈奋斗的精神力量。

以此为起点，我国的人造金刚石产业快速发展，彻底改变了世界人造金刚石产业格局。来自中国机床工具工业协会超硬材料分会的数据显示，我国人造金刚石产量占全球总产量的95%，已成为全球金刚石行业上下游产业的最大出口国。

一

点“石”成“金”

金刚石有极高的硬度和导热性，在航空航天、国防军工、高档数控机床、芯片制造、汽车、石油与天然气钻井、地质勘探等国防、国民经济和尖端科学技术领域都有广泛应用。比如用于空间站宇航员的防辐射面罩，南水北调工程巨型 盾构机的钻头等，人造金刚石相当于“工业的牙齿”，揽下一个又一个的“瓷器活”。

由于世界上天然金刚石资源十分稀少，且价格昂贵，因此各国科学家们纷纷投入人造金刚石的研究。20世纪60年代，我国在两面顶 压机上研制成功了第一颗人造金刚石。

当时，我国工业刚起步，需要大量金刚石支撑工业发展。为了使人造金刚石的实验室成果尽快实现产业化，1965年4月，经国家科委批准， 第一机械工业部正式下达了“关于人造金刚石中间试验计划任务”。

记者从国机精工集团股份有限公司了解到，试验由郑州三磨所总负责。郑州三磨所成立于 1958 年，起初名为郑州磨料磨具研究所筹备处，1962年更名为机械工业部磨料磨具磨削研究所。中间试验基地建在当时的郑州三磨所，参与单位还有济南铸造锻压机械研究所和 合肥通用机械研究院。

中国机床工具工业协会超硬材料分会秘书长孙兆达介绍，济南铸造锻压机械研究所负责研究制造符合金刚石合成条件的六面顶专用 液压机，合肥通用机械研究院负责研制 硬质合金顶锤；三磨所除全面负责外，还负责合成工艺、原材料加工工艺、产品分选处理工艺和检验方法的研究。

中国第一台铰链式 六面顶压机

为什么研发选择六面顶压机？而不是继续使用两面？据介绍，制造金刚石需要持续高温高压，密封不严会造成实验失败，从六个方向向中心汇聚，可以实现多面无缝隙加压，六面顶压机合成效率和成本上明显优于两面顶压机。

选定了六面顶压机的方向，研发人员对第一台六面顶试验样机制定了设计要求：单缸压力600t；工作液体压力1500kg/cm2 ；具有半自动循环工作规范；单次循环时间30-45min；压力腔内的最高压力达7万-10万个标准大气压；压力腔内的最高温度达1600-2000℃；保压时间30min；顶砧寿命达300次以上……

除此之外，设备要求顶砧的同步性要好，且须保证压力腔的可靠密封。这一系列的设计要求，对研发人员来说是个极大的挑战，必须要突破关键核心技术。

郑州三磨所党委副书记李超杰介绍，经过顽强拼搏，各兄弟单位共同努力研发的铰链式六面顶压机成功完成了安装、调试，这是我国第一台具有完全自主知识产权的人造金刚石合成装备，也是老一辈科技工作者艰苦奋斗、开拓创新的真实写照。

第一台六面顶压机研发出来后，当时的科技人员随即转入试验样机的同步、保压、稳压、顶砧试验和温度、压力标定等工作。六面顶压机面临压机的同步问题、对中问题、管接头的漏油问题、工作缸的密封问题、 液压系统中各种阀件不正常运行问题、硬质合金顶砧由于受力不符合大质量支撑原理而严重破损问题等技术难题。时任研究室技术主任的王光祖介绍，每前进一步，都会有不同的困难，那种艰难局面若不身临其境是很难体会到的。

1965年11月，我国自主研发的铰链式六面顶压机内，在超过1300℃和数万倍大气压的条件下，比指甲还软的 石墨边缘终于出现了亮晶晶的金刚石。这些金刚石正式向世人宣告，我国第一台具有完全自主知识产权的人造金刚石合成装备研制成功。

李超杰介绍，随后的30年间，铰链式六面顶压机共合成金刚石约150万次，为中国超硬材料产业化奠定了坚实的装备基础。

二

产业先驱

走进郑州三磨所，当年的第一台铰链式六面顶压机摆放在院内空旷处。支撑顶压机的基石上，正面镌刻了“功勋压机”几个大字，侧面镌刻了装备的介绍。

李超杰告诉记者，时隔多年，这台接上电源和设备仍可以正常生产。

据介绍，人造金刚石制作中，如果密封不严 硬质合金压砧会崩裂损毁，发出巨大的爆炸声音，俗称“放炮”，很多人的听力和精神因此受到长久损伤。“放炮”产生的原因有很多种，除与装置的同步精度、对中精度、铰链梁的配合间隙精度等导致的主机形变的不规律有关以外，更重要的是与六面砧超高压装置中两个相邻的硬质合金压砧间的夹角结构息息相关。

老一辈科技工作者没有退缩，在各种可能原因里认真研究分析，试图以变更原夹角结构为突破口，搬掉这只“拦路虎”。

经过对关键技术进行科学缜密的分析研究后，老一辈科技工作者在方锥顶砧的砧头侧面设计了一个小侧面，使六面顶超高压腔体具有楔密封作用。它把大质量支撑原理和侧向支撑原理应用得淋漓尽致，为解决 超高压技术要解决的核心问题——密封问题和模具问题，提供了一个简单有效的方法，同时降低了对传压介质的性能和设计的要求。

孙兆达介绍，这道技术难题的解决，不仅对六面砧装置的正常运行起到了决定性作用，而且对超高压技术发展作出了一大贡献。在这台专用液压机上，还完成了“稳定金刚石合成工艺和原材料优选试验”工作，开展了 单晶大颗粒、聚晶大颗粒（PDC）研制以及 立方氮化硼（CBN）等许多重大 科研项目的探索和试验研究，均取得良好成效。

第一台铰链式六面顶压机成功投入生产后，全国掀起了一股“取经”热潮。记者从郑州三磨所获悉，在党中央号召科研院所“下楼出院、科研与生产相结合”的精神指引下，当年一机部通用所、郑州三磨所和中科院物理研究所等科研单位的科技人员纷纷以“小分队”形式深入工厂传授经验，或请进来“手把手”教、开办培训班。

郑州磨料磨具磨削研究所有限公司车间

王光祖说，无论是有一两台压机的小作坊，还是有几台压机的小型企业，都长途跋涉来郑州学习经验，“我不辱使命，把咱们三磨所的真经都送出去啦。”

据统计，郑州三磨所为全国各兄弟单位培训人员达400余人，推广人造金刚石制造技术，一批以一机部系统为主的厂家纷纷搞起了人造金刚石，其中第六砂轮厂和上海砂轮厂率先形成规模化生产。1970年，全国人造金刚石产量已达24.5万克拉，开启我国人造金刚石产业化。

郑州三磨所的一位科技老兵曾说，当时他参加了考验压机工作，组织金刚石生产。每天要完成计划300多克拉金刚石，产值一万元。如果因故拖延，加班也要完成。每天交接班时，他都会在本子上写道：我今天又为国家创造了一万元的财富。那时的自豪感真的无以言表。

孙兆达表示，面对困难，老一辈科技工作者全力克服，用技术报国，他们夜以继日、废寝忘食地拼搏，创造宝贵经验和精神财富，是我们深入学习的榜样。

三

砥砺前行

在继承前人经验的基础上，经过一甲子的发展，新时代的六面顶压机已成为静压法生产金刚石最广泛采用的高温超高压设备。压机的工作缸直径已经由最初的230㎜发展到850㎜；6个工作缸压力从6X6MN发展到6X50 MN。

记者在郑州三磨所的生产车间看到，不同规格的六面顶压机依次排列，安静运行，可以生产不同大小的高纯度金刚石。机体优化后运行更灵敏，为培育单晶大颗粒金刚石创造了得天独厚的良好条件。

目前，郑州三磨所已经成为中国人造金刚石业内主要生产企业之一。

随着生产工艺不断进步，产业链条持续拓展，全行业生产企业数量超5000家，总体形成“中上游材料集中，下游制品分散”的格局。

面对激烈的市场竞争，郑州三磨所企管部部长张霖介绍，郑州三磨所致力于超硬材料、超硬材料制品、行业专用生产装备、检测设备仪器的研发与生产。

据了解，继成功研发出中国第一颗人造金刚石和立方氮化硼后，郑州三磨所以电子信息、汽车、工具、航空航天、家用电器行业为目标，组织研发一系列具有“高、精、尖、专”特点的高速、高效、精密超硬材料制品，研发出的“高精度超薄超硬材料磨具”“汽车关键零件加工用高效陶瓷 CBN 磨具”“硅片减薄砂轮”“微孔陶瓷工作盘”“CNC 工具磨床配套用超硬材料砂轮”等多项高技术产品，改变了我国高档精密超硬材料制品主要依靠进口的局面。

李超杰表示，六面顶压机凝聚了机械制造行业艰苦奋斗、产业报国的崇高追求和使命担当，成为企业的金名片。未来，郑州三磨所将用现有制造技术，开展新型、超大型六面顶压机及其关键零部件的研制，同步发展高温高压和MPCVD两种工艺路线，进一步提高金刚石材料的应用属性，以建设科技驱动的国际一流金刚石集团为愿景，坚守主责主业，在我国超硬材料前辈的研究基础上，争取早日迈入“碳时代”。

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