【转贴】谈谈奥妙的‘碳’

天南

2．石墨石墨可分为天然石墨和人造石墨两类，都是铸造行业中广泛应用的材料。

石墨为六方层片状结晶，如图2所示。石墨质软（莫氏硬度2～3）、呈黑色、有光泽、并有润滑感。

（1）天然石墨天然石墨中有鳞片状石墨和微晶石墨两种。微晶石墨过去曾被称之为‘无定形石墨’或‘土状石墨’，这是完全不合适的，因为：即使是最细的粉状石墨，也是由结晶度很高的晶体构成的。1995年，由国家标准gb/t 3519－1995正名为‘微晶石墨’。

全世界天然石墨的储量约数亿吨。我国是天然石墨产量最大的国家，产地主要有湖南、内蒙、黑龙江、福建、广东、吉林等省（区）。俄罗斯、朝鲜、韩国、澳大利亚、墨西哥、马达加斯加、印度、斯里兰卡、加拿大和美国也都有高储量的天然石墨矿。值得特别提到的是，斯里兰卡出产的块状石墨是目前所知的纯度最高的天然石墨，其中的碳含量几乎接近100％。

通常开采得到的天然石墨中混有大量脉石和其他杂质，如要求品位较高，就需要用浮选法提取。先将矿料粉碎、加水研磨制成矿浆，再用石灰或碱将矿浆调成弱碱性，并加入水玻璃抑制脉石，然后用筛分设备将石墨从大量脉石中分离出来。最后，在浮选槽内加入煤油之类的捕集剂，再经离心分离和干燥，就可以得到含碳量为70～95％的石墨。

含碳量在95％以上的石墨，需用化学方法萃取，或加热到高温使其中的氧化物杂质分解、挥发。

天然石墨在铸造行业中主要用于制作各种耐火涂料和脱模剂，树脂粘结砂推广应用后，其用量已逐渐减少。

（2）人造石墨在高温和惰性气氛中，无定形碳可以转变为石墨。人造石墨也就是基于这一特点而制成的。先将富碳的碳质材料压制成形，然后加热到2500～3000℃、在非氧化性气氛中进行石墨化。石墨化可有直接法和间接法两种工艺。直接法是将已成形的碳质材料置于两电极之间，将其作为电阻，通电后为自身的石墨化提供热量。采用间接法时，成形的碳质材料本身不产生热量，由另外的热源将其加热。

人造石墨在铸造行业中应用很广，无论在铸钢厂、铸铁厂或有色合金铸造厂中都有用途。其品种繁多，不胜枚举，如电炉用的石墨电极、耐火材料、增碳剂、提高铸型刚度和加速金属冷却用的激冷块、制造石墨型用的原料块、坩埚、喷吹精炼用导气管等都是。

3．无定形碳无定形碳也是六方层片状结晶，与石墨不同之处在于六角形的配列不完整，而且层间距离略大。

常见的无定形碳材料有焦炭、木炭、炭黑、活性炭等。由于环境保护方面的考虑，木炭现已很少采用。

（1）炭黑炭黑主要用于橡胶工业，如轮胎橡胶中的增强添加剂，在这方面的用量几乎占炭黑总产量的90％以上。其余用于塑料行业以及制造墨水、墨粉、油墨等用途。

（2）活性炭活性炭有粉末状和颗粒状两种，其用途很广，如：油品的脱色和提纯，化学制品或天然产品的脱色，酒类、饮料和果汁的精制，空气的净化，汽车尾气的净化，各种气体的分离，污水的净化等。

（3）焦炭铸造行业是需要耗用大量焦炭的行业之一，主要用作冲天炉燃料。冲天炉熔炼铸铁用的焦炭称为‘铸造焦炭’，以区别于高炉炼铁所用的‘冶金焦炭’。两者虽然都是焦炭，但对其性能的要求却很大的差别。

高炉炼铁，虽然最终也将其熔成铁水出炉，但炼铁的主要过程是将矿石还原成铁。因此，要求炉内气氛为强还原性气氛，即co过量。为达到此目的，要求焦炭易于与o2或co2作用，生成co.用技术术语来说，即：要求焦炭具有很强的反应能力。

冲天炉熔炼铸铁时，主要过程是将金属炉料熔化并使铁水过热。因此，要求充分利用焦炭的热量，希望焦炭与鼓入炉内的空气充分作用产生co2，并尽可能地降低炉内气氛中的co含量，以便在炉内形成温度较高、范围较宽的高温带。为达到此目的，要求焦炭不易于与co2作用产生co.用技术术语来说，即：要求焦炭的反应能力低。

既然铸造焦炭应该是反应能力低的焦炭，与这一特点相应，就要求其孔隙率低、体积密度大、块度较大而且均匀。这些都是不同于冶金焦炭的。

4．特殊类型的碳质材料这类碳质材料的制造工艺，比制造石墨和无定形碳质材料制品的工艺复杂得多，主要用于某些特殊领域，此处只是简单地提及，以便读者略微有所了解。

（1）热解碳和热解石墨热解碳和热解石墨是使碳氢化合物气体在高温下分解，采用气相沉积技术制成的。在不同的制备条件下，可在很大范围内调整产物的特性。因而，可根据需要，合成各种不同结构的产品，如各相同性的结构、螺旋结构、柱状结构和各相异性的结构等，也可制成晶须。

各相同性的热解石墨具有良好的生物兼容性，可用作治疗心脏瓣膜的药物，可与碳化硅熔合制造人造器官。各相同性的热解石墨还可用于制造火箭的耐烧蚀防护罩。

各相异性的热解石墨，在晶格的层片方向具有很高的热导率，曾用于火箭头的前端、超音速飞机的机翼前沿。

（2）碳纤维碳纤维是高强度而且耐高温的纤维。用聚丙烯腈、粘胶纤维或沥青纤维为原料，先在空气中以较低的温度进行预氧化，然后在惰性气氛下于1500℃左右的高温下完成碳化。用碳纤维制造的增强塑料，质轻而强度高，还有耐高温、防辐射、耐腐蚀、耐潮等优点，是用于空间飞行器、海空军器材及化工设备的优良材料。

（3）玻璃态碳和泡沫碳玻璃态碳和泡沫碳的制备原理与碳纤维相似，只不过最终产品不是纤维而是成形固体或均匀的泡沫聚合物。

玻璃态碳是一种不可石墨化的、性质特殊的无定形碳，各相同性，既硬又脆。玻璃态碳的成形件不能太大，壁厚不宜超过5mm，否则无法使热解产物均匀释放出来。制品主要是坩埚、舟皿、反应管等。也可用于制造人体假肢。

泡沫碳也是不可石墨化的无定形碳，如主要的碳化作业控制得当，可保持其晶胞结构完整。

泡沫碳产品的密度可低于0.1g/cm2，热导率略高于泡沫塑料，但可在较高的温度下使用。

（4）石墨薄片和石墨膜石墨薄片和石墨膜是用高纯度天然石墨或具有良好各相异性性的热解石墨为原料制成的。先用发烟硫酸或硫酸与硝酸混合物予原料以氧化处理，再经水解、洗涤和干燥等工序，得到石墨氧化物。

制造石墨薄片时，将石墨氧化物快速加热到1000℃左右，使其热解成为多孔石墨，然后，不加粘结剂将其压制成为薄片。

将氧化石墨胶涂在光滑的平面上，在氢气气氛和500℃的温度下干燥后，再在2500℃以上进行碳化，就可以制得石墨膜。

石墨薄片和石墨膜都具有良好的韧性、耐蚀性和气密性，而且各相异性，可用作管道和容器的内衬以处理腐蚀性物质，也可作为高温炉的热反射屏蔽衬料。

三．铸铁和铸钢中的碳碳还有一种非常奇妙的特点，即：不溶于绝大多数的酸性或碱性溶液，而在熔融的液态铁中却有相当高的溶解度。同时，在常温下的固态铁中，碳的固溶度又很小。因此，铁水凝固、冷却时，溶于其中的碳就将因具体条件不同而以不同的形态析出：可以是质地柔软的石墨；也可以是硬度很高的碳化物。钢、铁中的石墨和碳化物又都可以有多种不同的形态、不同的数量。这样，‘碳’就可以使铸铁和铸钢的性能千变万化，说它非常奇妙一点也不过分。

影响碳自铁水和固态铁中析出的因素很多，如碳的含量、其他合金元素含量、冷却条件、各种特殊的铁水处理的方法和铸件的热处理方式等。铸造工作者的一项重要任务，就是在各方面创造适当的条件，控制碳的析出，使铸铁或铸钢具有所要求的性能。

古往今来，铸造行业中不知有多少仁人志士为认识‘碳’和控制‘碳’奉献了毕生精力，采用各种最新的科技成果对此进行研究和探索。回顾他们所取得的成就，真可说是硕果累累。正因为如此，历史悠久的铸造行业才能不断吸收各种新技术而与时俱进，保持长盛不衰。

铸钢中的碳与铸铁相比，碳在铸钢中的形态是比较简单的。除一种特殊的‘石墨钢’外，基本上都以碳化物的形态析出，不以石墨的形态析出。

石墨钢是含碳量相当高的过共析钢，经适当的热处理后，所含的碳一部分以石墨的形态析出，因而兼有铸钢和铸铁的性能。由于组织中含有游离石墨，是一种耐摩擦磨损的结构材料，曾用于制造曲轴、冲压模具等构件。近30年来，由于球墨铸铁和蠕墨铸铁生产工艺的进步和性能的改善，石墨钢的应用已经很少。

铁－碳合金中的碳化物是碳化铁（fe3c），通常称为‘渗碳体’，是具有复杂晶体结构的间隙化合物，硬度约950～1050 hv.渗碳体的晶体结构如图4所示，碳原子构成正交晶格，三个坐标轴间的夹角都是90°，三个晶格常数a＝45.235nm，b＝50.888nm， c＝67.431nm .每个晶胞中有12个铁原子、4个碳原子。每个碳原子周围都有6个铁原子构成八面体，而每个铁原子又为两个碳原子所共有。各八面体的轴彼此间都倾斜某一角度。

铸钢中除含碳以外，通常还含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，钢中除含有fe3c外，会因成分不同而含有其他元素的碳化物，如mn3c、cr3c、cr7c3、cr23c6、mo2c、moc、wc、w2c、vc、v4c3、tic、nbc 、nb4c3、zrc等。还可能形成各种复合碳化物，如fe mo2c6、fe4w2c、fe21w2c6、（fe，mn）3c、（fe，cr） 3c、fe4mo2 c、（fe，mo）3c 、（ni，co）4（mo，w）2 c等。

纯铁的熔点为1538℃，固态的铁有3种同素异晶体：从低温到910℃之间，为体心正立方晶格，称为α－铁；在910～1400℃之间，为面心正立方晶格，称为γ－铁；在1400℃以上，为体心正立方晶格，称为δ－铁。