增碳剂对刹车盘灰铸铁D、E型石墨形态的影响曹玉亭王文胜尹昊（烟台胜地汽车零部件制造有限公司，山东烟台264006）摘要：详细地探讨在中频电炉熔炼中主要原材料（增碳剂）对刹车盘灰铸铁组织和性能的影响，铸铁的组织在一定程度上受到原材料的影响，当由一种原材料换成另一种原材料时，虽然铁液的化学成分（碳，硅，锰，磷，硫等）并未改变，但铸铁的组织，包括石墨化程度，白口倾向以及石墨形态和基体组织等都发生了某种变化。碳及晶体石墨增碳剂材料特性碳在常压下的熔点为3550℃，沸点为4194℃,3500℃开始升华，是熔点最高的元素。具在高温下不发生晶体变化，几乎不软化，不变形。碳的同素异构体有无定形碳，石墨和金刚石。不同的结构密度是不同的，无定型碳的密度约为1.98g/cm2，石墨密度约为2.39g/cm2，金刚石密度约3.5g/cm2，性能差别大。含碳晶体有一重要的特点是在无氧条件下加热，晶体结构会更完整，更紧密的状态转变。无定形碳，如焦炭、木炭、炭黑等。无定形碳在高温作用下可转变为石墨，石墨在高温、高压作用下可转变为金刚石。1.1.碳质材料碳质材料是由碳元素组成的一类非金属材料。由于晶体结构和层片配列的变化。可以衍生出品种繁多的同素异构体，所有的同素异构体，在晶体结构上都是以金刚石或石墨为基础的。1.1.1.金刚石金刚石晶体属等轴晶系,原子晶格为面心正立方,原子间距为0.154nm,是碳的同素异构体中原子排列最紧密的一种。金刚石是莫氏硬度值为10。1.1.2.石墨石墨为六方层片状结晶，（见图1）石墨质软（莫氏硬度2～3）、呈黑色、有光泽、并有润滑感。图1石墨的晶体结构1.1.3.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，（见图2）间层距离略大。常见的无定形碳材料有焦炭、木炭、炭黑等。图2无定形碳的晶体结构2.增碳剂的分类通常依据化学成分来选择合适的增碳剂。表1给出了广泛使用的增碳剂的典型化学成分。增碳剂的主要成分是碳。但碳在增碳剂中的存在形式可能是非晶态（无定形碳）或结晶态（石墨）。研究和应用表明，增碳量相同，与非晶态增碳剂相比，晶态增碳剂的增碳速度快，未作球化处理的原铁液的白口深度小，球墨铸铁基体中铁素体含量高，石墨球数多，石墨形态更圆整[2]。依据碳在增碳剂中的存在形态，分为石墨增碳剂与非石墨增碳剂[3]。碳晶体增碳剂有废石墨电极、石墨电极边角料及碎屑、自然石墨压粒、石墨化焦等，此外，碳化硅SiC具有和石墨相似的六方结构，也被列为石墨增碳剂的一种特殊形态[4]。非晶体增碳剂如沥青焦、煅烧石油焦、乙炔焦炭压粒、煅烧无烟煤增碳剂等[4]。优质增碳剂一般指经过石墨化的增碳剂，在高温条件下，碳原子的排列呈石墨的微观形态，所以称之为石墨化（过程见图3）。石墨化可以降低增碳剂中杂质的含量，提高增碳剂的碳含量，降低硫、氮含量。图3我们公司目前使用的增碳剂为青岛持久增碳剂CA-09（微调用）和上海机械制造工艺研究所增碳剂C7-3。检测化学成分见图4。青岛持久增碳剂为晶体增碳剂（石墨化石油焦，煅烧温度约为2800℃），含碳量为98.43%，含氮量为0.01-0.03%,含硫量为0.06%；上海增碳剂为非晶体增碳剂（煅烧石油焦，煅烧温度约为1300℃），含碳量为98.14%，含硫量为0.41%，含氮量为0.65-1.41%。图43.增碳剂的增碳行为图5[5]表示了增碳剂添加后所经历的时间与增碳量(C)的关系。晶体增碳剂和非晶体增碳剂经15min的增碳历程,其增碳率均可达97%-100%,但两者的增碳速度有明显的差别,晶体增碳剂(A-a)的增碳速度为0.37(C%min)而非晶体增碳剂(A-b)的增碳速度为0.20(C%min),可见晶体增碳剂的增碳速度明显快于非晶体增碳剂。之所以最终增碳量大体相同而增碳的速度有很大的差别,是由于增碳剂的结晶结构不同所致。当铁碳合金的含碳量在2.1%以下时,碳在铁液中的扩散溶解,由于物理濡湿作用,两种增碳剂的效果是同等进行的;但当铁液的含碳量大于2.1%以后,晶体的石墨增碳剂,在图5增碳剂A-a及A-b增碳速度的比较铁液中的扩散溶解呈指数函数的变化,这是由于在1773K下熔化了的约2.1%C的增碳铸铁熔液的吉布斯自由能,比在1426K时γ相和石墨共融[6]的自由能要低,因此由于自由能差比较大,相变动能大,在此动力的驱动下,石墨可直接地在铁液中溶解(把这种现象称之为直融),而非晶体的增碳剂的这种直融现象几乎不存在;只是随着时间的推迟,碳在铁液中逐渐地扩散溶解。对上述的现象分析认为,晶体结构的增碳剂,在铁液中的石墨是以“C的微小集合体”的状态而有别于非晶体增碳剂存在的,这就构成了两种“熔液特性”的差异。4.增碳剂对