一．碳的特性
碳是自然界中蘊(yùn)藏很豐富的元素，而且，在103種元素中，可以說是最為奇妙的元素，由相同的碳原子，可以構(gòu)成多種性質(zhì)截然不同的物質(zhì)：
◆ 有質(zhì)地柔軟可作為優(yōu)良潤(rùn)滑劑的石墨，有在高溫下高度膨脹而形成的柔性石墨，也有自然界最硬的物質(zhì)金剛石；
◆ 碳質(zhì)材料一般都不具備吸附能力，但也可制成吸附能力極強(qiáng)的活性碳；
◆ 可以制成纖維，也可以制成切削金屬乃至堅(jiān)硬巖石的刀具；
◆ 大多數(shù)碳質(zhì)材料的反應(yīng)能力都很強(qiáng)，但也有非常穩(wěn)定的非活性碳質(zhì)材料；
◆ 碳既是廣泛采用的燃料，也可制成高級(jí)耐火材料。
碳在常壓下的熔點(diǎn)為3550℃，沸點(diǎn)為4194℃，3500℃開始升華，是熔點(diǎn)最高的元素。而且，在高溫下不發(fā)生晶態(tài)變化，幾乎不軟化、不變形。碳的同素異構(gòu)體有無定形碳、石墨和金剛石。不同形態(tài)的碳，密度因結(jié)構(gòu)不同而異：無定形碳約為1.98g/cm3，石墨約為2.3g/cm3，金剛石約為3.51g/cm3。
不同晶體結(jié)構(gòu)的碳，密度不相同，性能差別很大。晶體結(jié)構(gòu)相同的碳，如果原子配置的完整度不同、原子間的距離有差別，性能和密度也不相同。
含碳晶體還有一重要的特點(diǎn)，那就是：在無氧條件下加熱，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)向更完整、更緊密的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。無定形碳，如焦炭、木炭、炭黑等，在高溫作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。石墨在高溫、高壓作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?br />
‘碳’對(duì)鑄造行業(yè)的貢獻(xiàn)極大，說：“離開了碳，就不可能有今天的鑄造行業(yè)”，絕非夸大之詞。但是，碳也難免有給鑄造行業(yè)‘抹黑’之嫌，以至不少年輕人都不愿意搞鑄造。
二．碳質(zhì)材料
碳質(zhì)材料是由碳元素組成的一類非金屬材料。由于晶體結(jié)構(gòu)和層片配列的變化，可以衍生出品種繁多的同素異構(gòu)體。所有的同素異構(gòu)體，在晶體結(jié)構(gòu)上都是以金剛石或石墨為基礎(chǔ)的。
1．金剛石
金剛石晶體屬等軸晶系，原子晶格為面心正立方，原子間距為0.154nm，是碳的同素異構(gòu)體中原子排列最緊密的一種。
金剛石是自然界中已知的最硬的物質(zhì)，莫氏硬度值為10，絕對(duì)硬度約為10000 kgf/mm。硬度僅次于金剛石的是碳化硅，莫氏硬度值為9.5，也是一種含碳材料，但這是人工合成的材料。天然礦物中，硬度僅次于金剛石的是剛玉，莫氏硬度值為9，但其絕對(duì)硬度比金剛石低得多。如果莫氏硬度值是線性值、按比例標(biāo)定的話，剛玉的硬度值為9，金剛石的硬度值就應(yīng)該是42。
由于金剛石具有硬度高、耐磨性極好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等非凡的特性，除作為寶石以外，在采礦、機(jī)械、電子、建筑等行業(yè)中都有廣泛的用途。
金剛石的硬度是各相異性的，沿3個(gè)主晶面（100）、（110）和（111）方向較易于切割、雕琢和拋光。加工折射強(qiáng)的寶石金剛石時(shí)，準(zhǔn)確地掌握這些晶面的位置是至關(guān)重要的。
金剛石按其是否含有雜質(zhì)氮而分為Ⅰ型和Ⅱ型兩類，每一類又各有a和b兩種亞型。
Ⅰ型金剛石含有氮。其中：Ⅰa型含氮量較多，大約98％的天然金剛石都是這種類型；Ⅰb型含氮量較少，大部分人造金剛石屬于這種類型。
Ⅱ型金剛石不含氮，是特殊類型的金剛石。Ⅱa型金剛石的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性能特別好，天然金剛石中大約有2％屬于這一類。Ⅱb型金剛石具有半導(dǎo)體的性能，是電子行業(yè)中的重要材料。Ⅰa、Ⅰb和Ⅱa型金剛石都是絕緣體。
公元前8世紀(jì)，最先在印度發(fā)現(xiàn)了金剛石。由于天然金剛石資源少、開采不易，制約了其在工業(yè)方面的應(yīng)用。1797年，英國(guó)人S. 特倫特通過試驗(yàn)，確認(rèn)金剛石的成分為純碳。此后，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到有人工制造金剛石的可能性。經(jīng)過了100多年，美國(guó)和瑞典于20世紀(jì)50年代相繼制成了人造金剛石，隨后就開始了工業(yè)生產(chǎn)。目前，在各種工業(yè)用金剛石的總量中，人造金剛石約占70％左右。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，再加以外推，得到了類似于相圖的石墨－金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變圖（見圖1），這也就是制造人造金剛石理論依據(jù)。由圖1可見，只有在高溫、高壓下，才能實(shí)現(xiàn)石墨向金剛石的轉(zhuǎn)變。
制造人造金剛石的方法主要有觸媒法和動(dòng)態(tài)直接法兩種：
觸媒法以石墨粉為原材料、用金屬作觸媒劑。由液壓機(jī)加壓和電加熱，使石墨粉和金屬觸媒劑受到高溫和超高壓的作用。在這種條件下，金屬觸媒劑熔化并溶解石墨粉，然后，過飽和溶液中的碳以金剛石的形態(tài)析出，最后是金剛石單晶的聚集。冷卻后，用機(jī)械方法和化學(xué)作用將金屬觸媒劑除去，即得到金剛石。這種工藝的重復(fù)性很好，可以制造穩(wěn)定的金剛石產(chǎn)品。目前，約有80％的人造金剛石是用觸媒法制造的。
動(dòng)態(tài)直接法以結(jié)晶度高的石墨為原料，用TNT或黑索金等炸藥引爆，在幾微秒鐘內(nèi)得到要求的高溫、高壓，使石墨直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是投資少、生產(chǎn)成本低，缺點(diǎn)是制得的金剛石比較細(xì)小。
此外，還有人采用過不加觸媒劑的靜態(tài)直接加壓法，但在目前的條件下還沒有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
2．石墨
石墨可分為天然石墨和人造石墨兩類，都是鑄造行業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料。
石墨為六方層片狀結(jié)晶，如圖2所示。石墨質(zhì)軟（莫氏硬度2～3）、呈黑色、有光澤、并有潤(rùn)滑感。
（1）天然石墨
天然石墨中有鱗片狀石墨和微晶石墨兩種。微晶石墨過去曾被稱之為‘無定形石墨’或‘土狀石墨’，這是完全不合適的，因?yàn)椋杭词故亲罴?xì)的粉狀石墨，也是由結(jié)晶度很高的晶體構(gòu)成的。1995年，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3519－1995正名為‘微晶石墨’。
全世界天然石墨的儲(chǔ)量約數(shù)億噸。我國(guó)是天然石墨產(chǎn)量最大的國(guó)家，產(chǎn)地主要有湖南、內(nèi)蒙、黑龍江、福建、廣東、吉林等?。▍^(qū)）。俄羅斯、朝鮮、韓國(guó)、澳大利亞、墨西哥、馬達(dá)加斯加、印度、斯里蘭卡、加拿大和美國(guó)也都有高儲(chǔ)量的天然石墨礦。值得特別提到的是，斯里蘭卡出產(chǎn)的塊狀石墨是目前所知的純度最高的天然石墨，其中的碳含量幾乎接近100％。
通常開采得到的天然石墨中混有大量脈石和其他雜質(zhì)，如要求品位較高，就需要用浮選法提取。先將礦料粉碎、加水研磨制成礦漿，再用石灰或堿將礦漿調(diào)成弱堿性，并加入水玻璃抑制脈石，然后用篩分設(shè)備將石墨從大量脈石中分離出來。最后，在浮選槽內(nèi)加入煤油之類的捕集劑，再經(jīng)離心分離和干燥，就可以得到含碳量為70～95％的石墨。
含碳量在95％以上的石墨，需用化學(xué)方法萃取，或加熱到高溫使其中的氧化物雜質(zhì)分解、揮發(fā)。
天然石墨在鑄造行業(yè)中主要用于制作各種耐火涂料和脫模劑，樹脂粘結(jié)砂推廣應(yīng)用后，其用量已逐漸減少。
（2）人造石墨
在高溫和惰性氣氛中，無定形碳可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ｈ嗽焓簿褪腔谶@一特點(diǎn)而制成的。先將富碳的碳質(zhì)材料壓制成形，然后加熱到2500～3000℃、在非氧化性氣氛中進(jìn)行石墨化。石墨化可有直接法和間接法兩種工藝。直接法是將已成形的碳質(zhì)材料置于兩電極之間，將其作為電阻，通電后為自身的石墨化提供熱量。采用間接法時(shí)，成形的碳質(zhì)材料本身不產(chǎn)生熱量，由另外的熱源將其加熱。
人造石墨在鑄造行業(yè)中應(yīng)用很廣，無論在鑄鋼廠、鑄鐵廠或有色合金鑄造廠中都有用途。其品種繁多，不勝枚舉，如電爐用的石墨電極、耐火材料、增碳劑、提高鑄型剛度和加速金屬冷卻用的激冷塊、制造石墨型用的原料塊、坩堝、噴吹精煉用導(dǎo)氣管等都是。
3．無定形碳
無定形碳也是六方層片狀結(jié)晶，與石墨不同之處在于六角形的配列不完整，而且層間距離略大，見圖3。
常見的無定形碳材料有焦炭、木炭、炭黑、活性炭等。由于環(huán)境保護(hù)方面的考慮，木炭現(xiàn)已很少采用。
（1）炭黑
炭黑主要用于橡膠工業(yè)，如輪胎橡膠中的增強(qiáng)添加劑，在這方面的用量幾乎占炭黑總產(chǎn)量的90％以上。其余用于塑料行業(yè)以及制造墨水、墨粉、油墨等用途。
（2）活性炭
活性炭有粉末狀和顆粒狀兩種，其用途很廣，如：油品的脫色和提純，化學(xué)制品或天然產(chǎn)品的脫色，酒類、飲料和果汁的精制，空氣的凈化，汽車尾氣的凈化，各種氣體的分離，污水的凈化等。
（3）焦炭
鑄造行業(yè)是需要耗用大量焦炭的行業(yè)之一，主要用作沖天爐燃料。沖天爐熔煉鑄鐵用的焦炭稱為‘鑄造焦炭’，以區(qū)別于高爐煉鐵所用的‘冶金焦炭’。兩者雖然都是焦炭，但對(duì)其性能的要求卻很大的差別。
高爐煉鐵，雖然最終也將其熔成鐵水出爐，但煉鐵的主要過程是將礦石還原成鐵。因此，要求爐內(nèi)氣氛為強(qiáng)還原性氣氛，即CO過量。為達(dá)到此目的，要求焦炭易于與O2或CO2作用，生成CO。用技術(shù)術(shù)語(yǔ)來說，即：要求焦炭具有很強(qiáng)的反應(yīng)能力。
沖天爐熔煉鑄鐵時(shí)，主要過程是將金屬爐料熔化并使鐵水過熱。因此，要求充分利用焦炭的熱量，希望焦炭與鼓入爐內(nèi)的空氣充分作用產(chǎn)生CO2，并盡可能地降低爐內(nèi)氣氛中的CO含量，以便在爐內(nèi)形成溫度較高、范圍較寬的高溫帶。為達(dá)到此目的，要求焦炭不易于與CO2作用產(chǎn)生CO。用技術(shù)術(shù)語(yǔ)來說，即：要求焦炭的反應(yīng)能力低。
既然鑄造焦炭應(yīng)該是反應(yīng)能力低的焦炭，與這一特點(diǎn)相應(yīng)，就要求其孔隙率低、體積密度大、塊度較大而且均勻。這些都是不同于冶金焦炭的。
4．特殊類型的碳質(zhì)材料
這類碳質(zhì)材料的制造工藝，比制造石墨和無定形碳質(zhì)材料制品的工藝復(fù)雜得多，主要用于某些特殊領(lǐng)域，此處只是簡(jiǎn)單地提及，以便讀者略微有所了解。
（1）熱解碳和熱解石墨
熱解碳和熱解石墨是使碳?xì)浠衔餁怏w在高溫下分解，采用氣相沉積技術(shù)制成的。在不同的制備條件下，可在很大范圍內(nèi)調(diào)整產(chǎn)物的特性。因而，可根據(jù)需要，合成各種不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如各相同性的結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)和各相異性的結(jié)構(gòu)等，也可制成晶須。
各相同性的熱解石墨具有良好的生物兼容性，可用作治療心臟瓣膜的藥物，可與碳化硅熔合制造人造器官。各相同性的熱解石墨還可用于制造火箭的耐燒蝕防護(hù)罩。
各相異性的熱解石墨，在晶格的層片方向具有很高的熱導(dǎo)率，曾用于火箭頭的前端、超音速飛機(jī)的機(jī)翼前沿。
（2）碳纖維
碳纖維是高強(qiáng)度而且耐高溫的纖維。用聚丙烯腈、粘膠纖維或?yàn)r青纖維為原料，先在空氣中以較低的溫度進(jìn)行預(yù)氧化，然后在惰性氣氛下于1500℃左右的高溫下完成碳化。用碳纖維制造的增強(qiáng)塑料，質(zhì)輕而強(qiáng)度高，還有耐高溫、防輻射、耐腐蝕、耐潮等優(yōu)點(diǎn)，是用于空間飛行器、海空軍器材及化工設(shè)備的優(yōu)良材料。
（3）玻璃態(tài)碳和泡沫碳
玻璃態(tài)碳和泡沫碳的制備原理與碳纖維相似，只不過最終產(chǎn)品不是纖維而是成形固體或均勻的泡沫聚合物。
玻璃態(tài)碳是一種不可石墨化的、性質(zhì)特殊的無定形碳，各相同性，既硬又脆。玻璃態(tài)碳的成形件不能太大，壁厚不宜超過5mm，否則無法使熱解產(chǎn)物均勻釋放出來。制品主要是坩堝、舟皿、反應(yīng)管等。也可用于制造人體假肢。
泡沫碳也是不可石墨化的無定形碳，如主要的碳化作業(yè)控制得當(dāng)，可保持其晶胞結(jié)構(gòu)完整。
泡沫碳產(chǎn)品的密度可低于0.1g/cm2，熱導(dǎo)率略高于泡沫塑料，但可在較高的溫度下使用。
（4）石墨薄片和石墨膜
石墨薄片和石墨膜是用高純度天然石墨或具有良好各相異性性的熱解石墨為原料制成的。先用發(fā)煙硫酸或硫酸與硝酸混合物予原料以氧化處理，再經(jīng)水解、洗滌和干燥等工序，得到石墨氧化物。
制造石墨薄片時(shí)，將石墨氧化物快速加熱到1000℃左右，使其熱解成為多孔石墨，然后，不加粘結(jié)劑將其壓制成為薄片。
將氧化石墨膠涂在光滑的平面上，在氫氣氣氛和500℃的溫度下干燥后，再在2500℃以上進(jìn)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韌性、耐蝕性和氣密性，而且各相異性，可用作管道和容器的內(nèi)襯以處理腐蝕性物質(zhì)，也可作為高溫爐的熱反射屏蔽襯料。
三．鑄鐵和鑄鋼中的碳
碳還有一種非常奇妙的特點(diǎn)，即：不溶于絕大多數(shù)的酸性或堿性溶液，而在熔融的液態(tài)鐵中卻有相當(dāng)高的溶解度。同時(shí)，在常溫下的固態(tài)鐵中，碳的固溶度又很小。因此，鐵水凝固、冷卻時(shí)，溶于其中的碳就將因具體條件不同而以不同的形態(tài)析出：可以是質(zhì)地柔軟的石墨；也可以是硬度很高的碳化物。鋼、鐵中的石墨和碳化物又都可以有多種不同的形態(tài)、不同的數(shù)量。這樣，‘碳’就可以使鑄鐵和鑄鋼的性能千變?nèi)f化，說它非常奇妙一點(diǎn)也不過分。
影響碳自鐵水和固態(tài)鐵中析出的因素很多，如碳的含量、其他合金元素含量、冷卻條件、各種特殊的鐵水處理的方法和鑄件的熱處理方式等。鑄造工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)，就是在各方面創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件，控制碳的析出，使鑄鐵或鑄鋼具有所要求的性能。
古往今來，鑄造行業(yè)中不知有多少仁人志士為認(rèn)識(shí)‘碳’和控制‘碳’奉獻(xiàn)了畢生精力，采用各種最新的科技成果對(duì)此進(jìn)行研究和探索?；仡櫵麄兯〉玫某删?，真可說是碩果累累。正因?yàn)槿绱?，歷史悠久的鑄造行業(yè)才能不斷吸收各種新技術(shù)而與時(shí)俱進(jìn)，保持長(zhǎng)盛不衰。
1．鑄鋼中的碳
與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形態(tài)是比較簡(jiǎn)單的。除一種特殊的‘石墨鋼’外，基本上都以碳化物的形態(tài)析出，不以石墨的形態(tài)析出。
石墨鋼是含碳量相當(dāng)高的過共析鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，所含的碳一部分以石墨的形態(tài)析出，因而兼有鑄鋼和鑄鐵的性能。由于組織中含有游離石墨，是一種耐摩擦磨損的結(jié)構(gòu)材料，曾用于制造曲軸、沖壓模具等構(gòu)件。近30年來，由于球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和性能的改善，石墨鋼的應(yīng)用已經(jīng)很少。
鐵－碳合金中的碳化物是碳化鐵（Fe3C），通常稱為‘滲碳體’，是具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，硬度約950～1050 HV。滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)如圖4所示，碳原子構(gòu)成正交晶格，三個(gè)坐標(biāo)軸間的夾角都是90°，三個(gè)晶格常數(shù)a＝45.235nm，b＝50.888nm, c＝67.431nm 。每個(gè)晶胞中有12個(gè)鐵原子、4個(gè)碳原子。每個(gè)碳原子周圍都有6個(gè)鐵原子構(gòu)成八面體，而每個(gè)鐵原子又為兩個(gè)碳原子所共有。各八面體的軸彼此間都傾斜某一角度。
鑄鋼中除含碳以外，通常還含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，鋼中除含有Fe3C外，會(huì)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。還可能形成各種復(fù)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。
純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，固態(tài)的鐵有3種同素異晶體：從低溫到910℃之間，為體心正立方晶格，稱為α－鐵；在910～1400℃之間，為面心正立方晶格，稱為γ－鐵；在1400℃以上，為體心正立方晶格，稱為δ－鐵。(待續(xù))
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