光亮碳

关于煤粉光亮碳的测定于震宗（清华大学机械工程系，北京100084）摘要：铸铁湿型砂中煤粉的主要功能之一是形成光亮碳。

测定光亮碳要求使用专门仪器设备和按照严格的测试技术，否则测得结果会有较大偏差。

本文介绍了国际铸造学会规定的光亮碳测定方法。

关键词：湿型砂；煤粉；光亮碳中图分类号：文献识别码：文章编号：Review of the Lustrous Carbon Content DeterminationYU Zhen-zong(Tsinghua University, Department of Mechanic Engineering, Beijing 100084, China)Abstract: Forming lustrous carbon is one of the main functions of coal dust in cast iron green sand. In order to get precise result of lustrous carbon determination, specialized apparatus and consummate test skill are indispensable condition. .In this paper the testing method provided by CIATF is presented.Key words: Green molding sand; Coal dust; Lustrous carbon为了防止湿型铸铁件的表面产生粘砂缺陷和改善铸件的表面光洁程度，大多在型砂中加入煤粉。

首先是英国开始用煤粉于湿型砂中，1620年Lord Dudley为此取得专利[1]。

开始时人们对煤粉作用机理的解释为产生还原性气体防止铁水氧化，在砂型界面产生气垫阻碍与铁水接触，形成焦炭充塞砂粒孔隙防止铁水钻入[2]。

到上世纪60年代德国铸造技术研究所Kolorz和Loehberg否定了气垫作用而明确提出煤粉干馏气体在高温下进行气相分解沉积出光亮碳包覆在砂粒表面上，不被铁水润湿，从而阻止铁水侵入砂粒孔隙[3]。

1 光亮碳的形成原理随后Bindernagel等在文章中提供出光亮碳的测定装置和测定方法[4]。

自此引起了世界各国铸造行业的重视，陆续出现了多篇有关光亮碳的研究报告[5-7]。

文章表明光亮碳是碳氢化物的气体，在650~1200℃受热分解成微细的碳结晶沉积在石英砂粒表面，光亮碳膜厚度约10－4mm。

过去曾认为天然和人工形成的碳可以区分为结晶质的如石墨和钻石，另一种为非晶质的包括焦炭、木炭、灯烟等。

近年来随着X－射线衍射的应用，发现非晶质碳实际上是极为微小的结晶质。

几种常见碳的结晶直径的平均值如下：光亮碳－38Å，碳黑和烟子－10～20Å，石墨－108Å（1Å＝0.1nm=10－10m）。

根据研究，芳香烃气体热解趋向于形成光亮碳，脂肪烃气体热解趋向于形成碳黑和烟子[6]。

2 光亮碳测定仪器Bindernagel 等简单地介绍了测定煤粉光亮碳所用的仪器装置和试验方法[4]。

测定装置的主体是石英管和石英坩锅。

二者靠磨口密封，但图上画的接口似乎石英管为承口，石英坩锅的接口为插口（图1）。

国际铸造协会（CIATF ）组织成立了1.6“铸造型砂用碳质加入物控制方法”国际专题工作组，成员包括德、法、意、匈、西班牙等国专家，于1976年至1979年对煤粉的光亮碳测定技术进行了研究工作。

通过多次会议交流，1979年9月30日的会议上经过讨论基本通过光亮碳测定方法的草稿，确定两个月内修改完成定稿，并由专人翻译成德、法、英等国文字。

对于测定仪器方面的主要变化是明确规定石英管的接口是插口，石英坩锅的接口是承口。

目的是让沉积出的光亮碳尽量多进入石英管中。

文件还规定空石英管厚度1.5mm ，重量100±10g ，内装石英棉6g 。

石英坩锅重量50±5g 。

石英管使用寿命100次，石英棉30次。

马弗炉内尺寸(170～175)mm ×(95~100)mm ×(260~290)mm ，功率3kW 。

根据1.6国际专题组的的决议，德国铸造学会1980在10年月发布了“光亮碳测定”的指导文件P 85。

测定仪器附图中将耐热钢支架的尺寸也作了标注（图2）。

我国的机械行业标准JB/T 9222-1999《湿型铸造用煤粉》的附录A 也给出测定装置的结构图（图3）其特点是石英管和石英坩锅的接口形状特殊，不知是否容易密封。

另外石英管的壁厚为3mm 。

不知机械行业标准的原始根据如何？也不知按照行业标准制成仪器的效果如何？国内有些单位测得煤粉的光亮碳形成量有较大差异的原因之一可能为所用仪器结构不同。

3 光亮碳测定步骤3.1 德国铸造学会规定德国铸造协会指导文件P85（1980）和国际铸造技术协会1.6专题组的决议文件（1979）是一致的，有关光亮碳测定步骤部分详述如下：3.1.1 试验准备擦净石英管和坩锅。

马弗炉加热到900±20℃。

在此温度和自然通风条件下焙烧石英图 1 Bindernagel 的光亮碳测定装置图2 德国铸造学会指导文件的仪器结构 图3 JB/T 9222-1999的仪器结构图管和坩锅约30min，取出在冷却器中约冷却30min达到室温。

称量两者的重量，精度0.1mg。

用石英坩锅称取试料的精度0.1mg，试料称取量的确定取决于在试验后石英管中有10～20％未被染色。

每种不同种类试料必须做预备性试验来确定试料称取量。

以下为参考数量：光亮碳量0～10% 重量0.3～0.5g10~40% 0.1～0.3g40~80% 0.06~0.1g3.1.2 测定步骤将装有石英棉的石英管放置在900℃马弗炉中加热的支架上，约10min使石英管加热到900℃。

迅速将装有试料的坩锅送入炉中与石英管连接，并在第一分钟内夹持坩锅以避免发生爆炸引起损失。

然后关上炉门，3min内恢复到预定温度。

总共5min后打开炉门，从炉中取出带有石英管、石英坩锅的支架，置入干燥器中准确冷却30min，立即称量有光亮碳的石英管和有残留物的坩锅，精度0.1mg。

迅速称量以防光亮碳吸潮引起误差。

3.1.3 计算E BA-光亮碳＝E DC-坩锅残留物＝式中：A－带有光亮碳的石英管重量(g)B－带有石英棉的石英管重量(g)E－试料重量(g)C－带有残留物的坩锅坩锅重量(g)D－坩锅重量(g)在多次检验中，应控制与平均值的偏差在±10％以内。

3.1.4 检验报告包括以下内容：·试料概述·测定次数·试料重量·测定前石英管/坩锅重量·测定后石英管/坩锅重量·试料的光亮碳含量mg和％·坩锅中残留物量mg和％·石英管中被染黑部分占总长度的％（量测）·石英器皿的状态（透明、混浊、使用次数等）·石英棉（使用次数）·加热炉数据（种类、尺寸、功率）·测定时温度波动情况·日期3.1.5 校验可用四苯基硅烷(C6H5)4 Si做为校验材料。

称取约70mg，试验得到称取重量79±5％的光亮碳，在石英管中石英棉最后的10～20％不被染色。

3.2 我国规定的区别机械行业标准JB/T 9222-1999规定的光亮碳测量步骤估计是根据1964年Bindernagel 的文章，内容比较简单，炉温为875±5℃，保温时间仅为3min。

按照1979年1.6国际专题组和1980年德国铸造学会的规定炉温为900±20℃，将石英坩锅送入炉中后3min使炉温恢复原定温度，然后继续加热，总共需要加热5min。

石英仪器的形状和壁厚、加热炉尺寸、试验步骤以及操作技术的差异是我国测定出煤粉光亮碳量相差较多的主要原因。

4 光亮碳的实用目前各国铸造行业都已认识到光亮碳对防止铸铁件表面粘砂和改善光洁程度的重要作用。

为了反映湿型砂的产生光亮碳的能力，有人用型砂“光亮碳指数”来衡量。

光亮碳指数是指型砂中有效煤粉含量的百分数与所用煤粉能够产生光亮碳的百分数的乘积。

例如某种煤粉的光亮碳生成能力为6％，型砂中煤粉含量为5％，则其光亮碳指数为6 5＝30。

Moore认为型砂的光亮碳指数取决于铸件的大小和厚薄不同，一般应在30~40之间，即型砂中含有光亮碳0.3~0.4％[8]。

由于光亮碳测试仪器和装置比较特殊，测试技术也要求较高，国内仅有几个单位可以或曾经进行此项检验。

有极个别煤粉公司的广告传单中声称自己产品的光亮碳量如何高，而未注明负责检测单位名称，这类宣传的真实程度令人难以相信。

清华大学的研究工作检测12种未加入任何附加物的煤粉的焦渣特征和光亮碳量，结果表明二者有相当密切的相互关系，焦渣特征级别较高的煤粉，其光亮碳形成能力也高，相关系数为0.9027[9]。

市售高效煤粉中加入石油沥青10～20％将光亮碳生成量提高到12％以上，也会使焦渣特征提高1～2级。

5 讨论德国有些文章将各种湿型铸铁件防粘砂材料如煤粉或加料煤粉称为“光亮碳形成物”（Glanzkohlenstoffbildner简写为GKB）。

也曾见到英国有人称之为Lustrous Carbon Producer或Lustrous Carbon Former。

本文作者认为虽然光亮碳对改善湿型铸铁件表面质量有极为重要的作用，但是将效果都归功于光亮碳所起作用似不够妥当。

因为浇注铁水时煤粉生成还原性气体防止铁水氧化，形成胶质体堵塞砂粒孔隙都是不可忽略的作用。

另外，还有些不形成光亮碳的附加物也在生产中用来防止粘砂，也都有良好效果[10,11]。

例如在我国有的工厂的湿型砂中加入α淀粉用于大量生产灰铁汽车件；日本有的工厂用土石墨粉完全替代煤粉；我国有些手工造型生产小铸铁件的工厂在型腔表面刷土石墨粉。

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