石墨在精密铸造中的

精铸件的缺陷如氧化夹杂、表面麻坑、缩孔缩松、裂纹等等都是在金属液浇注到型壳中后的瞬间产生的，要避免和减少铸件的缺陷最理想的途径就是，一是要保证金属液的纯净和最合适的温度；二是要尽量使型壳的特性能适应和顺从不同金属液在注入不同型壳时，金属液冷凝过程中的不同变化。对于后者，业内同仁已成功的采取了许多外部的措施，如采用加碳盖箱法，使金属在还原气氛下冷却，以防止易氧化钢种的铸件表面产生麻坑；又如将型壳浇注前局部沾水或浇注后局部吹风喷水，改变铸件凝固顺序，以防止铸件局部产生缩孔。诸如以上类似的方法很多，但大多是从型壳以外去采取的措施，本文作者受国外经验的启示，从型壳本身的材料进行改变，将石墨材料引用到制壳材料中，从寻找合适的石墨材料以及在不同结构铸件和不同金属上进行了反复试验，获得了一些实际的体会，为今后石墨砂和粉在制壳中的推广应用将起一定的推动作用。

1.对石墨的基本认识

1.1. 石墨是碳元素的同素异形体。自然界中由碳元素组成的固态物质可分为两大类，即一类为无定形结构的非晶质物质，如木炭、焦炭、煤、活性炭等，另一类为晶体结构的物质，有金刚石和石墨两种。也就是说碳有三种同素异形体，它们是金刚石、石墨和无定形碳。石墨的来源有两种，一种是天然石墨，大自然中蕴藏着丰富的石墨矿，中国是世界石墨矿储藏量笫－位的国家，主要分布在黑龙江、山东、河南、湖南等诸多省份，我国天然石墨来源丰富：另－种是人造石墨，是以人为的方法将高纯的无定形碳进行石墨化，人造石墨的纯度更高，有更广泛的应用领域。

1.2.天然石墨。根据碳原子的晶形结构和大小的不同，可分为三类：①致密结晶状石墨，又称块状石墨。石墨晶体直径大于0.1毫米，晶体肉眼可见，但排列杂乱无章，呈致密的块状构造，其特点是矿中碳的品位较高，一般为60%-65%，有时达到80%-98%，可塑性和滑腻性不如磷片石墨。②鳞片石墨，石墨晶体呈鱼鳞状，为片层状的晶体结构，层内的碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以三个共价键与其他碳原子结合，而层与层间的碳原子是靠分子间作用力相结合的，其特点是矿中碳的品位一般不高，通过多磨多选可获得鳞片石墨精矿，它与水基溶液不易混合，它的可浮性、润滑性和可塑性优于其他石墨，工业价值大。③隐晶质石墨，又称土状石墨。石墨晶体直径小于1微米，在电子显微镜下才能见到晶形，它是微晶石墨的集合体，其特点是矿中碳的品位较高，一般碳含量为60%-80%，少数高达90%以上，矿石可选性差，表面呈土状，缺乏光泽，润滑性差，但易与水基溶液混合。

天然石墨是在高温下形成的变质矿床，含有SiO2、Al2O3、FeO2、CaO、P2O5、CuO等杂质，常与石英、黄铁矿、碳素盐等矿物形式出现，还含有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体，虽经过选矿处理，但使用天然石墨时至少要检测其固定碳、硫、灰分、挥发分、等主要指标。详见表一。

1.3.人造石墨。它是用优质的粉状的经过煅烧的石油焦为原料，加入沥青作粘结剂，通过挤

压、模压或等静压的方法压制成形，再在2500℃-3000℃非氧化性气氛中进行石墨化处理而获得的石墨质产品，如电极及各种形状的石墨制品，由于经过煅烧后的石油焦的碳含量高，杂质少，又经过高压成形，因而这种人造石墨具有高纯度、高密度、高强度的特点见表二，按纯度和致密度可分为普通人造石墨和高纯致密石墨，在制造业和科研上有广泛的用途，即使用废了，仍可将其破碎成砂和粉亦称为石墨碎，可作为优质的石墨材料使用。

石墨呈灰黑色，质软，人为加压成形的人造石墨质地较硬，比重为1.9~2.3，熔点高达3850±50℃。它的主要特性是：耐高温，即使在超高温的电弧灼烧下，重量损失也很小；线膨胀系数很小为2×10-6，是电熔刚玉的1/4，锆英石的2/5，因此抗热震性高，温度突变时体积变化也小，故不会因此的加入而使模壳产生裂纹；导电性极好，导热性超过钢铁等金属材料，特别的是导热系数随温度升高而降低，在高温下石墨几乎是绝热体；化学稳定性好，不与酸碱及有机溶剂起反应；此外还有很好的可塑性、润滑性和高温强度。

在铸造生产中，对石墨并不陌生，如在金属熔炼中用石墨作为增碳剂，电弧炉炼钢用的电极及熔化有色金属的坩埚都是石墨制品，在铸铁及有色金属的砂型和金属型铸造中用石墨作铸型表面的涂料也非常普遍。根据石墨的许多优良特性，在精密铸造制壳材料中有选择的使用石墨材料，以达到以下几个目的应是可行的。

2.1.利用石墨在高温下与氧反应，形成还原性气氛，保护注入铸型的高温金属不被氧化。石墨在低温下几乎不氧化，400℃以上才开始轻微氧化，随着温度升高氧化速度加快，并生成CO2或CO, 当在1000℃以下时C + O2 ＝ CO2 ，在1000℃以上时2C + O2 ＝ 2CO ，因此为达到这一目的，可在过渡层中选用高纯致密的人造石墨砂作撒砂材料，－当高温金属进入型壳的型腔中，产生的还原气氛更靠近型壳面层接触的金属，对金属防氧化的较果更好，但同时也不必担心过渡层的石墨砂会在型壳焙烧中烧蚀而溃退，一方面是高纯致密的人造石墨砂氧化失重速度很慢，见表三，另一方面石墨砂是被包复在硅溶胶的浆料中有一定的保护作用，而且在箱式焙烧炉中焙烧型壳时，都是在缺氧状态下且焙烧时间短，石墨砂粒失重有限，不足以影响型壳强度。

表三石墨在空气中加热时的氧化速度

2.2.利用石墨在高温下的绝热性，可增加金属液对型壳薄壁型腔的充型能力，还可改变型壳局部散热能力，达到改变铸件的冷却凝固顺序。为了达到这一目的可在型壳的笫三层及以后层次用人造石墨砂代替煅烧高岭土砂，表四是我们使用的石墨砂的主要成分，由于石墨在高温型壳中的隔热作用，金属液注入型壳后散热慢，延长了金属流动时间，其好处是一方面铸

件特簿部位不易欠铸，另一方面是由于金属凝固时间延缓，厚壁铸件的补缩通道不致很快堵塞，从而增加浇冒口对铸件的补缩能力，而且还可在型壳需要缓冷部位，单独的撒石墨砂，使型壳各部有不同的冷却速度，弥补工艺设计的不足，克服铸件的缩孔缩松倾向。

表四人造石墨和块状石墨的主要成分表

2.3.利用石墨在型壳焙烧过程的氧化逸散，在型壳中形成均匀弥散的微孔，从而增加了型壳的透气性和溃散性。为实现这一目的，可在背层浆料的最后两层和封浆层中加入一定比例的天然石墨粉，可以选用块状或土状天然石墨粉，我们使用的天然石墨粉的成分见表四，由于石墨颗粒细小，天然石墨中固定碳稍低且有挥发物，故在型壳焙烧中就会部分烧失，既使型腔成还原气氛又增加型壳透气性，若单纯为了增加型壳的退让性，使簿壁长形的铸件不致因收缩受阻而裂纹，并不计较其准确的尺寸时，即可在背层的前几层浆料中就加入石墨粉，加入量也可适当增加。

3．应用举例

3.1 应用于形成还原性气氛

有些材质的金属液在凝固过程中对还原性气氛有特别要求，但有的铸件往往受结构和工艺条件的限制，制造的还原性气氛难以满足铸件的要求克服“麻点”。如图四铸件的材质

ZG20Cr13，质量34.3Kg。在图示“A”区59mm处有个肥厚块，即有个相对独立的热节区，设置的冒口受23mm两槽的影响，极易在两槽的转角处形成缩裂，浇注完后采用两至三次的补浇冒口解决了缩裂，但却延误了最佳的“盖箱”时间，铸件的表面已在氧化性条件下凝固结壳而出现大面积的“麻点”。我们采用在制壳的第四层撒石墨砂替代莫来砂，当金属液浇入型壳后，石墨在壳型内形成一道“CO”的还原性气膜绝热层，同时铸件的表面凝固时间被推迟，一方面金属表面“麻点”的形成条件受到了限制，同时也使金属液的“补缩”通道向着顺序凝固的有利方向走，等补浇完毕再“盖箱”，虽然中间有4～5分钟的时间，铸件清理后的“麻点”问题却很少见或不可见。