添加劑對炭材料浸漬金屬性能的影響

鄧祖柱，鄢鵬，葉大鑫

（自貢東新電碳有限責任公司，自貢 643000）

0 引言

目前電碳行業生產的炭石墨行坯一般都是多孔材料，氣孔率在17%-30%之間。浸漬金屬的炭石墨產品有更好的耐熱性、耐磨和耐沖擊性能，有較好的機械強度和硬度，但炭石墨對金屬（合金）如巴氏合金、銻、銀金屬、銅合金等浸潤差，它們之間的浸潤角大。要把金屬浸到炭石墨毛坯開放性氣孔中，有兩種方法，一種是在高溫高壓浸漬過程中增大浸漬壓力；另一種方法是降低炭石墨對金屬的浸潤角，用較低的浸漬壓力達到浸透的目的。前者的方法受設備的限制，要達到很高的壓力，整個設備及其系統造價高；而后者的方法簡便，成本低，易操作。

用外熱式（不抽真空）氣加壓法浸漬金屬，由于炭毛坯內部氣孔排不出去，浸漬后的制品往往有“夾心”的現象，中間明顯浸不透。對于浸漬片狀和筒料毛坯特別明顯。若在炭石墨原材料配方中，在混合時適當加入添加劑，如Si、Fe2O3、H3BO3等，降低炭對金屬的浸潤角，更容易使制品浸透，提高浸漬效果，這對于用作密封材料的浸金屬產品尤其重要。

我們的試驗是在混合過程中分別加入幾種不同的添加劑進行研究。工藝過程如下：原材料炭粉末（加入添加劑）混合——加入瀝青粘結劑——軋輥——磨粉——壓制——焙燒——浸漬金屬。在同等工藝條件下作比較，實踐證明，效果很好。

2 金屬浸漬的原理及試驗方法

未經浸漬的炭石墨材料，強度低，致密性差，限制了使用范圍，一般不適宜作某些特定領域機械密封用炭使用。浸漬金屬的目的在于高溫高壓條件下，使熔融的金屬浸到炭石墨毛坯開放性氣孔中，形成牢固的網狀結構，從而提高材料的強度、密度和致密性，使之成為理想的密封抗磨材料。

熔融金屬對炭石墨材料浸潤角的大小會影響浸漬效果。如圖1所示，當浸潤角θ等于0°時，熔融金屬靠毛細管的作用即可滲到炭石墨毛坯內部，當浸潤角θ小于90°時，只需用不大的浸漬壓力便可把制品浸透。實際上很多金屬對炭石墨材料的浸潤角θ都大于90°。幾種常用金屬鋁、銻、銅、銀、硼對石墨的浸潤角如表1所示。

圖1 浸潤角示意圖Fig.1 Schematic diagram of infiltration angle

表1 幾種常用金屬對石墨的浸潤角Table 1 Infiltration angle of several common metals to graphite

從表1中看出，鋁對炭石墨的浸潤角小，因此浸漬鋁基合金很容易，只需用不大的壓力就能把制品浸透，效果很好，在生產實踐中也充分證明了這點。但浸漬巴氏合金、銻、銀和銅合金也就不那么容易了。由于這些金屬對炭石墨的浸潤角大，浸漬時往往施加很大的壓力也不容易使制品浸透，導致是浸漬后的制品氣孔率大，影響了產品的密封性能。

我們的試驗是在半成品生產過程中，原材料配方加入添加劑，按正常的生產方法，經混合、軋輥、磨粉、壓制、焙燒工序生產半成品，用外熱式（不抽真空）氣加壓法浸漬金屬。原材料配方中分別有炭黑基、焦炭基、和石墨基料，分別加入Fe2O3、SiO2、Si、H3BO3。并分別浸漬巴氏合金、銻、銀和銅合金。

表2 試驗方案Table 2 Test scheme

我們試驗的目的是：在同一配方中加入添加劑與不加添加劑的毛坯在同等條件下浸漬同樣的金屬作性能對比，同時，分別對焦炭基（M120、T157）、炭黑基（M158）和石墨基（M178）三種基料做試驗，從而得出添加劑的加入對其浸漬金屬性能的影響。

3 炭材料浸漬金屬性能比較

3.1 加入Si粉的毛坯浸漬巴氏合金性能比較

表3 加入Si粉的毛坯浸漬性能比較Table 3 Comparison of wettability of blank with Si powder

3.2 加入Si粉的毛坯浸銻性能比較

表4 加入Si粉的毛坯浸銻性能比較Table 4 Comparison of antimony leaching properties of blank with Si powder

3.3 加入Si粉的毛坯純銀金屬性能比較

表5 加入Si粉的毛坯純銀金屬性能比較Table 5 Comparison of properties of blank pure silver metal with Si powder

3.4 加入SO2毛坯浸漬巴氏合金、銻、銀性能比較

從表6中看出，M168毛坯在配料混合時加入SO2，經1200℃焙燒后，分別浸漬巴氏合金、銻和銀金屬，性能大大提高，氣孔率在2%以下，切開產品看到內部結構均勻，達到浸透的目的。

表6 加入SO2浸漬性能比較Table 6 Comparison of impregnation performance with SO2

3.5 加入Fe2O3毛坯浸漬巴氏合金、銻、銀性能比較

從表7中看出M158毛坯在配料混合時加入Fe2O3，經1200℃焙燒后，分別浸漬巴氏合金、銻和銀金屬，在浸漬壓力相同的條件下容易使產品浸透，氣孔率在1%以下，結構均勻，沒有“夾心”現象，這對于作為密封材料，特別是軍工產品意義重大。

表7 M158毛坯加入Fe2O3浸漬性能比較Table 7 Comparison of impregnation properties of M158 blank with Fe2O3

3.6 加入H3BO3浸漬性能

用于高速動車組受電弓滑板T157P浸銅滑板，對產品的性能要求較高，過去我們浸漬銅合金時，發現產品明顯浸不透，電阻率高，硬度低，氣孔率大。后來在配方中加入H3BO3添加劑，大大改善浸漬性能，達到預期目標。

表8 T157毛坯加入H3BO3浸漬銅合金性能Table 8 Properties of T157 blank impregnated with H3BO3 copper alloy

T157P產品加入H3BO3添加劑浸漬銅合金后電阻率≦3.0uΩ.m，硬度大于80，摩擦系數為0.12，磨損率為0.0146g/h初步達到高鐵運行滑板的技術要求。

4 添加劑在炭材料中的應用方法

4.1 添加劑的加入方式

為了降低炭石墨對金屬的浸潤角，可在半成品（或壓粉）中加入添加劑，在浸浸時往金屬液中加入添加劑也可。用前者的方法加入比較簡單，成本低，容易操作；而后者的加入方式不容易掌握，難操作。另外，在金屬（或合金）中加入添加劑往往會影響其成分，這對于在浸漬過程中反復使用的合金不利，要經常除渣，增加了成本。

4.2 添加劑的種類與加入量

據 有 關 資 料 介 紹，Si、Fe2O3、SiO2、BO3、H3BO3等作為添加劑加入到炭石墨中都可以降低其對金屬的浸潤角，而且成本低。其加入量視炭石墨毛坯所要求的性能面定，一般3%-10%為宜。

4.3 添加劑對炭石墨毛坯硬度的影響

添加劑加入到炭石墨材料中不但增強浸潤性能，而且大大提高了材料的強度，隨著某些添加劑含量的增加，硬度也顯著提高。因此，在選擇添加劑時要注意，根據我們所需炭石墨毛坯的硬度要求，選擇合適的添加劑和恰當的加入量。

表9 添加劑的加入對炭石墨硬度的影響Table 9 Effect of additives on hardness of carbon graphite

石墨牌號 添加劑 浸漬金屬 肖氏硬度Hs M178D 未加入Si粉 銻金屬 55加入Si粉 銻金屬 73 T157D 未加入Si粉 銻金屬 65加入Si粉 銻金屬 80

4.4 加入添加劑的炭石墨毛坯適用類型

由于在2000℃高溫以上，Si和Fe2O3等添加劑材料會熔融后揮發，Si會體積膨脹較大，造成制品開裂，因此加入添加劑的坯料，一般只作焙燒產品用，不宜進行石墨化處理。

5 結論

（1）在相同的半成品生產工藝和浸漬工藝條件下，添加劑的加入將有效改善浸漬金屬效果，大幅度提高材料性能。

（2） 用作密封材料的浸金屬石墨，在半成品配方中加入添加劑能有效地降低氣孔率，達到2%以下，提高產品的密封性能。

（3）在料粉混合時加入Si粉、Fe2O3粉、SiO2、H3BO3等添加劑，能有效地降低炭石墨對金屬的浸潤角，提高浸漬效果。

（4）添加劑的加入對炭黑基、焦炭基和石墨基的炭毛坯都適用。

（5）用作浸漬金屬的炭石墨毛坯，最好選用專門的炭基料，便于更好地浸漬金屬，提高產品的密封性和成品率。