石墨钢

石墨钢轧辊的制造应考虑到合金成分、孕育剂和热处理等。

（1）合金成分。提高含碳量，增加了组织中碳化物数量，可使硬度和耐磨性提高。但韧性和抗弯强度降低。另外为调整游离石墨的数量，可减少硅和提高铬含量。

（2）孕育剂。为使在铸态能有石墨析出，可在钢水中加入孕育剂。常用孕育剂有稀土、稀土镁、硅铁、硅钙合金等。

（3）热处理。为提高石墨钢轧辊的性能和进一步使碳化物石墨化，在制造过程中应进行热处理。常用热处理工艺为920～950℃正火和700～750℃回火。也可增加一次1100～1150℃的扩散退火以改善碳化物的形状。通过热处理可消除铸造应力并使韧性提高。最后的组织可以是珠光体和碳化物，其中游离石墨量为0.1%～0.5%。石墨形状为球状或团絮状，尺寸约为8～15μm。

举例一种可用于热带粗轧、钢坯或型钢粗轧辊的石墨钢材质：

成分：碳 1.4%～1.6%；硅 1.0%～1.6%；锰0.6%～1.0%；铬0.6%～1.0%；镍0.6%～1.0%；钼0.2%～0.6%。

硬度：HS40～50；抗拉强度≥600MPa。

抗弯强度≥800MPa；冲击韧性≥3.5J/cm；延伸率≥1.0%。

一种高碳耐磨铸钢。其化学成分根据用途不同可在一定范围内变动，一般含有1.2～1.6%碳，0.5～1.5%硅，0.3～ 0.4%锰。铸态组织为粗大珠光体和分布于晶界的 二次渗碳体。经过热处理后变为马氏体、珠光体或铁素体基体和点状石墨的混合组织。石墨钢兼有钢和铸铁的性能，具有一定的强度、良好的耐磨性和减震性，切削加工性好，缺口敏感性小。在磨粒磨损条件下，其耐磨性优于高锰钢，成本亦较低，主要用 作球磨机衬板和滚球、锻模、冷冲模、拉丝模和喷 砂嘴等。

石墨钢可用于制造初轧机的热轧辊，也可用于板坯、型钢热轧带钢等轧机的粗轧机架上。这种材质由于组织中含有石墨，可以提高热导性而降低热应力。使热裂纹的形成与扩展大为减少，提高轧辊耐磨性和咬入能力，延长轧辊使用寿命。另外，这种材质的轧辊由表面至心部的硬度变化小，可以加工较深的孔型，使槽底和侧壁有相同的耐磨性。石墨钢还可用于自润滑轴承材料。

石墨化钢是一种冶金的专业术语，是指钢的石墨化

钢件在工作温度和应力长期作用下，会使碳化物分解成游离的石墨，这个过程也是自发进行的，称为P热强钢的石墨化过程、它不但消除了碳化物的作用，而且石墨相当于钢中的小裂纹，使钢的强度和塑性显著降低而引起钢件脆断。这是一种十分危险的转变过程。

向钢中加入Cr、Ti、Nb等合金元素，均能阻止石墨化过程；另外，在冶炼时不能用促进石墨化的Al脱氧；采用退火或回火处理也能减少石墨化倾向。

石墨现状

由于我国冶金钢铁业的持续增长，世界锂离子电池的迅猛发展，拉动对石墨原料的需求；同时产业界、政府对石墨战略资源作用的日益重视，使石墨矿产品的价格迅速攀升，扭转了20多年来其他矿产品都在涨价、石墨却不断降价的不正常局面，不仅使石墨行业效益不断提高、同时也使得一些社会资金不断涌入石墨行业。这种大好形势对于石墨产业的发展当然是大好时机，但是如果不科学规划、合理引导，而一味的扩大采选量，就可能再次发生20世纪80年代末乱采乱挖的“黑色风暴”，给石墨产业的发展造成重大损失。

我国是石墨资源大国，但是长期以来石墨产业内部低技术层次的产量、价格的恶性竞争，资金和技术投入严重不足，以生产原矿和选矿的低端产品为主，使得产业长期低迷。这种状况导致我国石墨深加工技术和产品落后于发达国家，资源大国却是深加工弱国。这与我国经济和科技的快速发展很不适应。当前和今后一个相当长的时期，保护和科学利用石墨这种宝贵的战略资源，发展石墨深加工技术和产品是大有可为的一项事业。

我国鳞片石墨的深加工技术发展已经有一定基础，科技部“八五”至“十一五”国家科技攻关、支撑计划在非金属矿、西部开发项目中分别列入课题，在深加工技术进步上取得明显成果。现在，国内已经有一批效益良好的（鳞片）石墨深加工企业，规模最大的柔性石墨企业主要分布在江浙地区，负极材料等电池材料企业主要分布在深圳等珠三角、长三角地区。

我国原来微晶石墨的深加工技术基本空白。近来研究发现，由于微晶石墨的晶体微小（≤1μm），每个石墨颗粒中有很多微晶无序堆积，使得颗粒表现出各向同性。这使得它成为锂离子电池（特别是动力电池）负极材料和各向同性石墨的极好原料，在新能源、核能、军工等高新技术领域有重要应用价值。清华大学在这方面进行了原创性的科技研究与开发，正在与相关企业合作建设微晶石墨提纯、深加工产品的生产线。

石墨产品形式

（1）高纯石墨

主要被用于军事及工业材料中安定剂及其它行业的工业催化作用，有着结晶完整并具有非常良好的导热性能。

（2）等静压石墨

等静压石墨是高纯石墨的延伸产品，主要由高纯石墨加工而成，有着高纯石墨的特点，具有受热膨胀率小、受热后的热传导性能优良等主要特点。

（3）可膨胀石墨

可膨胀石墨主要选用自然排列的天然鳞片石墨，主要经过酸性氧化处理后的层间化合物，本身体有着耐高温、耐高热等优点外，增加了石墨的可膨胀性。

（4）氟化石墨

氟化石墨是集性能与效益合一的新型石墨产品。有着较高的附加值与独特的品质，被多个领域广泛应用的石墨功能性材料。主要应用于电池原料与固体润滑剂等领域。

由于氟化石墨表面能低，电活性极高，可作为电池的活性材料，在一次锂离子电池中应用较广泛，氟化石墨主要与锂或含锂的有机溶剂混合制成高性能锂电池。除了作为锂电池正极材料外，氟化石墨还可作为高能量密度镁电池、铝离子电池正极材料等。

另外，与其他固体润滑剂相比，氟化石墨的润滑性能更好，且几乎不受环境的影响，如在高温、高压、腐蚀性环境下均能表现优异的性能。由于其稳定的性质和优良的润滑性能，可作为在恶劣环境下运作的机械设备、密封材料等方面的润滑剂及润滑剂添加剂。

（5）胶体石墨

胶体石墨主要在保证优良的导电性与导热性之外利用石墨成膜均匀等特点，主要应用于消除静电成膜领域。

（6）石墨烯

石墨烯是一种由一个原子厚度组成的二维材料，主要是用于军事领域的防弹材料制作与导电剂。

石墨发展方向

以深加工为主，实现一些重要工程项目，建设完整产业链，引导石墨产业健康科学地发展。 一是陈旧技术设备的改造；二是目前炭石墨材料发展的热点技术产品，如锂离子电池负极材料、各向同性石墨、高导热石墨等的产业化、集约化。

（1）石墨采选矿技术设备的更新换代

我国的石墨采选矿技术设备从20世纪60年代以来基本没有进步，在能耗和矿物回收率方面大大落后于其他矿种。石墨采选矿技术设备相对其他矿种要简单，但由于产业长期效益低，资金缺乏，没有更新换代。有实力的矿产设计研究院与采选企业结合，引进其他矿种的先进采选矿技术设备，设计建设先进的石墨采选矿生产线，在能耗、回收率、大鳞片保护、水资源节约利用、尾矿处理等技术经济指标上有显著改善。运行成功后在产业内推广，并将先进技术经济指标作为行业准入和淘汰落后技术装备的指标。

（2）建设先进的规模化石墨提纯生产线

国内已经具有环保节能的先进酸碱法提纯和节能型高温提纯技术，政府引导，产学研结合，针对资源特点，建设不同类型的规模化石墨提纯生产线。严格限制化学提纯中严重污染环境的氢氟酸的使用。

（3）锂电天然石墨负极材料的产业规模化及动力、储能型电池负极材料的研发

国内已经有了鳞片石墨球形化后制备负极材料的企业，如贝特瑞等；清华大学等院校具有了以微晶石墨制备负极材料的技术，但产业规模及产品质量还不能满足锂离子电池迅速发展的需求。国内大批生产的球形石墨主要出口日本及韩国，供国外企业生产高质量负极材料。依托资源，把天然石墨锂离子电池负极材料的产业规模化，并针对不同档次电池需求，研发不同品质负极材料，使产品系列化；研发安全、长寿命的天然石墨动力型、储能型电池负极材料。随着锂离子电池需求的迅猛增长，负极材料的市场前景十分广阔。

（4）天然石墨基各向同性石墨的产业化

各向同性石墨广泛应用于核能、硅晶制备、电火花加工、连续铸钢、航空航天等领域，是炭材料的高端产品、战略物资。我国目前所需的各向同性石墨2/3依靠进口。传统技术制备各向同性石墨技术复杂、成本高。微晶石墨矿物颗粒本身具有各向同性性，是制备各向同性石墨的很好原料，而且能简化工艺、降低成本，已经制备出工业尺寸的样品，各向同性参数达到1.04（要求最高的核石墨1.05）；鳞片石墨球形化后，也具有制备各向同性石墨的潜在可能。清华大学等已经具有自己原创的专利技术，正与企业合作实施产业化。

（5）天然石墨基高导热材料

电子设备的小型化，要求电子器件的集成度越来越高，使得散热成为IT产业的一个关键技术，对轻质高导热材料需求越来越大。柔性石墨作为均热导热材料已广泛用于LED显示器及许多电子产品；利用天然石墨的优良导热性，制备导热性与铜相当或更高，而密度只有铜1/4的高端导热材料，武汉科技大学、山西煤化所、清华大学等已有相关技术，建议产学研结合，以实现产业化。

（6）柔性石墨产品的系列化研究

我国柔性石墨的生产已经具有一定规模，并且与国外先进企业有多项合作。但我国的产品多为中低端产品，品种规格不到国外的1/5。建议产学研用结合，针对使用要求研发高端产品，完善品种规格，使之系列化、标准化。

（7）膨胀石墨环保材料的产业化

膨胀石墨对水体污染的吸附治理作用，已有大量的研究成果，在治理水体的油品、有机物污染上，膨胀石墨远比现在使用的普通活性炭有效、经济。但膨胀石墨不便运输，需要在应用现场制备。膨胀石墨环保材料的制备、使用、回收、再生有一定的技术难度，加之过去对环保不够重视，膨胀石墨环保材料一直没能产业化。党的十八大提出了建设美丽中国，加大了环保力度，使得膨胀石墨环保材料的产业化成为可能。现在膨胀石墨环保材料的产业化的技术基础已经具备，可以从两个技术层面进行这项工程。

在水污染企业，如钢铁、化工、印染、食品等企业集中的地区，建设膨胀石墨环保材料制备、使用、回收、再生的服务网络。膨胀石墨环保材料与其他治理方法的配合使用，将使水污染的治理程度和效益大大提升。对日益频发的油品和有机物水体污染突发事件，建造综合性水域环保专用船舶，把传统的围栏、抽吸等治理手段与膨胀石墨高效吸油性能结合起来，提高治污能力。

石墨可用于生产耐火材料、导电材料、耐磨材料、润滑剂、耐高温密封材料、耐腐蚀材料、隔热材料、吸附材料、摩擦材料和防辐射材料等，这些材料广泛应用于冶金、石油化工、机械工业、电子产业、核工业和国防等。

石墨耐火材料

在钢铁工业，石墨耐火材料用于电弧高炉和氧气转炉的耐火炉衬、钢水包耐火衬等； 石墨耐火材料主要是整体浇铸材料、镁碳砖和铝石墨耐火材料。石墨还用于粉末冶金和金属铸造成膜材料，石墨粉加入到钢水中增加钢的碳含量，使高碳钢具有许多优异性能。

石墨导电材料

在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。

石墨耐磨润滑材料

石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在－200～2000℃温度中在很高的滑动速度下，不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和轴承，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时的良好的润滑剂。

石墨耐腐蚀材料

经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

石墨高温冶金材料

由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管等元件。

石墨原子能与国防工业

石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀-石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个ppm 。特别是其中硼含量应少于0.5ppm。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

（1） 石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉（每吨水大约用4～5克）能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

（2） 石墨逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料。

（3） 石墨深加工产品填加到塑料产品和橡胶产品中，可使塑料制品和橡胶制品不产生静电，许多工业产品需要具有防静电和屏蔽电磁辐射功能，石墨产品兼有这两项功能，石墨在塑料制品、橡胶制品及其它相关工业产品中的应用也会增加。

此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展，石墨的应用领域还在不断拓宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济中具有重要的作用。