Конструкционный графит

Конструкционный графит занимает особое положение среди углеродных материалов. В отличие от природного чешуйчатого графита, используемого для смазок и противопригарных покрытий, или электродного графита, чья задача — проводить ток и выдерживать дуговой разряд, конструкционные марки проектируются как несущий материал. Они держат механическую нагрузку в средах, где металлы отказывают: при температурах свыше 2000 °C в инертной атмосфере, в агрессивных кислотных парах, в контакте с расплавленными стекломассами и цветными металлами.

Технологический цикл

Производство конструкционного графита — это многостадийный передел продолжительностью от двух до шести месяцев в зависимости от требуемой плотности и зернистости. Упрощенное описание цикла сводится к последовательности: подготовка наполнителя → смешивание со связующим → формование → обжиг → графитация → механическая обработка. Однако на каждом этапе закладываются параметры, которые проявятся в готовой детали лишь спустя недели термообработки.

Сырьевая база. Наполнителем служит прокаленный нефтяной или сланцевый кокс. Выбор кокса определяет анизотропию свойств конечного продукта. Игольчатый кокс дает высокую теплопроводность вдоль оси прессования, изотропный — равномерность свойств по всем направлениям. Связующим выступает каменноугольный пек в пропорции от 18 до 37 массовых процентов в зависимости от дисперсности наполнителя.

Зернистость. По этому признаку конструкционные графиты делятся на среднезернистые (частицы до 1,25 мм) и мелкозернистые (частицы до 0,5 мм). Мелкозернистые марки обеспечивают более высокую прочность и качество поверхности после мехобработки, но цикл их производства длиннее и затратнее. Согласно патентным данным, измельчение пропитанного кокса до фракции менее 0,5 мм с последующим горячим прессованием позволяет достичь плотности заготовки 1,78 г/см³ без дополнительных пропиток.

Графитация. Финальная термообработка проводится при температурах 2400–3000 °C. В этом диапазоне аморфный углерод перестраивается в кристаллическую решетку графита. Именно на стадии графитации материал приобретает электропроводность, теплопроводность и способность работать в бескислородной среде при экстремальных температурах.

Марочный сортамент и характеристики

Российский рынок оперирует несколькими группами конструкционных графитов, каждая из которых имеет устоявшееся буквенное обозначение, привязанное к технологии изготовления и области применения.

МПГ (мелкозернистый плотный графит). Производится методами горячего прессования или экструзии с последующими циклами пропитки пеком и повторного обжига. Плотность достигает 1,80–1,85 г/см³, прочность на сжатие — до 70 МПа, на изгиб — до 35 МПа. Применяется для изготовления фасонных изделий химической и теплообменной аппаратуры: теплообменников, запорной арматуры, разрывных мембран, работающих в контакте с кислотами.

МГ (мелкозернистый графит). Отличается от МПГ меньшим количеством пропиток и, соответственно, более низкой плотностью. Компромиссный вариант для деталей, не испытывающих предельных механических нагрузок, но требующих высокой чистоты поверхности.

АГ-1500 (антифрикционный графит). Разработан для узлов трения, работающих без жидкой смазки или в контакте с водой. Твердость и износостойкость позволяют использовать его в подшипниках скольжения, торцовых уплотнениях насосов, направляющих втулках запорной арматуры.

ГЭ (графит электротехнический). Отличается повышенной электропроводностью и термостойкостью. Применяется в качестве нагревательных элементов вакуумных печей, контактных колец, токосъемников.

Силицированный графит. Отдельный класс, получаемый пропиткой пористой графитовой заготовки расплавом кремния. В порах формируется карбид кремния — фаза с твердостью, близкой к алмазу. Силицированный графит демонстрирует уникальное сочетание свойств: теплопроводность графита, твердость карбида кремния и коррозионную стойкость в агрессивных средах. Подшипники главных циркуляционных насосов (ГЦН) атомных реакторов типа ВВЭР десятилетиями эксплуатируются именно на силицированном графите.

Ориентировочный диапазон физико-механических параметров конструкционных графитов:

Защита от окисления: покрытия и их классификация

Главное ограничение конструкционного графита — окисление на воздухе при температурах выше 600 °C. Для расширения температурного диапазона применяются диффузионно-реакционные покрытия (ДРП).

При температурах эксплуатации 1300–1500 °C используют покрытия стеклосилицидного класса на основе боросиликатного стекла и дисилицидов молибдена или вольфрама. Для более жестких условий (свыше 1500 °C) применяют покрытия карбидно-боридного класса в системах Hf(Zr)—B—Si—C или оксидно-боридного класса Hf(Zr)—B—Si—O.

Формы поставки и механическая обработка

Конструкционный графит поставляется в двух базовых формах:

• Заготовки. Блоки, плиты, цилиндры, полученные экструзией или прессованием и прошедшие полный цикл обжига и графитации. Размеры определяются возможностями оборудования завода-изготовителя: экструзионные заготовки достигают длины 1200 мм и сечения 280×280 мм и более.

• Готовые изделия по чертежам заказчика. Механическая обработка графита выполняется на токарных и фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ. Особенность графита — хрупкость при высокой твердости. Обработка требует специального режущего инструмента с твердосплавными пластинами и режимов резания, исключающих выкрашивание кромок.

Коммерческие условия

Цена конструкционного графита определяется маркой, плотностью, наличием пропиток и сложностью мехобработки. При запросе коммерческого предложения необходимо указывать:

1. Требуемую марку или эксплуатационные параметры — температуру, среду, нагрузку.

2. Габариты заготовки или чертеж готовой детали.

3. Необходимость защитного покрытия и диапазон рабочих температур в окислительной среде.