Диск из графита

Графитовый диск — заготовка цилиндрической формы с малым отношением высоты к диаметру, изготовленная из искусственного (синтетического) графита. Такие изделия применяют в металлургии, машиностроении, химической промышленности и электротехнике. Диски графитовые выпускаются из конструкционных, антифрикционных и электродных марок графита, что определяет их эксплуатационные характеристики и область применения.

Искусственный графит для производства дисков получают обжигом и графитацией коксо-пековых композиций при температурах до 2800–3000 °C. Результат — плотный мелкозернистый материал с высокой химической чистотой, термостойкостью и электропроводностью. В отличие от природного графита, искусственный содержит минимум примесей (зольность порядка 0,01–0,3 %), что критически важно для работы в контакте с расплавами и агрессивными средами.

Свойства графита, определяющие применение дисков

Графит обладает комплексом свойств, которые делают его незаменимым конструкционным материалом для работы в экстремальных условиях. Слоистая кристаллическая структура определяет его ключевые характеристики.

Термические свойства

Графитовые изделия работоспособны при температурах до 2000 °C в вакууме и до 2500 °C в защитной атмосфере (аргон, азот). При нагревании прочность графита не снижается, а возрастает — это принципиальное отличие от большинства конструкционных материалов. Теплопроводность конструкционных марок составляет 100–150 Вт/(м·К) при комнатной температуре, что сопоставимо с показателями алюминия. Высокая термостойкость позволяет графитовым дискам выдерживать резкие перепады температур без растрескивания.

Электрическая проводимость

Графит — хороший проводник электрического тока. Удельное электросопротивление конструкционных марок находится в диапазоне 8–15 мкОм·м. При повышении температуры электропроводность увеличивается, что отличает графит от металлов. Это свойство используется при изготовлении дисковых электродов и нагревательных элементов.

Химическая стойкость и антифрикционность

Графит инертен к большинству кислот, щелочей и расплавленных металлов. Поверхность графита не смачивается жидкими металлами — это важно при использовании дисков в качестве подложек и разделительных элементов в литейном производстве. Слоистая структура обеспечивает естественную самосмазываемость: коэффициент трения графита по стали при сухом скольжении составляет 0,1–0,2, что позволяет применять графитовые диски в узлах трения без дополнительной смазки.

Марки графита для дисковых заготовок

Выбор марки графита зависит от условий эксплуатации. Ниже приведены основные группы графитов, из которых выпускают диски.

Конструкционный мелкозернистый графит

Графиты серии МПГ (мелкозернистый плотный графит) — наиболее востребованные марки для дисковых заготовок. Мелкозернистая структура (размер зерна 0,03–0,15 мм) обеспечивает равномерность свойств и возможность обработки с высокой точностью. Подробнее о конструкционном графите — на странице графит конструкционный.

Параметр	МПГ-6	МПГ-7	МПГ-8
Плотность, г/см³	≥ 1,60	≥ 1,76	≥ 1,82
Пористость, %	≤ 15	10–12	≤ 10
Прочность при сжатии, МПа	≥ 73	≥ 75	≥ 80
Прочность при изгибе, МПа	≥ 34	≥ 39	≥ 44
Уд. электросопротивление, мкОм·м	≤ 15	≤ 12	≤ 10
Размер зерна, мм	0,03–0,15	≤ 0,045	≤ 0,045

Конструкционные марки подходят для дисков, работающих при высоких температурах в вакуумных печах, в качестве подложек при выращивании полупроводниковых кристаллов, экранов, пресс-форм и заготовок для электроэрозионной обработки.

Антифрикционный графит с пропиткой

Для дисков, работающих в узлах трения, применяют антифрикционные графиты с металлической пропиткой. Пропитка баббитом или сплавом свинца с оловом снижает пористость, повышает антифрикционные свойства и газонепроницаемость. Такие диски используют как уплотнительные кольца, вкладыши подшипников скольжения насосов и компрессоров.

Графитобаббитовые изделия работоспособны при сухом, полусухом и жидкостном трении. Допустимое удельное давление — 15–20 кгс/см², допустимая скорость скольжения — до 20 м/с. Максимальная рабочая температура в окислительной среде — 230 °C. Не рекомендуется работа по цветным металлам и их сплавам.

Силицированный графит

Диски из силицированного графита представляют собой композит из карбида кремния (SiC), свободного углерода и кремния. Материал получают пропиткой пористого графита расплавленным кремнием при температурах выше 2000 °C. Плотность силицированного графита — 2,1–3,0 г/см³, что значительно выше обычного конструкционного графита. Подробнее — графит силицированный.

Силицирование придаёт изделиям высокую износостойкость, эрозионную и коррозионную стойкость, жаропрочность. Диски из силицированного графита применяют как кольца трения для торцовых уплотнений, работающих в агрессивных жидких средах с абразивными частицами.

Область применения графитовых дисков

Графитовые диски находят применение в различных отраслях промышленности. Конкретная задача определяет требования к марке, размерам и допускам.

Металлургия и литейное производство

В литейном производстве графитовые диски используют в качестве элементов пресс-форм, подложек и разделительных пластин. Несмачиваемость расплавленными металлами позволяет легко извлекать отливки. Диски из конструкционного графита применяют как элементы кристаллизаторов при непрерывном литье меди, латуни и других цветных металлов.

Электротехника и электроэрозия

Мелкозернистые графитовые диски служат электродами для электроэрозионной обработки (ЭЭО) металлов. Мелкая структура зерна обеспечивает низкую шероховатость обработанной поверхности. В электротехнике графитовые диски применяют как контактные элементы, экраны и нагревательные элементы печей сопротивления.

Химическая промышленность

Химическая стойкость графита позволяет использовать диски в качестве уплотнительных элементов аппаратуры, работающей с агрессивными средами. Диски из пропитанного или силицированного графита устанавливают в торцовые уплотнения и подшипники скольжения химических насосов.

Полупроводниковая промышленность

Графитовые диски высокой чистоты (зольность менее 0,01 %) применяют как подложки (сусцепторы) в установках для выращивания полупроводниковых кристаллов и нанесения эпитаксиальных плёнок. Высокая теплопроводность и термостойкость обеспечивают равномерный нагрев подложек.

Механическая обработка графитовых дисков

Графит хорошо поддаётся механической обработке на стандартном металлорежущем оборудовании: токарных, фрезерных и шлифовальных станках. При обработке следует учитывать ряд особенностей.

Графит — хрупкий материал. Стружка при обработке образуется в виде мелкодисперсной пыли, а не сплошной ленты. Необходимо обеспечить эффективное пылеудаление: графитовая пыль абразивна и может вызвать преждевременный износ направляющих станков. Охлаждающие жидкости, как правило, не применяют — графитовая пыль впитывается в поры и загрязняет заготовку.

Мелкозернистые марки (МПГ-6, МПГ-7, МПГ-8) позволяют обрабатывать заготовки с точностью до ±0,05 мм и получать шероховатость поверхности Ra 0,8–1,6 мкм при шлифовании. Изготовление деталей со стенками толщиной до 0,8 мм также возможно на мелкозернистых графитах.

Формы поставки

Графитовые диски поставляются в виде стандартных заготовок или деталей, изготовленных по чертежам заказчика. Типичный диапазон размеров:

Параметр	Диапазон
Диаметр	от 10 до 700 мм и более (ограничен размером исходного блока)
Толщина	от 3 до 150 мм
Допуски	Зависят от требований: черновая заготовка — ±1 мм, чистовая обработка — ±0,05 мм

Диски могут иметь центральное отверстие, кольцевые проточки и другие конструктивные элементы. При заказе указывают: марку графита, наружный диаметр, толщину, наличие отверстий, требования к шероховатости и допускам.

Условия хранения и транспортировки

Графит — химически стабильный материал, не подверженный коррозии и старению в нормальных условиях. Хранить графитовые диски следует в сухом помещении, защищённом от механических ударов. Графит хрупок — падение с высоты может привести к сколам и трещинам. Транспортировку выполняют с индивидуальной упаковкой каждого диска или прокладками между дисками для предотвращения повреждений.