Графит силицированный

Графит силицированный — композитный конструкционный материал, получаемый пропиткой пористого искусственного графита расплавленным кремнием при температуре выше 2000 °C. В результате химического взаимодействия углерода и кремния образуется трёхкомпонентная система: карбид кремния (SiC), свободный углерод (графит) и остаточный кремний. Именно такой фазовый состав определяет сочетание высокой износостойкости, жаропрочности и антифрикционных свойств, которые делают силицированный графит востребованным в металлургии, химическом машиностроении и нефтехимической промышленности.

Материал выпускается трёх основных марок — СГ-М (мягкий), СГ-П (прочный) и СГ-Т (твёрдый), — каждая из которых отличается соотношением компонентов и, как следствие, комплексом физико-механических характеристик. Поставляем графит силицированный в виде заготовок и готовых изделий по чертежам заказчика.

Состав и принцип получения силицированного графита

Исходным сырьём для получения силицированного графита служат различные марки пористого искусственного графита. Заготовки нужной формы и размеров изготавливают заранее с учётом припусков на последующую механическую обработку. Затем их помещают в печь, где при температуре свыше 2000 °C происходит пропитка расплавленным кремнием.

При контакте жидкого кремния с углеродом протекает реакция:

Si + C → SiC

Кремний инфильтруется в поры графитовой заготовки и частично вступает в химическое взаимодействие с углеродом, образуя карбид кремния. Однако реакция протекает не полностью: часть кремния и углерода остаётся в свободном состоянии. Таким образом формируется трёхфазная структура — SiC, C и Si, — соотношение которых определяется пористостью, плотностью и составом исходной графитовой заготовки, а также режимами силицирования (температура, время выдержки).

Карбидная фаза (SiC) обеспечивает высокую твёрдость, прочность и химическую стойкость. Свободный графит придаёт материалу антифрикционные свойства и устойчивость к многократным теплосменам. Остаточный кремний заполняет поры и повышает плотность.

Марки силицированного графита: СГ-М, СГ-П, СГ-Т

Все три марки регламентируются ТУ 48-20-89-90 «Графит силицированный марок СГ-М, СГ-Т и СГ-П. Детали. Технические условия». Различия между ними определяются маркой исходного графита и условиями пропитки, что приводит к разному содержанию карбидной фазы.

Графит силицированный марки СГ-М (мягкий)

СГ-М — марка с относительно невысоким содержанием карбида кремния. Отличается меньшей твёрдостью по сравнению с СГ-П и СГ-Т, однако обладает высокой стойкостью к многократным теплосменам и жаропрочностью. Рабочий диапазон температур — от −70 до +1600 °C. Число теплосмен до появления первой трещины — более 50.

Область применения: изготовление чехлов для термопар погружения, нагревателей, тиглей, литейной оснастки (стопоры, стаканы, воронки, изложницы). СГ-М не смачивается расплавами металлов и шлаков, что делает его одним из лучших материалов для защитной арматуры на металлургических предприятиях.

Графит силицированный марки СГ-П (прочный)

СГ-П характеризуется повышенным содержанием карбида кремния (порядка 45%), высокой прочностью на сжатие (420–450 МПа) и равномерным распределением карбидной фазы по объёму. Рабочая температура — до +400–450 °C.

Применяется для изготовления тяжелонагруженных пар трения: колец торцевых уплотнений, подшипников скольжения насосов, втулок и вкладышей герметичных насосов. Элементы из СГ-П работоспособны при удельных давлениях до 15 МПа и скоростях скольжения до 200 м/с. Срок службы узлов трения — не менее 50 тыс. часов.

Существует также модификация СГ-П 0,5, отличающаяся повышенной однородностью структуры и стабильностью физико-механических характеристик. Используется в особо ответственных узлах.

Графит силицированный марки СГ-Т (твёрдый)

СГ-Т имеет наибольшее содержание карбида кремния (порядка 50%) и максимальную твёрдость (HRC 60–75) среди трёх основных марок. Рабочая температура — до +500 °C.

Основная область применения — подшипники скольжения, а также защитные элементы (крышки, щитки), работающие в условиях абразивного и гидрокоррозионного износа.

Физико-механические свойства силицированного графита

Свойства материала в значительной степени определяются содержанием карбида кремния. С увеличением доли карбидной фазы растёт твёрдость, прочность при сжатии и износостойкость, но снижается стойкость к теплосменам.

Примечание. Значения в таблице носят справочный характер и могут варьироваться в зависимости от конкретной партии и условий производства.

Химическая стойкость силицированного графита

Силицированный графит обладает высокой коррозионной стойкостью к широкому спектру агрессивных сред. Материал химически инертен в минеральных кислотах различных концентраций и температур (серная, соляная, азотная, фосфорная), а также в солевых растворах. Композит устойчив к воздействию расплавленных металлов и шлаков — он практически не смачивается ими.

Ограничения: силицированный графит взаимодействует с плавиковой кислотой (HF) и концентрированными растворами щелочей. Эту особенность необходимо учитывать при выборе материала для конкретных условий эксплуатации.

В окислительных средах на воздухе устойчивость материала ограничена температурой 850–1200 °C (в зависимости от марки и давления). В восстановительной и нейтральной газовых средах защитные чехлы из СГ-М выдерживают температуру до 2300 °C при давлении не более 3 атм.

Теплофизические свойства

Силицированный графит характеризуется малым коэффициентом теплового расширения (КТР) — порядка 4,6·10⁻⁶ 1/°C для марки СГ-М в интервале 20–1000 °C. Это обеспечивает высокую устойчивость к термоударам: материал способен выдерживать резкие перепады температуры без растрескивания. Число теплосмен до появления первой трещины у марки СГ-М превышает 50 циклов, у модификаций с добавлением бора (БСГ-30) — более 100 циклов.

Теплопроводность силицированного графита возрастает с увеличением содержания карбида кремния и плотности материала. Это свойство обеспечивает равномерное распределение тепла по объёму изделия и снижает вероятность локального перегрева.

Антифрикционные свойства и работа в узлах трения

Силицированный графит — один из наиболее эффективных антифрикционных конструкционных материалов. Низкий коэффициент трения (0,04–0,07 в зависимости от марки) обусловлен слоистой структурой графитовой фазы, в которой слабые межслоевые связи обеспечивают эффект самосмазывания.

Ключевое преимущество в парах трения — сочетание высокой твёрдости карбидной фазы с антифрикционными свойствами свободного графита. Это позволяет применять материал в узлах, работающих без смазки или со смазкой перекачиваемой средой.

Основные эксплуатационные параметры пар трения из силицированного графита марки СГ-П:

Применение графита силицированного в промышленности

Области использования силицированного графита определяются его ключевыми свойствами: износостойкостью, жаропрочностью, химической инертностью и антифрикционностью. Ниже рассмотрены основные направления.

Узлы трения насосного и компрессорного оборудования

Наиболее массовое применение — элементы пар трения в насосах для перекачки агрессивных жидкостей с абразивными включениями. Из силицированного графита изготавливают кольца торцевых уплотнений, подшипники скольжения осевого и радиального типов, втулки и вкладыши герметичных насосов (типа ЦГ, БЭН и др.).

Материал работает в средах, содержащих минеральные кислоты, щёлочи, солевые растворы, нефтепродукты — везде, где обычный графит или металл быстро изнашиваются. Изделия из силицированного графита в 5–10 раз превосходят по стойкости аналогичные детали из несилицированного графита.

Металлургия и литейное производство

В металлургии силицированный графит марки СГ-М используется для изготовления литейной оснастки: тиглей, контейнеров для плавки и транспортировки расплавленных металлов, стопоров, стаканов, воронок и изложниц. Материал не смачивается расплавами и шлаками, устойчив к термоударам и имеет длительный срок службы по сравнению с керамическими аналогами.

Также из силицированного графита изготавливают формы для отливки стеклянных изделий, стойкие к воздействию расплавленного стекла.

Чехлы и защитная арматура термопар

Графит силицированный марки СГ-М широко применяется как материал защитных чехлов термопар погружения на предприятиях литейной промышленности. Чехлы из СГ-М обеспечивают защиту термопары при измерении температуры жидкого чугуна и шлака (до 1600–1800 °C).

Преимущества перед керамическими чехлами: высокая стойкость к теплосменам (керамика значительно более хрупка при резких перепадах температуры), несмачиваемость металлами и шлаками, длительный ресурс.

Химическое машиностроение

В химической и нефтехимической промышленности силицированный графит применяется в узлах оборудования, контактирующего с агрессивными средами: реакторах, сепараторах, теплообменниках. Изделия работают в кипящих концентрированных кислотах и солях.

Насадки на гидроциклоны

Из силицированного графита изготавливают износостойкие насадки для гидроциклонов, работающих с абразивными суспензиями. Высокая твёрдость карбидной фазы обеспечивает длительный срок эксплуатации в условиях интенсивного абразивного воздействия.

Текстильная промышленность

Элементы из силицированного графита применяются в кордных машинах для производства искусственного волокна (отделочные цилиндры, прядильные диски), а также в роликах ленточных транспортёров горнодобывающего оборудования.

Сравнение силицированного графита с аналогами

Помимо трёх основных марок (СГ-М, СГ-П, СГ-Т), на рынке присутствуют родственные материалы на основе пропитки графита кремнием:

ГАКК 55/40 — алюмокарбидокремниевая композиция, обладающая более низкими прочностными показателями, но допускающая обработку на стандартном токарном оборудовании. Используется в торцевых уплотнениях подшипников, работающих в нейтральных и агрессивных средах.

БСГ-30 — боросилицированный графит, при получении которого в расплав кремния добавляют бор. Обладает повышенной стойкостью к абразивному износу и термоударам (более 100 теплосмен). Применяется в чехлах термопар и втулках, работающих в абразивных средах.

Механическая обработка изделий из силицированного графита

Высокая твёрдость карбидной фазы (карбид кремния имеет твёрдость 9,5 по шкале Мооса) обуславливает специфику обработки изделий из силицированного графита. Заготовки прессуют или вытачивают из пористого графита до процесса силицирования, когда материал ещё поддаётся стандартной механической обработке.

После пропитки кремнием и образования карбидной фазы финишная обработка (доводка размеров, шероховатость рабочих поверхностей) выполняется только алмазным инструментом. Это следует учитывать при проектировании деталей: заготовки необходимо изготавливать с минимальными припусками на финишную обработку.

Ударная вязкость силицированного графита относительно невысокая (2,5–4,5·10³ Н·м/м²), что проявляется при механической обработке в виде склонности к сколам. Необходимо использовать щадящие режимы резания.

Формы поставки графита силицированного

Поставляем силицированный графит марок СГ-М, СГ-П и СГ-Т в следующих формах:

Выбор марки для конкретных условий эксплуатации

При выборе марки силицированного графита необходимо учитывать приоритетные требования к детали:

Преимущества силицированного графита перед другими материалами

В сравнении с несилицированными марками графита, керамикой и металлами, силицированный графит имеет ряд эксплуатационных преимуществ:

По сравнению с обычным графитом: стойкость изделий из силицированного графита в расплавах алюминия, шлака и чугуна в 5–10 раз выше, чем у деталей из несилицированного графита. Значительно ниже износ в парах трения.

По сравнению с керамикой: силицированный графит существенно лучше переносит резкие перепады температуры. Керамика склонна к хрупкому разрушению при теплосменах, тогда как силицированный графит (особенно марки СГ-М и БСГ-30) выдерживает десятки и сотни циклов без растрескивания.

По сравнению с металлами: в агрессивных средах (кислоты, щёлочи, солевые растворы) и при контакте с расплавами силицированный графит значительно превосходит большинство металлов по коррозионной стойкости. Кроме того, он обладает самосмазывающими свойствами, что снижает потребность во внешней смазке в узлах трения.

Условия заказа

Для подбора марки и формы поставки графита силицированного необходимо указать: рабочую среду и её температуру, тип нагрузки (трение, давление, термоудары), требуемые размеры или чертёж изделия. Изготовление деталей из силицированного графита выполняется по предварительному заказу. Стоимость и сроки зависят от марки, объёма партии и сложности изделий.