Графит В-1

Графит В-1 относится к группе искусственных конструкционных графитов, получаемых из коксо-пековых композиций методом прессования с последующим обжигом и графитацией при температурах порядка 2500–3000 °C. Материал представляет собой поликристаллическое тело тёмно-серого цвета с характерным металлическим блеском. Благодаря сочетанию термостойкости, химической инертности, электро- и теплопроводности конструкционный графит В-1 применяется в металлургии, электротехнике, химическом машиностроении и других отраслях, где от материала требуется работоспособность при экстремальных температурах и в агрессивных средах.

Структура и особенности искусственного графита В-1

Кристаллическая решётка графита состоит из плоских слоёв (базисных плоскостей), в каждом из которых атомы углерода образуют правильные шестиугольники. Внутри слоя атомы связаны прочными ковалентными sp²-связями, тогда как между слоями действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы. Этим обусловлена характерная анизотропия свойств: электро- и теплопроводность, прочность, коэффициент термического расширения существенно различаются вдоль и поперёк базисных плоскостей.

В искусственных конструкционных графитах степень анизотропии зависит от способа формования заготовки. При экструзии зёрна наполнителя ориентируются преимущественно вдоль оси прессования, что усиливает различие свойств в разных направлениях. При изостатическом прессовании ориентация зёрен более равномерная, и материал приближается к изотропному.

Физико-механические свойства конструкционного графита

Ниже приведены типичные диапазоны характеристик искусственных конструкционных графитов. Конкретные значения для марки В-1 определяются нормативной документацией на данную марку и могут быть уточнены по паспорту качества конкретной партии.

Плотность и пористость

Объёмная (кажущаяся) плотность искусственных конструкционных графитов составляет от 1,55 до 1,85 г/см³ в зависимости от марки, количества пропиток и режимов обжига. Для сравнения: теоретическая плотность идеального монокристалла графита равна 2,265 г/см³, а плотность природного графита-минерала находится в диапазоне 2,09–2,23 г/см³. Разница обусловлена открытой и закрытой пористостью, которая в конструкционных графитах составляет от 10 до 30 %.

Повышение плотности достигается многократной пропиткой заготовок каменноугольным пеком с промежуточным обжигом после каждого цикла. Каждая дополнительная пропитка увеличивает плотность и снижает пористость, что положительно влияет на прочность и газонепроницаемость материала.

Механическая прочность

Одна из уникальных особенностей графита — рост прочности при нагреве. У большинства конструкционных марок предел прочности при сжатии и изгибе увеличивается с повышением температуры вплоть до примерно 2700 К (~2430 °C), после чего начинает снижаться. При 2700 К прочность может быть примерно вдвое выше, чем при комнатной температуре. Этим графит принципиально отличается от металлов и керамики, прочность которых монотонно падает с ростом температуры.

Значения пределов прочности при сжатии для конструкционных графитов обычно находятся в диапазоне 20–90 МПа, при изгибе — 5–45 МПа (при комнатной температуре). Точные значения определяются маркой, зернистостью и плотностью конкретного материала.

Теплофизические характеристики

Теплопроводность искусственного графита зависит от марки, направления (анизотропия) и температуры. Для конструкционных марок типичные значения при комнатной температуре находятся в диапазоне 70–150 Вт/(м·К) вдоль направления прессования и могут отличаться в поперечном направлении.

Коэффициент термического расширения (КТР) графита анизотропен. Вдоль базисных плоскостей КТР до ~700 К может быть отрицательным (материал сжимается при нагреве), выше 700 К становится положительным. В перпендикулярном направлении КТР положителен во всём температурном диапазоне. В промышленной практике для конструкционных графитов КТР обычно приводится как усреднённая величина в диапазоне (2–6)·10⁻⁶ К⁻¹.

Низкий КТР обеспечивает высокую термостойкость: графитовые изделия выдерживают резкие перепады температур без растрескивания, что критически важно при работе в условиях термоциклирования.

Электрические свойства графита В-1

Графит является хорошим проводником электрического тока. Удельное электрическое сопротивление конструкционных марок составляет порядка 8–50 мкОм·м в зависимости от марки и направления измерения. Наивысшую электропроводность имеет рекристаллизованный графит. Электропроводность графита используется при изготовлении электродов, контактных вставок, нагревателей электрических печей и других токоведущих элементов.

Химическая стойкость графита к агрессивным средам

Графит инертен по отношению к большинству кислот (соляной, серной, фосфорной, плавиковой), щелочей и расплавов солей. Он не смачивается расплавленными металлами и расплавленным стеклом, что делает его пригодным для тиглей, изложниц и литейной оснастки.

Существенное ограничение — неустойчивость к окислителям. Концентрированная азотная кислота, хромовая кислота, растворы перманганата калия и другие сильные окислители разрушают графит. В расплавах, содержащих оксиды или карбонаты щелочных металлов, также наблюдается окисление углерода.

Поведение графита при высоких температурах

Температура сублимации графита составляет около 3845–3890 °C. До этого порога материал сохраняет твёрдое состояние, что позволяет использовать его в качестве конструкционного элемента при экстремальных термических нагрузках.

Однако при работе на воздухе заметное окисление углерода начинается уже при 400–500 °C. С ростом температуры скорость окисления резко увеличивается. Поэтому при температурах выше 400 °C графитовые изделия должны эксплуатироваться в защитной атмосфере (аргон, азот, гелий), в вакууме, либо под защитными покрытиями.

В инертной среде или вакууме конструкционный графит стабильно работает при температурах свыше 2000 °C, а кратковременно — до 2500 °C и выше. Это делает его одним из немногих конструкционных материалов, пригодных для сверхвысокотемпературных применений.

После воздействия высоких температур графит становится несколько твёрже, но одновременно приобретает повышенную хрупкость. Это следует учитывать при проектировании изделий, подвергающихся термическому воздействию с последующим охлаждением.

Механическая обработка графитовых заготовок

Искусственный конструкционный графит хорошо поддаётся механической обработке на стандартных металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных). Удельное сопротивление резанию у графита примерно в 20 раз ниже, чем у чугуна, что позволяет работать на повышенных скоростях резания стандартным твердосплавным инструментом.

Мелкозернистые марки допускают нарезку резьбы с шагом от 0,5 мм и изготовление деталей сложной геометрии. При обработке образуется мелкодисперсная графитовая пыль, поэтому рабочее место оснащается системами местной вытяжной вентиляции. Предельно допустимая концентрация графитовой пыли в воздухе рабочей зоны по нормативам не должна превышать установленных значений для углеродных аэрозолей.

Области применения графита В-1 в промышленности

Металлургия и литейное производство

Графит В-1 используется для изготовления тиглей, изложниц, кристаллизаторов, литейных форм, фурм и другой оснастки, контактирующей с расплавленными металлами. Несмачиваемость расплавами обеспечивает чистое извлечение отливок и минимизирует пригар. Графитовые блоки и заготовки служат исходным материалом для подобных изделий.

Электротехника и электровакуумная техника

Электропроводность графита обусловливает его применение в производстве электродов, нагревательных элементов электрических печей, контактных щёток, токосъёмных вставок. В электровакуумном оборудовании графитовые детали работают как тепловые экраны, подложки и конструкционные элементы вакуумных камер.

Химическое машиностроение

Благодаря коррозионной стойкости к большинству кислот и щелочей графит В-1 применяется в качестве футеровки химических аппаратов, элементов теплообменников и деталей насосного оборудования (вкладыши, втулки, торцевые уплотнения), работающих в контакте с агрессивными жидкостями.

Высокотемпературная техника и вакуумные печи

Нагреватели, тепловые экраны, тигли и оснастка вакуумных и защитно-атмосферных печей изготавливаются из конструкционного графита. В полупроводниковой промышленности графитовая оснастка используется при выращивании кристаллов и синтезе материалов.

Формы поставки конструкционного графита В-1

Графит В-1 поставляется в виде стандартных заготовок различной геометрии:

Габариты заготовок зависят от технологических возможностей производства. По запросу возможно изготовление деталей из графита по индивидуальным чертежам с обработкой на станках с ЧПУ.

Условия хранения и транспортировки

Графитовые заготовки хранятся в закрытых сухих помещениях, защищённых от воздействия атмосферных осадков и прямого солнечного света. Материал не токсичен, не горюч при обычных условиях, не взрывоопасен. При транспортировке необходимо обеспечить защиту от механических повреждений (ударов, сколов), поскольку графит, несмотря на достаточную прочность при сжатии, чувствителен к ударным нагрузкам.