Графитовые тигли — производство по чертежам

Что такое графитовый тигель и зачем нужно индивидуальное изготовление

Графитовый тигель — это огнеупорная ёмкость, предназначенная для плавления, выдержки и разливки металлов и сплавов. Тигли из графита применяются в чёрной и цветной металлургии, ювелирном производстве, лабораторном анализе, полупроводниковой промышленности и при выращивании монокристаллов. Основное достоинство графита как материала тигля — химическая инертность по отношению к большинству расплавов цветных металлов, высокая теплопроводность и способность работать при температурах до 2500 °C в инертной или вакуумной среде.

Стандартные серийные тигли не всегда соответствуют конкретным производственным условиям: размерам печной камеры, требуемому объёму плавки, конфигурации оснастки или специфическим условиям технологического процесса. Именно поэтому востребовано изготовление графитовых тиглей по чертежам заказчика — точение из графитовых заготовок ёмкостей нужных габаритов, формы и конфигурации.

Мы вытачиваем графитовые тигли нужных размеров по чертежам или техническому заданию заказчика. Ниже подробно рассмотрены все аспекты этого процесса: от выбора исходного материала до контроля готового изделия.

Области применения графитовых тиглей

Плавка цветных и драгоценных металлов

Графитовые тигли используются для плавки меди, алюминия, цинка, олова, свинца, золота, серебра, бронзы, латуни и их сплавов. Графит не смачивается расплавами большинства цветных металлов, что предотвращает прилипание расплава к стенкам и облегчает извлечение слитка. В процессе плавки углерод графита создаёт слабовосстановительную атмосферу, способствуя удалению кислорода и снижению содержания оксидных включений в металле.

Индукционные и вакуумные печи

В индукционных печах косвенного нагрева графитовый тигель выполняет функцию нагревательного элемента-посредника: электромагнитное поле индуктора наводит вихревые токи в стенках тигля, тигель разогревается и передаёт тепло загруженному металлу. Благодаря высокой электропроводности графита такая схема обеспечивает быстрый и равномерный нагрев. В вакуумных и газозащитных печах графитовые тигли работоспособны при температурах, недостижимых для металлических ёмкостей.

Лабораторный и пробирный анализ

Тигли малых размеров применяются в аналитических лабораториях для газового анализа (определение водорода, кислорода, азота в металлах), спектрального анализа, пробирных испытаний. Для этих задач требуются тигли с жёстко заданными внутренними размерами, толщиной стенки и чистотой материала, что делает индивидуальное изготовление по чертежу единственным приемлемым вариантом.

Ювелирное производство

В ювелирном литье по выплавляемым моделям (вакуумное, центробежное) используются графитовые тигли и изложницы, форма и размеры которых строго привязаны к конкретной модели литейной установки. При отсутствии серийного тигля нужной конфигурации изготовление по индивидуальному чертежу — штатный способ оснащения литейного участка.

Выращивание монокристаллов и спекание порошковых материалов

При выращивании монокристаллов методами Чохральского или Бриджмена графитовые тигли используются как контейнеры для расплава или как нагревательные элементы. Спекание и отжиг порошковых металлургических композиций также проводят в графитовых тиглях в вакууме или защитной атмосфере. В обоих случаях геометрия тигля определяется конструкцией конкретной установки.

Материалы для изготовления тиглей точением

Для токарного изготовления графитовых тиглей используют заготовки из искусственного (электрографитированного) графита — цилиндрические и прямоугольные блоки, полученные прессованием и последующей высокотемпературной графитизацией. Ниже перечислены основные группы графитовых материалов, из которых вытачивают тигли.

Мелкозернистый графит

Мелкозернистые марки искусственного графита (размер зерна порядка 0,02–0,05 мм) обеспечивают наилучшую чистоту обработанной поверхности, высокую плотность и низкую открытую пористость готового изделия. Тигли из мелкозернистого графита применяются там, где критична чистота расплава: плавка драгоценных металлов, полупроводников, высокочистых сплавов. Прочность на сжатие у мелкозернистых марок, как правило, выше, чем у крупнозернистых, что положительно влияет на ресурс тигля.

Среднезернистый и крупнозернистый графит

Марки с размером зерна 0,5–4 мм дешевле мелкозернистых, пригодны для тиглей общего назначения — плавки цветных металлов на небольших производствах, учебных и опытных плавок. Крупнозернистый графит менее устойчив к окислению: зёрна легче отделяются от поверхности и могут попадать в расплав. Для снижения этого эффекта стенки тигля после точения дополнительно шлифуют.

Графит с пропиткой

Пропитка графитовой заготовки специальными составами (смолой, фосфатами, нитридом бора и др.) снижает открытую пористость, повышает окислительную стойкость и увеличивает механическую прочность. Тигли из пропитанного графита рекомендуются для работы в условиях повышенных термоциклических нагрузок и при контакте с химически активными расплавами.

Изостатический графит

Изостатическое прессование формирует заготовку с равномерной плотностью и изотропными свойствами по всем направлениям. Тигли из изостатического графита отличаются наибольшей однородностью стенок, минимальным разбросом свойств и высокой стойкостью к термоудару. Применяются в ответственных приложениях: вакуумная металлургия, зонная плавка, выращивание кристаллов.

Формы и конструкции тиглей, изготавливаемых по чертежам

Геометрия тигля определяется конструкцией печи, способом загрузки и разливки металла, объёмом плавки. Ниже описаны основные формы, которые изготавливаются точением по чертежам заказчика.

Цилиндрические тигли

Наиболее простая и распространённая форма. Цилиндрический тигель — это стакан с плоским или скруглённым дном. Применяется в стационарных печах сопротивления, лабораторных установках, для пробирного анализа. Равномерная толщина стенки легко обеспечивается при токарной обработке.

Конические тигли (усечённый конус)

Конусность стенок облегчает извлечение застывшего слитка и обеспечивает устойчивую посадку тигля в гнездо печи. Конические тигли — стандартное решение для тигельных плавильных печей прямого нагрева и для наклоняемых (опрокидных) печей. Угол конуса, соотношение верхнего и нижнего диаметра задаются заказчиком.

Фасонные тигли

К фасонным относят тигли сложной геометрии: со сливным носком (лоткообразные), с фланцем для крепления в печи, с внутренней ступенькой под крышку, с кольцевой проточкой, с внутренним рельефом. Также к фасонным изделиям относятся плавильные лодочки, чашки, контейнеры-кокили для отливки лабораторных образцов. Изготовление таких форм требует комбинации токарных и, при необходимости, фрезерных операций.

Тигли с крышкой

Для работы в вакуумных печах и в печах с защитной атмосферой часто требуются тигли с плотно прилегающей крышкой. Крышка вытачивается как отдельное изделие с посадочным пояском, обеспечивающим соосность и минимальный зазор. Такая конструкция ограничивает испарение летучих компонентов расплава и защищает его от контакта с остаточными газами в камере печи.

Технология токарного изготовления графитовых тиглей

Исходная заготовка

В качестве заготовки используется графитовый цилиндр (кругляк) или прямоугольный блок, из которого предварительно вырезается цилиндрическая обечайка нужного диаметра. Диаметр заготовки выбирают с припуском 5–15 мм на сторону в зависимости от габаритов тигля. Длина заготовки должна включать припуск на отрезку дна и на зажим в патроне.

Особенности обработки графита резанием

Графит принципиально отличается от металлов при механической обработке:

• Хрупкое разрушение вместо пластической деформации. Графит не образует сплошной стружки — при резании образуется мелкодисперсная пыль. Это требует эффективной системы пылеудаления непосредственно из зоны резания.
• Высокая абразивность. Несмотря на невысокую твёрдость графита (1–2 по шкале Мооса), образующаяся пыль обладает выраженными абразивными свойствами. Быстрорежущий инструмент изнашивается неприемлемо быстро. Для точения графита применяют резцы с пластинами из твёрдого сплава (группа K — вольфрамокобальтовые) или инструмент с алмазным покрытием.
• Склонность к сколам на выходе резца. При обработке тонких стенок и на кромках возможно выкрашивание материала. Чтобы этого избежать, уменьшают глубину резания при чистовых проходах и ведут обработку с минимальными усилиями.
• Обработка всухую. Графит — пористый материал, способный впитывать жидкость. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при точении графита не рекомендуется: влага проникает в поры, а при последующем нагреве тигля в печи расширяется и может вызвать растрескивание. Обработку ведут на сухую, с принудительным отсосом пыли.

Режимы резания при точении графита

Графит допускает высокие скорости резания, поскольку нагрузка на шпиндель при его обработке значительно ниже, чем при точении сталей. Рекомендуемые ориентировочные параметры:

Параметр	Черновая обработка	Чистовая обработка
Скорость резания	200–400 м/мин	400–800 м/мин
Подача	0,2–0,5 мм/об	0,05–0,15 мм/об
Глубина резания	2–5 мм	0,3–1 мм

Конкретные режимы подбирают в зависимости от марки графита, размеров заготовки, типа инструмента и требуемой шероховатости поверхности. Мелкозернистый графит допускает более агрессивные режимы без риска сколов, крупнозернистый — требует более осторожного подхода.

Последовательность операций при точении тигля

Типичный маршрут изготовления цилиндрического или конического тигля на токарном станке:

1. Установка заготовки. Графитовый цилиндр зажимают в трёхкулачковом патроне. Из-за хрупкости графита усилие зажима должно быть умеренным и равномерно распределённым. При обработке тонкостенных тиглей применяют разжимные оправки или люнеты для поддержки.
2. Обработка наружной поверхности. Черновое и чистовое обтачивание наружного контура: цилиндрического, конического или ступенчатого — в соответствии с чертежом.
3. Растачивание внутренней полости. Сверление центрального отверстия, затем растачивание расточным резцом до требуемого внутреннего диаметра и глубины. Это наиболее ответственная операция: необходимо выдержать заданную толщину стенки, обеспечить соосность внутренней и наружной поверхностей, избежать сколов на дне тигля.
4. Подрезка торца и формирование дна. Дно тигля может быть плоским, скруглённым или коническим. Толщина дна, как правило, больше толщины стенки.
5. Формирование сливного носка (при наличии) — выполняется фрезерованием или ручной доработкой.
6. Шлифовка и финишная обработка. Внутренняя поверхность тигля шлифуется для достижения требуемой шероховатости. Для ответственных применений (плавка драгоценных металлов, аналитика) шероховатость внутренней поверхности не должна превышать Ra 3,2–6,3 мкм.
7. Контрольные измерения. Проверка всех размеров: наружный и внутренний диаметр, глубина полости, толщина стенки и дна, конусность, соосность.

Пылеудаление и охрана труда при обработке графита

При механической обработке графита образуется значительное количество мелкодисперсной углеродной пыли. Согласно СП 4950-89 «Санитарные правила для производств материалов на основе углерода», оборудование для обработки графита должно быть оснащено аспирационными укрытиями, а пуск станка — сблокирован с работой системы пылеудаления. Графитовая пыль при накоплении представляет опасность для подвижных узлов станка (направляющие, подшипники) и для органов дыхания оператора.

Допуски и контроль качества точёных тиглей

Геометрические допуски

Точность размеров графитового тигля, изготовленного точением, зависит от оборудования и марки графита. На станках с ЧПУ достижимая точность линейных размеров — до ±0,05 мм, на универсальных токарных станках — до ±0,1–0,2 мм. Допуски согласовываются с заказчиком исходя из условий эксплуатации: для посадки в индуктор печи и сопряжения с крышкой требуется более жёсткий допуск, для общепромышленной плавки — стандартный.

Шероховатость поверхности

После токарной обработки шероховатость наружной и внутренней поверхности тигля из мелкозернистого графита, как правило, составляет Ra 3,2–6,3 мкм. При необходимости шероховатость может быть снижена шлифовкой до Ra 1,6 мкм. Крупнозернистые марки графита принципиально не позволяют получить шероховатость ниже Ra 6,3 мкм из-за размера зерна.

Контроль целостности

Готовый тигель визуально осматривают на наличие трещин, сколов, расслоений и посторонних включений. При обнаружении дефектов тигель бракуется — эксплуатация тигля с трещиной в стенке или дне опасна: при нагреве трещина раскроется, и расплав вытечет в печь.

Факторы, влияющие на ресурс графитового тигля

Окисление углерода

Главный фактор деградации графитового тигля — окисление углерода кислородом воздуха. Заметное окисление начинается при температуре около 400–500 °C и резко ускоряется с ростом температуры. При работе на воздухе (открытое пламя, атмосферная печь сопротивления) стенки тигля постепенно утоньшаются. В защитной атмосфере (аргон, азот, вакуум) окисление практически исключено, и ресурс тигля многократно возрастает.

Термоциклирование

Резкие перепады температуры при загрузке холодного металла в горячий тигель или при быстром охлаждении после плавки создают термические напряжения. Графит обладает хорошей стойкостью к термоудару (благодаря высокой теплопроводности и низкому коэффициенту теплового расширения), однако при регулярном термоциклировании в стенках постепенно накапливаются микротрещины. Плавный разогрев и остывание существенно продлевают срок службы.

Химическое взаимодействие с расплавом

Графит инертен к большинству расплавов цветных металлов. Однако при плавке чугуна и сталей происходит науглероживание расплава — углерод из стенок тигля переходит в металл. Это ограничивает применение графитовых тиглей для чёрных металлов. Также графит активно взаимодействует с карбидообразующими элементами (титан, цирконий, хром) при высоких температурах, что нужно учитывать при выборе материала тигля.

Механические повреждения

Графит — хрупкий материал. Удары, падения, неаккуратная загрузка шихты могут привести к трещинам и сколам. При транспортировке и хранении тигли необходимо защищать от ударов, размещать на мягких подкладках. Нельзя ставить тигли один в другой без прокладок.

Правила эксплуатации графитовых тиглей

Предварительная подготовка к работе

Новый графитовый тигель перед первым использованием рекомендуется просушить при температуре 100–200 °C в течение 1–2 часов для удаления адсорбированной влаги. Затем проводят медленный предварительный разогрев (без загрузки металла) до рабочей температуры. Скорость подъёма температуры — не более 100–150 °C в час. Резкий нагрев холодного тигля может вызвать термический шок и образование трещин.

Загрузка шихты

Металл загружают в прогретый тигель. Крупные куски шихты не должны ударять по стенкам и дну. Нежелательно загружать влажную или промасленную шихту — при нагреве влага и масло интенсивно испаряются, что может привести к выбросу расплава и повреждению тигля.

Повторное использование и восстановление

Графитовые тигли допускают многократное применение. После каждого цикла плавки тигель осматривают, удаляют налипший шлак и остатки металла. При необходимости внутреннюю поверхность расточивают или шлифуют, восстанавливая рабочие размеры. Это важное преимущество точёных графитовых тиглей перед керамическими, которые, как правило, не подлежат повторной механической обработке.

Что необходимо для оформления заказа

Для изготовления графитового тигля нестандартных размеров нам потребуется:

• Чертёж или эскиз с указанием всех размеров: наружный и внутренний диаметр (верхний и нижний, если тигель конический), высота, глубина полости, толщина стенки и дна, радиусы скруглений, наличие сливного носка или фланца.
• Допуски на размеры — если требуется точность выше стандартной.
• Требования к шероховатости внутренней и наружной поверхности.
• Указание условий эксплуатации: тип печи (индукционная, муфельная, вакуумная), рабочая температура, среда (воздух, инертный газ, вакуум), тип расплавляемого металла. Это позволит подобрать оптимальную марку графита.
• Количество — от одной штуки.

При отсутствии чертежа достаточно технического задания с описанием назначения тигля, типа печи и требуемого объёма плавки. На основании этих данных мы разработаем чертёж и согласуем его до запуска в производство.

Преимущества точёных тиглей из массивного графита

Тигли, выточенные из цельной графитовой заготовки, имеют ряд преимуществ перед тиглями, изготовленными формованием (прессование + спекание графитового порошка со связующим):

Параметр	Точёный тигель	Формованный тигель
Плотность	Высокая (определяется маркой заготовки)	Может быть ниже из-за пористости связки
Содержание углерода	99 % и выше (чистый графит)	Зависит от состава связующего
Точность размеров	Высокая (до ±0,05 мм на ЧПУ)	Ограничена усадкой при спекании
Минимальная партия	От 1 штуки	Требуется пресс-форма
Возможность восстановления	Расточка, шлифовка	Ограничена
Влияние на расплав	Минимальное (нет связующего)	Возможно выделение компонентов связки

Главный недостаток точения — больший расход материала: значительная часть графитовой заготовки уходит в отходы (пыль). Однако для единичных и мелкосерийных заказов это экономически оправдано, поскольку не требуется изготовление дорогостоящей пресс-формы.

Хранение и транспортировка графитовых тиглей

Графитовые тигли хранят в закрытых сухих помещениях на деревянных или пластиковых поддонах. Каждое изделие должно быть обёрнуто в защитный материал (упаковочная бумага, вспененный полиэтилен) для предотвращения ударов и сколов. Не допускается хранение тиглей в штабелях без прокладок между ними. При транспортировке тигли укладывают в тару с амортизирующим наполнителем, исключающим перемещение изделий внутри упаковки.

Графит гигроскопичен — способен поглощать влагу из воздуха. При длительном хранении в условиях повышенной влажности тигель перед использованием необходимо просушить при температуре 100–200 °C.

Только качество!

Изготовление графитовых тиглей точением по чертежам — оптимальное решение, когда стандартные серийные изделия не подходят по размерам, форме или требованиям к материалу. Токарная обработка позволяет реализовать практически любую конфигурацию и выпускать единичные изделия без затрат на пресс-оснастку. Правильный выбор марки графита, соблюдение технологии обработки и правил эксплуатации определяют ресурс тигля и качество получаемого расплава.