Оснастка из графита
Графит применяют для изготовления технологической оснастки в случаях, когда рабочая температура, химическая среда или требования к чистоте расплава исключают использование металла или керамики. Оснастка выполняется по чертежам заказчика в единичном и серийном исполнении.
Почему графит подходит для технологической оснастки
Выбор графита в качестве конструкционного материала для оснастки определяется несколькими ключевыми свойствами.
Несмачиваемость расплавами. Графит не смачивается большинством расплавленных металлов, сплавов и силикатного стекла. Это означает, что материал не прилипает к оснастке при контакте, форма легко извлекается или разделяется без дополнительной смазки и без загрязнения отливки.
Термостойкость. В инертной атмосфере или вакууме конструкционный графит сохраняет стабильность при температурах свыше 2000 °С; переход в газовую фазу (сублимация) происходит при нескольких тысячах градусов. Это перекрывает диапазон практически всех промышленных процессов высокотемпературной обработки.
Рост прочности при нагреве. В отличие от большинства конструкционных материалов, предел прочности конструкционного графита с повышением температуры не снижается, а в определённом диапазоне растёт. Это важно для прессовой и высокотемпературной оснастки, работающей под нагрузкой.
Стойкость к термоудару. Низкий коэффициент термического расширения в сочетании с высокой теплопроводностью (от 100 до 350 Вт/(м·К) в зависимости от марки) обеспечивает устойчивость к резким перепадам температуры без образования трещин.
Обрабатываемость. Графит обрабатывается стандартным металлорежущим инструментом — фрезерованием, точением, сверлением, шлифованием. Мелкозернистые марки позволяют получать поверхности с минимальной шероховатостью и изготавливать изделия со стенками толщиной от 0,7–0,8 мм.
Химическая инертность. Графит устойчив к большинству кислот, щелочей и расплавов солей; не вступает в реакцию с расплавами цветных металлов и стекольной массой.
Ограничение. На воздухе заметное окисление графита начинается при температурах около 400–500 °С. Для работы выше этой температуры необходима защитная атмосфера (аргон, азот), вакуум или конструктивная защита от контакта с кислородом.
Виды графитовой оснастки
Литейная и стекольная оснастка
Для металлов и сплавов: графитовые кокили для непрерывного и полунепрерывного литья, кристаллизаторы, фильеры для литья прутков и труб, желоба, воронки, разливочные стаканы, пробки и штоки для запирания сливных отверстий тиглей. Области применения — производство меди и медных сплавов, алюминия, драгоценных металлов.
Для стекольной промышленности: формующая оснастка из графита используется при изготовлении изделий из кварцевого и технического стекла. Несмачиваемость стекольной массой и высокая теплопроводность графита позволяют получать точные фасонные изделия с чистой поверхностью без дополнительных разделительных покрытий.
Оснастка для горячего прессования и порошковой металлургии
Пресс-формы (матрицы, пуансоны, обоймы) для горячего прессования применяются при производстве твёрдых сплавов, алмазного инструмента, конструкционной керамики. Графитовые формы обеспечивают равномерный нагрев заготовки, низкое трение при прессовании и лёгкое извлечение готового изделия.
Оснастка для высокотемпературных печей
Нагревательные элементы (резистивные нагреватели), тепловые экраны, подставки, кассеты, лодочки, подложки для укладки изделий при спекании или термообработке. Контейнеры и лодочки для плавки редких, цветных и полупроводниковых металлов. Чехлы для термопар.
Оснастка для полупроводникового производства
Тигли для выращивания монокристаллов методом Чохральского (кремний, германий), контейнеры для синтеза и транспортировки полупроводниковых материалов, держатели подложек. Для этих применений критична минимальная зольность материала — примеси графита способны загрязнять полупроводниковый расплав.
Электроэрозионные электроды-инструменты
Медленноэродирующие электроды для электроимпульсной обработки сложных форм и полостей в инструментальных сталях: штампы, пресс-формы, изложницы. Мелкозернистый графит обеспечивает высокую точность воспроизведения геометрии.
Марки графита для оснастки
Для оснастки применяются конструкционные искусственные графиты. Выбор марки определяется рабочей температурой, требуемой точностью размеров, механическими нагрузками и требованиями к чистоте материала.
МГ, МГ-1 — мелкозернистый конструкционный графит
Изготавливается на основе прокалённого пекового кокса, природного графита и каменноугольного пека. Отличается низкой зольностью и мелкозернистой структурой. Это основная марка для оснастки стекольного производства (фасонные изделия для кварцевого стекла и кинескопов), футеровки химической аппаратуры, литейных форм для крупносерийного производства, пресс-форм и пуансонов для порошковой металлургии, нагревателей и экранов в вакуумных печах, лодочек и тиглей для спекания твёрдых сплавов и плавки редкоземельных металлов.
МПГ-6, МПГ-7 — высокопрочный мелкозернистый графит
Изготавливается «холодным» прессованием коксо-пековой композиции в матрицы. Плотность 1,65–1,85 г/см³. Материал обладает повышенной эрозионной прочностью и позволяет изготавливать изделия с толщиной стенки до 0,7–0,8 мм, а также с нарезкой мелкой резьбы. Поверхность поддаётся шлифовке до высокой степени чистоты.
Рабочие температуры: до 2000 °С в вакууме, до 2500 °С в защитной инертной атмосфере.
Применяется для прецизионной технической оснастки: кристаллизаторы для разливки цветных металлов, электроды-инструменты для ЭЭО, тигли и пресс-формы для вакуумных и высокочастотных печей, контейнеры для получения полупроводниковых материалов.
| Показатель | МПГ-6 | МПГ-7 |
|---|---|---|
| Плотность, г/см³ | 1,70–1,80 | 1,75–1,85 |
| Содержание Fe, Al, вес.% | (1–3)·10⁻³ | 1·10⁻³ |
| Рабочая температура в вакууме, °С | до 2000 | до 2000 |
Изостатический графит (GS и аналоги)
Получается методом изостатического прессования — порошок прессуется равномерно со всех сторон, что обеспечивает однородную плотность и изотропность свойств по всему объёму изделия. По сравнению с МПГ обладает более низкой пористостью, лучшим качеством поверхности, более высокой стойкостью к термоудару и окислению.
Применяется для наиболее ответственных задач: изложницы для фасонного стекла, кристаллизаторы непрерывного литья стали, чугуна и меди, пресс-формы для спекания твёрдых сплавов и алмазного инструмента, тигли для плавки драгоценных металлов, детали электровакуумных приборов, компоненты тепловых полей монокристаллических печей.
Требования к окружающей среде
В окислительной среде (воздух) интенсивное окисление начинается при температуре около 400–500 °С. Оснастка, работающая в воздухе при температурах выше этого предела, требует либо специальной защитной обработки поверхности (пропитка, покрытие), либо конструктивного экранирования. В вакуумных и инертных средах ограничений по температуре в промышленных диапазонах практически нет.
При проектировании следует также учитывать, что графит хрупок — он не работает в условиях ударных или вибрационных нагрузок.
Как заказать оснастку из графита
Для изготовления оснастки по чертежам заказчика необходимо предоставить:
- чертёж или эскиз изделия с указанием геометрических размеров и допусков;
- требования к чистоте поверхности (шероховатость);
- рабочую температуру, тип среды (воздух, вакуум, инертный газ);
- контактный материал (металл, стекло, керамика);
- тираж.
На основании этих данных подбирается подходящая марка графита из имеющегося ассортимента заготовок — блоки, цилиндры, плиты. Подробнее о заготовочном материале — на странице графит кругляк для мехобработки. Полный перечень выполняемых работ по графиту приведён в разделе изготовление изделий из графита.
