Углеграфитовые материалы

Что такое углеграфит — определение и отличие от графита

Углеграфит — это композиционный углеродный материал, состоящий из карбонизованной (обожжённой) углеродной массы и кристаллического графита с содержанием графитовой фазы не менее 8 % по массе. Такое определение зафиксировано в нормативной базе промышленной безопасности (У1-1082). В отличие от искусственного графита, который проходит полную графитацию при 2400–3000 °C и содержит практически 100 % кристаллического углерода в гексагональной форме, углеграфит содержит значительную долю аморфного (турбостратного) углерода. Именно это сочетание двух фаз — аморфной и кристаллической — определяет характерные свойства углеграфитовых материалов.

На практике термин «углеграфитовые материалы» (УГМ) нередко используют в расширенном смысле — как общее название всех технических углеродных материалов, включая полностью графитированные. Однако в узком профессиональном значении углеграфит — это конкретный класс материалов, прошедших карбонизацию (обжиг при 800–1300 °C), но не подвергнутых высокотемпературной графитации. Как правило, для придания газонепроницаемости и повышения механических свойств углеграфитовые заготовки пропитывают синтетическими смолами или расплавами металлов.

Структура углеграфита — почему он не графит

При карбонизации (обжиге) углеродной заготовки при температурах 800–1300 °C летучие компоненты связующего (каменноугольного пека) удаляются, а оставшийся углерод спекается в монолитное тело. Однако при таких температурах углерод ещё не приобретает упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру графита. Вместо этого формируется так называемая турбостратная структура — слои углеродных атомов расположены параллельно, но без закономерной ориентации относительно друг друга.

Только при нагреве до 2400–3000 °C (стадия графитации) турбостратный углерод превращается в кристаллический графит с характерной слоистой решёткой. Углеграфит находится на промежуточной стадии: часть углерода уже перешла в графитовую форму (за счёт добавки природного графита в шихту или частичной графитации), а часть остаётся аморфной.

Это промежуточное состояние даёт углеграфиту ряд свойств, отличающих его от полностью графитированных материалов: более высокую твёрдость и износостойкость (за счёт аморфной фазы), но меньшую теплопроводность и электропроводность (за счёт неупорядоченности структуры). Пористость углеграфита после обжига составляет 20–40 %, размер пор — от 0,01 до 5 мкм.

Сырьё и основы производства

Исходным сырьём для производства углеграфита служат нефтяной кокс, каменноугольный пек (связующее) и добавки природного графита. Кокс дробят, прокаливают при 1200–1300 °C для удаления летучих веществ, размалывают и рассеивают по фракциям. Порошки кокса и графита смешивают с пеком при 90–130 °C, формуют заготовки (прессованием или экструзией) и обжигают при 800–1200 °C в течение нескольких недель.

После обжига заготовка представляет собой пористое тело с открытой пористостью 20–40 %. Для уплотнения и придания газонепроницаемости проводят пропитку в автоклаве под давлением. Выбор пропитывающего состава определяет эксплуатационные свойства готового материала.

Виды пропитки углеграфитов

Пропитка — ключевая операция, превращающая пористый углеграфит в герметичный конструкционный или антифрикционный материал. Основные типы пропитки:

Тип пропитки	Макс. рабочая температура	Назначение
Фенолоформальдегидная смола	до 130–140 °C	Химическая аппаратура, футеровка, теплообменники
Фурановая смола (фурфуриловый спирт)	до 200–250 °C	Уплотнения насосов и компрессоров, нефтехимия
Баббит Б83	до 200 °C	Подшипники скольжения, вкладыши
Свинец, олово (СО5)	до 300 °C	Пары трения в агрессивных средах

Подробнее о фурановой пропитке и её марках — в статье Углеграфит с фурановой пропиткой.

Свойства углеграфитовых материалов

Антифрикционные свойства

Углеграфит обладает способностью к самосмазыванию. Графитовая фаза в его структуре имеет слоистую кристаллическую решётку, слои которой легко скользят друг относительно друга, формируя тонкую смазочную плёнку на поверхности трения. Коэффициент сухого трения углеграфита по стали составляет 0,03–0,08 в зависимости от марки, скорости скольжения и среды. Для обожженных (не графитированных) материалов коэффициент трения несколько ниже, чем для графитированных. С повышением температуры коэффициент трения снижается.

Химическая стойкость

Углеграфит инертен в большинстве неокислительных кислот (соляной, серной, фосфорной), органических растворителях, нефтепродуктах и щелочных растворах. Ограничением является контакт с сильными окислителями — азотной кислотой, хромовой кислотой, пероксидами, гипохлоритами — которые разрушают как углеродную матрицу, так и полимерную пропитку.

Термостойкость

Рабочая температура углеграфита определяется прежде всего типом пропитки, а не самой углеродной основой. Непропитанный углеграфит на воздухе начинает заметно окисляться при 400–500 °C. В инертной среде или вакууме он сохраняет стабильность при значительно более высоких температурах. Пропитанные марки ограничены термостойкостью пропиточного полимера: 130–140 °C для фенольных смол, 200–250 °C для фурановых.

Механические свойства

Углеграфиты, как правило, прочнее на сжатие, чем на изгиб или растяжение. Предел прочности на сжатие для различных марок составляет от 70 до 200 МПа и более; на изгиб — от 20 до 75 МПа. Материал хрупкий — предел прочности на растяжение и изгиб значительно ниже, чем на сжатие. Это необходимо учитывать при конструировании изделий: углеграфитовые детали не должны работать на растяжение или ударные нагрузки.

Обрабатываемость

Углеграфит хорошо обрабатывается стандартным режущим инструментом: точение, фрезерование, сверление, шлифование. Мелкозернистые марки допускают обработку с высокой чистотой поверхности (Ra 0,8 и выше), что необходимо для уплотнительных пар трения. Крупнозернистые марки при обработке тонкостенных элементов (менее 3–4 мм) подвержены вырыванию зёрен и сколам.

Марки углеграфитов — обзор

2П-1000

Мелкозернистый углеграфит на основе графита, кокса и полимерного связующего. Выпускается по ТУ 16-538-252-75. Плотность 1,75–1,90 г/см³; прочность на сжатие — не менее 127–137 МПа. Применяется в узлах трения, электротехнике и в агрессивных средах. Подробнее — Углеграфит 2П-1000.

НИГРАН (НИГРАН-В, НИГРАН-ВХ, НИГРАН-Х)

Серия антифрикционных углеграфитов с различными модифицирующими добавками. Применяются в радиальных уплотнениях масляных систем компрессоров (в том числе авиационных двигателей) и в механических уплотнениях насосов в кислых и щелочных средах. НИГРАН-В: плотность не менее 1,80 г/см³, прочность на сжатие не менее 127 МПа. НИГРАН-ВХ: прочность на сжатие свыше 200 МПа, газоплотность 1,5×10⁻⁵ см²/с. Рабочая температура — до 300 °C. Подробнее — Нигран.

ХИМАНИТ (ХИМАНИТ-Т, ХИМАНИТ-М)

Углеграфиты по ТУ 1915-013-27208846-01 для механических уплотнений в агрессивных средах. ХИМАНИТ-М: плотность не менее 1,87 г/см³, герметичен при давлении азота 0,98 МПа. ХИМАНИТ-Т: плотность не менее 1,80 г/см³, прочность на сжатие не менее 98 МПа. Подробнее — Углеграфит ХИМАНИТ.

УГ100Ф и УГ200Ф

Углеграфиты с фурановой пропиткой, аналоги НИГРАН и ХИМАНИТ. Отличаются мелкозернистой структурой, позволяющей обрабатывать детали с тонкостенными элементами (канавки, выступы менее 3 мм), что невозможно из крупнозернистых НИГРАН и ХИМАНИТ. УГ100Ф: плотность 1,75 г/см³, прочность на сжатие 200 МПа, на изгиб 67 МПа, теплопроводность 24 Вт/(м·К), максимальная рабочая температура 250 °C. Подробнее — Углеграфит УГ100Ф и Углеграфит УГ200Ф.

ЕК2200

Углеграфит средней плотности (1,82 г/см³) с пропиткой смолой. Повышенные механические характеристики. Применяется в уплотнениях и антифрикционных деталях. Отечественный аналог — 2П-1000. Подробнее — Углеграфит ЕК2200.

EK20

Углеграфитовый композит (карбографит) для работы при высоких температурах, в агрессивных средах и в условиях сухого трения. Применяется в подшипниках, уплотнениях, роторах и лопатках компрессоров. Подробнее — Графит EK20.

Углеграфит и графит — как отличить при подборе материала

При выборе материала для конкретного применения важно различать углеграфит и полностью графитированный материал. Ключевые признаки:

Параметр	Углеграфит	Искусственный графит
Температура обработки	Карбонизация 800–1300 °C	Графитация 2400–3000 °C
Структура	Аморфный углерод + графит	Кристаллический графит (≈99 %)
Твёрдость	Выше	Ниже (мягче)
Теплопроводность	Ниже (10–30 Вт/(м·К))	Выше (50–150 Вт/(м·К))
Электропроводность	Ниже	Выше
Износостойкость	Выше	Ниже
Пропитка	Как правило, пропитан смолой или металлом	Может быть без пропитки
Основное применение	Уплотнения, подшипники, антифрикционные детали	Электроды, тигли, нагреватели, конструкционные элементы

Если в техническом задании или чертеже указан «углеграфит» — речь идёт о материале, не прошедшем полную графитацию, как правило с пропиткой смолой или металлом. Если указан «графит» определённой марки (ЭГ, МПГ, ГМЗ, АРВ и др.) — это полностью графитированный искусственный графит, который относится к другим категориям материалов.

Области применения углеграфитов

Торцевые и радиальные уплотнения

Основная область применения пропитанных углеграфитов — кольца пар трения торцевых уплотнений валов насосов и компрессоров. Углеграфит работает в паре с контртелами из нержавеющих сталей, твёрдых сплавов, оксидной керамики и силицированного графита. Самосмазывающие свойства обеспечивают работу без подачи внешней смазки. Применяется в химической, нефтехимической, пищевой промышленности, авиационном двигателестроении.

Подшипники скольжения

Углеграфитовые вкладыши и втулки используются в подшипниках скольжения оборудования, работающего при высоких температурах, в агрессивных средах или в условиях, где применение масляной смазки невозможно. Типичные области — насосы для перекачки кислот, запорная арматура в нефтехимии, роторные механизмы в пищевом оборудовании.

Седла шаровых кранов и запорная арматура

Углеграфитовые сёдла шаровых кранов применяются вместо тефлоновых и металлических в условиях высоких температур и агрессивных сред, где полимерные материалы деформируются, а металлические корродируют. Углеграфит сохраняет герметичность и самосмазывающие свойства в диапазоне температур, при которых пластиковые уплотнения теряют работоспособность.

Лопатки вакуумных насосов и компрессоров

Пластинчато-роторные вакуумные насосы и пневматические агрегаты используют углеграфитовые лопатки, которые работают в режиме сухого трения по внутренней поверхности цилиндра. Сочетание износостойкости, самосмазывания и химической инертности делает углеграфит предпочтительным материалом для данного применения.

Импортозамещение — подбор аналогов

Ряд зарубежных углеграфитов, ранее применявшихся в комплектации импортного оборудования (насосы, компрессоры, теплообменники, запорная арматура), в настоящее время требует замены на отечественные аналоги. Подбор замены осуществляется по совокупности характеристик: плотность, прочность на сжатие и изгиб, газопроницаемость, тип пропитки, максимальная рабочая температура и химическая стойкость к конкретной рабочей среде.

При запросе на подбор аналога рекомендуется указать: условия эксплуатации (среда, температура, давление, скорость скольжения), геометрию изделия (чертёж или эскиз), а также, по возможности, марку заменяемого материала и его характеристики из паспорта оборудования.

Формы поставки

Углеграфитовые материалы поставляются в виде заготовок (стержни, втулки, бруски, блоки, диски) и готовых изделий по чертежам заказчика: уплотнительные кольца, втулки подшипников, лопатки, сёдла, сегменты. Механическая обработка выполняется стандартным твердосплавным и алмазным инструментом. Мелкозернистые марки допускают обработку с чистотой поверхности Ra 0,8 и тоньше.