KLASYFIKACJA I ZASTOSOWANIA GRAFITU
Grafit prasowany jest to syntetyczny materiał uzyskiwany w wyniku prasowania i grafityzacji materiałów węglowych w wysokich temperaturach, jest synonimem wysokiej jakości i niezwykłej wręcz wytrzymałości. Ze względu na właściwości jak i sposoby wykorzystania tego materiału w przemyśle, możemy sklasyfikować go w czterech podstawowych grupach, są to:
• masowo produkowany grafit elektrodowy EG,
• uniwersalny grafit konstrukcyjny SG,
• drobnoziarnisty grafit izotropowy IEG,
• kompozytowy grafit CC o wysokiej wytrzymałości.
Podstawą tej klasyfikacji jest struktura wewnętrzna materiału, która implikuje większość jego właściwości, które z kolei determinują przydatność grafitu do określonych aplikacji i cenę. Klasyfikacja ta nie obejmuje oczywiście wszystkich materiałów grafitowych używanych w przemyśle, jak również osobliwych zastosowań nuklearnych, ale stanowi ich znakomitą większość. Orientacja w tym zakresie pomaga w lepszym zrozumieniu wymagań, unikaniu błędów a przede wszystkim przyczynia się do optymalizacji ekonomicznej.
Unikalne cechy grafitu
Grafit prasowany wytwarza się przez spiekanie i grafityzację materiałów wysokowęglowych, głównie koksu naftowego. Sposób wytwarzania i struktura krystaliczna grafitu są podobne do materiałów ceramicznych, natomiast jego właściwości fizyczne bliższe są metalom. Grafit wytwarzany jest z wcześniej przygotowanej i wymieszanej masy, którą poddaje się procesowi prasowania, a następnie spiekania i impregnacji, by w końcowej fazie przeprowadzić grafityzację w piecu elektrycznym Achesona. Grafityzacja przebiega w wysokich temperaturach, ponad 2500°C. W tych warunkach węgiel z fazy amorficznej ulega krystalizacji do struktury grafitu. W wyniku długotrwałego działania wysokich temperatur, zanieczyszczenia ulegają rafinacji i w ten sposób można można osiągnąć materiał o wysokiej czystości do zastosowań nuklearnych, gdzie zanieczyszczenia nie przekraczają poziomu 20 ppm.
Grafit łączy w sobie zarówno cechy materiałów ceramicznych jak i pewne właściwości metali, przy tym jest on wyjątkowo lekki, co powoduje wysoką wytrzymałość względną materiałów grafitowych na poziomie stopów metali. Grafit posiada także właściwości samosmarne i niezwykłą wręcz odporność na zużycie i wpływy środowiska zewnętrznego. Dzięki temu grafit może być wykorzystywany w rdzeniach reaktorów jądrowych lub dyszach silników rakietowych, gdzie materiał narażony jest na wysokie temperatury, czynniki korozyjne lub promieniowanie neutronowe.
Wyroby z grafitu charakteryzuje niska gęstość, na poziomie 1,5 do 1,9 g/cm3. Dzięki temu są lekkie i mniej energochłonne w urządzeniach cieplnych. Możliwa jest również produkcja lekkich materiałów izolacyjnych do pieców próżniowych na bazie włókna i kompozytów grafitowych o niskiej gęstości poniżej 0,3 g/cm3. Grafit przewyższa pod tym względem trudnotopliwe metale i wiele ogniotrwałych materiałów ceramicznych.
Niski współczynnik tarcia grafitu na poziomie 0,15 i świetne właściwości ślizgowe przewyższają możliwości większości materiałów inżynierskich, w tym brązów i stopów łożyskowych. Niskie tarcie grafit zachowuje również w warunkach wysokich temperatur, które przekraczają możliwości zwykłych stopów metali.
Wysoka przewodność cieplna grafitu plasuje go na poziomie większości metali. Dobre przewodnictwo wpływa na wysoką odporność termiczną grafitu oraz zabezpiecza przed uszkodzeniem lub przegrzaniem w aplikacjach dynamicznych, jako elementy uszczelniające, łożyskujące, ślizgowe.
Niska reaktywność i odporność na większość czynników chemicznych powoduje, że grafit jest stabilny chemicznie w ekstremalnych warunkach. Grafit jest odporny na większość kwasów i alkaliów, poza silnie utleniającymi jak woda królewska i ciekły tlen. Natomiast w temperaturach powyżej 450°C, grafit może reagować z tlenem lub parą wodną, a także może rozpuszczać się w niektórych ciekłych metalach oraz tworzyć węgliki. Grafit nie topi się w wysokich temperaturach jak większość ciał stałych, lecz ulega sublimacji. W atmosferze redukcyjnej grafit może z powodzeniem pracować do 2500°C.
Wysoka ogniotrwałość i odporność na szoki cieplne grafitu jest jedną z jego najważniejszych zalet. Połączenie dobrej przewodności z wytrzymałością mechaniczną grafitu, plasuje go wśród najlepszych materiałów ogniotrwałych. Dodatkowo, niska współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) grafitu w stosunku do innych materiałów wysokotemperaturowych sprawia, że jest on wyjątkowo odporny na szoki cieplne.
Wytrzymałość mechaniczna grafitu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, tzn. ma on dodatni współczynnik temperaturowy wytrzymałości w przeciwieństwie do większości materiałów konstrukcyjnych. Ta osobliwa cecha sprawia, że grafit jest często lepszym materiałem konstrukcyjnym w warunkach wysokich temperatur niż stopy na bazie trudnotopliwych metali. Ponadto grafit posiada relatywnie niską gęstość, co powoduje, że jego wytrzymałość względna i efektywność w konstrukcjach może być jeszcze wyższa.
Przewodność elektryczna grafitu, czyli zdolność do przewodzenia wysokich prądów sprawia, iż obok wolframu i wanadowców jest on jedynym wysokotemperaturowym przewodnikiem o powszechnym zastosowaniu. Cecha ta, w połączeniu z wysoką odpornością na zużycie powoduje szerokie zastosowanie grafitu w elektrotechnice, metalurgii i przemyśle maszynowym. Co ważne, przewodnictwo grafitu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury w zakresie 400 do 600°C, co jest jego osobliwą i kluczową cechą w zastosowaniach jako elektrody dużych mocy w piecach łukowych.
Podstawowe rodzaje grafitu
Grafit jest jednym z najbardziej zaawansowanych materiałów inżynierskich o kluczowym znaczeniu w procesach wysokotemperaturowych. Wytrzymałość grafitu przewyższa nawet wytrzymałość stopów hafnu, tantalu czy wolframu. Podstawowe rodzaje grafitu to: EG, SG, IEG i CC. W podobnej kolejności możemy sklasyfikować się ich parametry i jakość ale pociąga to za sobą znaczny wzrost kosztów produkcji. Jednakże najdroższy grafit nie jest wcale najlepszym, jeśli uwzględnić jego obrabialność i przewodność elektryczną, to sytuacja może być wręcz odwrotna.
Przedstawiona klasyfikacja dotyczy tylko grafitu prasowanego i nie obejmuje wszystkich jego rodzajów. Duże znaczenie handlowe mają także inne formy grafitu, jak: proszki, dyspersje i smary grafitowe, grafity naturalne płatkowe i amorficzne, grafit pirolityczny, włókna węglowe i grafitowe, grafit ekspandowany i elastyczny.
1. GRAFIT ELEKTRODOWY EG
Jest to grafit o dużym ziarnie i dobrej przewodności, który wykorzystywany jest na elektrody, tygle, osłony ogniotrwałe i elementy urządzeń metalurgicznych. Grafit EG jest najszerzej wykorzystywanym rodzajem grafitu w przemyśle, jest to materiał ekonomiczny o niskich kosztach produkcji. Niestety ze względu na wysoką anizotropię, trudną obrabialność i niską jakość powierzchni jest mało przydatny do wytwarzania elementów konstrukcyjnych maszyn i urządzeń.
2. GRAFIT KONSTRUKCYJNY SG
Najbardziej uniwersalnym grafitem, który najlepiej łączy aspekt jakościowy z ekonomicznym jest grafit konstrukcyjny SG o średnich parametrach. Grafit SG jest łatwy w obróbce, posiada dobrej jakości powierzchnię i odporność termiczną na poziomie 2500°C. Jest to powszechnie wykorzystywany grafit o szerokim spektrum zastosowań, ponadto występuje w szerokim asortymencie półproduktów, w formie: płyt, prętów, bloków, tulei i profili o różnorodnym przekroju i długości. Grafit SG jest podstawowym materiałem w elektrotechnice i konstrukcji urządzeń wysokotemperaturowych w rodzaju pieców, pomp próżniowych, wirników, łożysk, kokili oraz akcesoriów odlewniczych.
3. GRAFIT DROBNOZIARNISTY IEG
Grafit IEG, to materiał o bardzo drobnym ziarnie, gładkiej powierzchni, wysokiej wytrzymałości i właściwościach izotropowych. Grafit ten dedykowany jest do wymagających zastosowań. Wytwarzany jest specjalną metodą CIP (Cold Isostatic Pressing) i dostarczany jest w formie płyt szlifowanych, prętów kalibrowanych ewentualnie bloków. Mimo wysokich kosztów produkcji, grafit IEG jest niezbędnym materiałem w wielu procesach przemysłowych, jak: metalurgia, krystalizacja metali, produkcja półprzewodników, fotowoltaika, technika próżniowa, elektrodrążenie (EDM), produkcja szkła i ceramiki.
4. GRAFIT KOMPOZYTOWY CC
Jest to materiał kompozytowy na bazie matrycy grafitowej ze zbrojeniem z włókna węglowego. Grupa tych materiałów znana jest pod nazwą kompozytów CC, czyli węgiel-węgiel i występuje w formie płyt prętów i różnorodnych kształtek. Jest to materiał który posiada jednocześnie wysoką odporność chemiczną i termiczną grafitu a zarazem dużą wytrzymałość mechaniczną porównywalną ze stopami lotniczymi. Kompozyty CC są wykorzystywane w aeronautyce, technice pieców próżniowych, w procesach chemicznych i metalurgii, umożliwiają budowę elementów urządzeń o dużej wytrzymałości pracujących w wysokich temperaturach.
Zastosowania grafitu
Wysokie oczekiwania w stosunku do materiałów konstrukcyjnych i duży postęp w inżynierii materiałowej spowodowały radykalny wzrost zapotrzebowania na wyroby z grafitu i kompozytów węglowych. Materiały te spełniają wysokie kryteria jakościowe i zyskują wiele nowych zastosowań, są ponadto neutralne dla środowiska i zdrowia oraz łatwe w utylizacji co czyni je tworzywem nowoczesnym a zarazem łatwym do zastosowania. Poniższa tabela przedstawia najważniejsze cechy poszczególnych rodzajów grafitu oraz wskazówki pomocne przy ocenie wymagań dla potencjalnej aplikacji.
Warto podkreślić, iż grafit jest materiałem porowatym dzięki czemu można go modyfikować lub impregnować i w ten sposób poszerzyć zakres zastosowań. Grafit impregnowany brązem antymonowym jest popularnym materiałem na łożyska ślizgowe pracujące w wysokich temperaturach. Powyżej 450°C w obecności tlenu szybkość utleniania grafitu wzrasta radykalnie, można temu zapobiegać odpowiednią impregnacją. Zabezpieczenie powierzchni fosforanami może chronić grafit przed utlenianiem nawet do 1000°C. Najprostszą impregnacją jest nasączenie grafitu żywicą, co zamyka pory i uszczelnia grafit a jednocześnie zachowuje jego świetne właściwości ślizgowe. Jest to dobry sposób na modyfikację grafitu przeznaczonego na pierścienie uszczelnień i łopatki pomp próżniowych ale ogranicza zakres pracy tych urządzeń do temperatury rozkładu impregnatu.
Dobór właściwego grafitu
Proces doboru właściwego grafitu do określonej aplikacji wiąże się ze znajomością jego podstawowych parametrów i struktury. W graficie elektrodowym należy uwzględnić jego silną anizotropię, zarówno przewodność jaki i wytrzymałość może się różnić nawet dwukrotnie w kierunku osi prasowania do kierunku poprzecznego. Większa wytrzymałość i twardość grafitu wiąże się także z jego wyższym modułem sprężystości co może utrudnić obróbkę i powodować łatwe pękanie. Jeżeli grafit ma być użyty na wysokotemperaturowe elementy konstrukcyjne, gdzie nie jest istotna jakość powierzchni ani szczególna wytrzymałość, w pierwszej kolejności należy uwzględnić grafit elektrodowy EG.
Najczęściej jednak wykorzystywany jest grafit konstrukcyjny SG, który jest łatwy w obróbce i posiada dobrą relację ceny do jakości. Grafity drobnoziarniste i kompozyty powinny być stosowane tylko w uzasadnionych przypadkach, gdyż ich odporność na temperatury i wpływy chemiczne nie musi być wcale wyższa, natomiast ich koszt produkcji i obróbki może wzrosnąć wielokrotnie. Grafit o najwyższych parametrach i kompozyty CC są projektowane do określonych zastosowań, ich koszt jednostkowy jest bardzo wysoki ale niejednokrotnie są one materiałem niezastąpionym w wielu aplikacjach.