RODZAJE GRAFITÓW PRASOWANYCH

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, HG i CC. W podobnej kolejności możemy sklasyfikować 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 stosowanym 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 aspekty jakościowe i ekonomiczne 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. 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 drobnym ziarnie, gładkiej powierzchni, wysokiej wytrzymałości i właściwościach izotropowych. Grafit ten dedykowany jest do bardziej wymagających zastosowań, szczególnie w zakresie wytrzymałości mechanicznej i jakości powierzchni elementów. Ze względu na technologię produkcji, ten rodzaj grafitu dostępny jest tylko w ograniczonym zakresie rozmiarów do 650 mm i dostarczany jest w formie małych bloczków, płyt szlifowanych oraz prętów kalibrowanych. Mimo wyższych kosztów produkcji, grafit IEG jest niezbędnym materiałem w wielu procesach przemysłowych, jak: metalurgia, elektrotechnika, produkcja półprzewodników, fotowoltaika, technika próżniowa, produkcja szkła i ceramiki. 

4. Grafit izotropowy HG
Grafit o wysokim stopniu jednorodności i właściwościach izotropowych, co oznacza, że jego parametry w każdym punkcie i każdym kierunku są stałe a różnice nie przekraczają 10%. Ponadto grafit HG jednocześnie cechuje się wysoką wytrzymałością i bardzo drobnym ziarnem na poziomie 10 μm. Jego struktura umożliwia uzyskanie wysokiej jakości powierzchni na poziomie Ra 2,5. Wytwarzany jest specjalną metodą CIP i dostarczany jest w formie bloków i płyt przyciętych pod potrzeby użytkownika. Grafit HG jest niezbędnym materiałem w wielu procesach przemysłowych, jak: metalurgia, elektrody EDM do elektrodrążenia, krystalizatory, procesy chemiczne, technika próżniowa, energoelektronika, urządzenia do syntezy monokryształów, półprzewodników i metali trudnotopliwych. 

5. 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 układ 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 metali. Kompozyty CC są wykorzystywane w aeronautyce, piecach hartowniczych, technice próżniowej, w procesach chemicznych i metalurgii, umożliwiają budowę elementów urządzeń o dużej wytrzymałości pracujących jednocześnie w agresywnym środowisku i w wysokich temperaturach. 

 

Obszary zastosowań grafitów

Rozwój technologii, nacisk na utrzymanie wysokiej jakości i postęp w inżynierii materiałowej, generują ciągły wzrost zapotrzebowania na wyroby z grafitu i kompozytów węglowych. Wzrost popytu przekracza niekiedy 10% rocznie a pokrycie go w tej skali jest bardzo energochłonne. Materiały z grafitu spełniają wysokie kryteria jakościowe i są kluczowe dla nowych technologii, ponadto są neutralne dla środowiska i zdrowia oraz łatwe w utylizacji co czyni je tworzywem nowoczesnym a zarazem łatwym do stosowania. Poniższa tabela przedstawia najważniejsze cechy poszczególnych rodzajów grafitu oraz wskazówki do oceny wymagań dla potencjalnej aplikacji. 

Warto podkreślić, iż grafit jest materiałem porowatym dzięki czemu można go modyfikować lub impregnować i w ten sposób rozszerzyć zakres zastosowań. Grafit impregnowany brązem antymonowym jest popularnym materiałem na łożyska ślizgowe pracujące w wysokich temperaturach. Powyżej 450°C w środowisku utleniającym szybkość utleniania grafitu wzrasta radykalnie, można temu zapobiegać odpowiednią impregnacją. Zabezpieczenie powierzchni fosforanami może chronić grafit przed utlenianiem nawet do 1000°C. Najprostsząimpregnacją jest nasączenie grafitu żywicą, co zamyka pory i uszczelnia grafit a jednocześnie zachowuje jego bardzo dobre 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. 

Proces doboru właściwego grafitu wiąże się ze znajomością jego podstawowych parametrów i struktury. W graficie elektrodowym należyuwzględnić 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 wykorzystywanym rodzajem grafitu jest typ SG, który jest łatwy w obróbce i posiada dobrą relację ceny do jakości, dlatego można go nazwać uniwersalnym grafitem konstrukcyjnym. 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 wymagających aplikacjach.