силицированный графит

Оценка эксплуатационных свойств деталей пар трения текстильных машин из силицированных графитов

А.Б.Богза - д.т.н., профессор МГТУ им.Косыгина

по материалам журнала "Текстильная промышленность"

    Проблема обеспечения высокой износостойкости в парах трения остается важнейшей в современном машиностроении. Статистика свидетельствует, что до 80% отказов в машинных системах связано с износовыми отказами. Это характерно и для текстильных машин. Причем в отраслевых машинах имеют место и особо тяжелые условия эксплуатации, в частности, в машинах красильно-отделочных производств, в цехах карбонизации шерсти, в сушильных машинах волокна и тканей и др., где детали работают в агрессивных средах.
     В этой связи представляют интерес материалы – силицированные графиты, обладающие исключительно высокими эксплуатационными свойствами.
     Силицированные графиты представляют собой графитокарбидокремнистые материалы, полученные пропиткой пористого графита расплавленным кремнием. В процессе пропитки в результате взаимодействия с углеродом образуется карбид кремния, при этом часть кремния и графита остаются не связанными углеродом. Таким образом, силицированный графит состоит из карбида кремния, графита и кремния. Соотношение компонентов может меняться в зависимости от количества пор и их размеров в исходном графите, от продолжительности пропитки кремнием и режима изменения температуры. Структура этих материалов представляет собой жесткий каркас из карбида кремния исключительно высокой твердости и свободный графит, что и обеспечивает комплекс ценных физико-механических свойств. Их механические свойства определяются прежде всего фазовым составом и особенностями микроструктуры. Наиболее высокими прочностными характеристиками обладают материалы высокой плотности и мелкодисперсного строения. Материалы пористые и многокомпонентные имеют более низкие характеристики за счет наличия в них пор, кремния и углерода. Изменяя фазовый состав и пористость материалов, можно в определенной степени регулировать их механические свойства.
     Технология изготовления деталей из силицированного графита заключается в следующем. Заготовки для деталей заданной формы и размеров прессуют или получают обработкой резанием с учетом необходимых припусков, а затем заготовку пропитывают по всему объему жидким кремнием при высоких температурах – выше 2000°С. При этом происходит реакция с образованием карбида кремния. В дальнейшем необходимую форму, точность размеров и шероховатость рабочих поверхностей получают механической обработкой. Однако получение требуемой шероховатости затруднительно, так как имеют место налипание кремния, неглубокие раковины и другие дефекты. В ряде случаев эти факторы не влияют на работоспособность изделий. При наличии жестких требований обработку осуществляют на шлифовальных станках алмазосодержащими кругами с обязательным охлаждением эмульсией или водой.
     Проведем анализ свойств силицированных графитов. Плотность составляет от 2,1 до 2,8 г/см. Прочность зависит от фазового состава и плотности. Так, прочность на изгиб и сжатие снижается со снижением плотности и увеличением в изделии содержания малопрочных фаз – кремния и углерода – и наоборот. Прочность н растяжение возрастает с увеличением содержания карбидной фазы. Ударная вязкость является функцией из предела прочности при растяжении в характеризуется невысокими значениями. Этот недостаток материала проявляется в основном при механической обработке. Упругость также зависит от плотности и наличия металлических примесей. С увеличением плотности и чистоты материалов растет и упругость силицированных графитов. Их термическое расширения зависит от размера зерен карбид кремния и количественного содержания несвязанных кремния и углерода С увеличением содержания кремния в углерода растет и коэффициент температурного расширения (КТР). С повышением температуры возрастает в КТР. Теплопроводность также зависит от фазового состава и плотности С увеличением плотности растет и теплопроводность. При этом теплопроводность растет с увеличением содержания карбида кремния и частично несвязанного кремния. Коррозионная стойкость силицированныз графитов достаточно высокая к агрессивным средам, и прежде всего к минеральным кислотам различных концентраций и температур (материалы реагируют только с плавикового кислотой и раствором щелочи). Особое значение имеет тот факт, что в результате воздействия агрессивныл сред физико-механические свойств силицированных графитов изменяются незначительно. На основе этих испытаний осуществляют назначения материалов для узлов машин, работающих в агрессивных средах.
     Важнейшими характеристикам силицированных графитов являются высокие антифрикционные свойства, в частности, низкий коэффициент трения. Это обусловлено наличием в материале графита, равномерно распределенного по всему объему изделия. При этом наименьший коэффициент трения имеют материалы с меньшим со- держанием свободного кремния (например, для марки СГ-П при полусухом трении – 0,04 – 0,05). Для силицированных графитов характерна высокая износостойкость. Так, при работе в агрессивных средах, не содержащих механических примесей, в паре с углепластиками, керамикой и закаленными сталями интенсивность изнашивания составляет 1*10^-12 – 10^-14, что в ряде случаев обеспечивает срок службы 10000 – 15000 час. В условиях трения без смазки интенсивность износа марки СГ-Т не превышает 1*10^-12, что в 5 – 10 раз меньше интенсивности износа углеграфитовых материалов и более чем в 10 раз меньше, чем у фторопластиков ФК-Н-7 и ФКН-14.
     Для изготовления деталей текстильных машин могут быть использованы следующие марки силицированных графитов, выпускаемые отечественными заводами: СГ-Т; СГ-П; СГ-М; ГАКК 55/40. Основные физико-механические свойства этих материалов представлены в табл.1.

     На ряде предприятий отрасли имеется опыт использования этих материалов. Например, в шерстяной отрасли в красильных аппаратах типа АКД. Они внедрены в уплотнительных устройствах. В целях проведения ремонта этих устройств автором совместно с ЗАО “Текстильная фирма “Купавна” выполнены работы по отработке технологии изготовления запасных деталей из силицированных графитов и их комплексному испытанию в производственных условиях. При этом подтверждены высокие эксплуатационные свойства деталей в агрессивных средах и возможность их механической обработки в цехах фабрики.
     Совокупность исключительно ценных свойств силицированных графитов, как отмечено выше, дают основание рекомендовать их в качестве антифрикционного высокоизносостойкого конструкционного материала, пригодного для работы в парах трения, в том числе и в агрессивных средах. Кроме этого, они могут быть использованы и в качестве ните – и тканенаправителей.

Наш комментарий:

И на сегодняшний день данная статья не потеряла свою актуальность. Однако стоит отметить, что во многих отраслях, таких как нефтегазодобыча, переработка, нефтехимия, химия, энергетика, широкое применение нашли материалы следующего поколения, такие как самоспеченный карбид кремния, реакционно-спеченный карбид кремния, графитоугольные композиции с высокими техническими характеристиками, а также карбид вольфрама. Именно эти материалы используются для изготовления пар трения в современных торцевых уплотнениях.

© Copyright. 2002. ЗАО "ТРЭМ Инжиниринг" ®. Все права защищены.
Любая перепечатка материалов с данного ресурса производится только с разрешения владельцев