Классический способ получения изделий из углеграфитовых материалов – это прессование порошков в крупногабаритный блок, который после высокотемпературного отжига делится на составляющие элементы с последующим доведением их до нужных геометрических размеров. Командой ученых ЮУрГУ разработана новая технология производства. В чем заключаются ее преимущества и как изменяются основные характеристики готового изделия, рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры процессов и машин обработки металлов давлением Марина Николаевна Самодурова.
– Способы, которые применялись ранее, дают достаточно низкую плотность готового изделия, – говорит исследователь. – Перед нами стояли следующие задачи: отработать процесс подготовки смеси порошковой композиции, состоящей из графита и полимерного связующего; разработать инструментальную оснастку и новую технологию изготовления изделий, которые позволят вывести на потребительский рынок качественную высококонкурентную продукцию электротехнического назначения. В результате научных изысканий мы создали новый технологический цикл, позволяющий значительно снизить энергоемкость изготовления продукции за счет исключения высокотемпературного многочасового отжига, а также повысить основные качественные показатели готовых изделий – плотность и физико-механические характеристики.
Особенность предложенного способа заключается в том, что первостепенным стало решение подобрать необходимое процентное соотношение полимерного связующего и графитового материала, а не кардинально изменить состав композиции. Главный упор был сделан на технологию прессования и выбор оптимального соотношения компонентов в смеси.
– На следующем этапе мы уделили большое внимание процессу обработки давлением. Необходимо иметь в виду, что в настоящее время используется энергозатратная технология статического горячего прессования в закрытых металлических пресс-формах сложной конструкции. Какие недостатки данного способа мы выявили? Дело в том, что на качество готовых изделий влияют такие факторы, как время выдержки готовой смеси на воздухе, температура и влажность в помещении. Это связано с тем, что измельченный графит – очень активный материал, который хорошо взаимодействует с газами и влагой, находящимися в воздухе. Если смесь в течение какого-то времени перед прессованием остается в помещении, то плотность готового изделия становится значительно ниже, чем в случае, если мы используем подготовленную композицию сразу после ее приготовления. А чем ниже плотность, тем быстрее происходит износ готового изделия. Еще один значительный недостаток имеющейся технологии: во время прессования смесь налипает на стенки пресс-формы, что снижает качество изделия. Нами предложены новые способы и технические решения подготовки смеси, – объясняет Марина Николаевна.
Перед прессованием подготовленная смесь выдерживается в течение четырех-шести часов при температуре 70–90 °С. Это позволяет не только удалить из нее влагу и газы, но и получить на твердых частицах новолачной смолы слой полимера в несколько микрон, который предотвращает их превращение в жидкость при контакте с нагретыми стенками пресс-формы, а также не дает жидкой смоле налипать на стенки матрицы.
Выдержка композиции менее четырех часов после смешивания при температуре менее 70 °С не позволит получить на твердых частицах смолы достаточный слой полимера, предохраняющий от износа инструментальной оснастки. Выдержка же более шести часов при температуре свыше 90 °С приведет к снижению производительности.
– Графит – очень твердый, труднодеформируемый материал, при его обработке происходит разрушение, а не деформация, – продолжает Марина Николаевна. – Наша задача заключается в том, чтобы получилось компактное изделие с высокими рабочими характеристиками, но при этом графит не потерял свои свойства, связанные с электропроводностью. Разработанная нами технология направлена на повышение эксплуатационных характеристик и физико-механических свойств изделий электротехнического назначения.
Полученные результаты нашли применение при производстве изделий для токосъема (вставки для троллейбусов и трамваев, щетки для электрических машин и тяговых двигателей, другие изделия электротехнического назначения). Но данная технология позволяет изготавливать изделия и конструкционного назначения.
– Это изделия, используемые в особых условиях, – рассказывает Марина Самодурова. – Изготовленные таким методом, они не меняют своих свойств при повышенных, а в некоторых случаях и очень высоких температурах (до 2500 °С), в агрессивных средах, при динамических нагрузках. В последнее время таким способом изготавливают пресс-формы для литьевых машин. Работа с изделиями из графита ведется во всех отраслях промышленности, в том числе в энергетике, авиастроении, космической и атомной индустрии – в частности, изделия из углеродных материалов применяются в ядерных реакторах.
На сегодняшний день изделия из графита, изготовленные по данной технологии, поставляются практически во все регионы России, а также в Беларусь, Казахстан и другие страны СНГ. Преимуществом данного способа является не только высокая плотность готового материала, но и низкая стоимость его производства. Количество отходов при прессовании не превышает 2–5%. Кроме того, технология требует меньших финансовых затрат, так как исключается операция высокотемпературного отжига.
В настоящее время работа с графитом ведется и в других направлениях. В стенах нашего университета научные разработки в данной области осуществляются более пяти лет. Графитовые изделия и их применение – одна из наиболее перспективных тем, считает Марина Самодурова, отмечая высокий потенциал и широкую промышленную применимость разработанной технологии.