Силицированные графиты
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.
Свойства 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 силицированных 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 содержанием 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 ФКН-7 и ФКН-14.
Таблица 6
Основные физико-механические свойства материалов СГ-Т; СГ-П; СГ-М; ГАКК 55/40
|
Показатель |
Материал | |||
|
СГ-Т |
СГ-П |
СГ-М |
ГАКК 55/40 | |
|
Плотность, г/см |
2,5-2,8 |
2,4-2,6 |
2,1-2,4 |
2,2-2,4 |
|
Предел прочности, МПа | ||||
|
- при сжатии |
300-320 |
420-450 |
130-160 |
120-180 |
|
- при растяжении |
401-501 |
60 |
30-40 |
- |
|
- при изгибе |
90-110 |
100-120 |
70-90 |
- |
|
Ударная вязкость, 103*Нм/м2 |
2,8 |
4 |
2,8 |
3,5 |
|
Модуль упругости, ГПа |
95 |
127 |
97 |
- |
|
Твердость, HRC |
65-78 |
50-70 |
40-50 |
50 |
|
Теплопроводность, Вт/(М*°С) |
85-100 |
130-150 |
120 |
120 |
|
Температурный коэффициент линейного расширения при 20-100°С а*106*°С-2 |
4,6 |
4,2 |
4,2 |
3,9 |
Совокупность исключительно ценных свойств силицированных графитов, как отмечено выше, дают возможность применять их в качестве антифрикционного высокоизносостойкого конструкционного материала, пригодного для работы в парах трения, в том числе и в агрессивных средах.