Графит и углерод: терминология материалов, сравнение характеристик и руководство по выбору уплотнений

1. Терминология: почему возникает путаница

В промышленности термины «углеродный графит», «графит», «твёрдый углерод» и «электрографит» часто используются взаимозаменяемо, что вызывает путаницу при выборе у закупщиков и инженеров. Корень проблемы в том, что это все углеродные материалы, отличающиеся температурой термообработки и степенью преобразования кристаллов:

• Углерод: обожжён при 1000-1400°C, атомы углерода преимущественно аморфные, без полного формирования кристаллов графита
• Графит: графитизирован при 2400-3000°C, атомы углерода упорядочены в регулярные слоистые кристаллы графита
• Углеродный графит: частично графитизированный, степень преобразования между углеродом и графитом
• Электрографит: полностью графитизированный в электрической печи, максимальная степень преобразования кристаллов

Английская терминология следует той же иерархии: Hard Carbon → Carbon Graphite → Electrographite, с увеличением степени графитизации.

2. Существенное различие в кристаллической структуре

Основное различие заключается в чёткости пика (002) на рентгеновской дифракции, то есть в степени графитизации:

| Материал | Температура обжига | Степень графитизации | Расстояние d₀₀₂ | Особенности кристаллов |

|----------|--------------------|----------------------|-----------------|-----------------------|

| Углерод (твёрдый) | 1000-1400°C | <30% | 3.44-3.70 Å | В основном аморфный |

| Углеродный графит | 2000-2400°C | 30%-80% | 3.36-3.44 Å | Частично упорядоченный |

| Электрографит | 2400-3000°C | >80% | 3.35-3.36 Å | Высокая упорядоченность |

Более высокая графитизация означает более полную слоистую структуру, более слабые ван-дер-ваальсовы связи между слоями и лучшую самосмазываемость; но твёрдость снижается, а износостойкость уменьшается. Это ключевой компромисс при выборе материала.

3. Сравнение характеристик

3.1 Механические свойства

• Углерод (твёрдый): твёрдость по Шору HS 70-100, прочность на сжатие 200-400 MPa, отличная износостойкость, но более хрупкий
• Углеродный графит: твёрдость по Шору HS 40-90, прочность на сжатие 150-340 MPa, сбалансированная твёрдость и вязкость
• Электрографит: твёрдость по Шору HS 30-60, прочность на сжатие 100-200 MPa, лучшая вязкость, но самая низкая твёрдость

3.2 Трибологические свойства

• Углерод: сухое трение 0.15-0.30, плохая самосмазываемость, требует мягкой сопрягаемой поверхности или внешней смазки
• Углеродный графит: сухое трение 0.04-0.15, хорошая самосмазываемость, основной материал для уплотнений
• Электрографит: сухое трение 0.04-0.10, лучшая самосмазываемость, но износостойкость ниже, чем у углеродного графита

3.3 Тепловые и химические свойства

Все три материала обладают высокой теплопроводностью (70-150 W/(m·K)), значительно превосходящей инженерные пластики. Температурная стойкость достигает 600°C и выше в неокисляющих средах. По химической стойкости углерод и углеродный графит устойчивы к большинству кислот, щелочей и солей, но требуют пропитки из-за повышенной пористости; электрографит имеет меньшую пористость, но также нуждается в пропитке для уплотнений.

4. Рекомендации по выбору уплотнений

4.1 Условия высоких нагрузок и сильного износа

Для подшипников дробилок в горнодобывающей промышленности и втулок тяжелой техники выбирайте углерод или твердый углерод за высокую твердость и износостойкость. Обратите внимание, что углерод более хрупок и не должен подвергаться ударным нагрузкам.

4.2 Условия сухого трения и отсутствия масла

Для пищевого оборудования, вакуумной техники и погружных насосов выбирайте графит или углеродный графит за низкое трение и самосмазывающиеся свойства, чтобы избежать загрязнения среды. Обычно применяется пропитка PTFE или фенольной смолой.

4.3 Масляные насосы при высоких температурах

Выбирайте углеродный графит с металлической пропиткой сурьмой для стойкости к температурам выше 400°C и высокой грузоподъемности, обычно марка M106K.

4.4 Работа в агрессивных химических средах

Выбирайте углеродный графит с пропиткой фурановой смолой для высокой стойкости к сильным кислотам и щелочам; для работы с плавиковой кислотой необходима пропитка PTFE.

4.5 Высокоскоростное уплотнение при малых нагрузках (торцевые уплотнительные кольца)

Углеродный графит является основным выбором в качестве мягкой поверхности, в сочетании с карбидом кремния или твердым сплавом в качестве твердой поверхности. Это обеспечивает баланс твердости и самосмазывающихся свойств для стабильной жидкостной пленки и износостойкости.

5. Рекомендации по закупкам

Подтвердите у вашего поставщика следующие параметры, чтобы избежать ошибок при выборе материала:

1.Тип материала: углерод/углеродный графит/электрографит (степень графитизации)

2.Тип пропитки: смола/металл/без пропитки

3.Показатели характеристик: твердость, прочность на сжатие, пористость, коэффициент трения

4.Условия эксплуатации: температура, давление, среда, скорость

5.Соответствие отраслевым стандартам (например, API 682); соответствие суффиксов пропиткам согласно технической документации производителя

Huahao Sealing Co., Ltd. поставляет уплотнительные кольца, втулки и разрезные кольца из углеродного графита марок M106K, M120K, M140K и M106D, с возможностью индивидуальной обработки по чертежам или образцам и предоставлением протоколов испытаний материалов.