Сегодня научные поиски основываются, в первую очередь, на актуальных требованиях промышленных предприятий. Главной целью является изменение технологии производства для получения конкурентоспособной готовой продукции. Ученые Южно-Уральского государственного университета успешно добиваются поставленной задачи. Один из примеров — разработка способа изготовления изделий из порошковых углеграфитовых материалов с высокими эксплуатационными свойствами.
Существует несколько основных способов получения изделий из углеграфитовых материалов. Первый способ (классический) представляет собой прессование порошков в крупногабаритный блок, который после высокотемпературного отжига делится на составляющие элементы с последующим доведением их до нужных геометрических размеров. Командой ученых нашего университета была разработана новая технология производства. О том, в чем заключаются ее преимущества и как изменяются основные характеристики готового изделия, рассказала кандидат технических наук, доцент кафедры «Процессы и машины обработки металлов давлением» Марина Самодурова.
«Способы, которые применялись ранее, дают достаточно низкую плотность готового изделия. 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 (повышенная 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. Работа сосредоточена на технологии прессования и выборе 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 остается в течение какого-то времени перед прессованием в помещении, то плотность готового изделия становится значительно ниже, чем если мы используем подготовленную композицию сразу после ее приготовления. Чем ниже плотность, тем быстрее происходит износ готового изделия. Еще один значительный недостаток имеющейся технологии — это налипание смеси на стенки пресс-формы во время прессования, что снижает качество изделия. Нами были предложены новые способы и технические решения подготовки смеси», — объясняет Марина Николаевна.
Перед прессованием подготовленная смесь выдерживается в течение 4—6 часов при температуре 70—90 °С. Это позволяет не только удалить влажность и газы, но и получить на твердых частицах наволачной смолы слой полимера в несколько микрон, который предотвращает их превращение в жидкость при контакте с нагретыми стенками пресс-формы. Также устраняется налипание жидкой смолы на стенки матрицы.
Выдержка композиции менее 4 часов после смешивания при температуре менее 70 °С не позволит получить на твердых частицах смолы достаточный слой полимера, предохраняющий от износа инструментальной оснастки. Выдержка композиции перед прессованием более 6 часов при температуре более 90 °С приведет к снижению производительности.
«Графит — очень твердый, труднодеформируемый материал, и при его обработке происходит разрушение, а не деформация. Наша задача заключается в том, чтобы, не нарушив тех свойств, которые графит дает как электропроводный материал, получить компактное изделие с высокими рабочими характеристиками. Разработанная нами технология направлена на повышение эксплуатационных характеристик и физико-механических свойств изделий электротехнического назначения».
.jpg)
Полученные результаты нашли применение при производстве изделий для токосъема (вставки для троллейбусов и трамваев, щетки для электрических машин, щетки для тяговых двигателей и другие изделия электротехнического назначения). Но данная технология позволяет изготавливать изделия не только электротехнического, но и конструкционного назначения.
«Это изделия, используемые в особых условиях, — рассказывает Марина Николаевна. — 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. В ядерных реакторах также используются изделия из углеродных материалов. Работа с изделиями из графита ведется во всех отраслях промышленности (энергетика, атомная промышленность, космос, авиастроение и др.)».
На сегодняшний день изделия из графита, изготовленные по данной технологии, поставляются практически во все регионы России, а также в страны СНГ (Беларусь, Казахстан и др.). 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 5 лет. Графитовые изделия и их применение — одна из наиболее перспективных тем, считает Марина Самодурова. Исследователь отмечает высокий потенциал разработанной технологии, ее широкую промышленную применимость.