Fabricación y propiedades de materiales en Carbón - Grafito

m é t o d o s b a s a d o s e n l a brea de base de petróleo o de utilización de polvo de cobre tecnología cerámica clásica. La alquitrán de hulla, así como para la fabricación de escobillas materia prima, que en este caso resinas artificiales. Además, se de carbón para motores de baja puede ser coque de petróleo, pueden lograr toda una serie de tensión. coque de brea, hulla o grafito de c a r a c t e r í s t i c a s e s p e c i a l e s una determinada granulometría, añadiendo también a la mezcla

se mezcla a altas temperaturas aditivos minerales o polvos

Los materiales de carbón y c o n u n a g l o m e r a n t e metálicos. Así por ejemplo, es grafito se fabrican conforme a termoplástico. Éste puede ser característica la tradicional

Preparación y mezcla de los materiales

La p r e p a r a c i ó n y m e z c l a d e m a t e r i a l e s s e r e a l i z a preferentemente en procesos c o n t i n u o s a s i s t i d o s p o r ordenador. La granulometría de los materiales a preparar se supervisa mediante análisis de difracción por láser, en la mayoría de los casos durante el mismo funcionamiento del proceso.

El proceso de mezcla se realiza en extrusionadoras de dos hélices conforme a parámetros muy específicos que regulan el c a u d a l d e l m a t e r i a l , l a configuración de las hélices y el perfil de temperatura.

Conformación

Cuando la mezcla está lista, se comprime en las prensas de m o l d e , i s o s t á t i c a s o de extrusión, formando bloques no sinterizados conocidos como

cargas con diferentes grados de material a grafitar entre dos calentamiento, temperaturas electrodos y se conecta como una máximas (hasta 1200 ºC/2190 ºF) r e s i s t e n c i a e n e l c i r c u i t o y atmósfera del horno. secundario de un transformador,

alcanzándose así la temperatura Durante el proceso de recocido de grafitado por calentamiento tiene lugar la pirólisis, es decir, la por resistencia. descomposición del aglomerante en componentes volátiles y Durante este proceso se forman c a r b ó n . E s t e " c o q u e por recristalización superficies aglomerante" es el que asegura la grafitadas cuyas propiedades integridad del bloque moldeado son las que caracterizan el y recocido. material graf itado, que se

denomina electrografito. Después del proceso de recocido aún no existe una estructura de En comparación a los materiales gr a f i to c o n t i n u a e n e sto s no grafitados, el electrografito bloques, que son frágiles, y que tiene generalmente buenas por norma general presentan una propiedades deslizantes, baja d u r e z a y u n a r e s i s t e n c i a resistividad eléctrica, mayor mecánica muy alta. En esta etapa, conductividad térmica y una el material se denomina “carbón- re s i ste n c i a a l a c o r ro s i ó n grafito” o "carbón duro". Posee en m e j o r a d a . S e u t i l i z a p a r a esta fase propiedades idóneas aplicaciones que requieren buen para cierto tipo de aplicaciones deslizamiento, alta resistencia a mecánicas, como por ejemplo la corrosión química y gran para anillos deslizantes y resistencia al choque térmico así c o j i n e t e s p a r a c i e r r e s como en las que la alta pureza es mecánicos. un requisito especial o en

c o m b i n a c i ó n c o n o t r a s piezas en verde. Este proceso se p u e d e h a c e r e n f r í o o a

Grafitado propiedades.

temperaturas muy elevadas y la presión puede variar de 2 - 400 Mpa.

Recocido

A continuación el material se introduce en el horno de recocido. Dependiendo de la calidad, dimensiones y las características deseadas, el proceso de recocido se lleva a cabo en hornos continuos o de

El proceso de grafitación es un Los hornos de grafitado de calor segundo tratamiento térmico en inductivo o al vacío se utilizan el que se somete al bloque hasta especialmente con frecuencia los 3000 ºC, proceso que le para los materiales de carbón de c o n f i e r e l a s p r o p i e d a d e s máxima pureza o para los g r a f í t i c a s n e c e s a r i a s p a r a reforzados con fibras de carbón múltiples aplicaciones. (CFC, CFRC o C/C). este proceso se lleva a cabo fundamentalmente según el procedimiento de Acheson, según el cual se introduce el

El proceso de fabricación de los □ preparación de la materia □ grafitado ( solo para la materiales de carbón y grafito prima producción de electrografito) contiene los siguientes pasos: □ mezcla □ tratamientos especiales

□ conformación como impregnación,

□ recocido □ purificación, revestimientos... mecanizado final

Aglomerante Materia prima Triturado Pulverizado Tamizado

Mezcla

Pulverizado Homogeneizado

Prensado isostático Matrizado Extrusión

Recocido

Control Tratamiento especial Grafitado Impregnación

Carbón-grafito semifabricados Carbón-grafito

Piezas mecanizadas

Mecanizado Control

Impregnación Tratamientos especiales

Adicionalmente, acabado el Existe una gran variedad de Gracias a la gran variedad de proceso de fabricación del tratamientos especiales, entre posibilidades de modificar los material base, se pueden aplicar los que podemos mencionar materiales de carbón y grafito, y n u m e r o s o s p r o c e s o s p a r a de optimizar sus propiedades generar propiedades especiales según la aplicación a la que estén para aplicaciones particulares.

□ Purificación de piezas de destinados, los campos de Así por ejemplo, mediante grafito con el fin de obtener aplicación para estos grupos de i m p r e g n a c i ó n c o n r e s i n a productos de máxima pureza materiales se han extendido a sintética, la estructura porosa to d o s l o s á m b i to s d e l a originada por la pirólisis del

□ Revestimiento de grafitos de tecnología, y siguen en a g l o m e r a n t e p u e d e alta pureza con carbón constante expansión. impermeabilizarse al gas y a los pirolítico (PyC) o carburo de líquidos, y con la impregnación silicio (SiC) metálica se puede incrementar la dureza y la resistencia del material entre 2 y 5 veces.

□ Desgasificación en alto vacío

Aglomeración con resina sintética

También se pueden alcanzar p r o p i e d a d e s e s p e c i a l e s aglomerando los materiales de carbón con resina sintética. Se pueden fabricar materiales impermeables a los líquidos y los gases sin estar sujetos al p r o c e s o d e c o c c i ó n o impregnación. Al no tener que grafitarlos, estos materiales tienen unas propiedades de deslizamiento moderadas que pueden mejorarse utilizando grafito natural o grafito sintético como materia prima.

Los materiales de carbón a g l o m e r a d o s c o n r e s i n a sintética solo pueden utilizarse hasta la temperatura de fusión de la resina, generalmente entre 180 ºC y 280 ºC (350 ºF - 530 ºF). La fabricación de materiales a g l o m e r a d o s c o n r e s i n a sintética de baja resistencia eléctrica no es posible debido a las propiedades aislantes de la resina.

Propiedades derivadas de la estructura y aglomeración

Debido a las características especiales de aglomeración de los átomos de carbón dentro de la estructura del grafito, éste se cristaliza formando capas de estructuras hexagonales. Esta estructura es la que le confiere las propiedades deslizantes, la anisotropía de la conductividad eléctrica y térmica así como el coeficiente de dilatación térmica. Todas estas características dependen de la estructura y aglomeración del grafito.

Asimismo, es la aglomeración de limitada por el oxígeno y los los átomos de carbón dentro de medios altamente oxidantes. En esta estructura de retícula la que a t m ó s f e r a o x i d a n t e l o s determina las propiedades materiales de carbón-grafito son químicas del grafito: debido a la estables hasta 350 ºC (660 ºF) gran resistencia de las uniones mientras que los materiales covalentes dentro de la retícula, grafitados empiezan a oxidarse los materiales de carbón poseen por encima de 500-600º C (930- una elevada resistencia frente a 1110 ºF). ácidos, bases, gases, fusiones, etc. La resistencia de los materiales de carbón e s t á s o l a m ente

Estructura del grafito

Propiedades derivadas del Métodos para la determina- proceso ción de las propiedades del

material

Además de las características derivadas de estructura y aglomeración, los materiales de carbón tienen propiedades íntimamente relacionadas con el proceso de fabricación en sí. Los materiales de carbón-grafito fabricados según los métodos de f a b r i c a c i ó n a n t e r i o r m e n t e d e s c r i t o s t i e n e n u n a microestructura poligranular y policristalina. F r e c u e n t e m e n t e l o s microcristales presentes ya en los granos de los materiales s ó l i d o s d e p a r t i d a e s t á n dispuestos al azar, de manera que la anisotropía de retícula apenas se aprecia dentro de estos granos.

L a p o r o s i d a d e s u n a característica especialmente afectada por el método de fabricación y puede variar de 0 a 50 %. La porosidad puede definirse por el volumen de los poros y la distribución de éstos. Ambas características definen materiales diferentes y métodos de fabricación diferentes. Por norma general hay materiales de porosidad abierta y cerrada. Los de porosidad abierta pueden impregnarse, mientras que los de porosidad cerrada no.

Debido a la porosidad y a los diferentes grados de grafitado admisible de los materiales de carbón, todos los carbones p o l i c r i s t a l i n o s f a b r i c a d o s industrialmente muestran una menor densidad en masa que la que teóricamente se calcula basándonos en la estructura cristalina ideal del grafito. Dependiendo del método de fabricación, la resistencia a la flexión y a la compresión pueden variar también ampliamente. La resistencia a la flexión puede oscilar entre 10 y 150 MPa.

Primeramente, hay que tener en cuanta las propiedades que son r e l a t i v a m e n t e f á c i l e s de d ete r m i n a r p e r o q u e s o n características para una calidad □ Resistividad eléctrica

específica (DIN51911)

□ Dureza Rockwell (DIN51917)

□ Densidad en masa (DIN IEC 60413, DIN 51918)

□ Resistencia a la flexión (DIN51902)

□ Contenido en cenizas (DIN 51903)

Estas propiedades permiten una rápida identificación del material así como la inspección de calidad, y suelen ser las especificaciones básicas de cualquier suministro entre cliente y fabricante. L o s m é t o d o s d e e n s a y o m e n c i o n a d o s e s t á n comprendidos, con especial referencia a las escobillas de carbón, en DIN IEC 60413. P u e d e n e n c o n t r a r s e m á s estándares para la investigación de materiales de carbón en las Series DIN 51901 hasta 51940.

Más características

En las calidades de carbón y grafito se p u e d e n d e t e r m i n a r a d e m á s características adicionales como módulo de elasticidad, resistencia a la compresión y tracción, y datos termofísicos como coeficiente de dilatación térmica, conductividad térmica y capacidad térmica específica.

Determinar estas propiedades conlleva un gran número de mediciones, aunque el conocer estos datos según la aplicación o el propósito de los ensayos es vital.

Así, por norma general, no basta con saber la porosidad de un material de grafito o carbón para caracterizar su c o m p o r t a m i e n t o f r e n t e a la i mp re g n a c i ó n , c a s i s i e mp re e s necesario determinar tamaño y distribución de los poros, analizar su estructura microscópica así como su posible humectabilidad frente a diferentes medios de impregnación.

Además a menudo también interesa el efecto del proceso de impregnación sobre cualidades concretas de la c a l i d a d , c o m o p o r e j e mp l o la resistencia a la abrasión o la permeabilidad.

Todas estas mediciones exigen en g e n e r a l u n a m p l i o e q u i p o de laboratorio.

Si lo desean, podemos asesorarles al respecto.

Micrografías de estructuras de carbón con diferente porosidad y distribución de grano

Materiales técnicos de carbón y grafito

Los materiales de carbón y grafito se fabrican de forma poligranular o policristalina. Esto significa que los granos de la materia prima se c o m p o n e n d e m i n ú s c u l o s cristales orientados de diferentes m a n e r a s . D e b i d o a e s t a estructura microcristalina el cuerpo macroscópico a menudo no muestra las propiedades anisotrópicas cristalinas del monocristal de grafito. La anisotropía de la conductividad eléctrica o del coeficiente de dilatación térmica apenas está p r e s e n te e n l a s c a l i d a d e s policristalinas, o al menos, está muy debilitada.

La anisotropía de las propiedades Este proceso de elaboración que aparece en las calidades requiere muchos aparatos y policristalinas de carbón, está resulta caro, por lo que solo suele predominantemente determinada u s a r s e e n g e n e r a l p a r a p o r e l p r o c e d i m i e n t o d e revestimiento de superficies de prensado. Así por ejemplo las c a l i d a d e s d e c a r b ó n calidades de prensado isostático policristalinas normales, por ej. tienen una anisotropía mínima o para lograr una permeabilidad ninguna, mientras que las baja a los gases o una superficie calidades matriciadas por una o resistente a la fricción. En pocos a m b a s c a r a s t i e n e n u n a casos se utiliza carbón pirolítico anisotropía más acusada. Por este de manera compacta, uno de motivo, cuando se indican los ellos es por ejemplo las rejillas de valores físicos de una calidad, a alta capacidad en vacío. menudo se distingue entre la p r o p i e d a d m e d i d a e n Otra clase de carbones -grafitos perpendicular o en paralelo a la son los materiales reforzados con dirección de prensado. fibras de carbón o grafito. Se

fabrican por pirólisis de fibras de O t r a f o r m a t é c n i c a d e p o l í m e ro s , p re fe re n te m e n te grafito/carbón es el carbón poliacrilnitrilos (PAN), o fibras pirolítico o grafito pirolítico. Se con una base especial de brea. trata de un material que escinde en la fase gaseosas el contenido Las fibras de carbón se utilizan de hidrocarburos depositándolo p a r a r e f o r z a r p o l í m e r o s sobre una cuerpo de soporte (polímeros reforzados con fibra calentado (procedimiento CVD). de carbón, CFRP-CFK), carbón Esta calidad tiene, debido a su (carbón reforzado con fibra de p r o c e s o d e f a b r i c a c i ó n , carbón CFRC, CFC ó C/C) o p r o p i e d a d e s m u c h o m á s cerámica (composites de matriz resistentes que las de los cerámica CMC) y metales. monocristales de grafito.

Los composites se utilizan n o r m a l m e n t e c u a n d o la aplicación requiere una alta rigidez y resistencia a la vez que un peso muy bajo. Aplicaciones t í p i c a s p a r a C F R P s o n e q u i p a m i e n t o d e p o r t i v o , componentes para aviación y tecnología espacial que no están sometidos a fuertes cargas térmicas. Para aplicaciones de altas temperaturas como por ej. e n l a I n d u s t r i a d e l o s s e m i c o n d u c t o r e s o e n construcción de hornos se utiliza CFC/C-C.

Otra forma más económica de fibras de carbón son los fieltros de carbón que se utilizan como aislantes térmicos

Campos de aplicación de los materiales de carbón y grafito

D e b i d o a s u s p r o p i e d a d e s especiales los materiales de

u t i l i z a n e n p r o d u c t o s electrotécnicos, componentes de ingeniería mecánica, industria de semiconductores y tecnología médica.

E n c o n t r a r á n m a s d e t a l l e s particulares de cada producto y sus aplicaciones en nuestra página Web: www.carbosystem.com

Electrografito con revestimiento PyC

Electrografito con revestimiento SiC

Textura de un material CFC /CFRC/C-C