مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

قالب های گرافیتی ایزواستاتیک

این قالب ها برای تولید ابزارهای مختلف با کارایی بالا، سرامیک ها و الماس ها استفاده می شود. در این حالت، زینترینگ تحت فشار انجام می شود. در فرایند زینترینگ تحت فشار، شیئ به طور همزمان تحت فشار و حرارت بالاتر از 500 درجه ی سانتیگراد، قرار داده می شود. این کار عموماً در اتمسفری خنثی انجام می شود. حرارت دهی هم با عیور جریان مستقیم و هم به صورت القایی در این بخش ها، ایجاد می شود. قالب های گرافیتی موجب تسهیل عبور الکتریسیته می شود و می تواند در برابر فشارهای بالا، حرارت بالا و همچنین شوک های حرارتی، مقاومت کند. بخش های قالب های گرافیتی، عمدتاً از گرافیتی تولید می شود که بوسیله ی فرایند پرس ایزواستاتیک، تولید می شود. در واقع برای تولید این قطعات، فشار از تمام جهات، اعمال می شود. این مسئله موجب می شود تا قطعات قالب، فشرده و قوی شوند. معیار اساسی مربوط به استفاده از گرافیت، رسانایی الکتریکی و گرمایی، مقاومت به شوک حرارتی، نرمی و صافی سطح قالب و عدم ترشوندگی است. گرافیت با خلوص بالا و ذرات ریز برای تولید این قالب ها، مورد استفاده قرار می گیرد. این گرافیت حاوی 0.2 % خاکستر هستند و 10 تا 20 میکرون اندازه ی ذرات آنهاست.

لنت ترمز

در لنت های ترمز، آزبست برای یک مدت طولانی، بازار را به خود اختصاص داده بود. اما به دلیل ایجاد کمپین های مخالف معدن کاری و استفاده از آزبست به دلیل اثرات مضر آن بر سلامتی، از اوایل دهه ی 1980، تقاضا برای استفاده از گرافیت افزایش یافت. برای تولید این محصول، ذرات گرافیت در داخل رزین قرار داده می شوند. مزیت اصلی این گرافیت ها، استحکام فشاری و کششی بالا . ضریب اصطکاک پایین به همراه نرخ سایش پایین می باشد. ضریب اصطکاک وقتی گرافیت بر روی سطح مالیده می شود، نیز کاهش می یابد.
با توجه به این ویژگی ها، گرافیت باید دارای ذرات ریزی باشد (کمتر از 75 میکرون) به نحوی که ذرات به خوبی در سطح دیسک پخش شوند. اما یکی از محدودیت های مربوط به استفاده از ذرات کوچک، این است که مساحت سطح کل آنها بالاست و از این رو، پیوند رزین ممکن نیست کامل باشد. این مسئله موجب می شود تا نقاط ضعیفی در داخل ساختار کامپوزیت وجود داشته باشد. هر ماده ی ساینده ای مانند سیلیس، می توان در این کاربرد، مضر باشد. برای افزایش بازده، گرافیت باید خلوص بالایی داشته باشد و میزان FC آن از 98 % بیشتر باشد. به هر حال، اگر میزان سیلیس موجود بسیار کم باشد، می توان از گرافیت تا عیار 90 % نیز استفاده کرد. از آنجایی که استفاده از این عیار از گرافیت، هزینه بر می باشد، معمولاً از 40 % گرافیت مصنوعی بعلاوه ی 60 % گرافیت طبیعی استفاده می شود.

بلبرینگ

بلبرینگ یکی از اجزای ماشین آلات می باشد. این قطعه برای انتقال بار از یک شافت چرخنده بر روی یک سطح تکیه گاهی، استفاده می شود. دو نوع مهم از بلبرینگ ها، وجود دارند: نوع لغزشی و نوع رولری یا گلوله ای. بلبرینگ های لغزشی دارای یک تماس سطحی هستند، در حالی که در نوع دوم، این تماس به صورت نقطه ای و یا خطی است. بلبرینگ های لغزشی به صورت استوانه ای ساخته می شوند و این سطح، بار قابل توجهی را تحمل می کند. این بلبرینگ ها، همواره بر پایه ی آلیاژها ساخته می شوند زیرا یک ماده ی منفرد، توانایی تحمل این شرایط را ندارد. مواد انتخاب شده در این کاربرد، باید استحکام بالا، سختی بالا، ضریب اصطکاک پایین، رسانایی گرمایی بالا و مقاومت به خوردگی بالا، داشته باشند. در اینجاست که گرافیت، نقش مهمی ایفا می کند. گرافیت یکی از مواد غیر فلزی است که می توناد ان را به صورت آلیاژی با برخی فلزات مورد استفاده قرار داد. از جمله مزیت های این استفاده، استحکام بالا، ضریب اصطکاک پایین، رسانایی گرمایی بالا و مقاومت به خوردگی می باشد. متداول ترین آلیاژهای بر پایه ی گرافیت که در بلبرینگ ها، استفاده می شوند، عبارتند از:

برنز متخلخل

برنز یک آلیاژ حاوی مس و قلع است و فلزی سنگین به شمار می آید. در برنز متخلخل، 3 % گرافیت به برنز حاوی 87 % مس و 10 % قلع افزوده می شود. افزودن ذرات گرافیت موجب می شود تا برنز سبک تر شود. قابلیت آلیاژسازی و وزن مخصوص پایین ذرات گرافیت، از جمله معیارهای انتخاب گرافیت برای این کاربرد است. برنز متخلخل برای تولید موتورهای قابل حمل سبک، مناسب می باشد.

باتری ها

یک باتری حاوی دو یا چند سلول متصل به هم می باشد. اصل مربوط به کار یک سلول، این است که اگر دو فلز مختلف در داخل یک الکترولیت غوطه ور شوند، به دلیل اختلاف در حلالیت آنها، یک ولتاژ در بین دو الکترود آن، ایجاد می شود. یکی از این فلزات بار مثبت دارد که آند و دیگری که بار منفی دارد، کاتد نامیده می شود. انرژی شیمیایی موجود در فلز و الکترولیت، در این سلول ها، به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. اگر در این فرایند، الکترولیت و فلز به صورت بازگشت ناپذیر، مصرف شوند، این سلول ها، سلول های اولیه یا غیر قابل شارژ، نامیده می شوند. به عبارت دیگر، اگر انرژی شیمیایی بتواند در داخل این سلول ها، ذخیره شود، به این باتری ها، باتری های ثانویه یا قابل شارژ می گویند. باتری های اولیه دو دو نوع خشک و قلیایی هستند. سلول های خشک، در واقع سلول های ولتایی نامیده می شوند. در این سلول ها، گرافیت در باتری های ولتایی و قلیایی، مورد استفاده قرار می گیرند.
باتری های ولتایی یا لکلانشه (Leclanche cell): در این سلول ها، میله های کربنی (آند) در داخل محلول آمونیوم کلرید وارد می شود در حالی که خود محفظه ی باتری از جنس روی می باشد. وقتی روی در داخل این آمونیوم کلرید حل می شود، کلرید روی تولید می شود و یک تفاوت ولتاژ بین گرافیت و روی ایجاد می شود. واکنش شیمیایی موجب آزاد شدن گاز هیدروژن می شود که این گاز به سمت آند کربنی حرکت کرده و در دور آن جمع می شود. این عمل، پلاریزاسیون نامیده می شود. پوشیده شدن آند با فیلم هیدروژنی، موجب می شود تا در برابر جریان، مقاومت ایجاد شود و در نتیجه، میزان بازده باتری، افت می کند. در این حالت، اکسید منگنز، نقش عامل جلوگیری کننده را ایفا می کند. این ماده در داخل کیسه ی کتانی قرار داده می شود و آند کربنی در داخل آن وارد می شود. یون هیدروژن در حین حرکت به سمت آند، با این ماده وارد واکنش می شود و هیدروکسید منگنز که ماده ای بی اثر است، تولید می شود. این کار موجب می شود تا هیدروژن، به آند کربنی نزدیک نشود.
باتری های قلیایی: این نوع باتری نیز از جمله باتری های غیر قابل شارژ می باشد. قطب مثبت (آند) آن حاوی روی است و قطب منفی آن (کاتد) حاوی دی اکسید منگنز است. الکترولیت مورد استفاده، یک ماده ی قلیایی قوی مانند پتاسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید است.
در هر دو نوع سلول، گرافیت به صورت فیلر، به دی اکسید منگنز، اضافه می شود تا بدین صورت، رسانایی الکتریکی بهبود یابد. علاوه بر این، گرافیت یک ماده ی خنثی از لحاظ شیمیایی است. تنها تفاوت بین این دو پیل این است که در پیل های لکلانشه، عملکرد دی اکسید منگنز در واقع ایجاد حمایت می باشد. در این نوع کاربرد، از گرافیت با عیار بالا (88 % FC یا بیشتر) استفاده می شود. این در حالی است که در سلول های قلیایی، عملکرد دی اکسید منگنز، اساسی است. اندازه ی دانه ی گرافیت مورد استفاده در هر دو مورد، 75 میکرون می باشد اما در سلول های قلیایی، اندازه کوچکتر است. علاوه بر این، در مورد سلول های قلیایی، رسانایی الکتریکی بالاتر مورد نیاز است. در واقع گرافیت باید عاری از ناخالصی های فلزی از جمله مس، کبالت، آنتیموآن، آرسنیک و ... باشد.
بوش های کربنی مورد استفاده در موتورهای الکتریکی
بوش های کربنی یکی از اجزای مورد استفاده در موتورهای الکتریکی است که موجب می شود تا چرخش حفظ شود. یک مخلوط مشخص از پودر گرافیت و یک بایندر (مانند زفت قطران زغال سنگ یا رزین سنتزی) به صورت بلوک های یکنواخت ایجاد می شود. در واقع جریان در این قطعات جمع و توزیع می شود. رسانایی الکتریکی بالا، ضریب شکست پایین با نرخ سایش پایین و رسانایی الکتریکی بالا، موجب می شود تا این ماده ذوب نشود و از بین نرود. این ماده به سهولت فشرده می شود، هم در حالت فشاری و هم در حالت کشش. این مسئله موجب می شود تا این ماده بتواند تنش های برشی ثابت را به خوبی، تحمل کند.
متداول ترین بوش های مورد استفاده، از جنس بوش های الکترو- گرافیتی است که برای شرایط با جریان بالا مناسب است و دارای طول عمر بالایی است. برای تولید یک چنین بوشی، گرافیت خالص با رزین به هم متصل می شود و در دمای 2400 درجه ی سانتیگراد، پخت می شود. بوش های اولیه برای استفاده در تحت شرایطی مناسب است که جریان ضعیف و مدت زمان کار نیز کوتاه است. یکی دیگر از بوش های موجود، از جنس بوش های گرافیتی- فلزی است که از یک مخلوط گرافیت طبیعی به همراه پودر مس، قلع، سرب یا نقره، تولید می شود.
برای اتلاف جریان پایین، یک گرافیت با عیار بالا، مناسب می باشد. میزان FC پایین (یعنی 95 %) برای تولید بوش های اولیه، مناسب است. اما در بوش های الکترو- گرافیتی، از گرافیت با خلوص بیش از 99 % استفاده می شود. این سخت است که گرافیت طبیعی با خلوص بالا، داشت. از این رو، از گرافیت سنتزی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. اما گرافیت سنتزی، محدودیت هایی نیز دارد، برخی اوقات، 50 % از پیش ماده، از این نوع گرافیت می باشد. بنابراین، امروزه، صنایع از مخلوطی از گرافیت سنتزی و طبیعی، استفاده می کنند. اندازه ی ذرات این گرافیت ها، کمتر از 53 میکرون است. گرافیت طبیعی خاصی نیز برای این کاربرد، موجود می باشد.

مواد روانساز

پودر گرافیت به خودی خود، به عنوان روانساز برای بخش هایی استفاده می شود که دما و تنش بالاست. مثلا از این ماده در نورد فولاد، کاربردهای اتومبیل و در تولید نایلون استفاده می شود. در این کاربردها، تنها رغیب گرافیت، مولیبدن دی سولفید است. معیار اصلی برای استفاده از گرافیت به عنوان یک روانساز صنعتی در این کاربرد، نرم تر بودن، ضریب اصطکاک کمتر، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت گرمایی است. علاوه براین، این ماده ی روانساز، نباید موجب سایش قطعات چرخنده شود. این ماده نباید همچنین در مواد روغنی، حل شود. از این رو، نوع فلسی شکل گرافیت، بیشتر در این کاربرد، ترجیح داده می شود.
علاوه بر این، روان سازهای گرافیتی، به عنوان پوشش های بدون چسبندگی بر روی قالب های آلومینیوم، طبق های شکل دهی شیشه و قطعات دیگر اعمال می شود. علاوه بر ویژگی های بیان شده در بالا، عدم ترشوندگی نیز یکی دیگر از معیارهای مهم تلقی می شود. زیرا شیشه ی ریخته گری شده، باید به آسانی قابلیت جدا شدن از ظرف را داشته باشد. عموماً صنعت از روانسازهای گرافیتی با FC برابر با 96% استفاده می کنند.

گریس های کربن دار

گرافیت های با خلوص بالا و اندازه ی بسیار ریز، به گریس ها افزوده می شود تا بدین صورت، خواص خاصی از جمله سایش پایین، رسانایی گرمایی بالا در دماهای بالا، دمای ذوب بالا و صاف بودن، در این مواد ایجاد شود. عیار گرافیت مورد استفاده در این کاربرد، 99 % است و اندازه ی ذرات مورد استفاده نیز 38 میکرون می باشد.
یک چنین گریس های گرافیت داری، برای کاربردهای با تنش بالا، مورد استفاده قرار می گیرد. مهم ترین این کاربردها، در تولید محصولات لوله ای بدون درز مانند لوله های فولادی بدون درز، می باشد. اصل تولید یک چنین محصولی شامل برش و ایجاد یک باریکه ی فلزی می باشد. این باریکه ی فلزی به صورت حلزونی در هم پیچیده می شود و با حرارت دهی این باریکه ی در هم پیچیده تا دمای 1300 درجه ی سانتیگراد، لبه های به هم رسیده، به هم جوش می خورد و ساختار لوله ی بدون درز، تشکیل می شود. برای ایجاد مقطع های پروفیلی خاص، از قالب های خاص استفاده می شود. گریس های گرافیتی، به عنوان پوشش بر روی شمش های کوچک اعمال می شود تا بدین صورت، بازده کار افزایش یابد.
یکی دیگر از کاربردهای گریس های گرافیت دار، در کشش سیم می باشد. در این کاربرد، یک میله ی فلزی نورد می شود و قطر آن کاهش می یابد. این میله نازک و نازک تر می شود تا بدین صورت، سیم تشکیل شود. کل عملیات در حالت سرد انجام می شود و از این رو، استفاده از گریس های گرافیت دار، می تواند موجب افزایش بازده شود.

محصولات گرافیتی زینتر شده

این محصولات شامل اشیایی مانند دنده ها و لبه هایی است که در تولید چرخ دنده، کاربرد دارد. زینتر کردن ذرات به نحوی انجام می شود که تنها گوشه های ذرات به هم متصل می شوند. محصولات گرافیتی زینتر شده، با مخلوط کردن 1.5 % پودر گرافیت با خلوص بالا و 98.5 % فولاد، تولید می شوند. این مخلوط سپس در حین شکل دهی، حرارت دهی می شود. جذب گرافیت در زمینه ی فولادی، موجب افزایش استحکام محصولات می شود. استفاده از ذرات گرافیت ریزتر، موجب می شود تا میزان جذب سطحی بهتر شود. چون درصد گرافیت محصول پایین است، باید از گرافیت با کیفیت بالا استفاده کرد. برای این محصولات، استفاده از گرافیت با خلوص 98-99 % مفید می باشد. استحکام کششی و برشی بالا و نرخ سایش، مهم ترین معیارهای انتخاب گرافیت در این کاربرد می باشد.

رنگ ها

گرافیت یک رسانای خوب برای الکتریسیته است و مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد. بنابراین، رنگ های بر پایه ی گرافیت به صورت ایده آل، در زمانی مناسب هیستند که مقاومت به خوردگی و رسانایی بر روی یک سطح فلزی یا پلاستیکی، مطلوب می باشد. این نوع از پوشش کاربردهایی را در ساخت رایانه پیدا کرده است. در کاربردهای خاصی مانند صنعت اتوموبیل، توان این ماده در جذب رادیواکتیویته و پایداری نور و ایجاد یک سطح درخشنده ی مشکی، از جمله معیارهای مهم استفاده از این ماده می باشد. در نواحی حساس که در آنها تأسیسات الکتریکی قرار دارد و همچنین مواد شیمیایی قابل احتراق، وجود دارد، کف زمین می تواند با استفاده از رنگ های گرافیتی، پوشش داده شود. این پوشش ها از بوجود آمدن الکتریسیسته ی ساکن در این بخش ها، جلوگیری می کند. همچنین این پوشش ها، مقاومت شیمیایی خوبی دارند مخصوصاً در دمای تبخیر مواد قابل اشتعال.
خلوص گرافیت در این کاربرد مهم نمی باشد زیرا، اولا خاکستر در این کاربرد، ماده ی مضر نیست و ثانیاً در هر مورد، 20 تا 25 % سیلیس به این ماده افزوده می شود تا توزیع ذرات گرافیت در دخل محیط رنگ، تسهیل شود. عموماً 50 تا 70 % FC قابل قبول می باشد اما برای کاربردهای خاص، گرافیت با 88 % FC مورد استفاده قرار می گیرد. فلس های بزرگ، مناسب نیستند زیرا این فلس های بزرگ، موجب می شود تا رنگ پوسته کند. بنابراین، گرافیت آمورف یا فلس های پودری ، می تواند در این کاربرد، مورد استفاده قرار گیرد. مواد معدنی فلسی شکل مانند میکا، در این کاربرد، مضر می باشد. در طی یک دوره ی زمانی، پیریت بر اثر هوازدگی، تجزیه می شود و موجب تشکیل اسید سولفوریک می شود. این مسئله مضر می باشد.

گرافیت های منبسط شده یا انعطاف پذیر

این نوع کربن، یک ماده ی کربنی بدون بایندر است که برای تولید فویل، صفحات، قطعات آب بندی، واشرهای مختلف و سایر قطعات مشابه، مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده دارای خاصیت فنری 50 % می باشد و ضریب اصطکاک آن نیز بسیار پایین است. این ماده همچنین دارای خاصیت روانسازی است. علاوه بر این، این ماده یک رسانای خوب با مقاومت به شوک حرارتی بالا می باشد. همچنین نسبت به مذاب شیشه، ترشوندگی ندارد. همچنین گاز و سیالات به این ماده نفوذ نمی کند. این ماده به سهولت بریده و پانچ می شود و می توان آن را به قالب ها چسباند. این ماده را می توان در دمایی در گستره ی 200 تا 500 درجه ی سانتیگراد در محیط اکسیدی و تا 3000 درجه در محیط کاهشی، مورد استفاده قرار داد.
امروزه، این ماده به عنوان یک ماده ی آب بندی در واشرها و مواد بسته بندی، کاربرد دارد. گستره ی استفاده این ماده در زمینه ی راکت ها و تکنولوژی هوایی، پالایش نفت، پمپ های سوخت، صنعت اتومبیل و نیروگاه های هسته ای می باشد. در واقع در هر جا که نیاز به مواد با اثربخشی بالاست، از این ماده استفاده می شود. این ماده، یک جایگزین مناسب برای آزبست است. توسعه های اخیر شامل استفاده از گرافیت انعطاف پذیر به عنوان یک لایه ی محافظتی بر روی بوته های گرافیتی می باشد. این لایه ها، با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، تولید می شوند. از این وسایل در زمینه ی اهداف حفاظت الکترومغناطیسی در کاربردهای نظامی، استفاده می شود. همچنین از این پوشش ها، در تولید تیوب های ضد آتش استفاده می شود. این تیوب ها برای محافظت از سیم ها و کابل های برق، استفاده می شود. برای تولیدی این گرافیت ها، از روش اکسترود، استفاده می شود.
فرایند تبدیل گرافیت طبیعی به گرافیت متورق، در واقع از خاصیت صفحه ای گرافیت، بهره می برد. نمونه های شیمیایی مختلفی می تواند در داخل شکاف ها وارد شود و در واقع این مواد، میزان فاصله ی میان دو صفحه را افزایش می دهند. فرایند تولید گرافیت متورق یا انبساط پذیر، اولین بار در دهه ی 1970 توسعه یافت. این فرایند شامل عمل آوری دو مرحله ای گرافیت کریستالی است که متشکل از اکسیداسیون اسید کرومیک و سپس افزودن اسید سولفوریک به آن می باشد. این مسئله موجب می شود تا پیوند میان صفحات کریستالی، تضعیف شود و اجازه ی انبساطی 7 برابر، فراهم شود. ماده ی بدست آمده، سپس در قالب فشرده می شود تا بدین صورت، به ضخامت مورد نظر، برسد. به هر حال، با توجه به گزارش سال 1996، یک فرایند که بوسیله ی آزمایشگاه فیزیک ملی هند انجام شده است، امکان تولید گرافیت با توانایی انبساط 200 تا 300 برابر، فراهم آمده است. این ماده، ماده ای بسیار سبک می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee