Grafiet wordt gemaakt door koolstofhoudende grondstoffen te verhitten tot temperaturen van circa 3.000 graden Celsius in een zuurstofarme omgeving. Dit productieproces, grafitisatie genaamd, zet een amorfe koolstofstructuur om in een geordende kristallijne structuur met de karakteristieke eigenschappen van grafiet. De onderstaande vragen doorlopen het volledige productieproces, van grondstof tot eindtoepassing.
Welke grondstoffen worden gebruikt om grafiet te maken?
Synthetisch grafiet wordt gemaakt van petroleumcokes en steenkoolteer als bindmiddel. Petroleumcokes is een koolstofrijk bijproduct van de olieraffinage en vormt de primaire grondstof. Steenkoolteer fungeert als bindmiddel dat de cokesdeeltjes bij elkaar houdt tijdens de vorming. Beide grondstoffen bevatten een hoog percentage elementaire koolstof, wat de basis vormt voor de latere grafitisatie.
De kwaliteit van de grondstoffen bepaalt in hoge mate de uiteindelijke eigenschappen van het grafietproduct. Fijnkorrelige petroleumcokes levert een dichtere en homogenere structuur op, wat gunstig is voor toepassingen waarbij hoge mechanische sterkte of lage porositeit vereist is. Een grovere korrelverdeling wordt juist gekozen wanneer een hogere porositeit gewenst is, zoals bij bepaalde gietmallen waarbij gasafvoer tijdens het gietproces nodig is.
Naast petroleumcokes en steenkoolteer wordt grafietpoeder soms toegevoegd als extra grondstof, met name bij de productie van carbon grafiet. Bij dat materiaal bestaat de samenstelling uit zowel harde koolstof als grafiet, wat leidt tot specifieke eigenschappen op het gebied van mechanische sterkte, wrijving en elektrische geleidbaarheid.
Hoe verloopt het productieproces van synthetisch grafiet stap voor stap?
Het productieproces van synthetisch grafiet verloopt in vijf hoofdstappen: malen en mengen van de grondstoffen, vormen van het halffabricaat, carboniseren bij circa 1.000 graden Celsius, grafitiseren bij circa 3.000 graden Celsius, en nabewerking. Elke stap beïnvloedt de uiteindelijke materiaaleigenschappen en de kwaliteit van het eindproduct.
Stap 1: Malen en mengen. De petroleumcokes wordt fijngemalen tot een poeder met een bepaalde korrelgrootte. Vervolgens wordt het cokespoeder gemengd met vloeibare steenkoolteer als bindmiddel. De verhouding en de korrelgrootte van het mengsel bepalen de dichtheid en structuur van het uiteindelijke grafietproduct.
Stap 2: Vormen. Het mengsel wordt gevormd tot een halffabricaat via extrusie, persing of isostatisch vormen. De gekozen methode bepaalt de anisotropie van het materiaal, dat wil zeggen de mate waarin de eigenschappen in verschillende richtingen van elkaar afwijken.
Stap 3: Carboniseren. Het gevormde halffabricaat wordt verhit tot circa 1.000 graden Celsius in een zuurstofarme oven. Het bindmiddel verbrandt gedeeltelijk, waardoor een amorfe koolstofstructuur ontstaat. In deze fase verliest het product gewicht en krimpt het licht.
Stap 4: Grafitiseren. Dit is de bepalende stap. De gecarboniseerde blokken worden verhit tot circa 3.000 graden Celsius. Bij deze temperatuur herschikken de koolstofatomen zich van een amorfe naar een geordende, kristallijne structuur. Dit proces heet grafitisatie. Naarmate de temperatuur stijgt en de structuur meer op grafiet lijkt, veranderen de mechanische en thermische eigenschappen navenant.
Stap 5: Nabewerking. Na het grafitiseren ondergaat het materiaal verdere bewerkingen, afhankelijk van de toepassing. Hierop gaan we later in dit artikel dieper in.
Wat is het verschil tussen extrusie, persing en isostatisch vormen?
Extrusie, persing en isostatisch vormen zijn drie verschillende methoden om het grafietmengsel in een halffabricaat te vormen. Het belangrijkste verschil zit in de richting en verdeling van de druk tijdens het vormingsproces, wat direct invloed heeft op de structuur en eigenschappen van het eindmateriaal.
Extrusie
Bij extrusie wordt het mengsel door een matrijs geperst, vergelijkbaar met het persen van pasta door een zeef. De druk werkt in één richting, waardoor de grafietkristallen zich parallel aan de extrusierichting oriënteren. Dit leidt tot anisotropisch materiaal: de eigenschappen in de extrusierichting wijken af van die in de dwarsrichting. Geëxtrudeerd synthetisch grafiet is geschikt voor toepassingen waarbij de oriëntatie van de materiaaleigenschappen voorspelbaar en controleerbaar moet zijn.
Persing
Bij conventionele persing wordt het mengsel in een matrijs gecomprimeerd via druk van boven en onder. Net als bij extrusie werkt de druk niet gelijkmatig in alle richtingen, wat leidt tot een zekere mate van anisotropie. Vibratievorming is een variant waarbij het materiaal onder trillingen wordt gecomprimeerd. Dit vibratievormingsproces levert carbon grafiet op met een fijne tot ultrafijne granulatie, wat hoge anisotropie en uitzonderlijke eigenschapskwaliteiten op het gebied van mechanische sterkte en geleidbaarheid oplevert.
Isostatisch vormen
Bij isostatisch vormen wordt het poedervormige mengsel in een flexibele mal geplaatst en vervolgens via een vloeistof onder gelijke druk vanuit alle richtingen gecomprimeerd. Omdat de druk uniform is, ontstaat een isotrope structuur: de materiaaleigenschappen zijn in alle richtingen gelijk. Dit levert de sterkste en meest homogene grafietvormen op. Isostatisch gevormd carbon grafiet is daardoor de voorkeursmateriaalsoort voor veeleisende toepassingen zoals halfgeleiderproductie, EDM-gereedschappen en continu gieten.
Hoe verschilt natuurlijk grafiet van synthetisch grafiet?
Natuurlijk grafiet wordt gewonnen uit de aardkorst, waar het over miljoenen jaren is gevormd door geologische processen onder hoge druk en temperatuur. Synthetisch grafiet wordt in een industrieel productieproces vervaardigd uit petroleumcokes via carbonisatie en grafitisatie. Het belangrijkste verschil is de zuiverheid en de beheersbaarheid van de materiaaleigenschappen.
Natuurlijk grafiet bevat altijd onzuiverheden zoals silicaten, ijzer en andere mineralen. De concentratie van deze onzuiverheden varieert per vindplaats en per winning, wat de consistentie van het materiaal bemoeilijkt. Voor industriële toepassingen waarbij hoge zuiverheid vereist is, zoals in de farmaceutische sector of bij halfgeleiderproductie, is dit een nadeel.
Synthetisch grafiet biedt een aanzienlijk hogere zuiverheid en een veel beter beheersbare structuur. Door het productieproces aan te passen, de korrelgrootte te variëren en de vormingsmethode te kiezen, kunnen fabrikanten de mechanische sterkte, dichtheid, porositeit en thermische geleidbaarheid van het eindproduct nauwkeurig afstemmen op de vereisten van de toepassing. Dit maakt synthetisch grafiet de standaard voor hoogwaardige industriële componenten zoals grafietringen, carbon grafiet afdichtingen en grafietlagers.
Welke nabewerking ondergaat grafiet na de productie?
Na het grafitiseren ondergaat het materiaal doorgaans twee soorten nabewerking: impregnatie om de poreuze structuur te versterken of te modificeren, en machinale bewerking om het materiaal op maat te snijden tot de gewenste afmetingen en geometrie. Welke nabewerkingen worden toegepast, hangt af van de beoogde toepassing.
Tijdens het carbonisatieproces ontstaan kleine poriën in de grafietstructuur. Deze poriën kunnen worden gevuld met anorganische zouten, metalen, harsen of pure koolstof. Impregnatie met hars verhoogt de mechanische sterkte en verlaagt de permeabiliteit, wat nuttig is voor afdichtingstoepassingen. Impregnatie met metalen verbetert de elektrische geleidbaarheid. Voor toepassingen in oxiderende omgevingen, zoals bij aluminiumontgassing, wordt een speciale anti-oxidatiebehandeling toegepast om de levensduur van het component te verlengen.
Machinale bewerking vormt de tweede pijler van de nabewerking. Grafiet is goed te verspanen, maar vraagt om specifieke gereedschappen en technieken vanwege de hardheid en de stofvorming van het materiaal. Via CNC-bewerking worden grafietblokken, buizen en stafmateriaal omgezet in nauwkeurig bewerkte componenten zoals grafietringen, carbon grafiet afdichtingen, pompschoepen, lagers en bussen.
Voor welke industriële toepassingen wordt gefabriceerd grafiet gebruikt?
Gefabriceerd synthetisch grafiet wordt ingezet in vrijwel elke industrie die werkt met hoge temperaturen, agressieve chemicaliën of toepassingen waarbij smering zonder externe smeermiddelen vereist is. De combinatie van thermische stabiliteit, chemische inertie en zelfsmerende eigenschappen maakt het materiaal geschikt voor een breed scala aan veeleisende omgevingen.
In de aluminiumindustrie worden grafiet ontgassingsrotoren, argonlanzen, thermokoppelbeschermingen en grafietringen voor hot top casting en gas slip systemen gebruikt. Omdat de smelttemperatuur van aluminium boven het oxidatiepunt van grafiet in een oxiderende atmosfeer ligt, worden bijzondere eisen gesteld aan de grafietkwaliteit en de anti-oxidatiebehandeling van de componenten.
In de chemische industrie bieden grafietelektroden stabiele en corrosiebestendige geleiding in elektrochemische cellen voor de productie van stoffen zoals chloor en natronloog. Carbon grafiet afdichtingen en grafietringen worden ingezet in pompen en compressoren die agressieve vloeistoffen verwerken, omdat grafiet bestand is tegen vrijwel alle chemische media.
Andere sectoren waar gefabriceerd grafiet een belangrijke rol speelt, zijn onder meer:
- De automotive industrie, voor carbon grafiet borstels in elektromotoren en generatoren
- De farmaceutische sector en de voedingsmiddelensector, voor zelfsmerende lagers en bussen die geen externe smering nodig hebben
- De hernieuwbare energiesector, voor carbon grafiet borstels in windturbines en generatoren
- Waterbehandelingsinstallaties, voor grafietlagers en bussen in chemisch agressieve omgevingen
- Warmtebehandelingstoepassingen, voor grafietverwarmingselementen en ovenmallen die temperaturen boven 2.500 graden Celsius moeten doorstaan
- De glasproductie, voor grafietmallen die hun nauwkeurige vorm behouden bij extreme hitte
Hoe wij je helpen met de juiste grafietoplossing
Bij Qgraphites leveren we carbon grafiet componenten voor alle bovengenoemde toepassingen en industrieën, op maat en in elke gewenste hoeveelheid. Of je nu een enkele grafietring nodig hebt als vervangingsonderdeel of een productieserie van enkele duizenden carbon grafiet afdichtingen, wij stemmen materiaalsoort, afmetingen en nabewerking volledig af op jouw specificaties.
Wat wij concreet voor je doen:
- Materiaaladvies: we helpen je kiezen tussen isostatisch gevormd carbon grafiet, geëxtrudeerd synthetisch grafiet en vibratiegevormd carbon grafiet op basis van jouw toepassingsvereisten
- Maatwerk op basis van tekening, beschrijving of fysiek monster, inclusief reverse engineering van versleten of beschadigde onderdelen
- Prijsopgave en levertijd binnen enkele uren na ontvangst van een volledige aanvraag
- Standaard levertijd van 5 tot 10 werkdagen, met spoedlevering binnen 24 uur bij urgente gevallen
- Gratis technisch advies van onze specialisten, elke werkdag bereikbaar van 08:00 tot 18:00
Stuur je specificaties op via [email protected] of bel ons op +31 (0)38 303 66 26 en ontvang binnen enkele uren een prijsopgave met levertijd.
