石墨的特性及其在真空爐內的應用
來源：頂立科技 | 發布時間：2014-07-27
一、石墨的分類
1、按碳含量分類 | |
分類 | 碳含量 |
高純石墨 | ≥99.9% |
高碳石墨 | ≥94% |
中碳石墨 | ≥80% |
低碳石墨 | ≥50% |
2、按成型方式分類 | |
分類 | 備注 |
等靜壓石墨 | |
模壓石墨 | |
擠壓石墨 | |
振實成型石墨 | |
3、電極石墨按顆粒度分類 | |
分類 | 粒度 |
細結構石墨 | ＜0.8mm |
中粗石墨 | 0.8mm |
電極石墨 | 2~4mm |
二、石墨的生產工藝
三、石墨的特性
1、真空爐常用石墨的物理、力學性能
主要性能 | 等靜壓石墨 | 模壓石墨 | 振實石墨 | 檢驗依據 |
電阻率 | 9~15μΩm | 7~13μΩm | 5~9μΩm | YB/T 120-1997 炭素材料電阻率測定方法 |
體積密度 | ≥1.8g/cm3，各向同性，均勻性好，邊緣與中心密度差約為0.5% | ≥1.7g/cm3，與壓制方向和位置有關，均勻性差，邊緣與中心密度差約為10% | ≥1.5g/cm3 | YB/T 119-1997 炭素材料體積密度測定方法 |
抗壓強度 | ≥70MPa | ≥70MPa | ≥35MPa | GB/T1431-2009 炭素材料耐壓強度測定方法 |
抗折強度 | ≥35MPa | ≥35MPa | ≥17MPa | GB/T 3074.1-2008 石墨電極抗折強度測定方法 |
肖氏硬度 | 45~55 | 45~55 | 45~55 | |
灰分 | ≤700ppm | ≤700ppm | ≤1000ppm | |
平均粒度 | 18~25μm | 18~25μm | ≤800μm | |
熱膨脹系數 | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | GB/T 3074.4-2003 石墨電極測定方法石墨電極熱膨脹系數（CET)測定方法 |
彈性模量 | 10~12GPa | 10~12GPa | 10~12GPa | GB/T 3074.2-2008 石墨電極彈性模量測定方法 |
2、石墨的電阻率
2.1、石墨的電阻率范圍
種類 | 電阻率（μΩ.m） |
等靜壓石墨 | 9~15 |
模壓三高石墨 | 7~13 |
振實成型細顆粒石墨 | 5~9 |
2.2、電阻率與粒度、密度、石墨化度、灰分的關系
影響因素 | 電阻率 |
粒度 | 反比 |
密度 | 反比 |
石墨化度 | 反比 |
灰分 | 另外，通過增加不同的成分，可以很大程度調節石墨的電阻率 |
2.3、電阻率與溫度的關系
一般，根據熱平衡法計算設備的功率都是設備在最高溫度時的功率；
如用戶對升溫的速率要求比較快，則需要計算最快升溫速率時的功率輸出；
所以我們需要了解的是在工作中的發熱體真實電阻。但由于很多廠家都沒有高溫時測量發熱體真實電阻的能力，所以，一般進行檢驗時檢測的為低溫時的電阻，再根據電阻溫度系數去推斷。
圖1：國產石墨電阻溫度關系曲線
圖2：進口石墨電阻溫度關系曲線
3、石墨的表面負荷
3.1、石墨的表面負荷由溫度決定。建議當溫度在1000℃左右連續運行時，加熱區表面積的電負荷不超過35W/cm2；在短期運行時，加熱元件的電負荷可在50W/cm2或以上；當溫度超過1000℃時，電負荷應降低。
3.2、石墨的表面負荷與溫度的關系
圖3：石墨表面負荷與溫度關系曲線
4、石墨的強度
4.1、石墨強度分析
石墨的強度越好，使用壽命越長，但成本越高，應根據石墨在不同爐型、不同部位的使用特點，合理的選擇，以求達到最經濟合理的設計。
4.2、加熱元件在2600℃以下，隨著溫度的升高，其機械強度會進一步增強，然而，當溫度超過2600℃時，其機械強度便會逐漸下降。
4.3、溫度對石墨強度的影響
圖4：石墨的強度溫度曲線
4.4、強度對發熱體結構設計的影響
A、從石墨的力學性能指標可以看出，石墨的抗壓強度遠好于石墨的抗折強度，所以，在布置石墨發熱體時，盡量采用豎直向上的布置，可以改善石墨的受力環境，延長石墨壽命；
B、由于石墨有一定的熱膨脹量和較大的彈性模量，而本身強度不是太好，所以，一定要充分考慮石墨的熱膨脹；
C、懸掛件比承重件好；
D、一端自由延伸比兩端同時約束好；
E、兩端同時約束時一定要考慮至少一端有膨脹間隙；
5、化學性能
5.1、石墨抗氧化性能與現象
石墨在大氣中450℃開始劇烈氧化，氧化后在發熱體表面出現白色粉末；
氧化的部位往往出現在爐內充氣口和排氣口。
5.2、石墨的氧化性與爐內真空度的關系
A、真空度越高，越不容易氧化；
B、真空度較高時仍然氧化，則可能出現“過堂風”，應檢測設備的壓升率；
C、中低溫設備的氧化程度比高溫設備氧化更嚴重；
5.3、石墨與其它氣體的反應溫度
氣體種類 | 明顯反應溫度 |
氮氣（干燥純凈） | 3000℃ |
氫氣 | 1100℃ |
氯氣 | 2800℃ |
6、石墨的沸點與升華
6.1、石墨的溶點3652℃,沸點4827℃
6.2、石墨在不同溫度下的蒸氣壓
圖5：石墨在不同溫度下的蒸汽壓
6.3、如何抑制石墨的升華
加熱元件可達到的溫度取決于其真空度。由于在2200℃以上石墨會發生升華，因此不建議真空下（＜10-3Pa）在超過2200℃的的溫度使用，但可以在3000的非氧化性，還原性、或保護性惰性氣氛中使用。
7、石墨的膨脹
7.1、石墨的膨脹系數
石墨的膨脹系數較小，一般為2×10-6Pa~6×10-6Pa之間，密度越大，膨脹系數越大，密度越小，膨脹系數越??；粒度越大，膨脹系數越小，粒度越小，膨脹系數越大。
7.2、石墨的膨脹系數與溫度的關系
圖6：石墨在不同溫度下的膨脹系數
8、石墨的比熱容
8.1、石墨的比熱容
常態下，石墨的比熱容為710 J/(kg·K)，其比熱容隨著溫度的升高增大。
8.2、石墨的比熱容與溫度的關系
圖7：石墨在不同溫度下的比熱容
9、石墨的導熱系數
9.1、石墨的導熱系數
常態下，石墨的熱導率為129 W/(m·K)，隨著溫度的升高降低。
如使用棒料結構，當外部溫度較高，而內部溫度較低時，石墨棒料容易裂開，所以多選用管狀發熱體，一方面內外溫度均勻，另一方面有利于散熱。
9.2、石墨的導熱系數與溫度的關系
圖8：石墨在不同溫度下的導熱系數
10、切削加工性能
10.1、材料的切削加工性能與材料的物理、力學性能的關系
材料力學性能 | 切削加工性能 |
強度 | 強度越高，切削性越差 |
硬度 | 硬度越高，切削性越差 |
塑形 | 塑形越好，越不容易斷屑，塑形太好導致切削不良 |
脆性 | 脆性越好，越容易出現表面缺陷，脆性太好導致切削不良 |
導熱性能 | 導熱性越好，越利于散熱，能防止工件氧化，有利于切削 |
10.2、石墨的切削加工性能
石墨強度和硬度都較低，導熱性良好，有利于加工；
但塑形過小，脆性過大，容易出現表面缺陷，不利于加工；
另外，石墨容易產生石墨粉塵，影響機床，切削加工必須做好抽風除塵措施。