El carbón grafito posee un conjunto único de propiedades físicas que le permite utilizarse en entornos donde los lubricantes tradicionales y otros materiales autolubricantes no logran desempeñarse adecuadamente.
Este material puede soportar altas temperaturas, medios corrosivos y atmósferas secas, mientras mantiene un bajo coeficiente de fricción, estabilidad dimensional y térmica, y ayuda a evitar problemas como el agarrotamiento, el gripado o el desgaste adhesivo.
A lo largo de varias décadas, se han desarrollado miles de grados de carbón para responder a una amplia variedad de aplicaciones. Como resultado, el carbón grafito se encuentra en múltiples aplicaciones de servicio severo, desde motores a reacción hasta hornos de panadería industrial.
La versatilidad del carbón grafito está directamente relacionada con los procesos altamente especializados que intervienen en su fabricación. Revisar las etapas involucradas en su producción permite entender la complejidad de este material y la importancia de mantener controles estrictos durante todo el proceso.
COMPONENTES BÁSICOS DE LOS MATERIALES DEL CARBÓN GRAFITO
En términos generales, los componentes mecánicos del carbón grafito se fabrican a partir de dos elementos: polvos y aglutinantes. Los polvos en bruto son el componente del carbón grafito que aporta las propiedades autolubricantes. Estos polvos pueden incluir grafito natural o sintético, negro de humo, coque de petróleo calcinado u otras formas del carbón que a menudo se extraen de la tierra o se obtienen a partir de subproductos de la industria del refinado.
Los aglutinantes, por su parte, son el «pegamento» que mantiene unidos los polvos. Estos aglutinantes, que suelen ser alquitrán de hulla o brea de petróleo, se ablandan al exponerse al calor y recubren uniformemente los polvos de carbono al mezclarse con ellos. A continuación, la mezcla resultante se muele hasta obtener los tamaños de partícula especificados, en función del grado final del material. En este punto, el polvo puede pasar a la siguiente etapa de la producción del material: el moldeo o la extrusión.
COMPRIMIRLO TODO: MÉTODOS PARA CREAR UN COMPONENTE SÓLIDO DE carbón grafito
Una vez que los ingredientes se han mezclado y molido hasta alcanzar un tamaño de partícula específico, se «prensan» para formar un componente sólido.
Existen tres métodos principales para realizar este proceso. Cada uno produce propiedades finales distintas en el material.
- Isomoldeo |
El carbón grafito moldeado isostáticamente se prensa aplicando presión uniforme desde todas las direcciones. Este método da como resultado un material de grano fino y propiedades más uniformes.
Normalmente se utiliza para fabricar algunos de los grados de carbón más finos, empleados con frecuencia como material para electrodos en mecanizado por descarga eléctrica, también conocido como EDM, o en aplicaciones relacionadas con la fabricación de acero.
- Extrusión |
En este método, la mezcla de polvos se empuja a través de una matriz con una sección transversal determinada. El resultado suele ser una pieza relativamente más blanda y con un tamaño de grano más grueso.
Por esta razón, los grados de carbón grafito extruidos se utilizan normalmente en aplicaciones de menor exigencia, como cojinetes para secadores de tableros o cojinetes para bombas de agua.
- Moldeado por compactación |
El moldeo por compactación es el método más común para fabricar componentes mecánicos de carbón grafito. Permite un mayor control sobre la uniformidad de la pieza y facilita la producción de componentes con dimensiones cercanas a las finales.
En este proceso, la mezcla de polvo se prensa entre dos punzones para formar una pieza en verde. Por lo general, estas piezas se moldean como cilindros con diámetro interior, ya que muchos componentes mecánicos finales de carbón grafito, como cojinetes y sellos, son cilíndricos o pueden mecanizarse fácilmente a partir de piezas cilíndricas.
Es importante controlar la densidad de las piezas en bruto, ya que la densidad tiene un impacto significativo en muchas propiedades del material a lo largo del resto del proceso de producción y, en última instancia, en las propiedades del producto final. Una densidad inadecuada de la pieza en bruto puede dar lugar a una absorción insuficiente de la impregnación, una disminución de la resistencia y unas propiedades de desgaste deficientes. Por este motivo, los fabricantes de grafito de carbono supervisan e inspeccionan la densidad de las piezas en bruto con esmero.
Una vez que se ha moldeado e inspeccionado un lote de piezas en bruto, este puede pasar a la siguiente etapa del proceso: el horneado.
Es hora de aplicar calor: el proceso de horneado del CARBÓN GRAFITO
En esta fase del proceso, el material en bruto empieza a parecerse a un componente terminado, pero aún no tiene la resistencia de una pieza terminda. El aglutinante aún no se ha endurecido y actúa simplemente como un adhesivo relativamente débil que mantiene unidos los polvos.
El material en bruto debe someterse a un proceso de horneado controlado y libre de oxígeno para carbonizar el aglutinante de brea y convertirlo en un carbono amorfo muy resistente. Este proceso tiene lugar en hornos discontinuos o continuos, donde la atmósfera y las temperaturas se controlan minuciosamente para garantizar unos parámetros de horneado adecuados.
Dado que el material debe permanecer un tiempo determinado en cada zona de temperatura, pueden pasar varias semanas desde que una pieza entra en el horno hasta que sale en forma de grafito de carbono puro.
El diagrama anterior muestra una vista microscópica del grafito de carbono «en bruto».
El diagrama anterior muestra grafito de carbono que ha sido sometido al proceso de cocción.
Durante el proceso de cocción, se producela desgasificación del aglutinante, lo que significa que los hidrocarburos presentes en la brea se expulsan debido al calor extremo, dejando tras de sí una estructura de carbono amorfo. Durante la desgasificación, estos gases se abren paso hacia el exterior del material, dejando tras de sí una red de poros interconectados.
Debido a la desgasificación, el grafito de carbono puro es un material intrínsecamente poroso. Los fabricantes de grafito de carbono pueden aprovechar esta red de porosidad impregnándolo con diversas sustancias.
El tipo de impregnación utilizado depende en gran medida de la aplicación, un tema que abordaremos en la segunda parte de esta serie de entradas del blog.
Los cojinetes de grafito de carbono puro se utilizan ampliamente en muchos tipos de aplicaciones industriales.
Resumen
Desde la mezcla y la molienda hasta el moldeo y el horneado, todos los componentes mecánicos de carbón grafito deben pasar por los mismos pasos de fabricación (o, al menos, por versiones muy similares de estos pasos) hasta este punto.
La fabricación de carbón grafito simple requiere mucho tiempo y es un proceso complejo. Sin embargo, el procesamiento del material a menudo no termina ahí. Además de los distintos tipos de carbón grafito sin impregnar, existen múltiples procesos posteriores al horneado que pueden aplicarse para mejorar propiedades específicas del material según la aplicación final.
Es por esta razón por la que hoy en día existen miles de grados de carbono. Muchos de estos procesos se tratarán con más detalle en «De los polvos a las piezas: una mirada al proceso de producción del carbón grafito (Parte II)».
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