DE1646742A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden auf der basis von kohlenstoffpulver - Google Patents

Description

JX 24&6/CÖ

Patentanwalt· DIpI.-Ing. R. Beetz u. Dipl.-Ing. Larnprecht

München 22, Steinsdorf «tr. 10

Minister of Technology in Her Britannic Majesty's Government of the Uniteu Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, L ο η α ο η, S.W.I (Großbritannien)

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf der Basis von Kohlenstoffpulver

Die Erfindung bezient sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf der Basis von Kohlenstoffpulver, die insbes' .idere als Funkenerosionselektroden geeignet sina.' Die Be eichnung "Kohlenstoff" soll dabei auch Graphit mit umfassen.

Das vorliegende Verfahren stellt eine Verbesserung des Verfahrens nach dem Hauptpatent 1 202 70L' dar, nach dem Gegenstände auf der Basis von Kohlenstoffpuiver hergestellt werden durcn Vermischen des pulverförrnigen Materials mic relativ wenig, vorzugsweise nicht mehr als 13 Gew„# eines in einem Lösungsmittel gelösten polymerisier- bzw. kondensierbaren Harzes, einbringen des weitgehend von Lösungsmittel befreiten Pulvers mit trockenem, aber noch reaktionsfähigem Harz in eine Form und Herstellen eines Formkerpers durch Aushärten ues Harzes in der Wärme innerhalb der Form, Verkoken aes Harzes durch Aufheizen und Verdichten des Körpers durch pyrolytisch^ Abscheidung von Kohlenstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Gas. Es ist im

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wesentlichen dadurch gekennzeichnet, üai3 ir.an ^as pulverförmig^ Ausgangsmaterial mit (einer relativ kleinen. Men_ae) a-r iiarzlü^ in einem verdampfbaren Trä^ermedium mischt, bis der Träger zum preßten Teil - wenn nicht ganz - verdampft ist; aaii na.i aiese Mischung mit oder ohne Hinzufügen von konlenstoffhaitigen. und/ouj nlchtkohlensfcoffnaltigen Zusätzen in eine Form einbringt und unter Anwendung von Druck verfestigt bz\·;. vereinigt una aarr Harz härtet, v/ährend die Beschickung der Form unter ucüh Koinpressior.s-P druck gehalten wird; daß man das Harz durcli Aui'neizer. uet; Gegenstandes in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf einer Temperatur innerhalb von 700 bis 1100⁰C verkokt und in den Poren ies Gegenstandes pyrolytisch aus einem kohlenstoffhaltigen Gas oder Dampf während der Aufheizung des Gegenstandes (v.nilst heating the article) Kohlenstoff abscheidet.

Vorzugsweise ist die Menge des harzartigen Bindemittels in der Mischung geringer als 14 Gew.% und sie hängt in üedera speziellen Fall wahrscheinlich zumindest teilweise von dem ange-P wendeten Kompressionsdruck zur Herstellung des Formkörpers at.

Buren Beschränkung der Anteile des verkokbaren Harzbinderaittels und durch ihr Zusammenwirken mit der Verdichtung bzw. Verfestigung unter Brück finden wänrend der Verarbeitung nur geringe Biraensionsänderungen statt und die erforderliche resultierende Festigkeit des Gegenstandes v;ird aurch pyrolytisühe Abscheidung von Kohlenstoff erhalten, die selbst nur zu einer fast vernachlässigbaren Bimensionsänderung des Gegenstandes Anlaß gibt. 409818/0415

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Der Verfestigungüdruck xvira im allgemeinen höher als 0,7 kg/cm (lü Ib per sq.inch) sein und er liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von Z,3 bis l40 kg/crn'~. (40-2000 Ib per sq.inch).

Während der Pyrolyse kann das kohlenstoffhaltige Gas in Verdünnung mit einem Trägergas, v/ie Stickstoff, zugeleitet werden.

Nicht kohlenstoffhaltiges Material, wie Sand oder Metallpulver, kann in der Ausgangsmischung von Kohlepulver und Harz enthalten sein.

Es wird üblicherweise wünschenswert sein, den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstand für eine Verminderung des darin enthaltenen Wasserstoffs und/oder die Graphitierung von darin enthaltenem nicht graphitierten Kohlenstoff zu behandein. Eine solche Behandlung besteht normalervielse im Aufheizen des Gegenstandes auf einer Temperatur, die ■höher ist als bei der Verkokungsbehandlung und beispielsweise zwischen 1500 und 2000°C liegt, wie in der brit. Patentschrift 1 0^4 117 beschrieben oder in dem höheren Teil des Bereiches von IcOO bis 2tOO°C zur Grapnitierung aes Gegenstandes.

Es folgen drei Beispiele für die Herstellung von Kohlenstoff bzw. kohlenstoffnaltigen Gegenständen gemäß der Erfindung:

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Beispiel 1

I82 g Graphitpulver einer Teilchengröße von weniger als 75 /U (lichte Maschenweite des Siebes; 200 mesh B.S.S.) wurden mit 18 g "Novolac^M-Harz (durch saure Kondensation entstandenes Phenol-Formaldehyd-Harz) und 1,8 g Hexamethylentetramin (hexamine) gelüst in 27 g industriellem vergällten Alkohol (methylated spirits) gemischt. Dabei wurde eine Mischvorrichtung mit einer gewissen Mahl- und auch Mischwirkung verwendet und der Mischvorgang fortgesetzt, bis alles Lösungsmittel beim Austrag des Materials aus der Mischvorrichtung als feines für die nachfolgende Anwendung geeignetes Pulver verdampft war. 198 g des mit Harz behandelten Pulvers wurden in eine zerlegbare (split) zylindrische Metallform mit Kolben an beiden Enden gebracht und von beiden Bnden her mit 70 kg/cm (1000 p.s.i.) unter Aufheizen auf eine Temperatur von 15O-l8O°C zur Bildung eines zusammenhängenden Körpers und gleichzeitig zur Aushärtung des Harzes komprimiert. Nach Erreichen der notwendigen Temperaturen wurde die Form gekühlt und der Formkörper mit Abmessungen von etwa 5O cm Durchmesser und 5,7 cm Länge aus der Metallform entnommen. Der Formkörper mit einer Dichte von l,6l g/cnr wurde dann langsam in einer Stickstoffatmosphäre auf etwa 900⁰C zur Verkokung des Harz-Bindemittels aufgeheizt und dann weitere 15 Stundei bei 83O⁰C unter einem mit Benzoldampf bei 50°C gesättigten Stickstoffstrom belassen. Nach Entfernen aus dem Ofen lag die Dichte des Kohle-* körpers bei 1,72 g/cm-⁵.

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Beispiel 2

5s wurde ein ähnlicher Formkörper wie in Beispiel 1 hergestellt, der nach der Kohlenstoffabscheidung eine Dichte von 1*70 g/cnr hatte. Dieser wurde dann in einem Kohlerohrofen unter einem Stickstoffstrom auf 2500°C zur Graphitierung des abgeschiedenen Kohlenstoffbindemittels und zur Verminderung des Wasserstoffgehaltes aufgeheizt. Nach dieser Wärmebehandlung lag die Dichte des Formkörpers bei 1,69 g/onr .

Beispiel 3

250 g Kupferpulver einer Teilchengröße von weniger als 75 Ai (lichte Haschenweite des Siebesj 200"mesh B.S.S.) wurden mit 35 S Novolac-Harz und 5i5 g Hexamethylentetramin gelöst in 38 g industriellem vergällten Alkohol gemischt. Der Mischvorgang wurde fortgesetzt,bis das Lösungsmittel verdampft war. Das resultierende Pulver wurde durch ein Sieb mit 75 M lichter Maschenweite gegeben. 262 g dieses mit Harz behandelten Kupferpulvers wurden sorgfältig mit 76 S mit Harz behandeltem Graphitpulver gemischt, das in der in Beispiel 1 angegebenen Weise präpariert worden war und man erhielt eine Mischung aus etwa gleichen Volumenteilen. Die Mischung wurde in die in Beispiel I erwähnte zerlegbare Metallform gebracht und in der gleichen

Weise komprimiert, nur daß der Druck lediglich 17,5 kg/cm (250 p.s.i.) betrug. Der resultierende Formkerper hatte eine

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lichte von 2,75 g/cnr und nach Behandlung im Konlenstoffabseheidungsofen in genau der gleichen Weise und über die gleiche Zeitdauer hinweg wie die Probe gemäß Beispiel 1 lag seine Dichte bei >,i6 g/cra .

Bas erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere, wenn aucn natürlich nicht ausschließlich zur Herstellung von Geformten Elektroden für die funkenerosive Abtragung geeignet, die in

^ steigendem Maße für die Bearbeitung oder Abarbeitung auf enge Toleranzen insbesondere von Metallen und Profilen,die schwierig durch herk¥mmliehe Verfahren zu bearbeiten sind, angewandt wird. Sas Prinzip der funkeneieiven Bearbeitung besteht darin, daß eine Erosion von Metall stattfindet, wenn zwischen einer Elektrode und einem Werkstück ein Funken erzeugt wird. Unter kontrollierten Bedingungen kann die Elektrode ihre eigene präzise Form ausarbeiten bzw. "erodieren" und in das Werkstück ungeachtet der Härte des Materials einarbeiten, vorausgesetzt, da3 dieses elektrisch leitend ist'. Dabei findet eine gewisse Abnutzung der Elektrode statt und eine gute Elektrode sollte sich neben Billigkeit und Präzision durch hohe "Schnittgeschwindigkeit" und geringe Abnutzungseigenschaften auszeichnen. Graphit besitzt diese wünschenswerten physikalischen und elektrischen Eigenschaften und da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Slektrodenformen durch Formen einfacher und doch innerhalb sehr enger ßenauigkeitsgrenzen hergestellt werden können, wird dadurch der Bereich der Anwendung der Funkenerosiorisverfahrer; sehr stark erweitert.

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Geeigneter Ausgang für Punkenerosionselektroden ist ein industrielles Graphitpulver, dessen Teilchen zu 95 % kleiner als 55 /U und 25 % kleiner als 20 ax sind. Dieses wird bei einer typischen Verarbeitung mit 8 bis 10 # Fhenol-Formaldehydharz und einem Härter, wie weiter oben beschrieben, gemischt. Der Mischvorgang wird in einem Schaufelmischer mit leichter Mahlwirkung vorgenommen, bis das Lösungsmittel verdampft ist und ein flüssigkeitsfreies Pulver erhalten wird. Ss ist wichtig, daß eine ziemlich einheitliche Harz-Graphitmischung erzielt wird, da der Harzgehalt eine überragende Wirkung auf die Dimensionsänderung während des Brennens hat.

Der durch Harz gebundene bzw. ungebrannte Formkörper kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Vorzugsweise wird der Verdichtungsdruck angewandt, bevor das Harz seinen Srweichungszustand erreicht hat und Aufrechterhalten bis das Bindemittel gehärtet ist. Ss ist günstig, eine warme Metallform und entsprechenden Kolben zu verwenden. Das Pulver wird in die Form gebracht und der Kolben eingeführt und Druck über eine genügend lange Zeit hinweg angewandt, so daß die Wärme in das verdichtete Material eindringt und es aushärtet. Dieser Vorgang kann Je nach Größe des herzustellenden Teiles 30 Sekunden oder auch länger dauern. Ss ist dabei wichtig, die Form auf der richtigen Temperatur zu halten, die am besten durch Vorversuche gefunden wird. Die Mischung wird vorzugsweise in einem warmen Formwerkzeug unter einem Druck im Bereich von 7 bis 10ö kg/cm vorzugsweise 5^,3 bis 93*5 kg/cm

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geformt. Zur Sicherstellung der Ausbildung feinster Oberflächeneinzelheiten ist es wünschenswert, höheren Druck anzuwenden und es ist möglich, dadurch auch eine genaue Dichte und Bindefestigkeit zu erreichen. Das Harz scheint zunächst weich zu werden und als Preßschmiermittel zu wirken und dann unter den Härtungsbedingungen auszuhärten, so daß es einem elastischen Nachgeben des geformten Pulvers entgegenwirkt, das andernfalls stattfindet, wenn der Druck nachläßt. Der Rest des Verfahrens verläuft ähnlich v?ie in den vorstehenden Beispielen beschrieben.

Ss ist auch möglich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung genauer Modelle oder Muster geeignet ist für die Anwendung beispielsweise in ⁿSchalenⁿ-Formpressen ('shell¹ moulding presses) sowie auch für andere Anwendungen, wie dem Fachmann geläufig sein wird.

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Claims (6)

- 9 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf der Basis von Kohlenstoffpulver durch Vermischen des pulverförmiger! Materials mit relativ wenig, vorzugsweise nicht mehr als 15 Gew.$ eines in einem Lösungsmittel gelösten polymerisier- bzv/. kondensierbaren Harzes, Einbringen des weitgenend von Lösungsmittel befreiten Pulvers mit trockenem, aber noch reaktionsfänigerri Harz in eine Form und Herstellen eines FormkSrpers durch Aushärten des Harzes in der Wärme innerhalb der Form, Verkoken des Harzes durcr: Aufheizen und Verdichten des Körpers durch pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Gas nach Patent 1 202 702, dadurch gekennzeichnet, daß man das pulverfönnige Ausgangsmaterial mit der Harzlösung so lange durchmischt, bis das Lösungsmittel zumindest zum größten Teil verdampft ist; daß man das so erhaltene Pulver gegebenenfalls unter Zusatz von vorzugsweise in gleicher V/eise vorbehandeltem kohlenstoffhaltigen oder nicntkohlenstoffhaltigen Material in eine Form einbringt und unter mäßigem Druck unter gleichzeitiger Aushärtung des Harzes zu einem zusammenhängenden Körper verdichtet; das Harz durch Aufheizen auf eine Temperatur innerhalb von 700 bis 1100 C in nichtoxydierender Atmosphäre verkok« und in der Wärme in den Poren des Gegenstandes pyrolytisch Kohlenstoff abscheidet.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet aurch ein weiteres Aufheizen des Gegenstandes auf eine Temperatur oberhalb uer Verkokungstemperatur zur Verminderung des V/aaserstof Gehaltes im Gegenstand und/oder zur Grapnitierung von nicht.jraphitiuchtJin Kohlenstoff in diesem.

5· Verfahren nach Anspruch 1 oder "L, gekennzeichnet, üurcn uie Anwendung eines Preßdruckes von 2,'ύ bis 140 kg/cm*" vor2u_c>v"..oicj- ΐό,β bis 98,5 kg/cm¹".

k. Verfahren nach einem der vorangeaenaen Ansprüche, dadurch gekennzeichnetj daß das kohlenstoffhaltige Gas fur die pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff mit einem Trägergas,vie Stickstoff, verdünnt wird.

5· Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kohlenstoffpulver ein nichtkohlenstoff- haltiges Material, wie Sand oder Metallpulver, bei der Durch mischung von Kohlepulver und Harz zu£;eset£t v.ira oder uu einem späteren Zeitpunkt und gegebenenfalls in mit harz behandelter Form«

6. Verwendung der nach einem aer vorangehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 4 hergestellten Gegenstände als Funkenerosionselektrode.

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