DE1646742B2 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus feinem Kohlenstoffpulver und Verwendung dieser Gegenstände - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von dichten Kohlenstoff- oder Graphitgegenständen aus fe^;nem Kohlenstoffpulver, gemäß dem das Kohlenstoffpulver zunächst mit nicht mehr als 15 Gewichtsprozent eines in einem Lösungsmittel gelösten polymerisierbaren bzw. kondensierbaren Harzes gemischt, die Mischung, ohne das Harz ausreagieren zu lassen, getrocknet, mit dem getrockneten feinen Pulver eine Form gleichmäßig ausgefüllt und das Pulver in der Form zum Ausreagieren des Harzes und Bindung der Pulverpartikeln zu einem stark porösen Formkörper erwärmt wird, worauf der Formkörper verkokt, im Temperaturbereich von 700 bis 1100⁰C durch pyrolyti- $che Kohlenstoffabscheidung aus einem kohlenstoffhaltigen Gas verdichtet und gegebenenfalls graphitiert wird. Die Bezeichnung »Kohlenstoff« soll dabei auch Graphit umfassen.

Ein solches Verfahren ist aus der DTPS 12 02 702 bekannt. Die Trocknung der Kohlenstoff pul ver-Harzlö- »ung-Mischung erfolgt danach in einem besonderen Trocknungsschritt, an den sich noch ein Pulverisierungsschritt anschließt, bevor die getrocknete Mischung in «lic Form eingefüllt wird, in der beim Aushärten des Harzes unter Erwärmung ein Druck von vorzugsweise nicht mehr als etwa 0,7 kg/cm² auf das eingefüllte Material einwirkt; für die pyrolytische Kohlenstoffablcheidung ist ein Temperaturbereich von 500 bis 1500⁰C angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das 742

eirjgangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß die Verfahrensfolge vereinfacht wird und mit größerer Sicherheit als bisher maßhaltige Formgegenstände, insbesondere zur Verwendung als Funkenerosionselektroden geeignete Formkörper, erhältlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trocknung der Mischung während des Mischvorganges bewirkt und daß das so erhaltene feine Pulver, gegebenenfalls unter Zusatz von vorzugsweise in gleicher Weise vorbehandeltem, nicht kohlenstoffhaltigem Material, nach Einfüllen in die Form während der Aushärtung des Harzes durch Erwärmung einem Preßdruck von 2,8 bis 140 kg/cm', insbesondere 56.3 bis 98,5 kg/cm², ausgesetzt wird.

Da die Trocknung während des Mischvorganges bewirkt wird und nachher ein Sieben genügt, verein facht sich das Verfahren, und der mäßige, gegenüber dem bekannten Verfahren gesteigerte Druck beim Aushärten des Harzes führt besser reproduzierbar zu maßhaltigen Formkörpern, die besonders im Füll des Zusatzes gleichartig vorbehandelten nicht kohlerstoffhaltigcn Materials, wie Sandes oder Metallpulvers, gut als Funkenerosionselektroden verwendbar sind.

Dun nicht kohlenstoffhaltige Material kann bereits bei der anfänglichen Durchmischung von Kohlenstoffpulver und Harz oder auch zu einem späteren Zeitpunkt zugesetzt werden.

Vorzugsweise ist die Menge des harzartigen Bindemittels in der Mischung geringer als 14 Gewichtsprozent, und sie hängt in jedem spezieilen Fall wahrscheinlich zumindest teilweise von dem angewendeten Kompressionsdruck zur Herstellung des Formkörpers ab.

Durch Beschränkung der Anteile des verkokbaren Harzbindemittels und durch ihr Zusammenwirken mit der Verdichtung bzw. Verfestigung unier Druck finden während der Verarbeitung nur geringe Dimensionsänderungen statt, und die erforderliche resultierende Festigkeit des Gegenstandes wird durch pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff erhalten, die selbst nur zu einer fast vernachlässigbaren Dimensionsänderung des Gegenstandes Anlaß gibt.

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

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 behandeln. Eine solche Behandlung besteht normalerweise im Aufheizen des Gegenstandes auf eine Temperatur, die höher als bei der Verkokungsbehandlung ist und beispielsweise zwischen 1500 und 2000ⁿC, wie in der GB-PS 10 54 117 beschrieben, oder in dem höheren Teil des Bereiches von 1800 bis 2800⁰C zur Graphitierung des Gegenstandes liegt.

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

Beispiel 1

182 g Graphitpulver einer Teilchengröße von weniger als 75 μχη wurden mit 18 g Novolak-Harz (durch saure Kondensation entstandenes Phenol-Formaldehyd-Harz) und 1,8 g Hexamethylentetramin, gelöst in 27 g industriellem vergilltem Alkohol, 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 rrat Harz behandelten Pulvers wurden in eine zerlegbare zylindrische Metaliform mit Kolben an beiden Enden gebracht und von beiden Enden her mit 70 kg/cm² unter Auifheizen auf eine Temperatur von 150 bis 180⁰C zur Bildung eines zusammenhängenden Körpers und gleichzeitig zur Aushärtung dts Harzes komprimiert. Nach Erreichen der notwendigen Temperaturen wurde die Form gekühlt und der Formkörper mit Abmessungen von etwa 53 cm Durchmesser und 5,7 cm Länge aus der Metallform entnommen. Der Formkörper mit einer Dichte von 1,61 g/cm^J wurde dann langsam in einer Stickstoffatmosphäre auf etwa 900⁰C zur Verkokung des Harz-Bindemittels aufgeheizt und dann weitere J 5 Stunden bei 830⁰C unter einem mit Benzoldampf bei 50" C gesättigten Stickstoff strom belassen. Nach Entfernen aus dem Ofen lag die Dichte des Kohlekörpers bei 1,72 g/cm¹.

Beispiel 2

Es wurde ein ähnlicher Formkörper wie gemäß Beispiel 1 hergestellt, der nach der Kohlenstoffabscheidung eine Dichte von 1,70 g/cm^J hatte. Dieser wurde dann in einem Kohlerohrofen unter einem Stickstoffstrom auf 2500⁰C zur Graphitierung des abgeschiedenen Kohlenstoffbindemittels und zur Verminderung des Wasserstoffgehaltes aufgeheizt. Nach dieser Wärmebehandlung lag die Dichte des Formkörpers bei I ,6⁴J g/cm'.

Beispiel 3

250 g Kupferpulver einer Teilchengröße von weniger als 75 μιτι wurden mit 35 g Novolak-Harz und 3.5 g Hexamethylentetramin, gelöst in 38 g industriellem vergälltem Alkohol, gemischt. Der Mischvorgang wurde fortgesetzt, bis das Lösungsmittel verdampft war. Das resultierende Pulver wurde durch ein Sieb mit 75 μιη lichter Maschenweite gegeben. 262 g dieses mit Harz behandelten Kupferpulvers wurden sorgfältig mit 76 g mit Harz behandeltem Graphitpulver gemischt, das in der nach Beispiel 1 angegebenen Weise präpariert worden war, und man erhielt eine Mischung aus etwa gleichen Volumenteilen. Die Mischung wurde in die im Beispiel 1 erwähnte zerlegbare Metallform gebracht und in der gleichen Weise komprimiert, nur daß der Druck lediglich 17,6 kg/cm² betrug. Der resultierende Formkörper hatte eine Dichte von 2,75 g/cm³ und nach Behandlung im Kohlenstoffabscheidungsofen in genau der gleichen Weise und über die gleiche Zeitdauer hinweg wie die Probe gemäß Beispiel 1 lag seine Dichte bei 3,16 g/cm³.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere, wenn auch 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 herkömmliche Verfahren zu bearbeiten sind, angewendet wird Das Prinzip der funkenerosiven 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 prüzise Form ausarbeiten bzw. »erodieren« und in das Werkstück ungeachtet dei Härte des Materials einarbeiten, vorausgesetzt, daß 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 Elektrodenformen einfacher und doch innerhalb sehr enger Genauigkeitsgrenzen hergestellt werden können, wird dadurch der Bereich der Anwendung der Funkenerosionsverfahren sehr stark erweitert.

Geeigneter Ausgang für Funkenerosionselektroden ist ein industrielles Graphitpulvei. dessen Teilchen zu 95% kleiner als 53 μιη und zu 25% kleiner als 20 μιη sind. Dieses wird bei einer typischen Verarbeitung mit 8 bis 10% Phenol-Formaldehydharz und einem Härter, wie vorstehend beschrieben, gemischt. Der Mischvorgang wird in einem Schaufelmischer mit leichter Mahlwirkung vorgenommen, bis das Lösungsmittel verdampft ist und ein flüssigkeitsfreies Pulver erhalten

jo wird. Es ist wichtig, daß eine ziemlich einheitliche Harz-Graphitmischung erhielt wird, da der Harzgehall 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 angewendet, bevor das Harz seinen Erweichungszustand erreicht hat, und aufrechterhalten, bis das Bindemittel gehärtet ist. Es ist günstig, eine warme Metallform und entsprechende Kolben zu verwenden. Das Pulver wird in die Form gebracht und der Kolben eingeführt und Druck über eine genügend lange Zeit hinweg angewendet, so daß die Wärme in das verdichtete Material eindringt und es aushärtet. Dieser Vorgang kann je nach Größe des herzustellenden Teiles 30 s oder auch länger dauern. Es 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 106 kg/cm², vorzugsweise 56,3 bis 98,5 kg/cm², 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 wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben.

Claims (3)

Patentansprüche: 1646 2

1. Verfahren zur Herstellung von dichten Kohlen stoff- oder Graphitgegenständen aus feinem Kohlenstoffpulver. gemäß dem das Kohlenstoffpulver zunächst mit nicht mehr als 15 Gewichtsprozent eines in einem Lösungsmittel gelösten polymerisierbaren bzw. kondensierbaren Harzes gemischt, die Mischung, ohne das Harz ausreagieren zu lassen. getrocknet, mit dem getrockneten feinen Pulver eine Form gleichmäßig ausgefüllt und das Pulver in der Form zum Ausreagieren des Harzes und Bindung der Pulverpartikeln zu einem stark porösen Formkörper erwärmt wird, worauf der Formkörper verkokt, im Temperaturbereich von 700 bis 1100⁰C durch pyrolytische Kohlenstoffabscheidung aus einem kohlenstoffhaltigen Gas verdichtet und gegebenenfalls grapbitierf wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung der Mischung während des Mischvorganges bewirkt und daß das so erhaltene feine Pulver, gegebenenfalls unter Zusatz von vorzugsweise in gleicher Weise vorbehandeltem, nicht kohlenstoffhaltigem Material, nach Einfüllen in die Form während der Aushärtung des Harzes durch Erwärmung einem Preßdruck von 2.8 bis 140 kg/cm-, insbesondere 56.3 bis 98.5 kg/cm-', ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das nicht kohlenstoffhaltige Material. wie Sand oder Metallpulver, bei der Durchmischung von Kohlenstoffpulver und Harz oder zu einem späteren Zeitpunkt dieser Mischung zugesetzt wird.

3. Verwendung der nach einem der Ansprüche I und 2 hergestellten Gegenstände als Funkenerosionselektroden.