DE3138268A1

DE3138268A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines verbundkohlenstoffmaterials

Info

Publication number: DE3138268A1
Application number: DE19813138268
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-25
Publication date: 1982-11-18
Also published as: IT8149360A0; US4399083A; FR2490617B1; DE3138268C2; JPH0134951B2; GB2093001A; IT1142830B; GB2093001B; JPS5761670A; FR2490617A1

Description

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Inoue-Japax Research Incorporated 5289 Aza Michimasa, Nagatsudamachi, Midoriku, Yokohamashi, Kanagawaken, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundkohlenstoffmaterial mit Teilen verschiedener kristalliner Gefüge und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundkohlenstoffmaterials.

Es ist bekannt, daß Kohlenstoffmaterialien unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer Herkunft und von ihren besonderen Behandlungsarten zeigen. Grundsätzliche Eigenschaftsvariationen treten auf, wo ihre Kristallisationsgrade wechseln. Es wurde daher als wichtig erkannt, Kohlenstoff bestimmter Herkunft zu wählen und einen vorgewählten Kristallisationsgrad in Abhängigkeit von einer bestimmten Verwendung des hergestellten Kohlenstoffs zu erzielen. Es besteht ein besonderer Bedarf, ein bestimmtes Kohlenstoffmaterial vorzusehen, in dem der gesamte Körper gleichmäßig kristallisiert ist,

ein anderes, in dem ein besonderer Bereich des Körpers nach Wunsch kristallisiert ist, oder auch eines, in dem Kohlenstoffarten unterschiedlicher Quellen gemischt werden und die Mischung gleichmäßig kristallisiert ist. in Abhängigkeit von besonderen Verwendungen müssen die Kohlenstoffarten von ausreichender Dichte bzw.in vielen Richtungen ausgerichtet sein, müssen geeignete Leerstellen in kristallisierten -Gefügen haben bzw. ihre inneren Gefüge in einem aktivierten Zustand aufweisen. In bestimmten Fällen sollen einige Teile eines gegebenen Kohlenstoffmaterials in erwünschter Weise mit einem erhöhten Grad kristallisiert und mit anderen Teilen zusammenhängend sein, die mit dem gleichen oder einem verschiedenen Grad kristallisiert oder sogar nicht kristallisiert sind. Es ist äußerst wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein Kohlenstoffmaterial irgendeiner dieser Eigenschaften wahlweise herstellbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials zu entwickeln, das das Erhalten des Verbundkohlenstoffmaterials mit jeder gewünschten Kristallisationsverteilung ermöglicht, und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.

-Gegenstand der Erfindung, womit diese Azfgabe gelöst wird, ist zunächst ein Verfahren zur Herstellungjeines Verbundkohlenstoffmaterials durch Vorpressen und Sintern von Kohlenstoffkörnern, das durch

folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) Bilden eines Vorpreßlings aus körnigen Kohlenstoffen verschiedener Ursprünge,

b) Erhitzen eines örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings auf eine Temperatur zwischen

1800 und 3500 °C bei gleichzeitiger Einwirkung

2 eines Drucks zwischen 4 905 und 4 9050 N/cm auf den örtlichen Bereich in wenigstens einer Richtung und

c) abtastartiges Verschieden des der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung im Schritt b) ausgesetzten Bereichs zwecks gesteuerter Kristallisation des Bereichs und Steuerung der Bildung von kristallinen Leerstellen darin.

Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung kann ein erhöhter Anteil solcher Leerstellen im Material vorgesehen werden, indem man den Druck in Form von Impulsen und möglicherweise auch die Wärme in einer solchen Art auf den Verbundkohlenstoffvorpreßling einwirken läßt. Umgekehrt kann der Anteil der Leerstellen im-Material verringert oder praktisch beseitigt werden, indem man gesteuert eine Ultraschallschwingungsnergie auf den Verbundkohlenstoffvorpreßling während der Druckeinwirkung bei dem genannten

Druck einwirken läßt. Dies läßt sich auch erreichen, indem man denjauf den Kohlenstoffvorpreßling einwirkenden' Druck mit Ultras*challfrequenz periodisch verringert.

Gemäß der Erfindung hergestellte Kohlenstoffmaterialien können vorteilhaft als mechanisches Abdichtmaterial, Atomenergieeinsatzmaterial, Feuerfestmaterial, Düsenmaterial, Einspannvorrichtungsmaterial, Aktivkohle und andere Materialien verwendet werden.

Während der Schritte b) und c) wird der Kohlenstoffvorpreßling vorteilhaft in einer Wasserdampfatmosphäre angeordnet.

Weiter wird die Einwirkung des Drucks während des Schrittes c) vorteilhaft nacheinander von einer Richtung zur anderen umgeschaltet, während der Kohlenstoffvorpreßling auf eine Temperatur von 3000 bis 3500 ⁰C erhitzt gehalten wird, so daß die Ausrichtung der gebildeten Kristalle nach Wunsch gesteuert wird. Es wurde gefunden,daß dies eine variable Einstellung des Ausdehnungskoeffizienten des geformten Kohlenstoffmaterials mit Leichtigkeit ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses neuen Verfahrens, mit dem Kennzeichen, diß sie eine Einrichtung zur Halterung eines Vorpreßlings aus körnigen Kohlenstoffen verschiedener Ursprünge, eine Einrichtung zum Erhitzen eines

örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings auf eine Temperatur zwischen 1800 und 3500 ⁰C, ein

Druckorgan zur Druckeinwirkung auf den örtlichen

2 Bereich mit einem Druck zwischen 4 905 und 4 9050 N/cm während der Erhitzung des Bereichs mittels der Heizeinrichtung und Antriebseinrichtungen zum abtastartigen Verschieben des der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung ausgesetzten örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings zwecks gesteuerter Kristallisation des Bereichs und Steuerung der Bildung von kristallinen Leerstellen aufweist.

Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung eine Stromquelle zum direkten Leiten elektrischer Impulse hoher Stromstärke durch den örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings auf.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt:

die einzige Figur eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials gemäß der Erfindung.

In der Figur ist ein Verbundkohlenstoffvorpreßling in der Form eines Blocks 1, der aus Kohlenstoffkörnern vorgewählter unterschiedlicher Ursprünge, z. B. Rußteilchen,mit Sackfiltern erfaßten feinen Teilchen (£ 3 .um), Kunstgraphitteilchen, Petroleumkoksteilchen

und Kohlekoksteilchen, besteht, auf einem Tisch angeordnet und davon gehalten. Ein von einer Welle getragenes Druckorgan 3 ist im Eingriff mit dem Block

2 angeordnet, um einen Druck von 4905 bis 4 9050 N/cm ^; auf einen örtlichen Bereich desselben einwirken zu lassen, wobei der Druck wirksam auf einen durch eine gestrichelte Linie 5 angedeuteten Teil einwirkt. Eine Stromquelle 6 ist zum Erhitzen des Blocks 1 vorgesehen und hat ein Paar von Ausgangsanschlüssen 6a und 6b, die mit der Welle 4 bzw. dem Tisch 2 verbunden sind, um den Heizstrom direkt durch den Block 1 längs der Linie 5 fließen zu lassen. Der Heizstrom ist vorzugsweise in der Form einer Folge elektrischer Impulse, wie angedeutet, oder kann alternativ ein impulsiver'Strom-sein. Der Block 1 wird örtlich auf eine Temperatur von 1800 bis 2200 ⁰C oder 3000 bis 3500 ⁰C oder allgemein im Bereich zwischen 1800 und 3500 ⁰C erhitzt.

Die WeIIe^ für das Druckorgan 3 ist längs einer X-Achse und einer zur X-Achse senkrechten Y-Achse mittels eines X-Achsen-Pulsmotors 7 und eines Y-Achsen-Pulsmotors 8 verschieblich, die mit der Welle über Antriebsschrauben 9 bzw. 10 verbunden sind. Die Motoren 7 und 8 werden mit Steuersignalen gespeist, die von einer Steuereinheit 11 über Leiter 12 bzw. 13 geliefert werden. Die Steuereinheit 11 enthält vorprogrammierte Daten, die reproduziert werden, um die Steuersignale für die Motoren 7 und 8 zu ergeben, die die Welle 4 und das Druckorgan 3 längs einer vor-

bestimmten Bahn auf der Oberfläche des Blocks 1 verschieben.

Ein weiterer Motor 14 ist mit der Welle 4 verbunden, um das Druckorgan 3 gegen den Block 1 auf dem Tisch längs einer zu den X- und Y-Achsen senkrechten Z-Achse zu treiben, und auf den Block 1 einen Druck von

2
4 905 bis 4 9050 N/cm in der Richtung der Z-Achse einwirken zu lassen. Der Motor 14 wird mit ebenfalls von der Steuereinheit 11 längs eines Leiters 15 gelieferten Steuersignalen gespeist.

Ein oder mehrere zusätzliche Druckorgane 3 können zusammen mit zugehörigen Wellen 4 und Antriebsmotoren 14 vorgesehen sein, um auf den Block 1 in der Richtung der X-Achse oder der Y-Achse oder in diesen beiden Richtungen zusätzlich zur Z-Achsenrichtung Druck einwirken zu lassen.

Die Steuereinheit 11 liefert auch ein Heizsteuersignal, das über einen Leiter 16 der Stromquelle zugeführt wird.

Ein Teil der Welle 4 wird hier von einem Ultraschallhorn 17 gebildet, das mit einem (nicht dargestellten) elektromechanischen Wandler verbunden ist, der von einer (nicht dargestellten) Stromquelle gespeist wird, um Ultraschallschwingungen auf einen örtlich begrenzten Bereich des Blocks 1 einwirken zu lassen, welcher Bereich unter Druckeinwirkug'-durch das Druckorgan 3 gebracht ist. Die Ultraschall-

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schwingungen können von einer Frequenz zwischen 15 und 50 kHz sein.

Beispiel

Kohlenstoffvorpreßlinge mit je 10 g, die im wesentlichen aus Kohlenstoffkörnern verschiedener Ursprünge bestehen, die in der Tabelle 1 angegeben sind, und in verschiedenen Anteilen gemischt sind, wie in der Tabelle 2 angegeben ist, werden hergestellt.

Tabelle 1

Ruß iSackpul- Kunst- Petroleum- IKohlejverkörgraphit-koksteilchen .koks-I ner körner ι teilchen

Durchschnitts- Koriiteilbhenjjröße

0,1 ,um φ! 1,7 .unub 3,0 .um<j>^r 10,0 ,umcj> ' 14,0 ,umcf»

Bemerkung: Petroleumpechkörner (-^0,1 mm) werden als Bindemittel mit jedem der Stoffe A-E in einem Anteil von 15 Gew. % vermischt.

Tabelle 2

Vorpreßlinge I I Anteile (Gewicht)

No. 1 No. 2 No. 3 I

1 Teil A + 1 Teil B + 1 Teil C , 1 Teil B + 1 Teil C + 3 Teile D ·

Teile B + 1 Teil D + 1 Teil E

Diese Vorpreßlinge zeigen nach gleichmäßigem Sintern in herkömmlicher Weise Dichten, Härten und (Zug)festigkeite^wie sie in der Tabelle 3 angegeben sind.

Tabelle 3

Vorpreßlinge

Dichte (g/cm³) Härte (Hs)

Zugfestigkeit (N/cm²)

No. 1

1,580

¹ 3983

No. 2

1,736

4136

No. 3 I 1,898 48

5013

Solche Vorpreßlinge werden gemäß der Erfindung behandelt. Hierzu läßt man eine Folge elektrischer Impulse mit einem Spitzenstrom Ip von 3300 A, einer Offenkreisspannung von 3000 V und einer Impulsdauer von

2 80 .us und einen Druck von 3 t/cm nacheinander auf sechs beabstandete Bereiche jedes der Vorpreßlinge No. 1, 2 und 3 einwirken. Die Dichten, Härten und Festigkeiten der behandelten Vorpreßlinge werden ge- ' messen und sind in der Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4 ·«

( ι
Vorpreßlinge ' Dichte ' Härte (Hs)

, (g/cm ) ,

Zugfestigkeit (N/cm²)

_L

No. 1

1,72

7063

No. 2

I 1,83 i

8633

No. 3

1,92

10987

Schliffbilduntersuchungen der Vorpreßlinge No. 1, und 3, die in der erfindungsgemäßen Weise behandelt wurden, zeigen, daß jeder Körper Bereiche mit gegenüber anderen Bereichen abweichender Abmessung der Graphitkristalle aufweist. So zeigte sich, daß die merklichen Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften des Ausführungsbeispiels gemäß der Tabelle 4 gegenüber dem Stand der Technik gemäß der Tabelle 3 diesem modifizierten Körpergefüge zuzuschreiben sind.

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Allgemein wurde gefunden,daß der Bereich des veränderten kristallinen Gefüges wenigstens 15 % und vorzugsweise mehr als 30 % des gesamten Kohlenstoffkörpers besetzen sollte.

Es wurde allgemein gefunden, daß ein günstiges verändertes kristallines Gefüge erhalten wird, indem man die Wärme und/oder den Druck impulsweise auf einen örtlichen Bereich eines Vorpreßlings aus Kohlenstoffkörnern verschiedener Ursprünge einwirken läßt und den örtlichen Bereich in abtastartiger Weise verlagert. Dies führt zu einer gesteuerten Kristallisation des verlagerten Bereichs und zu einer gesteuerten Bildung von kristallinen Leerstellen darin. Die Heiztemperatur sollte auch genau auf einem Wert zwischen 1800 und 3500 ⁰C gehalten werden, die sich für die besondere Kombination von Kohlenstoffkörnern verschiedenen Ursprungs zur vollständigen Graphitisierung eignet.

Es wurde auch als wünschenswert gefunden, eine Ultraschallschwingungsenergie auf einen Kohlenstoffvorpreßling einwirken zu lassen,der auf eine Temperatur von 1800 bis 3500 ⁰C erhitzt ist und vorzugsweise auch unter Druckeinwirkung steht, um die kristallinen Leerstellen, falls unerwünscht, zu verringern oder zu beseitigen und dadurch das innere Gefüge des Kohlenstoffmaterials zu homogenisieren.

Ein Kohlenstoffmaterial mit einer Vielzahl kristalliner Leerstellen gemäß der Erfindung läßt sich vorteilhaft ' beispielsweise als Aktivkohle und als mechanisches Dichtungsmaterial verwenden. Ein Kohlenstoffmaterial mit verringerten oder beseitigten Kristallinen Leerstellen gemäß der Erfindung kann vorteilhaft als Gleitkontakt-Leitbürstenmaterial, als Dichtungs- _t material, als Atomarofenmaterial, als Allgemeinzweck-Feuerfestmaterial, als Einspannmaterial und für eine Vielzahl anderer Materialien verwendet werden. Typische Verbundkohlenstoffmaterialien gemäß der Erfindung, wie sie in der Tabelle 4 angegeben sind,weisen, wie festgestellt wurde, etwas höhere Dichten als die nach der herkömmlichen Technik behandelten, jedoch irgendeine aus einer Auswahl von Härten je nach dem bestimmten Anteil der Kohlenstoffkörner verschiedener Ursprünge und eine merklich verbesserte Festigkeit gegenüber den herkömmlich gesinterten Materialien auf.

Außerdem kann der Körper zusätzlich hinsichtlich seiner mikroskopischen Kristallausrichtung gesteuert werden, wodurch seine makroskopische Ausrichtung beseitigt wird. Dieser letztere Effekt wird erhalten, indem man einen Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 1800 und 2200 ⁰C in einer Anfangsstufe erhitzt und ihn dann auf eine Temperatur zwischen 3000 und 3500 C erhitzt, während man ihn nacheinander unter Druckeinwirkung längs zweier oder mehrerer senkrechter Achsen bringt, so daß diese beliebig, ausgerichtete kristalline Ausbildungen verringerter Abmessung entwickeln.

Claims

Ansprüche

Verfahren zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials durch Erpressen und Sintern von
Kohlenstoffkörnern,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Bilden eines Vorpreßlings aus körnigen Kohlenstoffen verschiedener Ursprünge,

b) Erhitzen eines örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings auf eine Temperatur zwischen

1800 und 3500 °C bei gleichzeitiger Einwirkung

2
eines Drucks zwischen 4 905 und 4 9050 N/cm auf den örtlichen Bereich in wenigstens einer Richtung und

c) abtastartigevs Verschieben des der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung im Schritt b) ausgesetzten Bereichs zwecks gesteuerter Kristallisation des Bereichs und Steuerung der Bildung von kristallinen Leerstellen darin.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der örtliche Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings im Schritt b) impulsweise erhitzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsweise Erhitzen des örtlichen Bereichs mittels direkten Zuführens wenigstens eines elektrischen Impulses hoher Stromstärke durch den Kohlenstoffvorpreßling längs des örtlichen Bereichs erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) der örtliche Bereiches Kohlenstoffvorpreßlings einer impulsweisen Druckeinwirkung ausgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich den Schritt der Zuführung einer ültraschallschwxngungsenergie zum örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungsenergie eine Frequenz zwischen 15 und 50 kHz hat.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck periodisch mit einer Ultraschallfrequenz verringert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Frequenz zwischen 15 und 50 kHz ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß es zusätzlich den Schritt der Zuführung einer Wasserdampfatmosphäre zu wenigstens dem der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung im Schritt b) ausgesetzten örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings umfaßt.
10. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß es zusätzlich den Schritt der Druckeinwirkung auf den örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings nacheinander in einer Richtung und in wenigstens einer zu dieser Sichtung senkrechten Richtung umfaßt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10,mit Druck- und Heizorganen, dadurch gekennzeichnet,

daß sie eine Einrichtung (2) zur Halterung eines Vorpreßlings (1) aus körnigen Kohlenstoffen verschiedener Ursprünge,

eine Einrichtung (6) zum Erhitzen eines örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings (1) auf eine Temperatur zwischen 1800 und 3500 ⁰C,

ein Druckorgan (3) zur Druckeinwirkung auf den ört-

2 liehen Bereich mit einem Druck zwischen 4 905 und 4 9050 N/cm während der Erhitzung des Bereichs mittels der

Heizeinrichtung (6) und

Antriebseinrichtungen (7, 8) zum abtastartigen Verschieben des der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung ausgesetzten örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings (1) zwecks gesteuerter Kristallisation des Bereichs und Steuerung der Bildung von kristallinen Leerstellen darin aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Heizeinrichtung eine Stromquelle (6) zum direkten Leiten elektrischer Impulse hoher Stromquelle durch den örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings (1) aufweist.