JP2007015889A - 炭素材料及び炭素材料の加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 加工される炭素材料自体から、粉塵が出にくいようにした炭素材料及びその加工方法を提供する。
【解決手段】 加工される炭素材料の組織内部に、パラフィン、ワックス、油脂のような防塵剤を含浸させる。この防塵剤を含浸した炭素材料を工作機械で加工する。
【選択図】 なし
【解決手段】 加工される炭素材料の組織内部に、パラフィン、ワックス、油脂のような防塵剤を含浸させる。この防塵剤を含浸した炭素材料を工作機械で加工する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、放電加工用電極などの種々の炭素製品に加工される被加工用炭素材料および被加工用炭素材料の加工方法であって、特に加工時の粉塵の発生を防止できるものに関する。
例えば放電加工用電極には、炭素材料である黒鉛材料が用いられる。この黒鉛材料は、コークスをフィラとしピッチをバインダとして成形し、焼成し、黒鉛化することにより、例えば１メートル立法という比較的大型の被加工用炭素材料に形成される。
この大型の炭素材料を、放電加工用電極が備える所定形状へと削り出すための機械加工を行う。この機械加工時に、組織を構成する微細なフィラ等の骨材が分離分散され、粉塵となって周囲に舞い立つ。この炭素の粉塵は、作業環境を悪化させ、作業者には防塵マスクの使用を余儀なくさせる。
そこで、この黒鉛材料から粉塵を出さずに機械加工するために、従来は、（１）工作機械を囲いで覆って密閉して粉塵が外部に出ないようにする機械密閉式か、（２）液体の中で加工する液中加工式か、（３）実開平７−６３３号全文に開示のように、噴流液を工作物に掛け流し、噴流液とともに粉塵を流し、噴流液を濾過して粉塵を回収する噴流式のような、粉塵対策が行われていた。
実開平７−６３３号全文
ところが、上述したような機械密閉式、液中加工式、噴流式のいずれも、大掛りな装置を必要とし、大型の炭素材料の機械加工に適用することは非現実的なものであった。
そこで、本発明は、加工される炭素材料自体から、粉塵が出にくいようにした炭素材料及びその加工方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を加えた結果、炭素材料の組織内部にパラフィン等の防塵剤を含浸させると、組織を構成する単位毎の分離が阻止され、粉塵の発生を大幅に抑制できることを発見し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明１は、加工される炭素材料であって、少なくとも加工部分の組織内部に防塵剤を含浸させたことを特徴とする炭素材料である。本発明１の防塵剤は、パラフィン、ワックス、油脂のいずれか一つ又はそれらの組み合わせであるものが好ましい（本発明２）。本発明１，２の炭素材料は、等方性黒鉛材料であるものが好ましい（本発明３）。
また、本発明４は、加工される炭素材料の少なくとも加工部分の組織内部に防塵剤を含浸させてから加工することを特徴とする炭素材料の加工方法である。本発明４の炭素材料は、放電加工用電極に加工されるものが好ましい（本発明５）。
本発明をさらに詳しく説明すると以下のようになる。本発明において使用する炭素材料は、炭素のみから実質的に成る材料であり、所謂炭素化品や黒鉛化品などの各種炭素材料を包含する。具体的には、冷間等方圧加圧成形工程を経た高密度等方性黒鉛材料や熱間加圧法を用いた高密度黒鉛等の黒鉛材料、焼成炭素材料などがある。また、そのほかに、炭素繊維強化炭素材料や膨張黒鉛材料などがある。
本発明においては、特に加工の均一性を確保する上で、異方比が１．２以下の等方性の高い材料を用いることが好ましい。どのような向きに機械加工しても、均質な部品を作製できるからである。ここで、異方比が１．２以下であるとは、炭素材料における任意に直角をなす方向に測った固有電気抵抗の比の平均値が１．２以下であることを意味する。さらに均質な部品を作製することができるため、炭素材料の異方比が１．１以下であることが好ましく、特に炭素材料の異方比が１．０５以下であることが好ましい。
前記炭素材料は、開気孔率５乃至２０％、平均気孔半径０．３乃至２．５μｍの炭素材料であることが好ましい。炭素材料の気孔中に後述する防塵剤を含浸させることにより、少なくとも加工部分を含む組織内部まで防塵剤を過不足なく含浸させることができる。さらに少なくとも加工部分を含む組織内部まで防塵剤を十分に含浸させることができ、防塵剤を十分に保持させることができるため、炭素材料の開気孔率は１０乃至２０％、平均気孔半径は０．５乃至２．０μｍであることが特に好ましい。
前記炭素材料の平均気孔半径は、試料寸法：φ１０×２０ｍｍ、水銀と炭素との接触角：１４１．３°、水銀の表面張力：０．４８０Ｎ／ｍとし、測定装置：ＦＩＳＯＮＳ社製ポロシメーター２０００を用いて、水銀圧入法により測定される累積気孔容積（ｃｍ3／ｇ）の１／２に相当する半径値（μｍ）として決定することができ、開気孔率は（かさ密度）×（全気孔容積）×１００で計算することができる。ここで、全気孔容積（ｃｍ3／ｇ）は圧力が予め定めた最高圧力、例えば１００ＭＰａまで達したときの累積気孔容積をいう。
この炭素材料の気孔中に含浸される防塵剤には、下記の（１）〜（４）観点から、パラフィン、ワックス、油脂のいずれか一つ又はそれらの組み合わせが用いられる。
（１）融点が高くなく、常温又は少しの加熱によって液状となり、炭素材料の全部又は一部を漬けて行う含浸作業性が容易にできる。
（２）液状で含浸できるため、炭素材料の気孔の奥深くまで防塵剤を含有させることができる。
（３）パラフィン、ワックス、油脂は、いずれも有害ではなく、機械加工時の作業員が安全に作業できる。部品になった後の使用時でも、残っていても有害となることが少ない。
（４）パラフィン、ワックス、油脂は、潤滑機能も有しており、炭素材料の加工が容易にできる。例えば、金属、セラミックや熱硬化性樹脂を含浸させると機械加工性が悪化するが、パラフィン、ワックス、油脂は逆に機械加工性を向上させる。
（１）融点が高くなく、常温又は少しの加熱によって液状となり、炭素材料の全部又は一部を漬けて行う含浸作業性が容易にできる。
（２）液状で含浸できるため、炭素材料の気孔の奥深くまで防塵剤を含有させることができる。
（３）パラフィン、ワックス、油脂は、いずれも有害ではなく、機械加工時の作業員が安全に作業できる。部品になった後の使用時でも、残っていても有害となることが少ない。
（４）パラフィン、ワックス、油脂は、潤滑機能も有しており、炭素材料の加工が容易にできる。例えば、金属、セラミックや熱硬化性樹脂を含浸させると機械加工性が悪化するが、パラフィン、ワックス、油脂は逆に機械加工性を向上させる。
前記炭素材料に含浸させる防塵剤の量としては、含浸率４５％以上であるものが好ましい。炭素材料への含浸率は、式：Ｉ＝１００Ｇ／ＰＤのＩ（％）で示される数値である。但し、Ｐは炭素材料の開気孔の体積の実測値（ｃｍ3）、Ｄは防塵剤の真密度（ｇ／ｃｍ3）、Ｇは実際に含浸した防塵剤の重量（ｇ）を表わす。つまり、Ｉ値は開気孔に占める防塵剤の体積割合を示す。
パラフィンは、ＣnＨ2n+2で表される脂肪族飽和炭化水素であるが、常温で液体のＣ５以上、常温で固体状のＣ１６以上のもの、或いは液体混合物となった流動パラフィン或いはパラフィン油が用いられる。
ワックスは、脂肪酸と一価又は二価の高級アルコールのエステルを主成分とするものであって、常温で滑らかな感じを与える脂肪状固体あるいは液体のものが用いられる。例えば、ラウリン酸エステル、ミリスチン酸エステル、パルミチン酸エステル、ステアリン酸エステル、オレイン酸エステル、モンタン酸エステル、セバシン酸エステル等の脂肪酸エステル、カルナバワックス、ライスワックス、キャンデリラワックス、ジャパンワックス等の天然ワックスなどがあげられる。
油脂は、脂肪酸のグリセリンエステルを主成分とするものであり、通常常温で固体状のものが用いられる。例えば、大豆油、あまに油、ひまし油、やし油、桐油、サフラワー油等の植物性油脂、魚油等の動物性油脂といった天然由来の油脂、脂肪酸のグリセリンエステルを主成分とする人造の油脂などがあげられる。
これらのパラフィン、ワックス、油脂は、単独又は組み合わせて使用することができる。
ワックスは、脂肪酸と一価又は二価の高級アルコールのエステルを主成分とするものであって、常温で滑らかな感じを与える脂肪状固体あるいは液体のものが用いられる。例えば、ラウリン酸エステル、ミリスチン酸エステル、パルミチン酸エステル、ステアリン酸エステル、オレイン酸エステル、モンタン酸エステル、セバシン酸エステル等の脂肪酸エステル、カルナバワックス、ライスワックス、キャンデリラワックス、ジャパンワックス等の天然ワックスなどがあげられる。
油脂は、脂肪酸のグリセリンエステルを主成分とするものであり、通常常温で固体状のものが用いられる。例えば、大豆油、あまに油、ひまし油、やし油、桐油、サフラワー油等の植物性油脂、魚油等の動物性油脂といった天然由来の油脂、脂肪酸のグリセリンエステルを主成分とする人造の油脂などがあげられる。
これらのパラフィン、ワックス、油脂は、単独又は組み合わせて使用することができる。
これら防塵剤の炭素材料への含浸は、必要による加熱により所定粘度の液状となった防塵剤を容器に満たし、この防塵剤に炭素材料の全体又は一部を浸すことにより行われる。上記した防塵剤は炭素材料への浸透性に優れ、時間とともに開気孔を通じて組織内部へと浸透していく。なお、必要に応じて、容器内の防塵剤を加圧可能にして浸透性を上げたり、また、炭素材料の一面を真空引きして組織内部まで防塵剤を吸引させるようにしてもよい。また、炭素材料への加工部分が限られている場合、その部分だけの含浸であってもよい。
防塵剤を浸透させた後の炭素材料は、所定時間だけ放置させることにより、余分な防塵剤を排出させる。また、表面に残った防塵剤はこれを拭き取る。すると、炭素材料は、工作機械での加工において取り扱い易い状態を保つことができる。
このように防塵剤が内部組織まで含浸された炭素材料は、その後に各種の工作機械で加工される。工作機械での加工には、フライス盤等の切削加工、研磨機等の表面加工を含む種々の機械加工が含まれる。
上記構成にすることによって、炭素材料は内部組織まで防塵剤を含んだ状態になる。機械加工により組織の微粉が発生しても、この防塵剤が粘結剤として機能し、微粉の集合が起こり、周囲に飛散しない程度の粒又は粉になって、工作機械の中に落ちる。これにより、粉塵の飛散が防止できる。また、炭素材料は機械加工後に超音波洗浄により表面の微粉を除去するが、その際にも微粉の防塵剤による凝縮等で表面洗浄が簡単にできる。更に、用途によっては、加工後の製品になっても、防塵機能を発揮する。例えば、炭素材料が放電加工用電極に加工されるものである場合、液中放電加工時における電極の消耗で発生する炭素粉末も防塵剤により液中で凝縮し、液中への微粉分散を抑えることができる。
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（例１）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１７％、平均気孔半径０．５μｍ）に、パラフィン（デンソー製カタメルチャックＳ５５）を含浸率６０％まで含浸させた。この含浸済の等方性黒鉛を、フライス盤で加工し、放電加工用電極を作製した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１７％、平均気孔半径０．５μｍ）に、パラフィン（デンソー製カタメルチャックＳ５５）を含浸率６０％まで含浸させた。この含浸済の等方性黒鉛を、フライス盤で加工し、放電加工用電極を作製した。
加工時に発生する粉塵は大幅に抑制され、加工粉はフライス盤において、ほぼ１００％回収できた。加工精度は良好のままであった。表面の超音波洗浄は不要であった。
（例２）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率６０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率６０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例３）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１５％、平均気孔半径１．６μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１５％、平均気孔半径１．６μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例４）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２０％、平均気孔半径１．７μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２０％、平均気孔半径１．７μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例５）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１３％、平均気孔半径２．０μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１３％、平均気孔半径２．０μｍ）に、パラフィンを含浸率７０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例６）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１６％、平均気孔半径２．４μｍ）に、パラフィンを含浸率６０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１６％、平均気孔半径２．４μｍ）に、パラフィンを含浸率６０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例７）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１２％、平均気孔半径０．２μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１２％、平均気孔半径０．２μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
加工時に発生する粉塵は大幅に抑制され、加工粉はフライス盤において、ほぼ１００％回収できた。加工精度は良好のままであった。目視にて確認した粉塵発生の抑制効果は、例１乃至例６の場合に比較するとやや劣るものの、表面の超音波洗浄は不要であった。
（例８）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２６％、平均気孔半径３．０μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２６％、平均気孔半径３．０μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
加工時に発生する粉塵は大幅に抑制され、加工粉はフライス盤において、ほぼ１００％回収できた。加工精度は良好のままであった。目視にて確認した粉塵発生の抑制効果は、例１乃至例６の場合に比較するとやや劣るものの、表面の超音波洗浄は不要であった。
（例９）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、ワックス（花王製エキセパール）を含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、ワックス（花王製エキセパール）を含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例１０）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、油脂（花王製エキセル）を含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、油脂（花王製エキセル）を含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例１と同様の結果であった。
（例１１）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２２％、平均気孔半径２．４μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率２２％、平均気孔半径２．４μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
加工時に発生する粉塵が目立ち、加工粉の機械での回収率は７０％であった。また、加工後の製品表面は微粉が付着した状態であり、超音波洗浄を実施した。
（例１２）
東洋炭素（株）製炭素焼成材（異方比１．０５、開気孔率４％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率４５％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製炭素焼成材（異方比１．０５、開気孔率４％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率４５％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
（例１３）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１８％、平均気孔半径２．７μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１８％、平均気孔半径２．７μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
（例１４）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１１％、平均気孔半径０．２μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１１％、平均気孔半径０．２μｍ）に、パラフィンを含浸率５０％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。例２と同様の結果であった。
（例１５）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率３５％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）に、パラフィンを含浸率３５％まで含浸させた。以後、例１と同様の手順によって、放電加工用電極を作製した。
加工時に発生する粉塵が目立ち、加工粉の機械での回収率は６０％であった。また、加工後の製品表面は微粉が付着した状態であり、超音波洗浄を実施した。
（例１６）
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）を、比較の為、防塵剤を含浸させることなくそのままフライス盤で加工し、放電加工用電極を作成した。
東洋炭素（株）製等方性黒鉛（異方比１．０５、開気孔率１０％、平均気孔半径１．０μｍ）を、比較の為、防塵剤を含浸させることなくそのままフライス盤で加工し、放電加工用電極を作成した。
加工時に発生する粉塵は大量であり、加工粉の機械での回収率は５０％であった。また、加工後の製品表面は微粉が付着した状態であり、超音波洗浄を実施した。
また、例１の放電加工用電極を、放電加工液中で金属（材質：Ｓ５５Ｃ）の加工に使った場合、１時間後の液中の汚れは認められなかったが、例１６の放電加工用電極は、放電加工液中での加工に使った場合、１時間後に液が黒くなった。
以上の例１〜１６の結果をまとめて表１に示す。
以上の結果によれば、加工される炭素材料の組織内部に防塵剤を含浸させるという簡単な手法により、放電加工用電極などの種々の炭素製品に加工される炭素材料自体から、粉塵が出にくいようにした炭素材料及びその加工方法を提供できることが判る。
Claims (5)
- 加工される炭素材料であって、少なくとも加工部分の組織内部に防塵剤を含浸させたことを特徴とする炭素材料。
- 前記防塵剤は、パラフィン、ワックス、油脂のいずれか一つ又はそれらの組み合わせである請求項１に記載の炭素材料。
- 前記炭素材料は、等方性黒鉛材料である請求項１又は２に記載の炭素材料。
- 加工される炭素材料の少なくとも加工部分の組織内部に防塵剤を含浸させてから加工することを特徴とする炭素材料の加工方法。
- 前記炭素材料は、放電加工用電極に加工されるものである請求項４に記載の炭素材料の加工方法。
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