JP3008411B2 - 二重中空円筒体 - Google Patents

二重中空円筒体

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JP3008411B2
JP3008411B2 JP1186348A JP18634889A JP3008411B2 JP 3008411 B2 JP3008411 B2 JP 3008411B2 JP 1186348 A JP1186348 A JP 1186348A JP 18634889 A JP18634889 A JP 18634889A JP 3008411 B2 JP3008411 B2 JP 3008411B2
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正司 石原
俊雄 苅込
正男 深沢
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Tokai Carbon Co Ltd
Mitsubishi Chemical Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、セラミックス粉体や超硬合金粉等を焼結す
るために用いられるホットプレス用の型に用いられる二
重中空円筒体に関するものである。
(従来の技術) セラミックス粉体や超硬合金粉等の材料を焼結処理す
る際に用いられるホットプレス法は、これらの材料を中
空円筒状のスリーブとモールドからなる型の中に載置
し、ピストンにより上部及び下部から一様な高圧を加え
ながら材料を加熱し焼結する方法である。
この様な方法において使用可能な型材料は加熱温度が
1000〜2400℃と非常に高温であるため、極めて制限さ
れ、従来より黒鉛材料が使用されてきた。
黒鉛材料は高温下でも強度を維持し、不活性雰囲気下
では化学的に極めて安定である等の好ましい材料である
が、近年ホットプレス法において圧力操作を更に高圧に
する傾向があり、黒鉛材料のみからなる型では強度の点
で問題があるということが顕在化してきたため、型、特
にモールドの肉厚を厚くする方法が考えられてきたが作
業性等で問題があり、決してよい解決策ではなかった。
そこで高強度かつ薄肉化が可能な炭素繊維強化炭素材
料(以下C/Cコンポジットと略す)が黒鉛製モールドの
代替材料として開発されてきた。
すなわち従来の黒鉛材料製ホットプレス用型において
は、モールド(外型)の内側に、モールドの摩耗を防ぐ
こと、焼結品の着脱を容易に行なわれるようにするこ
と、及びモールドを焼結品との反応から保護すること等
の理由により、スリーブを設け、このスリーブの内側に
焼結粉を入れ、上下から黒鉛製ピストンを用いて焼結し
ている。そしてモールドをC/Cコンポジットで製造した
型も提案されている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、C/Cコンポジットからなるモールドと
黒鉛材料からなるスリーブとで構成された型の場合はC/
Cコンポジットの熱膨張は一般に黒鉛材料の熱膨張に比
較して小さいため、この熱膨張差によりC/Cコンポジッ
トからなるモールドが塑性変形を生じ実用化するには問
題を有していた。
(課題を解決するための手段) そこで、本発明者等はかかる課題を解決すべく鋭意検
討した結果、異なる熱膨張係数を有する部材間に熱膨張
による堆積変化を吸収する層を設けることにより、かか
る問題点が解消されることを見い出し、本発明に到達し
た。
すなわち、本発明の目的は熱膨張係数の異なる材料で
構成された二重中空円筒体であって高温下で塑性変形あ
るいは、欠損等を生じない実用性の高いホットプレス用
型である二重中空円筒体を提供することにある。
そしてその目的は、黒鉛材料からなる内側中空円筒と
該内側中空円筒の外表面と接する様に嵌合配置された炭
素繊維強化炭素材料からなる外側中空円筒で構成された
二重中空円筒体であって、該内側中空円筒と該外側中空
円筒との間に隙間が生じない熱膨張緩和層を設けたこと
を特徴とするホットプレス用型である二重中空円筒体、
により容易に達成される。
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、黒鉛材料からなる内側中空円筒は、常法によっ
て製造される。例えばコークス粉粒体と石炭、もしくは
石炭ピッチ、石油ピッチ等のピッチ類又はフェノール樹
脂、フラン樹脂等の樹脂類を、通常40〜130重量部の範
囲で混練する。この値は粒度によって異なるがコークス
の平均粒径5μm程度のものであれば40〜70重量部の範
囲で混練するのが一般的でる。まだピッチ類は混練を容
易にするため120〜250℃の加温下で行なうことが好まし
い。
次いで得られた混練物を型込め、押し出しラバープレ
ス等の常法により成型し、不活性雰囲気中800〜1000℃
で炭化処理を行ない、次いで1000〜3000℃で黒鉛化す
る。更に必要に応じてフェノール樹脂、フラン樹脂、エ
ポキシ樹脂等の樹脂類又はピッチ類を含浸後800〜1000
℃で炭化処理という含浸−焼成処理を複数回繰り返すか
あるいはハロゲン炭化水素、炭化水素等を気相中熱分解
させて得られる熱分解炭素によって、緻密化処理を施こ
してもよい。この様にして得られた黒鉛材料製の中空円
筒は通常3〜8×10-6/℃の熱膨張係数を有する。
尚、中空円筒はその形状に特に限定されるものではな
く、用途に応じて若干の変化があってもよい。例えばホ
ットプレス用スリーブに用いる場合には、通常二分割さ
れて使用される。
次に、C/Cコンポジットからなる外側中空円筒も通常
の手法で製造される。例えばピッチ系、PAN系あるいは
レーヨン系等の炭素繊維又は黒鉛繊維の長繊維束をフェ
ノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹
脂類又はピッチ等の熱可塑性樹脂類に含浸した後、円筒
形の型に一定の角度並びに所定の肉厚に巻回する。次い
で硬化処理の必要な場合には150〜250℃で予め硬化処理
を行なった後脱型し、その他の場合には引き続き脱型し
て、不活性雰囲気中800〜1000℃で炭化処理を行ない、
次いで1000〜3000℃で黒鉛化することにより製造され
る。更に必要に応じて上述した様な方法で緻密化処理を
行ない強度の改良を行なってもよい。尚、緻密化処理の
際に樹脂類、ピッチ類に炭素又は黒鉛微粉末を添加して
もよい。そして緻密化後最終的に1000〜3000℃の温度で
黒鉛化処理を行なう。この様にして得られた中空円筒は
円周方向の熱膨張係数1.5×10-6/℃以下を有している。
本発明はかかる黒鉛材料からなる内側中空円筒とC/C
コンポジットからなる外側中空円筒からなる二重中空円
筒体であるが、かかる外側中空円筒はその内表面と内側
中空円筒の外表面とが接する様に嵌合されており、本発
明の特徴は各円筒同士の間に熱膨張緩和層を設けたこと
にある。
この熱膨張緩和層は膨張黒鉛シートよりなり、これに
より各円筒の熱膨張差による体積変化を吸収することが
できる。
かかる熱膨張緩和層の形状としては、外側中空円筒と
内側中空円筒との間に隙間が生じない様なものであれば
特に限定されるものではない。
熱膨張緩和層の収縮率は初期の厚さと圧縮応力下の厚
さの比によって求め、200kg/cm2圧縮応力に対して40〜6
0%が望ましい。さらに復元率は初期の厚さと圧縮応力
下の厚さの差と圧縮応力負荷、除荷後の厚さと圧縮応力
下の厚さの差の比によって求め、200kg/cm2の圧縮応力
に対して20%以上が使用されるが前記数値は特にこの範
囲に制限されるものではない。
本発明のホットプレス用型である二重中空円筒体を適
用した場合には、前記熱膨張緩和層をC/Cコンポジット
と(外型として使用、熱膨張係数1.5×10-6/℃以下)黒
鉛スリーブ(内型として使用、熱膨張係数3〜8×10-6
/℃)の中間に配置し、セラミックス粉体を充填後ホッ
トプレス炉内に入れ、所定温度まで昇温、加圧焼結した
時、熱膨張緩和材が熱膨張差を解消できる。
(実施例) 実施例1 1゜のテーパーをもち平均外径63m/mの円筒体をマン
ドレルとして用い、炭素繊維4000フィラメントのメソフ
ェーズピッチをフェノール樹脂(郡栄化学(株)製,
“レジトップ"PL2211)を含浸した後、フィラメントワ
インディング法により巻き角度89゜にて、平均外径73m/
mまで巻きつけた。この成形体を200℃まで昇温硬化し
た。次に不活性雰囲気下で1000℃まで昇温しマトリック
スを炭化した。その後アルゴン雰囲気中において2400℃
まで昇温し、炭素繊維及びマトリックスを黒鉛化した。
このC/Cコンポジットは、緻密化のため含浸用ピッチ
(コールタールピッチ,三菱化成(株)製)を含浸し、
前記条件でマトリックスを炭化及び黒鉛化した。この操
作を5回くり返し実施して、平均外径73m/m平均内径63m
/m高さ43m/mの中空円筒状C/Cコンポジットを得た。この
C/Cコンポジットは熱膨張係数0.1×10-6/℃を有する。
一方、黒鉛スリーブは、等方製黒鉛(“AX650",東洋
カーボン(株)製)で作られ、形状は平均外径62m/m、
内径45m/m、高さ55m/mであり、熱膨張係数5.1×10-6/℃
を持つ。熱膨張緩和のための中間素材は、膨張黒鉛シー
ト(UCC社製“GRAFOIL")を用いた。厚さ0.43m/mの黒鉛
シートを黒鉛スリーブ外周部全面に密着した。これを前
記C/Cコンポジットの内側にセットした。
従って円筒外側にC/Cコンポジット、内側には黒鉛ス
リーブがあり、その中間に厚さ0.43m/mの膨張黒鉛シー
ト(熱膨張緩和材)が配置されている。
C/Cコンポジットの内径、黒鉛スリーブの外径には、
1゜のテーパーがつけてあり、万能試験機にて15kgの荷
重で黒鉛スリーブ端面に荷重を加えてC/Cコンポジッ
ト、膨張黒鉛シート、黒鉛スリーブを密着させた。
これを高温熱処理炉に入れ、アルゴン雰囲気中1700℃
まで昇温し、1700℃3時間保持後、常温まで冷却したあ
と取り出し、黒鉛スリーブおよび膨張黒鉛シートをはず
し、C/Cコンポジットの内径寸法変化を測定した。結果
を表1に示す。
比較例1 C/Cコンポジットと黒鉛スリーブを、実施例1と同じ
材質を用い、同様の方法で作製した。これらの熱膨張係
数はそれぞれ0.1×10-6/℃、5.1×10-6/℃の値を有して
いた。C/Cコンポジットと黒鉛スリーブは実施例1のホ
ットプレス法とまったく同様に組み合わされた。即ち、
C/Cコンポジットに黒鉛スリーブを直接挿入した。従っ
て黒鉛スリーブに平均外径63m/m内径45m/m高さ55m/mの
ものを使用している他は、実施例1と同様の形状であ
る。挿入したあとに万能試験機にて15kgの荷重で黒鉛ス
リーブ端面に荷重を加え、黒鉛スリーブをC/Cコンポジ
ット内に密着させた。実施例1と同様、高温熱処理炉に
入れ、アルゴン雰囲気中1700℃まで昇温し、1700℃3時
間の保持の後、常温まで冷却後、取り出し、黒鉛スリー
ブをはずし、C/Cコンポジットの内径寸法変化を測定し
た。結果を表1に示す。
実施例2 1゜のテーパーをもち、平均外径190m/mの円筒体をマ
ンドレルとして、炭素繊維に4000フィラメントのメソフ
ェーズピッチを使用し、フェノール樹脂(郡栄化学
(株)製,“レジトップ"PL2211)を含浸した後、フィ
ラメントワインディング法により巻き角度89゜にて平均
外径240m/mまで巻きつけた。この成形体は、その後前記
実施例1と同一の条件を経て平均外径240m/m平均内径19
0m/m高さ250m/mの中空円筒状C/Cコンポジットとした。
このC/Cコンポジットの熱膨張係数は0.1×10-6/℃であ
った。
一方、内部に挿入する黒鉛スリーブは、実施例1と同
様の等方性黒鉛(“AX650",東洋カーボン(株)製)、
平均外径189m/m内径135m/m高さ270m/mを使用した。この
黒鉛スリーブの熱膨張係数は5.1×10-6/℃であった。熱
膨張緩和のための中間素材は、前記実施例1と同じ膨張
黒鉛シート(UCC社製“GRAFOIL")を用いた。厚さ0.50m
/mの膨張黒鉛シートを黒鉛スリーブ外周部全面に密着
し、前記C/Cコンポジットの内側にセットした。C/Cコン
ポジットの内径、黒鉛スリーブの外径には、1゜のテー
パーがつけてある。C/Cコンポジットの内側に膨張黒鉛
シート、その内側に黒鉛スリーブを配置し、それぞれは
隙間のないよう充分に密着してある。
こうして得た、次に黒鉛スリーブ内側に窒化ホウ素
(スタルク社製,粒径0.5μm)を960g入れ上部及び下
部に黒鉛ピストンをセット、予備加圧後ホットプレス内
にセットした。炉内で不活性雰囲気中で温度1700℃まで
昇温し、1700℃3時間保持、圧力400kg/cm2で窒化ホウ
素を加圧焼結した。これは常温まで冷却したあと、焼結
体、黒鉛スリーブおよび膨張黒鉛シートをはずし、C/C
コンポジットの内径寸法変化を測定した。結果を表1に
示す。
比較例2 C/Cコンポジットと黒鉛スリーブを、実施例2と同じ
材質を用い、同様の方法で作製した。これらの熱膨張係
数はそれぞれ0.1×10-6/℃、5.1×10-6/℃であった。前
記C/Cコンポジットと黒鉛スリーブは、直接密着させ
た。
従って黒鉛スリーブに平均外径190m/m内径135m/m高さ
270m/mを使用している他、C/Cコンポジットは実施例2
と同様の形状である。次にこれは実施例2と同様、窒化
ホウ素スタルク社製,粒径0.5μm)960gを黒鉛スリー
ブ内に入れ、上部及び下部に黒鉛ピストンをセットし
た、他は実施例2と同一条件にて窒化ホウ素を加圧焼結
した。
これを常温まで冷却したあと、焼結体、黒鉛スリーブ
をはずし、C/Cコンポジットの内径寸法変化を測定し
た。結果を表1に示す。
表1からわかるように熱膨張緩和材をC/Cコンポジッ
トモールドと黒鉛スリーブの中間に用いた場合は、内径
の寸法変化(膨張)は認められるず膨張黒鉛シートが収
縮した。
一方、比較例で示したものはそれぞれ、内径の寸法変
化(膨張)が認められた。
以上から熱膨張緩和材の効果が明らかとなった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 正司 神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地 三菱化成株式会社総合研究所内 (72)発明者 苅込 俊雄 東京都中央区日本橋2丁目10番1号 東 洋カーボン株式会社内 (72)発明者 深沢 正男 東京都中央区日本橋2丁目10番1号 東 洋カーボン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭49−2116(JP,A) 実願 昭60−198418号(実開 昭62− 107907号)の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム (JP,U) 実願 昭60−158992号(実開 昭62− 67734号)の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム (JP,U) 実願 平1−45196号(実開 平2− 136026号)の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム (JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】黒鉛材料からなる内側中空円筒と該内側中
    空円筒の外表面と接する様に嵌合配置された炭素繊維強
    化炭素材料からなる外側中空円筒で構成された二重中空
    円筒体であって、該内側中空円筒と該外側中空円筒との
    間に隙間が生じない様な膨張黒鉛シートよりなる熱膨張
    緩和層を設けたことを特徴とするホットプレス用型であ
    る二重中空円筒体。
JP1186348A 1989-07-19 1989-07-19 二重中空円筒体 Expired - Lifetime JP3008411B2 (ja)

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