JP3427077B2 - 低浸炭黒鉛材とその製造方法 - Google Patents

低浸炭黒鉛材とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体等の電子
部品をガラス封止するための冶具、あるいは金属焼結用
冶具等のように、高温で金属と接触する場合に用いられ
る低浸炭黒鉛材とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】黒鉛材は、耐熱性や加工性に優れている
こと、溶融ガラスに濡れないこと等の理由で、例えばト
ランジスターやダイオード等のハーメチックシール用の
ステム冶具材として利用されている。しかしながら、ハ
ーメチックシールの工程は1,000℃付近の高温下で
なされるため、金属リングやリード線(これらは鉄、ニ
ッケル、コバルト、あるいはそれらの合金からなる)と
黒鉛材冶具との接触面より浸炭現象が発生し、製品歩留
りを低下させるという問題があった。これらの用途向け
には、例えば特公昭54−34,312号公報、特開平
4−114,967号公報等に見られるように、黒鉛材
にカーボンブラックを添加する方法が提案されている。
しかしながら、カーボンブラックを添加した黒鉛材にお
いては、金属に対する浸炭現象を一時的に抑制するもの
の、長期の使用においてはその効果が低下し、黒鉛材表
面からカーボンダストが発生して封止ガラスを汚染する
といった別の問題が発生する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、黒鉛
材の特性である易加工性の特性を生かしながら、金属に
対する浸炭現象の発生を長期に亘って防止し、更に同時
にカーボンダストの発生による封止ガラスの汚染をも防
止することのできる低浸炭黒鉛材とその製造方法を提供
することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、マトリックス
を構成する黒鉛材中に、カーボンブラックを含み、か
つ、ガラス状炭素が黒鉛材中に含まれるガラス状炭素の
面積率として5〜60%の含有割合で分散した組織であ
る低浸炭黒鉛材である。また、本発明は、黒鉛化可能な
炭素質原料に対し、1〜25重量%のカーボンブラック
と5〜200重量%の炭素化可能な樹脂とを添加し、成
型した後、焼成して黒鉛化することからなる上記低浸炭
黒鉛材の製造方法である。
【0005】以下、本発明の内容を更に具体的に説明す
る。この発明において使用される黒鉛化可能な炭素質材
料とは、石油系あるいは石炭系の骨材コークス及び結合
材としてのバインダーピッチを意味し、これらにカーボ
ンブラック及び炭素化可能な樹脂を配合することにより
低浸炭黒鉛材が得られる。カーボンブラックと炭素化可
能な樹脂の配合は、これらが黒鉛材中に均一に分散可能
な方法であればよく、一般的な方法としては、骨材コー
クスとバインダーピッチとを混練し、次いで粉砕して得
られた粉砕粉に、カーボンブラックと粉体樹脂を添加し
てヘンシェルミキサー等で均一に混合した後、常法によ
り成型し、焼成して黒鉛化する方法がある。また、炭素
化可能な樹脂が粉体あるいは液体であっても、ニーダー
等により骨材コークスとバインダーピッチに混練混合が
可能であるが、樹脂の混合比率が多くなると液体樹脂は
作業性が悪くなる。この場合、炭素化可能な樹脂は固体
粉末の状態で利用することが望ましい。カーボンブラッ
クもニーダー等により混練混合が可能である。
【0006】カーボンブラックは、黒鉛化可能な炭素質
原料に対して1〜25重量%の範囲で添加され、1重量
%未満では添加の効果が少なく、25重量%を超えると
黒鉛材料の硬度が上がり脆くなると共に加工性が悪くな
る。望ましくは、5〜15重量%の配合割合とするのが
よい。
【0007】炭素化可能な樹脂としては、非酸化性雰囲
気下で熱処理した時に炭素化する樹脂であればよく、具
体的には、ポリウレタン、ポリイソシアネート、ポリイ
ミド、フェノール樹脂、フルフラール樹脂、ユリア樹
脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、あるいはこれらの各種
変性物等を挙げることができる。また、これらの樹脂は
単独であっても、また、2種以上の混合物としても使用
できる。これらの樹脂は、炭化後の炭素化歩留りが20
%以上のものがよく、これより歩留りが低いと得られた
黒鉛材に気孔が多く発生し、強度的に弱いものとなる。
【0008】樹脂の炭素化により生成する樹脂炭(ガラ
ス状炭素)は、それ自身が浸炭し難いため、炭素化可能
な樹脂を添加するだけでも低浸炭黒鉛材を得ることがで
きる。しかしながら、樹脂単独の添加により低浸炭黒鉛
材を得るには、その添加率を多くする必要があり、コス
トの点で不利となる。従って、カーボンブラックと組み
合わせて添加することで、低浸炭黒鉛材としての物性
(浸炭及びカーボンダストの発生の抑制)を満足し、し
かも安価に製造することができる。炭素化可能な樹脂の
配合割合は、黒鉛化可能な炭素質原料に対して5〜20
0重量%とすることで、黒鉛材中でのガラス状炭素が、
黒鉛材中に含まれるガラス状炭素の面積率として5〜6
0%の含有割合で分散した低浸炭黒鉛材を得ることがで
きる。この樹脂の添加率が5重量%より少ないとカーボ
ンダストの抑制効果が小さい。また、200重量%より
多いと、硬度が高くなり黒鉛材の特徴である易加工性を
損ない、しかもコストの点で不利となる。望ましくは1
0〜60重量%がよい。
【0009】黒鉛化可能な炭素質原料は、得られる低浸
炭黒鉛材中では光学的異方性組織であるのに対して、炭
素化可能な樹脂から生成するガラス状炭素はアモルファ
ス組織を有する。これらの組織の違いは偏光顕微鏡の観
察により確認することができ、本発明の低浸炭黒鉛材に
おいては、光学的異方性組織の中にガラス状炭素のアモ
ルファス組織が均一に分散している様子を観察すること
ができる。黒鉛材中でのアモルファス組織の含有割合
は、偏光顕微鏡の画像を画像解析装置で処理することに
より、面積率で数値化することができる。一方、黒鉛材
中のカーボンブラックについては、走査型電子顕微鏡で
黒鉛材を直接的に観察する限りでは困難であるが、本発
明の黒鉛材を二酸化炭素で酸化することにより、その表
面に骨材である黒鉛粉と共にこのカーボンブラックが羽
毛状に浮き上がるので、その存在を走査型電子顕微鏡で
確認することができる。
【0010】このようにして黒鉛化可能な炭素質原料に
対して、カーボンブラックと樹脂を混合分散させたもの
は、金型プレスあるいはラバープレスの何れで成型して
もよく、成型後は常法通りに非酸化性雰囲気中900〜
1,200℃で焼成して炭化し、更に2,000〜3,
000℃で黒鉛化することにより、低浸炭黒鉛材を製造
することができる。
【0011】
【作用】従来、単にカーボンブラックを添加しただけで
は、金属との繰り返しの接触による摩耗でカーボンブラ
ックが脱落し、このために長期に亘って浸炭を抑制する
ことは困難であったが、これに炭素化可能な樹脂を添加
することにより、カーボンブラックを黒鉛材中に強く固
定して長期の使用に耐え得るようにすることができる。
また、炭素化可能な樹脂を炭化して生成する樹脂炭は、
ガラス状炭素であるため、カーボンダストを発生し難く
する。従って、本発明により製造される低浸炭黒鉛材
は、長期の使用において浸炭現象を抑制することができ
る。更に、この低浸炭黒鉛材は、良好な加工性を備えて
おり、ハーメチックシール用冶具材等に使用する場合で
も対応可能であり、黒鉛材からのカーボンダストの発生
が少ないため、ハーメチックシール時のガラスへの汚染
も減らすことが可能である。また、ハーメチックシール
の用途だけではなく、金属焼結用冶具等の高温で金属と
接触する用途等においても浸炭現象の発生を防止するよ
うに作用する。
【0012】
【実施例】次いで、本発明を実施例により比較例と対比
しながら説明する。 実施例1 骨材コークス100重量部とバインダーピッチ35重量
部とを加熱混練した後これを粉砕して粉砕粉とし、この
粉砕粉に、混練前の原料である骨材コークスとバインダ
ーピッチの総重量に対して6.75重量部のカーボンブ
ラック〔新日鐵化学(株)製商品名:ニテロン#10〕
及び6.75重量部の粉末フェノール樹脂(炭化歩留り
50重量%、平均粒径15μm)を加えてヘンシェルミ
キサーで混合した後、冷間静水圧プレス(CIP)によ
り成型し、1,000℃で焼成した後、2,800℃で
黒鉛化を行い、低浸炭黒鉛材を得た。
【0013】この黒鉛材の研磨面を偏光顕微鏡で観察し
たところ、光学的異方性組織の中にフェノール樹脂から
生成したアモルファス組織のガラス状炭素が分散してい
ることが確認できた。また、この黒鉛材を二酸化炭素雰
囲気中で1,000℃、30分間酸化を行い、走査型電
子顕微鏡を使用してその表面を1,000倍の倍率で観
察したところ、骨材である黒鉛粉と共に羽毛状に存在す
るカーボンブラックを確認することができた。
【0014】実施例2 カーボンブラックの添加量を13.5重量部、フェノー
ル樹脂の添加量を13.5重量部とした以外は、実施例
1と同様の操作で低浸炭黒鉛材を得た。
【0015】実施例3 カーボンブラックの添加量を13.5重量部、フェノー
ル樹脂の添加量を81重量部とした以外は、実施例1と
同様の操作で低浸炭黒鉛材を得た。
【0016】実施例4 カーボンブラックの添加量を13.5重量部、フェノー
ル樹脂の添加量を135重量部とした以外は、実施例1
と同様の操作で低浸炭黒鉛材を得た。
【0017】実施例5 カーボンブラックの添加量を13.5重量部、フェノー
ル樹脂の添加量を202.5重量部とした以外は、実施
例1と同様の操作で低浸炭黒鉛材を得た。
【0018】実施例6 カーボンブラックの添加量を33.75重量部、フェノ
ール樹脂の添加量を270重量部とした以外は、実施例
1と同様の操作で低浸炭黒鉛材を得た。
【0019】比較例1 骨材コークス100重量部にバインダーピッチ30重量
部を加え、加熱混練した後これを粉砕し、CIPにより
成型した後、1,000℃で焼成し、2,800℃で黒
鉛化を行って黒鉛材を得た。この黒鉛材の研磨面を偏光
顕微鏡で観察したところ、光学的異方性組織が存在する
だけであった。また、この黒鉛材を二酸化炭素雰囲気中
で1,000℃、30分間酸化を行い、走査型電子顕微
鏡を用いてその表面を1,000倍の倍率で観察したと
ころ、骨材である黒鉛粉だけが存在していた。
【0020】比較例2 骨材コークス100重量部とバインダーピッチ35重量
部とを加熱混練した後これを粉砕して得られた粉砕粉
に、混練前の原料である骨材コークスとバインダーピッ
チの総重量に対して6.75重量部のカーボンブラック
を加え、ヘンシェルミキサーで混合した後、CIPによ
り成型し、1,000℃で焼成、2,800℃で黒鉛化
を行って黒鉛材を得た。
【0021】比較例3 カーボンブラックの添加量を13.5重量部とした以外
は、比較例2と同様の操作で黒鉛材を得た。
【0022】比較例4 カーボンブラックの添加量を40.5重量部とした以外
は、比較例2と同様の操作で黒鉛材を得た。
【0023】比較例5 骨材コークス100重量部とバインダーピッチ35重量
部を加熱混練した後これを粉砕して得られた粉砕粉に、
混練前の原料である骨材コークスとバインダーピッチの
総重量に対して40.5重量部のカーボンブラック〔新
日鐵化学(株)製商品名:ニテロン#10〕及び33
7.5重量部の粉末フェノール樹脂(炭化歩留り50重
量%、平均粒径15μm)を加えてヘンシェルミキサー
で混合した後、CIPにより成型し、1,000℃で焼
成、2,800℃で黒鉛化を行って黒鉛材を得た。以上
のようにして得られた各実施例及び比較例の黒鉛材の物
性を表1に示す。
【0024】
【表1】
【0025】ガラス状炭素によるアモルファス組織の含
有割合は、得られた黒鉛材の研磨面を光学的異方性組織
解析装置〔日鉄テクノス(株)製MODEL MTA
2000〕を用いて、200倍で観察した光学顕微鏡の
画像を処理することにより面積率で求めた。また、得ら
れた黒鉛材を使用して、コバール金属について白ガラス
でハーメチックシールを繰り返し行い、耐浸炭性を評価
した。結果を表2に示す。
【0026】
【表2】
【0027】上記各実施例からも判るように、本発明に
おける低浸炭黒鉛材は、ハーメチックシール時に浸炭す
ることがなく、しかも、カーボンダストが発生し難い。
比較例2、3、4に示されているように、カーボンブラ
ックを添加しただけでは、長期に亘って浸炭を抑制する
ことができず、しかも、カーボンダストが発生し易い欠
点があることが判る。なお、比較例5に示されているよ
うに、本発明の範囲を越す場合は、加工時に黒鉛材が欠
け易くなり、その加工性が悪くなった。
【0028】
【発明の効果】本発明の低浸炭黒鉛材は、黒鉛材中にカ
ーボンブラックとガラス状炭素とを含有せしめたもので
あり、その使用においては長期に亘って低浸炭性を示す
ことができる。しかも、この低浸炭黒鉛材は、カーボン
ダストを発生し難く、特にハーメチックシール用途にお
いては、得られる製品の不良率を著しく低下させること
ができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向井 幸一郎 神奈川県川崎市中原区井田1618番地、新 日本製鐵株式会社 先端技術研究所内 (56)参考文献 特開 平1−24071(JP,A) 特開 平2−38303(JP,A) 特開 平2−48466(JP,A) 特開 平4−164860(JP,A) 特開 平5−82663(JP,A) 特開 平5−102363(JP,A) 特開 平5−319929(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 31/00 - 31/36 C04B 35/52 - 35/54 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリックスを構成する黒鉛材中に、カ
    ーボンブラックを含み、かつ、ガラス状炭素が黒鉛材中
    に含まれるガラス状炭素の面積率として5〜60%の含
    有割合で分散した組織であることを特徴とする低浸炭黒
    鉛材。
  2. 【請求項2】 黒鉛化可能な炭素質原料に対し、1〜2
    5重量%のカーボンブラックと5〜200重量%の炭素
    化可能な樹脂とを添加し、成型した後、焼成して黒鉛化
    することを特徴とする請求項1記載の低浸炭黒鉛材の製
    造方法。
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