JP4539147B2

JP4539147B2 - 放電加工用黒鉛電極の製造方法

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Publication number: JP4539147B2
Application number: JP2004112626A
Authority: JP
Inventors: 昭山川; 祥一吉川
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-04-07
Also published as: JP2005297082A

Description

本発明は、電極消耗比が低く、仕上げ加工用に有用な等方性黒鉛からなる放電加工用黒鉛電極、および、経済的に有利なその製造方法に関する。

放電加工は、電極と被加工物との間に直接放電させて、放電に伴う高温高圧により電極の形状を精度よく被加工物に転写加工する方法であり、複雑な形状でも高精度の加工が可能なことから、種々の部品の精密加工用に有用されている。

放電加工用の電極には、以前は荒加工用には黒鉛電極が、仕上げ加工用には銅電極が使用されてきたが、黒鉛は銅に比べて機械加工性に優れており高精度の加工が容易である、軽量であり大型電極の製作が可能である、放電加工速度が速い、熱膨張係数が小さいので放電加工寸法精度が高い、などの長所があるため、黒鉛電極の使用が進んでいる。

しかし、黒鉛には微細な開気孔が存在するため電極表面からの放電状態が変動、不均一化し易く、また閉気孔も電極の消耗に伴い表面に露出することとなり、同様に放電状態が変動、不均一化する。そのため、放電加工状態が不安定化し易く、加工精度が低下する難点がある。そこで、例えば、特許文献１には黒鉛に常温で液体である物質または常圧下で１５００℃以下の融点を有する固体溶融物を含浸した放電加工用の黒鉛電極、特許文献２には黒鉛電極に樹脂溶液や溶融金属の液状物質を含浸して黒鉛表面の平均気孔径を４０００オングストローム以下に微細孔とした放電加工用黒鉛電極が提案されている。

また、放電加工用の黒鉛電極を等方性炭素材で構成する提案も行われている。等方性炭素材は石油系または石炭系のコークス粉末からなる骨材成分にピッチ系バインダーを配合して混練し、混練物を再粉砕した成形粉をラバープレス（冷間静水圧プレス〔ＣＩＰ〕）により等方成形し、成形体を焼成炭化、あるいは更に、黒鉛化する方法によって製造されている。

使用されるコークスには、熱履歴によって生コークスとか焼コークスとがあり、生コークスは、原油精製または石炭乾留で得られる重質物（ボトムオイルまたはコールタール）を３００〜５５０℃程度の温度で加熱して熱分解重合反応を行うことにより得られるものであり、各種のコーキング法により製造されている。か焼コークスは、生コークスをロータリーキルンなどを用いて、１０００〜１５００℃の温度に加熱か焼することにより製造されている。

この等方性炭素材で放電加工用黒鉛電極を形成する例として、例えば特許文献３には粒径２００メッシュ以下で揮発分量７〜１３重量％の半成コークスに、軟化点５０〜１５０℃、固定炭素量４５〜７０重量％のバインダーピッチを、捏合後の揮発分量が特定の式値で表される範囲内となる量を加え、１６０〜３００℃で捏合して冷却後２００メッシュ以下に再粉砕して、再粉砕物を等方成形し、常法により焼成、黒鉛化する放電加工用電極などに使用される高密度等方性炭素材の製造方法が開示されている。

また、特許文献４には放電加工用電極材に利用される等方性炭素材料として、キノリン不溶分を含まないコールタールピッチ１００重量部に、炭素質微粉を１０重量部を越えない範囲で添加して混練した後、ディレードコーカー方式により４２０〜５００℃の温度に加熱して製造された揮発分が５〜２５％の生ピッチコークスを、バインダーを用いることなく成形し、炭化、黒鉛化する等方性高密度炭素材料の製造方法が提案されている。また特許文献５には生コークスを６００〜８００℃で熱処理した後、平均粒径１５μｍ以下に粉砕したコークスを少なくとも原料の１種として使用する高密度等方性炭素材の製造方法が開示されている。しかし、これらの等方性炭素材は原料となるコークスの調整に煩雑な処理が必要であり、製造コストの上昇を招く問題がある。
特開昭５８−１１４８２０号公報特開昭５８−１４０３７９号公報特開平０２−０３４５０８号公報特開平０２−０６９３０８号公報特開平０８−０２６７０９号公報

一般に、放電加工用電極の性能は、電極消耗比が小さく、加工速度が速く、加工面の粗さが小さいことなど、が重要な要素となる。特に、電極消耗比を小さくできれば、放電加工のコスト低減に効果的であり、また、加工精度の向上も図られる。

そこで、本発明者らは、優れた性能を有する放電加工用の黒鉛電極を安価に得る方法について鋭意研究を行った結果、市販されている通常の生コークスを用いて、煩雑な処理を施すことなく簡単な処理により、その揮発分、酸素含有量、平均粒子径などを調整して原料として用い、通常のピッチバインダーと混練して粉砕し、粉砕粉の揮発分および平均粒子径を調整することにより、低電極消耗比を有する放電加工用黒鉛電極として好適な等方性炭素材が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、電極消耗比が低く、仕上げ加工用に有用な等方性黒鉛からなる放電加工用黒鉛電極、および、経済的に有利なその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による放電加工用黒鉛電極の製造方法は、揮発分２〜２０重量％、酸素含有量０．５〜６．０重量％、平均粒子径１〜２０μｍに調整した生コークス１００重量部に対し、ピッチ系バインダーを４０〜１５０重量部の量比で配合して混練し、混練物を粉砕、粒度調整して得た揮発分が２０〜３０重量％、平均粒子径が５〜６０μｍの成形粉を等方成形し、成形体を焼成炭化および黒鉛化することを構成上の特徴とする。

本発明によれば、市販されている通常の生コークスに簡単な処理を施して、その揮発分、酸素含有量、平均粒子径を調整して原料として用い、常用されるピッチ系バインダーと混練して粉砕し、粉砕粉の揮発分および平均粒子径を調整した成形粉を等方成形した等方性炭素材からなり、嵩密度が高く、電極消耗比が低く、被加工面の粗さが小さく、仕上げ加工用に有用な放電加工用黒鉛電極と経済的に有利なその製造方法が提供される。

放電加工用の電極は電極消耗比、加工速度、加工面の粗さなどで評価され、一般的に曲げ強度などの機械的強度が高いことが必要とされる。

そこで、本発明の放電加工用黒鉛電極を形成する等方性黒鉛には、嵩密度が１．７５ｇ／ｃｍ³以上の等方性黒鉛が適用される。嵩密度が１．７５ｇ／ｃｍ³未満では機械的強度が低くなり、電極消耗比も大きくなる傾向にあるためである。

また、本発明の放電加工用黒鉛電極は、電極消耗比が４０％以下、被加工物の表面粗さ（Ｒｙ）が２０μｍ以下であることを特徴とする。なお、電極消耗比および被加工物の表面粗さ（Ｒｙ）は、次の方法により放電加工テストを行って、測定したものである。

図１は、放電加工テストを行った装置の模式図であり、１は２０×２０ｍｍ、高さ２５ｍｍの黒鉛電極、その中心には加工液を噴出させる貫通穴（３ｍｍφ）２が設けられている。被加工物３にはＳＫ３を用い、放電加工機としては三菱電機製ＤＬＡＸＣ７Ｍ２５Ｊを使用して、下記の条件で放電加工テストを行った。
ピーク電流値Ｉｐ；３Ａ、
パルス幅（ＯｎＴｉｍｅ）；６μｓｅｃ、
休止幅（ＯｆｆＴｉｍｅ）；２μｓｅｃ、

所定時間放電加工を行った後の、黒鉛電極１の電極消耗長さｔ（ｍｍ）をマイクロメーターで測定し、被加工物３の加工深さＬ（ｍｍ）をデプスゲージで測定して、電極消耗比および加工速度を求めた。
電極消耗比（％）；（ｔ／Ｌ）×１００
加工速度（ｇ／ｍｉｎ）；｛〔（ａ²）−（φ／２）²×π〕｝×Ｌ×ρ／加工時間
但し、ａは黒鉛電極の１辺の長さ、ρは被加工物（ＳＫ３）の嵩密度である。
なお、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）は表面粗さ計で測定した。

本発明の放電加工用黒鉛電極は、揮発分２〜２０重量％、酸素含有量０．５〜６．０重量％、平均粒子径１〜２０μｍに調整した生コークス１００重量部に対し、ピッチ系バインダーを４０〜１５０重量部の量比で配合して混練し、混練物を粉砕、粒度調整して得た揮発分が２０〜３０重量％、平均粒子径が５〜６０μｍの成形粉を等方成形し、成形体を焼成炭化および黒鉛化することにより製造される。

原料となる生コークスには、原油精製や石炭乾留で得られる重質油をコーキングして製造される石油系や石炭系の市販品の生コークス類が用いられ、モザイク状コークス、針状コークスなどいずれも使用することができる。

本発明においては、これらの生コークスとして、その揮発分を２〜２０重量％に、酸素含有量を０．５〜６．０重量％に、平均粒子径を１〜２０μｍに調整したものが使用される。生コークスの特性、性状の調整は、生コークスの市販品を空気中あるいは窒素ガス雰囲気などの非酸化性雰囲気中で１００〜６００℃の温度で熱処理して、揮発分２〜２０重量％および酸素含有量０．５〜６．０重量％に調整した後、粉砕や磨砕して、平均粒子径を１〜２０μｍに調整する。

生コークスの揮発分や酸素含有量は、ピッチ系バインダーとの混練物を作製する際に、生コークスとピッチ系バインダーとの接触界面の密着性に影響し、密着性の向上は放電加工時の電極消耗の低減化に有効である。生コークスの揮発分および酸素含有量が少ないと生コークスとピッチ系バインダーとの密着性が低下して、電極消耗比が大きくなり、逆に生コークスの揮発分および酸素含有量が多くなると密着性が向上して、電極消耗比は小さくなる。

すなわち、本発明において生コークスの揮発分を２〜２０重量％に調整するのは、生コークスの揮発分が２重量％を下回ると、ピッチ系バインダーとの密着性が悪くなって、電極消耗比が大きくなるためである。一方、揮発分が２０重量％を越える場合は、生コークスとピッチ系バインダーとの密着性が向上して、混練物を高密度化することはできるが、混練時および焼成炭化時に生コークスおよびバインダーピッチの分解ガスの発生量が増大して、これらの分解ガスを系外に円滑に揮散させることが困難となり、成形体の焼成炭化時に発泡したり割れが発生し易くなるからである。

また、生コークスの酸素含有量を０．５〜６．０重量％に調整するのは、生コークスの酸素含有量が０．５重量％を下回ると、ピッチ系バインダーとの密着性が低下して電極消耗比が大きくなる。一方、酸素含有量が６．０重量％を越える場合は、生コークスとピッチ系バインダーとの密着性は向上して、混練物を高密度化することができるが、生コークスおよびピッチ系バインダーの分解ガスの発生量が増大して、これらの分解ガスを系外に円滑に揮散させることが困難となり、成形体の焼成炭化時に発泡したり割れが発生し易くなる。更に、生コークスの酸素含有量が多くなると、酸素がピッチ系バインダーの重縮合反応を阻害するようになり、十分な密度および強度の成形体を得ることができなくなるためである。

生コークスの平均粒子径を１〜２０μｍに調整するのは、平均粒子径が１μｍを下回ると、成形体の密度および強度を高くするために混練時にピッチ系バインダーの配合量比を上げる必要が生じ、バインダー量が多くなると混練時および焼成炭化時に分解ガスの発生量が増大するので、成形体の焼成時に発泡や割れが発生し易くなるからである。しかし、平均粒子径が２０μｍを越えるとピッチ系バインダーの配合量比を小さくすることはできるが十分な密度および強度の成形体を得ることが難しくなる。更に、製造した等方性黒鉛からなる放電加工用の電極表面が粗面化するので、放電加工した被加工物の表面粗さ（Ｒｙ）も大きくなるためである。

このように調整した生コークス１００重量部に対し、ピッチ系バインダーを４０〜１５０重量部の量比で配合して十分に混練する。ピッチ系バインダーの配合比が４０重量部未満では、バインダー量が少ないために均一かつ十分に混練することが難しく、得られる等方性黒鉛の嵩密度や強度の低下を招くことになる。一方、配合比が１５０重量部を越えると混練し易くなるが、成形体の焼成炭化時に発生する分解ガスが多くなるので発泡して組織の均質性が低下して十分な強度のものが得難くなり、製造された等方性黒鉛の嵩密度が低下し、電極消耗比の増大を招くことになる。なお、発泡現象を抑制するためには超硬ピッチを添加することが好ましい。また、ピッチ系バインダーの好ましい配合量比は、生コークス種および粒度で異なるが５０〜１３０重量部である。

混練は通常用いられるニーダー、ミキサーなど適宜な手段により行われ、空気中または窒素ガスなどの非酸化性雰囲気中で１００〜６００℃の温度で行うことが望ましい。混練物を粉砕し、粒度調整して、揮発分が２０〜３０重量％および平均粒子径が５〜６０μｍの成形粉を調製する。

成形粉の揮発分を２０〜３０重量％に調整するのは、揮発分が２０重量％未満では得られた等方性黒鉛の嵩密度および強度が低くなり、放電加工用電極として消耗比が大きくなる。一方、揮発分が３０重量％を越えると、成形体の焼成炭化時に発泡したり割れ発生が生じ易くなるためである。

また、成形粉の平均粒子径を５〜６０μｍに調整するのは、成形粉の平均粒子径が５μｍを下回ると、成形体の焼成炭化時に発生する分解ガスを円滑に揮散させることが難しくなり、焼成炭化時に発泡や割れが発生し易くなるためである。しかし、平均粒子径が６０μｍを上回ると、十分な強度の等方性黒鉛が得られなくなるとともに放電加工した被加工物の表面粗さ（Ｒｙ）の値も大きくなって粗面化するためである。

成形粉は常法に従ってラバープレスにより等方成形（ＣＩＰ）して、得られた成形体を非酸化性雰囲気中で８００〜１５００℃の温度に加熱して焼成炭化し、更に、２２００〜３０００℃の温度で黒鉛化して、本発明の放電加工用黒鉛電極が製造される。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。

実施例１
塊状の市販品モザイク状生コークスを１２０℃の温度で加熱、熱処理した後粉砕し、粒度調整して、揮発分１２．４重量％、酸素含有量３．６重量％、平均粒子径１４．２μｍの生コークスを調製した。この生コークス３ｋｇにバインダーピッチ（固定炭素量５５重量％以上、軟化点８９〜９４℃）１．８ｋｇを配合し、捏合機により１２０℃の温度で混練した。

混練物を粉砕して粒度調整し、揮発分２６．５重量％、平均粒子径３６．９μｍの成形粉を調製し、成形粉をゴム型に入れて脱気した後、水を圧力媒体とするＣＩＰ成形機により、９８．１ＭＰａ（１０００ｋｇ／ｃｍ²）の圧力で等方成形して、直径６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱状成形体を作製した。

成形体を、コークス粉を充填した焼成炉に入れ、９００℃の温度に加熱して焼成炭化した後、黒鉛化炉で２８００℃の温度に加熱して黒鉛化して等方性黒鉛材を製造した。この等方性黒鉛材からサンプルを切り出し、嵩密度および曲げ強度（ＪＩＳＲ７２２２）を測定した。なお、嵩密度はノギスで寸法を計り、天秤で重量を測定して算出した。

次に、この等方性黒鉛材から２０×２０ｍｍ、高さ２５ｍｍの放電加工用黒鉛電極を作製して、図１に示した装置にセットし、ピーク電流値Ｉｐ；３Ａ、パルス幅（On Time ）；６μｓｅｃ、休止幅（Off Time）；２μｓｅｃ、の条件で、ＳＫ３を被加工物として、所定時間放電加工テストを行った。テスト後の電極消耗長さｔ（ｍｍ）をマイクロメーターで測定し、また、被加工物の加工深さＬ（ｍｍ）をデプスゲージで測定して、電極消耗比（％）および加工速度（ｇ／ｍｉｎ）を求めた。更に、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）を表面粗さ計で測定した。

実施例２
塊状の市販品モザイク状生コークスを１２０℃の温度で熱処理した後粉砕し、粒度調整して、揮発分１３．８重量％、酸素含有量３．７重量％、平均粒子径２．４μｍの生コークスを調製した。この生コークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ２．１ｋｇを配合し、捏合機により１２０℃の温度で混練した。

混練物を粉砕して粒度調整し、揮発分２８．３重量％、平均粒子径５１．１μｍの成形粉を調製し、この成形粉を実施例１と同じ方法で等方成形して円柱状成形体を作製し、黒鉛化処理した。次いで、この等方性黒鉛材について、実施例１と同じ方法により、嵩密度および曲げ強度を測定し、また、放電加工テストを行って、電極消耗比（％）および加工速度（ｇ／ｍｉｎ）を求め、更に、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）を表面粗さ計で測定した。

実施例３
塊状の市販品モザイク状生コークスを１２０℃の温度で熱処理した後粉砕し、粒度調整して、揮発分１５．６重量％、酸素含有量５．５重量％、平均粒子径１３．５μｍの生コークスを調製した。この生コークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ１．６５ｋｇを配合し、捏合機により１２０℃の温度で混練した。

混練物を粉砕して粒度調整し、揮発分２６．１重量％、平均粒子径４３．８μｍの成形粉を調製し、この成形粉を実施例１と同じ方法で等方成形して円柱状成形体を作製し、黒鉛化処理した。次いで、この等方性黒鉛材について、実施例１と同じ方法により、嵩密度および曲げ強度を測定し、また、放電加工テストを行って、電極消耗比（％）および加工速度（ｇ／ｍｉｎ）を求め、更に、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）を表面粗さ計で測定した。

実施例４
実施例１と同じ揮発分１２．４重量％、酸素含有量３．６重量％、平均粒子径１４．２μｍの生コークスを用いて、この生コークス３ｋｇに、実施例１と同じバインダーピッチ２．１ｋｇおよび超硬ピッチ（固定炭素量８５±５重量％、軟化点＞３２０℃）０．４５ｋｇを配合して混練した。

混練物を粉砕して粒度調整し、揮発分２７．２重量％、平均粒子径３７．２μｍの成形粉を調製し、この成形粉を実施例１と同じ方法で等方成形して円柱状成形体を作製し、黒鉛化処理した。次いで、この等方性黒鉛材について、実施例１と同じ方法により、嵩密度および曲げ強度を測定し、また、放電加工テストを行って、電極消耗比（％）および加工速度（ｇ／ｍｉｎ）を求め、更に、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）を表面粗さ計で測定した。

実施例５
塊状の市販品針状生コークス（ニードルコークス）を１２０℃の温度で熱処理した後粉砕し、粒度調整して、揮発分６．３重量％、酸素含有量１．１重量％、平均粒子径４．８μｍの生コークスを調製した。この生コークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ３．３ｋｇを配合し、捏合機により１２０℃の温度で混練した。

混練物を粉砕して粒度調整し、揮発分２７．９重量％、平均粒子径３４．０μｍの成形粉を調製し、この成形粉を実施例１と同じ方法で等方成形して円柱状成形体を作製し、黒鉛化処理した。次いで、この等方性黒鉛材について、実施例１と同じ方法により、嵩密度および曲げ強度を測定し、また、放電加工テストを行って、電極消耗比（％）および加工速度（ｇ／ｍｉｎ）を求め、更に、被加工物の表面粗さＲｙ（μｍ）を表面粗さ計で測定した。

比較例１
実施例１と同じ塊状のモザイク状生コークスを１２００℃の温度で熱処理した後、粉砕してか焼コークス（揮発分０．０重量％、酸素含有量０．０重量％、平均粒子径１３．０μｍ）を得た。このか焼コークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ１．８ｋｇを配合して混練した後粉砕し、粒度調整して成形粉（揮発分１５．２重量％、平均粒子径３５．２μｍ）を調製して等方性黒鉛材を製造し、実施例１と同じ方法により、嵩密度、曲げ強度、電極消耗比、加工速度および被加工物の表面粗さＲｙを測定した。

比較例２
実施例５と同じ塊状のニードル状生コークスを１２００℃の温度で熱処理した後、粉砕してか焼コークス（揮発分０．０重量％、酸素含有量０．０重量％、平均粒子径１３．０μｍ）を得た。このか焼コークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ３．３ｋｇを配合して混練した後粉砕し、粒度調整して成形粉（揮発分１７．４重量％、平均粒子径４３．８μｍ）を調製して等方性黒鉛材を製造し、実施例１と同じ方法により、嵩密度、曲げ強度、電極消耗比、加工速度および被加工物の表面粗さＲｙを測定した。

比較例３
実施例１と同じ塊状のモザイク状生コークスを１８０℃の温度で熱処理した後、粉砕して生コークス（揮発分２２．３重量％、酸素含有量１０．０重量％、平均粒子径１３．９μｍ）を得た。このコークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ１．８ｋｇを配合して混練した後粉砕し、粒度調整して成形粉（揮発分２８．９重量％、平均粒子径３３．７μｍ）を調製して等方性黒鉛材を製造し、実施例１と同じ方法により、嵩密度、曲げ強度、電極消耗比、加工速度および被加工物の表面粗さＲｙを測定した。

比較例４
実施例１と同じ塊状のモザイク状生コークスを１２０℃の温度で熱処理した後、粉砕して生コークス（揮発分１２．４重量％、酸素含有量３．６重量％、平均粒子径１４．２μｍ）を得た。このコークス３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ１．８ｋｇを配合して混練した後粉砕し、粒度調整して成形粉（揮発分２６．２重量％、平均粒子径９５．７μｍ）を調製して等方性黒鉛材を製造し、実施例１と同じ方法により、嵩密度、曲げ強度、電極消耗比、加工速度および被加工物の表面粗さＲｙを測定した。

比較例５
実施例２と同じ方法で調製した生コークス（揮発分１３．８重量％、酸素含有量３．７重量％、平均粒子径２．４μｍ）３ｋｇに実施例１と同じバインダーピッチ２．７ｋｇを配合して混練した後粉砕し、粒度調整して成形粉（揮発分３０．７重量％、平均粒子径４３．４μｍ）を調製して等方性黒鉛材を製造したが、揮発分が多いため、９００℃で焼成炭化時に焼成体に割れが発生した。

このようにして得られた結果を、放電加工用黒鉛電極の製造方法を表１に、その特性および放電加工テストの結果を表２に示した。

表１、２の結果から、実施例の放電加工用黒鉛電極は、比較例の放電加工用黒鉛電極に比べて、高密度、高強度を備え、速い速度で放電加工しても電極消耗比が低く、被加工物の表面粗さも小さい。また、揮発分、酸素含有量、平均粒子径を特定した生コークスを用いて所定の量比でピッチ系バインダーと混練して粉砕し、揮発分、平均粒子径を特定した成形粉を等方成形することにより、このような優れた性能を有する放電加工用黒鉛電極を製造することが可能となる。

放電加工テスト装置の模式図である。

符号の説明

１放電加工用黒鉛電極
２貫通穴
３被加工物
ｔ電極消耗長さ
Ｌ被加工物の加工深さ

Claims

揮発分２〜２０重量％、酸素含有量０．５〜６．０重量％、平均粒子径１〜２０μｍに調整した生コークス１００重量部に対し、ピッチ系バインダーを４０〜１５０重量部の量比で配合して混練し、混練物を粉砕、粒度調整して得た揮発分が２０〜３０重量％、平均粒子径が５〜６０μｍの成形粉を等方成形し、成形体を焼成炭化および黒鉛化することを特徴とする等方性黒鉛からなる放電加工用黒鉛電極の製造方法。