JPH05229810A - 等方性高密度黒鉛材の製造方法 - Google Patents

等方性高密度黒鉛材の製造方法

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JPH05229810A
JPH05229810A JP4069572A JP6957292A JPH05229810A JP H05229810 A JPH05229810 A JP H05229810A JP 4069572 A JP4069572 A JP 4069572A JP 6957292 A JP6957292 A JP 6957292A JP H05229810 A JPH05229810 A JP H05229810A
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充昭 堂薗
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた材質強度と正常な材質組織を有する等
方性高密度黒鉛材を安定かつ効率的に製造する方法を提
供する。 【構成】 最大粒子径が10μm 以下のコークス骨材 100
重量部にピッチ系バインダー70〜110 重量部を添加して
捏合し、混練物を粗粉砕したのち 250〜450 ℃の温度域
で熱処理することによりトルエン可溶分およびβ−レジ
ン分が各5〜15重量%の範囲になるように揮発分調整す
る。ついで、再度粉砕してラバープレスにより所定形状
に成形し、成形体を焼成炭化および黒鉛化処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、優れた材質強度を備え
る等方性高密度黒鉛材を安定かつ効率的に製造する方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】等方性高密度黒鉛材は、例えば放電加工
用電極、高強度治具材、アルミニウム蒸着用ルツボなど
多様な部材として有用されている。一般に、等方性高密
度黒鉛材は、石油系、石炭系などのコークス粉を骨材と
し、これに結合剤であるピッチを添加して混練、再粉砕
したのち、ラバープレスにより成形し、成形体を焼成炭
化および黒鉛化する方法により製造される。この場合、
放電加工用電極を製造目的とする際には、骨材コークス
粉の平均粒子径が大きいと消耗により表面の凹凸が大き
くなり、これによって仕上げ面が粗面となるため、骨材
の平均粒径を10μm 以下に調整する必要がる。また、高
強度治具材やアルミニウム蒸着用ルツボにおいても、高
強度、高密度を得るために骨材コークス粉の平均粒径は
可及的に小さくすることが好ましい。
【0003】ところが、骨材の平均粒径を小さくすると
吸油量が増大し、多量のピッチバインダーを使用しない
と骨材コークス粉との均一な捏合ができなくなる。この
ためバインダー量を多くすると、焼成段階で含有する揮
発成分が一時に多量発生して材質組織に亀裂や破損など
の欠陥現象が生じる原因となる。したがって、大型の等
方性黒鉛材料を製造することは不可能となる。このよう
な問題の解消を図るため、焼成前に混練原料中の揮発分
を調整する技術が開発されている。例えば、混練の終了
後に捏合機の蓋を開放して発生ガスをブロワーで排気す
ることにより揮発分を調整する方法(特公平1−16789
号公報) 、骨材とバインダーを混練したのち粗粉砕して
不活性雰囲気中で加熱することにより揮発分を調整する
方法(特開昭62−182107号公報、特公平1−24724 号公
報、特公平3−29001 号公報) などが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらの先行技術は、
焼成時に亀裂や破損を引き起こす主因となる揮発成分、
とくにピッチ中に含まれる分子量の小さなトルエン可溶
分を予め除去することにより全体の揮発分量を調整する
ものである。しかしながら、焼成段階における亀裂や破
損などの材質損傷を抑制し、常に安定して優れた材質特
性の等方性高密度黒鉛材を得るためには、それらの現象
に影響を与えるその他の条件因子を解明する必要があ
る。
【0005】本発明者は、用いるバインダーの種類、配
合量、揮発分、分子量分布などに着目して多面的に研究
を重ねた結果、バインダー中のトルエン可溶分だけでは
なくこれより高分子量のβ−レジン成分も焼成時の材質
損傷に関係することを突き止め、更にトルエン可溶分と
併せてβ−レジン分を一定範囲に調整すると焼成時の材
質損傷を伴うことなしに安定して高強度の等方性高密度
黒鉛材を製造し得ることを解明した。
【0006】本発明は、上記の知見に基づいて開発され
たもので、その目的は優れた材質強度と正常な材質組織
を有する等方性高密度黒鉛材を安定かつ効率よく得るた
めの工業的な製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題が解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による等方性黒鉛材の製造方法は、最大粒子
径が10μm 以下の非黒鉛性炭素質を主体とする骨材成分
100重量部に対してピッチ系バインダー70〜110 重量部
を添加捏合し、混練物を粗粉砕したのち 250〜450 ℃の
温度域で熱処理することによってトルエン可溶分および
β−レジン分を各5〜15重量%の範囲になるように揮発
分調整し、再度粉砕してラバープレスにより所定形状に
成形し、ついで焼成炭化および黒鉛化処理を施すことを
構成上の特徴とする。
【0008】本発明に適用される非黒鉛性炭素質を主体
とする骨材成分としては、例えば石油コークス、ピッチ
コークス、カーボンブラック、無煙炭などを挙げること
ができるが、石油コークス、ピッチコークスあるいはそ
の混合物が好ましく用いられる。これらの骨材成分に人
造黒鉛のような黒鉛質の粉末を若干量配合して使用する
ことも可能である。しかし、黒鉛粉末の配合比率が高く
なると製品の等方性が低下する恐れがある。骨材は機械
的粉砕機により微粉砕して使用に供されるが、高密度組
織を得るために最大粒径を10μm 以下にする必要があ
り、好ましくは平均粒径を 0.3〜3μm の範囲に粒度調
整する。
【0009】バインダーには、石炭系の硬ピッチ、中ピ
ッチ、軟ピッチ、コールタールのほか石油ピッチなどピ
ッチ系のものが用いられる。該ピッチ系バインダーは、
骨材成分 100重量部に対して70〜110 重量部の割合で配
合する。バインダー量が70重量部未満では結合力が不十
分となり、110 重量部を越えると焼成後の材質に亀裂や
破損を生じるようになる。
【0010】骨材成分とバインダーとの捏合は、捏合装
置を用いて両成分が均一に分散混練し、バインダーが骨
材を十分に被覆するまでおこなう。捏合時の温度は、ピ
ッチ系バインダーが軟化する温度に保持する必要がある
ため、通常 150℃以上になるまで加熱されるが、250 ℃
を越えるとピッチの揮発分が蒸発するようになるため好
ましくない。したがって、 150〜250 ℃の温度範囲で適
宜に設定される。捏合処理後の混練物は塊状であるた
め、これを最大10mm以下の粒径に粗粉砕する。粒径が10
mmを越える塊状物があると、表面部と内部のトルエン可
溶分およびβ−レジン分の量が均一になり難い。なお、
本発明におけるトルエン不溶分およびΒ−レジンは粒度
212〜 500μm に粉砕した試料をトルエンまたはキノリ
ンで抽出することで測定したものである。
【0011】粗粉砕した混練物は、ついで 250〜450 ℃
の温度域で熱処理を施してトルエン可溶分およびβ−レ
ジン分がそれぞれ5〜15重量%の範囲に入るように揮発
分調整する。この際の熱処理温度が 250℃未満であると
トルエン可溶分の揮散除去に長時間を要し、一方、450
℃を越えるとトルエン可溶分とβ−レジン分が急激に減
少して焼結性が不足し、結果的に得られる等方性黒鉛材
の強度が低下する。熱処理時の雰囲気は、酸化性雰囲気
でも不活性雰囲気でもよいが、酸化性雰囲気を採用する
ときには酸素濃度が高くなり過ぎるとトルエン可溶分お
よびβ−レジン分の減少が極めて急速に進むため、熱処
理温度を低くする必要がある。熱処理は揮発成分が揮散
してトルエン可溶分およびβ−レジン分が共に5〜15重
量%の範囲になった時点で終了する。トルエン可溶分お
よび/またはβ−レジン分が15重量%を越える場合に
は、揮発成分の除去が不十分となって焼成時に材質組織
に亀裂が生じ、製造される等方性黒鉛材の組織密度も上
がらず、期待する材質強度が得られなくなる。また、ト
ルエン可溶分および/またはβ−レジン分が5重量%未
満になるほど揮発分の揮散が進むと結合力が減退して、
同様の材質欠陥と特性不足を招くようになる。
【0012】このようにして揮発分調整した混練物は、
粉砕機により粉砕処理する。使用する粉砕機の種類は限
定されないが、粉砕した粉末の平均粒径は骨材の平均粒
径以上であることが必要である。粉砕を骨材の平均粒径
以下までおこなうと表面にバインダー成分が存在しない
骨材の割合が高くなるため緻密な黒鉛材が得られなくな
る。また、粉砕粉の最大粒径は、骨材の最大粒径の3倍
以内であることが好ましく、これ以上になると黒鉛材の
組織中に大きな気孔が生成して緻密な組織が得られな
い。
【0013】粉砕した粉末を成形材料としラバープレス
を用いて所定形状に成形したのち、常法により非酸化性
雰囲気下の加熱炉で1000℃までの温度で焼成炭化し、更
に黒鉛化炉に移して2500℃以上の高温度域で黒鉛化処理
して等方性高密度黒鉛材を得る。
【0014】
【作用】本発明による揮発分調整の対象は、トルエン可
溶分とβ−レジン分の両成分である。β−レジン分はト
ルエンに不溶であってキノリンに可溶な成分で、トルエ
ン可溶分より大きな分子量をもつためバインダー的な結
合機能を有するが、この調整をおこなわないと焼成工程
での材質損傷を避けることが難しい。本発明では骨材と
ピッチ系バインダーの混練物を熱処理してトルエン可溶
分およびβ−レジン分の両成分が5〜15重量%の範囲に
なる揮発分調整することにより、焼成段階での材質損傷
を伴うことなく等方性高密度黒鉛材の製造が可能にな
る。そのうえ、得られる黒鉛材の強度が向上する効果も
同時にもたらされる。この機構は詳しく解明するに至っ
ていないが、熱処理後の混練物中に存在するバインダー
成分の分子量分布が焼成時に組織破壊を起こさずに円滑
かつ強固に焼結して緻密組織を形成するために最も好適
な状態となっていることに起因するものと推測される。
【0015】このような機構が、骨材の粒度、骨材とピ
ッチ系バインダーの配合比率などその他の特定条件によ
る作用と相俟って、常に安定して高品質の等方性高密度
黒鉛材が製造される。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
【0017】実施例1 平均粒径が 2.5μm で最大粒径が10μm のピッチコーク
ス粉 100重量部にピッチ 110重量部を配合してZ型捏合
機に投入し、200 ℃に加熱しながら十分に捏合処理し
た。冷却後、混練物を最大粒径5mm以下に粗粉砕した。
ついで、粗粉砕した混練物を大気雰囲気下で 300℃の温
度に30分熱処理して揮発分調整をおこなった。これをジ
ェット粉砕機で平均粒径が7μm 、最大粒径が28μm に
なるように微粉砕したのちラバープレスでブロック状に
成形し、成形体を焼成炉に詰めて非酸化雰囲気下で約10
00℃に焼成炭化し、さらに黒鉛化炉に移して3000℃の温
度で黒鉛化した。このようにして製造された等方性黒鉛
材の各種特性および材質亀裂の発生状況を測定し、その
結果を熱処理後のトルエン可溶分およびβ−レジン分と
対比させて表1に示した。
【0018】実施例2 平均粒径が4μm で最大粒径が14μm のピッチコークス
粉 100重量部にピッチ98重量部を配合してZ型捏合機に
投入し、200 ℃に加熱しながら十分に捏合処理した。冷
却後、最大粒径5mm以下に粗粉砕したのち、実施例1と
同一条件で熱処理を施して揮発分調整をおこなった。こ
れをジェット粉砕機で平均粒径が 8.7μm 、最大粒径が
33μm になるように微粉砕し、ラバープレスでブロック
状に成形したのち実施例1と同一条件で焼成炭化および
黒鉛化して等方性黒鉛材を製造した。得られた等方性黒
鉛材の各種特性を測定し、結果を熱処理後のトルエン可
溶分およびβ−レジン分とともに表1に併載した。
【0019】実施例3 平均粒径 2.5μm 、最大粒径10μm のピッチコークス粉
100重量部にピッチ110 重量部を配合してZ型捏合機に
投入し、200 ℃に加熱しながら十分に捏合処理した。冷
却後、最大粒径5mm以下に粗粉砕したのち、窒素雰囲気
下において400℃の温度で30分熱処理して揮発分調整を
おこなった。引き続き、実施例1と同一条件で粉砕、成
形、焼成および黒鉛化処理を施して等方性黒鉛材を製造
した。得られた黒鉛材の各種特性を測定し、結果を熱処
理後のトルエン可溶分およびβ−レジン分と対比させて
表2に併載した。
【0020】比較例1 熱処理を、大気雰囲気下で 400℃の温度に30分加熱する
条件でおこなった以外は、全て実施例1と同一の条件に
より等方性黒鉛材を製造した。得られた黒鉛材の各種特
性を測定し、結果を熱処理後のトルエン可溶分およびβ
−レジン分と対比させて表1に併載した。
【0021】比較例2 熱処理を、窒素雰囲気中で 300℃の温度に30分加熱する
条件でおこなった以外は、全て実施例1と同一の条件に
より等方性黒鉛材を製造した。得られた黒鉛材の各種特
性を測定し、結果を熱処理後のトルエン可溶分およびβ
−レジン分と対比させて表1に併載した。
【0022】
【表1】
【0023】表1の結果から、熱処理後のトルエン可溶
分およびβ−レジン分の量が本発明の要件を満たす実施
例の等方性黒鉛材は高密度で優れた強度を有しており、
材質亀裂の発生も認められない。これに対し、トルエン
可溶分とβ−レジン分が共に本発明の要件を外れる比較
例1、トルエン可溶分が本発明の要件を外れる比較例2
による等方性黒鉛材は本発明品に比べていずれも密度、
強度とも低く、材質亀裂の発生も認められた。
【0024】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば高密度、
高強度で正常な材質組織を備える等方性黒鉛材を安定か
つ効率的に製造することができる。したがって、放電加
工用電極、高強度治具材、アルミニウム蒸着用ルツボ等
を用途目的とした黒鉛材料の工業的な製造技術として有
用である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 最大粒子径が10μm 以下の非黒鉛性炭素
    質を主体とする骨材成分 100重量部に対してピッチ系バ
    インダー70〜110 重量部を添加捏合し、混練物を粗粉砕
    したのち 250〜450 ℃の温度域で熱処理することによっ
    てトルエン可溶分およびβ−レジン分が各5〜15重量%
    の範囲になるように揮発分調整し、再度粉砕してラバー
    プレスにより所定形状に成形し、ついで焼成炭化および
    黒鉛化処理を施すことを特徴とする等方性高密度黒鉛材
    の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2711644A1 (fr) * 1993-10-22 1995-05-05 Tokai Carbon Cy Ltd Procédé de fabrication d'un graphite isotropique à haute résistance et composant de piston ainsi obtenu.
JP2005297082A (ja) * 2004-04-07 2005-10-27 Tokai Carbon Co Ltd 放電加工用黒鉛電極およびその製造方法
JP2007273206A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Japan Siper Quarts Corp アーク溶融用高純度炭素電極とその用途
US20100095880A1 (en) * 2008-10-17 2010-04-22 Japan Super Quartz Corporation Arc melting high-purity carbon electrode and application thereof

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FR2711644A1 (fr) * 1993-10-22 1995-05-05 Tokai Carbon Cy Ltd Procédé de fabrication d'un graphite isotropique à haute résistance et composant de piston ainsi obtenu.
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US20100095880A1 (en) * 2008-10-17 2010-04-22 Japan Super Quartz Corporation Arc melting high-purity carbon electrode and application thereof

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