JPH06122552A

JPH06122552A - 等方性高密度黒鉛材の製造方法

Info

Publication number: JPH06122552A
Application number: JP4299359A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Dosono; 充昭堂薗
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた材質強度と均質な組織物性を備える大
型の等方性高密度黒鉛材を安定して工業生産するための
製造方法を提供する。【構成】コークス骨材成分にピッチ系バインダーを混
練する捏合工程、混練物を再粉砕した原料粉をラバープ
レス成形する成形工程、ついで成形体を焼成炭化および
黒鉛化処理する炭化黒鉛化工程からなる等方性黒鉛材の
製造プロセスにおいて、前記捏合工程で揮発分含有量の
異なる混練物を調製し、成形工程時にラバー型１の中心
部に低揮発分の原料粉２が位置し、その外側に高揮発分
の原料粉３が介在する状態に原料充填する。高揮発分の
上限を１５％とし、これと低揮発分との揮発分差を１〜
４％の範囲に調製することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、とくに大型の等方性高
密度黒鉛材を安定して工業生産するための製造方法に関
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、ホットプレス用ダイス、アルミニウム蒸着用や
半導体製造用のルツボ、耐熱耐食性の各種治具材など多
くの用途に適用されているが、最近では一層高度な材質
強度を備える大型材料の開発が要望されている。

【０００３】現在、一般に実用されている等方性黒鉛材
の工業的な製造プロセスは、石油系または石炭系コーク
ス粉の骨材にピッチ系バインダーを配合して混練処理す
る捏合工程、混練物を再粉砕した原料粉をラバープレス
〔冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）〕により等方的に成形す
る成形工程、成形体を焼成炭化および黒鉛化する炭化黒
鉛化工程からなっている。このプロセスにおいて、材質
の密度や強度を高めるためにはバインダーピッチ成分の
添加量を多くし、炭化時の収縮度合を高めて組織の緻密
化を図ればよいが、ピッチ添加量の増加は炭化する際に
揮発分の多量発生を伴うため、材質組織に割れや気孔等
の欠陥現象が生じ易い。このような問題を解消するため
に、使用するピッチを工夫したり、混練後に揮発分を調
整する方法が提案されている（特開平２−69308 号公
報、特公平３−69845 号公報、特公平１−16789 号公
報）。

【０００４】前記の方法によれば比較的大きな等方性高
密度黒鉛材を得ることができるが、更に大型の材料を製
造しようとすると、炭化時に材質割れや亀裂が発生する
ようになって製品歩留りが低下する。また、前記のよう
な材質損傷なしに炭化処理できた場合でも、中心部と外
周部とで強度などの物性が異なるため、均質組織を有す
る大型の等方性高密度黒鉛材を安定して工業生産するこ
とは困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、大型の等
方性高密度黒鉛材を製造する場合に生じる材質損傷や組
織物性の変動を抑制化する方法について鋭意研究を重ね
た結果、原料粉の成形工程で成形体の中心部分の揮発分
を少なめにし、外側部分の揮発分を多めにするようにラ
バープレスすると、炭化時の収縮が均一となって材質損
傷等の現象が効果的に減少し、均質な組織物性が付与さ
れることを解明した。

【０００６】本発明は前記の知見に基づいて開発された
もので、その目的は、優れた材質強度と均質な組織物性
を備える大型の等方性高密度黒鉛材を安定して生産する
ための工業的な製造方法を提供しようとするところにあ
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高密度黒鉛材の製造方法は、非
黒鉛性炭素質を主体とする骨材成分とピッチ系バインダ
ーを混練する捏合工程、混練物を再粉砕した原料粉をラ
バープレス成形する成形工程、ついで成形体を焼成炭化
および黒鉛化処理する炭化黒鉛化工程からなる等方性黒
鉛材の製造プロセスにおいて、前記捏合工程で揮発分含
有量の異なる混練物を調製し、成形工程時にラバー型の
中心部に低揮発分の原料粉が位置し、その外側に高揮発
分の原料粉が介在する状態に原料粉充填することを構成
上の特徴とする。

【０００８】本発明の主要原料とな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、無煙炭などが挙げら
れるが、石油コークスまたはピッチコークスもしくはそ
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
こともできる。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。骨材は機械的な
粉砕手段により微粉砕して使用に供されるが、高密度組
織を得るためには最大粒径を１０μm 以下、平均粒径を
０．３〜３μmの範囲に粒度調整することが好ましい。

【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系ピッチなど
ピッチ系にものが用いられる。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与えるようになる。

【００１０】捏合工程は、前記の骨材成分とピッチ系バ
インダーが均一に分散混練するように捏合装置を用いて
おこなうが、この工程で揮発分含有量の異なる混練物を
調製することが本発明の第１の要件となる。揮発分含有
量の異なる混練物は少なくとも２種類を必要とするが、
その調製は捏合段階の途中で高揮発分の混練物を部分的
に取り出し、残りを引き続き捏合して低揮発分の混練物
として回収する方法でおこなうことができる。また、条
件を変えた複数の混練処理を同時または段階的におこな
って揮発分の異なる混練物を得ても差し支えない。

【００１１】この際、高揮発分の上限を１５％とし、こ
れと低揮発分との揮発分の差が１〜４％の範囲になるよ
うに調整することが好適である。この揮発分の差は目的
とする成形体のサイズによって異なるが、前記の範囲内
で比較的小型のものは揮発分差を小さくし、大型になる
ほど揮発分の差が大きくなるように組み合わせる。しか
し、高揮発分の上限が１５％を上廻り、揮発分の高低差
が４％を越えると炭化時に材質亀裂や特性減退を招くこ
とがあり、また揮発分差が１％未満であると組織物性の
変動抑制効果が得られなくなる。

【００１２】このようにして得られた揮発分の異なる混
練物は、適宜な機械的粉砕装置により別々に再粉砕処理
して原料粉を作製する。両原料粉の粒度分布は完全に一
致する必要はないが、可及的に同レベルに揃えることが
ラバー型に対する充填度合を均一にするために有利とな
る。原料粉の平均粒径は骨材段階における平均粒径と同
等以上とする必要がある。この理由は、骨材粒径より細
かく粉砕すると表面にバインダー成分が介在しない粒子
の割合が高くなり、緻密な材質組織が得られ難くなるた
めである。また、原料粉の最大粒径は骨材段階にける最
大粒径の３倍以下に設定することが好ましい。前記の最
大粒径を越えるようになると材質組織中に大きな気孔が
生成し、緻密な組織が得られなくなる。

【００１３】本発明の第２の要件は、揮発分含有量の異
なる原料粉をラバープレスのラバー型に低揮発分の原料
粉が中心部に位置し、その外側に高揮発分の原料粉が介
在する状態に充填する点にある。低揮発分の原料粉が中
心部に位置し、その外側に高揮発分の原料粉が介在する
状態とは、低揮発分の原料粉の周辺を高揮発分の原料粉
で被包する被包充填構造、あるいは底部から高揮発分、
低揮発分、高揮発分の原料粉を順次に積層させた積層充
填構造を意味するが、充填操作の面からは後者の積層充
填構造を採ることが便宜である。図１は２種類の原料粉
による積層充填構造を示した略断面図であり、１はラバ
ー型、２はラバー型内の中心部分に層状に詰められた低
揮発分の原料粉、３は低揮発分の原料粉２に外側に相当
するラバー型１の底部および上部に層状に詰められた高
揮発分の原料粉である。また、図２は２種類の原料粉に
よる被包充填構造を示した略断面図で、１はラバー型、
２はラバー型内の中心部分に詰められた低揮発分の原料
粉、３は前記低揮発分の周辺を被包する状態に充填され
た高揮発分の原料粉である。

【００１４】揮発分含有量の異なる原料粉の配合比率
は、高揮発分と低揮発分からなる２種系の原料粉を例に
とると、高揮発分と低揮発分の容積比率として６０：４
０〜８０：２０が好適な範囲である。したがって、図１
の積層充填構造の場合には、まずラバー型の底部に高揮
発分の原料粉３０〜４０ vol％を入れ、ついで低揮発分
の原料粉４０〜２０ vol％を入れ、最後に高揮発分の原
料粉３０〜４０ vol％を順次に充填する。

【００１５】成形工程は、上記のように原料粉が充填さ
れたラバー型をラバープレスにセットし、静水圧プレス
することによっておこなわれる。ついで、成形体を常法
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、さら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。

【００１６】

【作用】大型の等方性高密度黒鉛材を製造する場合に生
じる材質損傷や組織内部の物性変動は、成形体の中心部
と外周部の炭化収縮率の違いによってもたらされる要素
が大きい。すなわち、成形体中のピッチ成分は炭化に際
して一部は揮発分として揮散し、一部は縮合して成形体
を緻密化する働きをするが、中心部に位置する原料粉の
ピッチ成分は外側の原料粉によって揮発分の揮散が妨げ
られるため、縮合する割合が相対的に高くなる。これと
は逆に、外側部分に介在するピッチ成分は中心部に比べ
て成分揮散する割合が高くなる。成形体が小さい場合に
は、このような揮散現象の内外差が小さいので炭化時の
熱応力は材質損傷を与える発生しないが、成形体が大き
くなると前記の内外差が大きくなってストレスが増大
し、材質に割れや亀裂が発生するようになる。仮に炭化
時に材質損傷が生じなくても組織の中心部と外周部で物
性が大きく変動する。

【００１７】本発明によれば、捏合工程で揮発分含有量
の異なる混練物を調製し、成形工程の段階で中心部に低
揮発分の原料粉が位置し、その外側に高揮発分の原料粉
が介在する状態にラバー型に原料充填するプロセスを採
るから、成形体を焼成炭化する際には中心部からの成分
揮散は少なく外側の成分揮散が相対的に多くなるため全
体としての炭化収縮が比較的均等に進行する。同時に外
側に介在する高揮発分ピッチの縮合により組織の緻密度
が増して材質強度が向上する。

【００１８】このような作用が相乗して、大型成形体を
炭化するときにも材質損傷を発生させることなく、常に
安定して高強度の等方性高密度黒鉛材を得ることがで
き、また材質内部に物性変動がない均質な組織として製
造することが可能となる。

【００１９】

【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。

【００２０】実施例１平均粒径２．５μm 、最大粒径１０μm の石炭系コーク
ス粉１００重量部にピッチバインダー１１０重量部を配
合してＺ型捏合機で投入し、２００℃に加熱しながら捏
合処理した。捏合段階で揮発分が１５％になった時点で
混練物の６０ vol％を取り出し、残りは揮発分が１１％
になるまで捏合を継続した。各混練物（揮発分差４％）
を冷却したのち、ジェット粉砕機により平均粒径７μm
、最大粒径２８μm に再粉砕して揮発分含有量が異な
る２種類の原料粉を調製した。

【００２１】ついで、ラバー型に揮発分１５％の原料粉
を半量充填し、その上面に揮発分１１％の原料粉を充填
し、最後に残りの揮発分１５％の原料粉を充填した。こ
のようにして図１に示すように積層充填したラバー型を
ラバープレスにセットし、４００×７００×１３００mm
のブロック形状に成形した。この成形体を焼成炉に詰め
て非酸化性雰囲気下で約１０００℃の温度で焼成炭化
し、さらに黒鉛化炉に移して約３０００℃の高温度で黒
鉛化処理した。製造された等方性高密度黒鉛材の中心部
と外周部について材質亀裂の発生状況ならびに各種特性
を測定し、その結果を表１に示した。

【００２２】実施例２捏合工程で揮発分１４％と１１％の各混練物（揮発分差
３％）を調製し、その他は全て実施例１と同一の条件に
より等方性高密度黒鉛材を製造した。このものにつき実
施例１と同一の測定をおこない、結果を表１に併載し
た。

【００２３】実施例３捏合工程で揮発分１６％と９％の各混練物（揮発分差７
％）を調製し、その他は全て実施例１と同一の条件によ
り等方性高密度黒鉛材を製造した。このものにつき実施
例１と同一の測定をおこない、結果を表１に併載した。

【００２４】実施例４平均粒径４μm 、最大粒径１８μm の石炭系コークス粉
１００重量部にピッチバインダー９０重量部を加え、Ｚ
型捏合機で２００℃に加熱しながら揮発分が１３％にな
ったところで混練物の６０ vol％を取り出し、残りは揮
発分が１０％になるまで捏合処理を続けた。各混練物
（揮発分差３％）を冷却したのち、ジェット粉砕機で平
均粒径１１μm 、最大粒径３５μm に再粉砕して揮発分
含有量の異なる２種類の原料粉を調製した。これらの原
料粉を、揮発分１３％の半量、揮発分１０％の全量、揮
発分１３％の半量の順序でラバー型に積層充填し、ラバ
ープレスで４００×７００×１３００mmのサイズに成形
した。この成形体を実施例１と同一の条件により炭化黒
鉛化処理を施した。得られた等方性高密度黒鉛材の各種
測定結果を表１に併載した。

【００２５】比較例１実施例１と同様の捏合工程で揮発分１３％の混練物を作
製し、これを粉砕処理して単一の原料粉を得た。この原
料粉をラバープレス成形したのち、焼成炭化および黒鉛
化処理を施して等方性黒鉛材を製造した。その他の条件
は全て実施例１と同一とした。このようにして製造され
た等方性黒鉛材の各種測定結果を表１に併載した。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１の結果から、実施例で製造された等方
性高密度黒鉛材は比較例に比べて優れた材質強度を備
え、中心部と外周部とで特性変動が少ない均質な組織が
形成されていることが認められる。しかし、実施例３で
は高揮発分が１６％で揮発分差が７％の原料粉を使用し
ている関係で、材質の外周部に若干の亀裂が認められ、
内外組織の物性変動も多少大きくなる傾向を示した。

【００２８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば従来の製
造プロセスのうち捏合工程ならびに成形工程に簡易な改
良を加えることにより、高強度で均質な材質組織を備え
る大型の等方性高密度黒鉛材を効率的に工業生産するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により２種類の原料粉をラバー型に積層
充填した構造を示した略断面図である。

【図２】本発明により２種類の原料粉をラバー型に被包
充填した構造を示した略断面図である。

【符号の説明】

１ラバー型２低揮発分の原料粉３高揮発分の原料粉

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非黒鉛性炭素質を主体とする骨材成分と
ピッチ系バインダーを混練する捏合工程、混練物を再粉
砕した原料粉をラバープレス成形する成形工程、ついで
成形体を焼成炭化および黒鉛化処理する炭化黒鉛化工程
からなる等方性黒鉛材の製造プロセスにおいて、前記捏
合工程で揮発分含有量の異なる混練物を調製し、成形工
程時にラバー型の中心部に低揮発分の原料粉が位置し、
その外側に高揮発分の原料粉が介在する状態に原料粉充
填することを特徴とする等方性高密度黒鉛材の製造方
法。
【請求項２】高揮発分の上限を１５％とし、これと低
揮発分との揮発分の差を１〜４％の範囲に調整する請求
項１記載の等方性高密度黒鉛材の製造方法。