KR100973086B1 - 등방성 탄소재 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 자기소결성을 갖는 일원계 피치를 포함하여 이루어진 등방성 탄소재와 그의 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명에 의한 등방성 탄소재는 마찰조제로서 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어질 수 있다. 본 발명에 의하여 제조된 등방성 탄소재는 휘발분 함량이 조절된 피치를 함유하여 밀도가 높고, 조직이 치밀하여 기밀성이 우수하며, 기계적 물성 및 마찰안정성이 우수하므로, 특히 기계용 씰이나 기계용 탄소제품으로 이용되기에 적합한 특성을 갖는다.
등방성 탄소재, 피치, 휘발분, 이방성 흑연
Description
본 발명은 등방성 탄소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치를 포함하여 이루어진 탄소재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 휘발분 함량이 조절된 피치 및 마찰조제로서 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 마찰안정성이 우수한 고밀도 등방성 탄소재에 관한 것이다.
탄소는 기계 및 화학공업 분야에서 중요한 역할을 하는 화학적으로 안정한 원소로서, 물리적으로는 금속적 성질과 세라믹적 성질을 모두 지니고 있으며, c축 방향으로 반 데르 발스 결합을 하고 있으며, 그에 수직인 a, b면상에는 공유결합을 하고 있어 큰 이방성을 나타내는 특성을 지닌다. 특히, 금속이나 세라믹에서 볼 수 없는 윤활성, 내열성, 내열충격성, 열전도성, 내식성 등이 우수하여, 기계용 축수, 베인 및 씰 등에 적합한 재료로 여겨지고 있다. 탄소재가 기계용 씰로 이용되 기 위하여는 밀도가 높아 기밀성을 유지할 수 있어야 하며, 우수한 마찰안정성을 가질 것이 요구된다.
일반적으로 탄소재 기계용 씰은 코크스와 피치바인더를 이용하여 제조된다. 코크스는 피치를 불활성 분위기에서 열처리하여 제조되는 것으로 배향성을 가지고 있어 탄화 및 흑연화 공정을 거치면서 흑연결정으로 발달하므로 탄소재 원료로 이용되며, 코크스 간의 결합력이 약하기 때문에 피치 바인더를 첨가하여 성형성을 부여하고 코크스 간의 결합을 유도한다. 피치는 열처리를 통하여 상당량의 휘발분이 제거되면서 동시에 중축합반응이 일어나는데 이러한 과정은 탄소재의 조직을 결정하는 중요한 단계이다. 코크스의 배향성이나 밀도 등의 특성에 따라 최종 생성물인 탄소재의 특성이 달라지므로 코크스의 특성 제어는 매우 중요하다.
전술한 바와 같이 탄소재가 기계용 씰로 이용되기 위해서는 밀도가 높아 기밀성을 유지할 수 있어야 한다. 그러나, 코크스와 피치바인더를 이용하여 탄소재를 제조하는 종래 방법에 의하면 코크스와 피치 자체의 휘발분으로 인해 상당량의 기공이 조직 내에 발생하여 기밀성 유지가 어렵게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 수회에 거쳐 피치 함침 공정을 거치거나, 흑연분말을 표면처리하여 밀도를 증가시키는 등의 방법이 시도되었으나, 아직 만족할 만한 수준은 아니었으며, 피치의 열처리를 통한 휘발분 함량 조절을 통한 물성 제어에 대해서는 연구가 미약한 실정이었다. 또한, 기계용 씰로서 이용되기 위해서는 우수한 마찰안정성을 가질 것이 요구되나 종래 방법에 의하여 제조된 탄소재는 마찰안정성 측면에 있어서도 만족할 만한 정도는 아니어서, 기계용 씰로 이용되 기에 적합한 더욱 향상된 마찰안정성을 가지는 탄소재에 대한 요구가 존재하였다.
본 발명의 목적은 기계용 씰로 이용되기에 적합한 마찰안정성이 우수하며, 고밀도인 등방성 탄소재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 피치를 열처리하여 휘발분 함량을 조절함으로써 자기소결성을 갖도록 하고, 마찰안정성 향상을 위하여 이방성 흑연분말을 첨가하는 것을 포함하는 등방성 탄소재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명자들은 종래 방법에서 원료로 이용되는 코크스와 피치 바인더를 대신하여 점결력을 가지며, 결합력이 우수한 피치를 열처리하여 휘발분 함량을 조절함으로써 제조된 자기소결성 일원계 피치를 이용하여 제조한 탄소재 및 마찰 특성 향상을 위하여 자기윤활성이 우수한 이방성 흑연을 더 첨가하여 탄소재가 고밀도 등방성이며, 마찰안정성이 우수한 물성을 가져 기계용 씰로 이용되기에 적합한 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12 중량%로 조절된 피치를 포함하여 이루어진 등방성 탄소재에 관한 것으로, 본 발명에 의한 등방성 탄소재는 이방성 흑연 분말을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 피치를 460~500℃에서 4~6시간 동안 열처리하여 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등방성 탄소재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 종래 탄소재 제조의 원료로 이용되는 코크스와 피치바인더 대신에 피치를 열처리함으로써 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 자기소결성 피치를 이용하여 기계용 씰로 적용되기에 적합한 등방성 탄소재를 제조할 수 있다.
또한, 상기 휘발분 함량이 조절된 피치에 이방성 흑연분말을 마찰조제로서 첨가함으로써 마찰안정성이 우수한 고밀도의 등방성 탄소재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 등방성 탄소재는 밀도가 높고, 기공도 작아져 치밀한 조직을 가지며, 낮은 마찰계수를 가지므로 각종 기계용 탄소 제품 또는 기계용 씰 등에 이용될 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기 술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 등방성 탄소재는 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 출발물질로 이용되는 피치는 탄소재 제조에 일반적으로 이용되는 석탄 피치 또는 석유 피치를 포함하며, 바람직하게는 석탄 피치를 이용한다. 탄소재 재료인 피치의 열처리 조건에 따라 기공 구조의 균일도와 기공 벽면의 배향성이 결정되며, 이에 따라 최종적으로 생성된 탄소재의 물성이 결정되므로 열처리 조건의 제어가 매우 중요하다. 피치는 열 개질을 통해 상당량의 휘발분이 제거됨과 동시에 탈수소화 및 중축합 반응이 일어나 고분자화가 진행된다. 즉, 일반적으로 탄화과정은 휘발분인 CH 화합물의 분해와 동시에 방향족 화합물의 중축합 반응이 일어나는 과정이며, 이 과정에서 CH 화합물의 분해량이 많으면 상당한 가스압이 발생하여 연화된 상태의 성형체를 부푼 상태로 경화시켜 성형체의 치수안정성을 확보하지 못하게 하므로, 휘발분 함량의 제어가 매우 중요한 역할을 한다.
본 발명에서는 피치를 열처리함으로써 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절한다. 잔류하는 휘발분 함량이 12중량%를 넘게 되면 피치가 부풀게 되어 기공이 많아져 형상 변화를 초래하며, 8중량% 이하이면 피치의 점성이 증대되어 점결력이 없고, 입자들간의 결합력이 약해져서 조직이 치밀하지 못하여 물성이 급격히 저하될 뿐 아니라 성형 자체가 이루어질 수 없다. 따라서, 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절하기 위한 열처리 조건의 제어가 매우 중요하다.
본 발명에서는 피치를 460~500℃에서 4~6시간 동안 열처리하여 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절하며, 480℃에서 4~6시간 동안 열처리하는 것이 특히 바람직하다. 온도가 460℃ 미만이면 휘발분의 감소량이 작아지며, 방향족 화합물의 중축합 속도가 감소하여 피치가 부풀고 내부조직에 기공율이 높아져 밀도가 감소하는 문제점이 발생하며, 온도가 500℃를 초과하면 휘발분이 거의 전부 제거되어 점성이 높아지므로 성형이 이루어지지 않으며, 입자들의 결합력이 약해지고 물성이 급격히 저하되는 문제점이 발생한다.
또한, 열처리 시간은 4~6시간이 바람직하며, 열처리 시간이 4시간 미만인 경우에는 휘발분 함량이 많아져서 탄화시에 휘발분 배출로 인한 부풀음 현상이 발생하며, 6시간을 초과하는 경우에는 잔류하는 휘발분 함량이 너무 적어져서 성형이 곤란하게 되며 물성이 저하된다.
열처리 시에는 휘발분의 효과적인 배출과 균일한 중축합 반응을 유도하기 위하여 80~100rpm의 속도로 교반하면서 열처리하는 것이 바람직하며, 피치가 공기와 반응하여 산화되지 않도록 불활성 분위기를 유지하는 것이 바람직하다. 불활성 분위기 유지에 이용되는 매체는 특히 제한되는 것은 아니며, 질소 또는 아르곤 등을 예로 들 수 있다.
이와 같이 열처리 온도 및 시간을 제어함으로써 본 발명에 따른 등방성 탄소재 제조에 적합하도록 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치를 제조할 수 있다. 휘발분 함량이 조절된 자기소결성 일원계 피치를 통상의 방법에 따라 분말화하여 성형한 후, 탄화 및 흑연화함으로써 본 발명에 따른 탄소재를 제조할 수 있다.
여기서 분말화 방법은 당업계에 공지된 방법 중 적합한 것을 선택하여 이용할 수 있으며, 예를 들어 습식 볼밀 방법을 이용하여 행할 수 있으며 볼밀 회전 속도는 제조 조건에 따라 달라질 수 있다. 피치를 325메쉬 이하의 분말로 형성하고, 이를 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 탄화 및 흑연화하는 과정을 거쳐 등방성 탄소재를 제조한다. 상기 탄화 및 흑연화 과정은 특히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 성형체를 1100~1250℃에서 2~4시간 동안 열처리하여 탄화시킨 후, 2200~3000℃에서 1~3시간 동안 열처리하여 흑연화할 수 있다. 또한, 탄화 및 흑연화는 아르곤 등의 불활성 분위기 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이 때, 열처리된 피치의 마찰안정성 향상을 위하여 마찰조제로서 이방성 흑연분말을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 구체적으로는 상기 열처리를 통하여 휘발분 함량이 조절된 피치와 이방성 흑연 분말을 혼합하여 분말화한 후, 성형체를 형성하여 탄화 및 흑연화 단계를 거치게 된다. 이방성 흑연분말은 압출방식으로 제조하여 길이방향과 두께방향으로 두께차이가 나며 길이방향으로 배향성이 발달하여 자기 윤활성이 우수한 특징을 가진다. 이처럼 이방성 흑연분말은 자기윤활성이 우수하므로, 피치와 혼합되어 탄화, 흑연화 과정을 거치면서 마찰이 진행되어 안정적인 마찰 특성을 나타냄과 동시에 윤활층을 형성하여 마찰계수를 낮출 수 있다. 이방성 흑연분말은 피치의 중량을 기준으로 1~10중량%의 양으로 첨가하며, 2~8중량%인 것이 특히 바람직하다. 이방성 흑연분말이 1중량% 미만인 경우에는 마찰안정성 향상의 효과를 얻을 수 없으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 성형이 이루어지지 않는다.
이방성 흑연분말을 열처리된 피치와 혼합하여 325메쉬 이하의 입도를 갖는 분말로 분말화한다. 혼합 및 분말화 방법은 당업계에 공지된 방법을 모두 이용할 수 있으며, 예를 들어 습식 볼밀 방법을 이용하여 행할 수 있으며 볼밀 회전 속도는 제조 조건에 따라 달라질 수 있다. 피치와 이방성 흑연분말의 혼합물을 325메쉬 이하의 분말로 형성하여 탄소재를 제조하면 고밀도의 등방성 탄소재를 얻을 수 있다.
상기 혼합물 분말을 가압 성형하여 성형체를 형성한 후, 탄화 및 흑연화하는 과정을 거쳐 등방성 탄소재를 제조한다. 상기 탄화 및 흑연화 과정은 특히 제한되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 예를 들어 상기 성형체를 1100~1250℃에서 2~4시간 동안 열처리하여 탄화시킨 후, 2200~3000℃에서 1~3시간 동안 열처리하여 흑연화할 수 있다. 또한, 탄화 및 흑연화는 아르곤 등의 불활성 분위기 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 제조된 본 발명에 의한 등방성 탄소재는 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하며, 1.8g/㎤ 이상의 밀도를 가지고, 마찰안정성이 우수하며, 기계용 씰로서 적합한 물성을 가지는 고밀도 등방성 탄소재를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 등방성 탄소재 및 그의 제조 방법에 대해, 하기 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예 및 첨부된 도면은 단지 예시를 위한 것으로서 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 청구 범위에 기재된 사항을 바탕으로 적절한 변형 및 수정이 가능하다.
실시예
1:
열처리된
피치의 제조
본 발명에 따른 등방성 탄소재에 이용되는 열처된 피치를 제조하기 위하여 하기 표 1의 특성을 가지는 석탄계 피치(동양제철화학(주))를 사용하였다.
| 용해도(%) | S.P.(℃) | 석탄화값(%) | 비중(g/㎤) | ||
| BI | TI | ||||
| 석탄계 피치 | 10-15 | 30-35 | 100-120 | 50 | 1.2 |
BI: 벤젠 불용성 TI: 톨루엔 불용성 S.P.: 연화점
상기 피치를 SUS 용기에 담아 도 1의 반응기 내에 장입한 후, 80rpm의 속도로 교반하면서 5℃/min의 승온속도로 480℃에서 각각 0, 1, 2, 4, 6 및 8시간 유지하여 열처리하였다. 열처리 장치는 PID 온도 조절기(SCR 유닛)를 이용하여 ±1℃로 제어하였으며, 열처리동안 질소가스를 주입하여 불활성 분위기를 유지하였다.
상기와 같이 열처리 시간을 달리하여 제조한 피치의 열중량을 분석하고, 잔류하는 휘발분 함량을 결정하였다. 열중량 분석에 사용된 기기는 스위스 메틀러(Mettler)사의 TGA/SDTA851 열분석 시스템(Thermal Analysis System)이며, 상기 제조된 각각의 피치 7㎎을 아르곤 분위기 하에서 25℃에서 800℃까지 10℃/min의 속도로 승온하면서 열중량을 분석하여 휘발분 함량을 측정하였으며, 그 결과를 도 2 및 3에 나타낸다.
도 2 및 3을 참조하면, 피치의 열처리 시간이 증가할수록, 휘발분 함량은 감소하는 것을 알 수 있다. 열처리 시간이 2시간인 경우 휘발분 함량은 20중량%인데 반하여 열처리 시간이 4시간인 경우 12중량%이며, 6시간인 경우 8중량%로 감소하였다. 이로부터 본 발명에 따른 열처리 조건에 의하여 제조된 피치는 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절됨을 확인하였다.
실시예
2:
탄소재
제조
상기 열처리된 피치에 이방성 흑연 분말을 혼합하였다. 이방성 흑연분말은 하기 표 2의 특성을 가지는 일본 도요탄소사의 FE200을 사용하였다.
| 비중 | 평균 그레인 크기 (㎛) |
재 함량 (%) |
최대 그레인 길이 (㎜) |
|
| 이방성 흑연 | 1.65 | 10 | 0.1 | 0.8 |
피치 중량에 대하여 이방성 흑연분말을 각각 0중량%, 2중량%, 4중량%, 6중량% 및 8중량% 혼합하여 250rpm의 속도로 12시간 이상 습식볼밀을 행하여 325메쉬 이하의 입도를 갖는 분말만 채취하였다.
상기 혼합물 분말의 일정량을 정량한 후 0.1㎏/㎟ 성형압력으로 지름 110㎜의 원형시편을 제작하였다. 상기 시편을 CIP에 넣고 2000bar로 최종적으로 성형하였다.
성형된 시편을 아르곤 분위기 하에서 1℃/min의 속도로 승온한 후, 1100℃에서 2시간 유지하여 탄화하였고, 상기 탄화된 시편을 아르곤 분위기 하에서 5℃/min로 2200℃에서 1시간 유지하여 흑연화하였다.
이와 같이 제조된 휘발분 함량이 조절된 피치의 탄화 후 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면 각각 480℃에서 4시간 및 5시간 열처리한 피치의 휘발분은 12중량% 및 8중량%이었으며, 탄화후 부풀음 현상 없이 치수가 안정됨을 알 수 있었다.
비교예
:
휘발분
함량을 달리한 피치의 제조 및 탄화
열처리 시간을 1시간, 2시간, 3시간 및 3시간 30분으로 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 피치를 제조하였다. 제조된 피치를 실시예 2에 기재된 탄화방법으로 탄화시켜 시험편을 제조하였다(열처리 시간 1시간 및 3시간인 피치에 대해서는 이방성 흑연분말 5중량%를 첨가하여 탄화시킨 시험편도 제조하였다).
상기 시험편의 사진을 도 5 및 6에 도시한다. 도 5를 참조하면, 열처리 시간을 달리하여 제조한 피치의 휘발분은 17, 18, 20중량%이었으며 탄화후 전부 부풀어 올랐다. 이 과정에서 마찰조제로 첨가되는 이방성 흑연분말은 과도한 휘발분으로 인한 부풀림 현상을 어느 정도 방지하고 있음을 관찰할 수 있었다. 그러나, 피치 내에 존재하는 휘발분의 양이 많아 바람직한 형상을 갖는 시험편으로 탄화되지 않았다. 도 5는 탄화된 시험편의 단면을 도시한 것으로, 이를 참조하면 피치 내에 존재하는 휘발분 함량에 비례하여 기공량이 많음을 확인할 수 있었으며, 기공의 형상은 가성형 및 냉간등방압 성형시 성형체 내에 존재하는 응력층을 따라 형성된 것을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이 도 4에 도시된 본 발명에 따라 열처리하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치는 탄화 후에 부풀음 현상이 발생하지 않은데 반하여, 휘발분 함량이 그 이상인 피치는 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 부풀음 현상이 발생하고 기공량이 많아진다. 따라서, 피치의 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절함으로써 자기소결성 피치를 제조할 수 있음을 확인하였다.
시험예
1: 공정별 밀도 측정
실시예 2에 따른 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 등방성 탄소재의 공정별(가압성형, 탄화, 흑연화) 밀도를 측정하여 도 7에 나타낸다.
도 7을 참조하면, 성형체의 밀도는 1.3g/㎤ 이상이었으며, 탄화 후 1.6g/㎤ 이상으로 증가하였고, 흑연화 후에 1.8g/㎤ 이상으로 증가하였다. 이방성 흑연분말의 첨가량이 증가할수록 성형체의 밀도가 증가하는데, 이는 밀도값이 높은 이방성 흑연 분말의 단순한 물리적 혼합으로 인해 이방성 흑연분말 첨가량에 비례하여 성형체의 밀도가 높아진 것으로 생각된다. 탄화 후에는 이방성 흑연분말의 첨가량에 비례하여 2, 4중량%까지는 증가하다가 첨가량이 6, 8중량%로 높아지면서 밀도값이 낮아졌다. 이는 피치와 이방성 흑연분말간에 결합력이 약해 탄화과정에서 피치의 중축합 반응으로 인한 수축이 일어나는 동안 약한 계면이 발생해 조직이 엉성해졌기 때문으로 판단된다. 흑연화 후 밀도는 이방성 흑연분말의 첨가량에 비례하여 낮아짐을 알 수 있다. 그러나, 흑연화 후 밀도는 전반적으로 1.8g/㎤ 이상으로 기계용 씰로 이용되기에 적합한 것임을 확인할 수 있다.
시험예
2: 공정별 수축률의 측정
실시예 2에 따른 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 등방성 탄소재의 공정별(탄화, 흑연화) 수축률을 측정하여 도 8에 나타낸다.
도 8을 참조하면, 수축률은 탄화 후 10~11%, 흑연화 후 3~5%로 수축되어 조직의 치밀화가 진행이 되었다. 또한, 이방성 흑연의 수출률이 탄화온도인 1100℃에서 거의 없기 때문에 이방성 흑연 분말의 첨가량에 비례하여 수축률은 작아졌다.
시험예
3: 공정별
쇼아경도의
측정
실시예 2에 따른 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 등방성 탄소재의 공정별(탄화, 흑연화) 쇼아경도를 측정하여 도 9에 나타낸다. 쇼아경도는 일본 사토(SATO)사의 쇼아경도 시험기(Shore Hardness Tester)를 사용하여 측정하였으며, 측정시 시편의 각면에 대하여 3회씩 측정하여 평균값을 취하였다.
도 9를 참조하면 쇼아경도는 탄화 후 95~102, 흑연화 후 93~100값을 나타내며, 이방성 흑연분말의 첨가량에 비례하여 낮아졌다. 이는 이방성 흑연분말과 피치 사이의 결합력이 약하여 탄화 및 흑연화시 계면이 약하여 엉성한 조직을 만들기 때문으로 판단된다.
시험예
4: 공정별
굴곡강도의
측정
실시예 2에 따른 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 등방성 탄소재의 공정별(탄화, 흑연화) 굴곡강도를 측정하여 도 10에 나타낸다. 굴곡강도는 인스트론(Instron)사의 만능재료 시험기를 이용하여 3점 강도를 측정하였다.
도 10을 참조하면, 굴곡강도는 탄화 후 47~67MPa 이며, 흑연화 후 55~59MPa이었으며, 이는 이방성 흑연분말과 피치의 약한 결합력에 기인한 것으로 판단된다.
시험예
5: 공정별
마찰마모
시험
실시예 2에 따른 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어진 등방성 탄소재에 대하여 공정별(탄화, 흑연화) 마찰마모시험을 행하였다. 마찰마모 시험은 핀 온 디스크(pin-on-disc)형으로, 시편홀더는 시편이 수직 하중이 가해지도록 하였으며, 상대재는 지름 200㎜, 경도 85의 S45C 스틸 디스크(steel disc)를 사용하였다. 마찰마모 시편은 400번과 1200번 연마포로 연마하였고, 시편의 끝부분은 상대재와 일정하게 마모가 일어나도록 둥글게 연마하였다. 마찰계수는 600rpm으로 회전하는 스틸 디스크(steel disc) 위에 무윤활 상태(dry contact)로 시험편을 올려놓고 그 위에 2㎏f의 하중을 가했을 때 시험편에 걸리는 힘을 측정하여 계산하였고, 그 결과를 도 11 및 12에 나타낸다.
도 11을 참조하면, 탄화 후 마찰계수는 초기에 낮은 마찰계수를 나타내다가 일정 수준의 마찰계수로 상승한 후 다시 완만한 마찰계수의 증가를 보이고 있으며, 이방성 흑연의 첨가량이 증가함에 따라 마찰계수는 감소하였다. 특히, 이방성 흑연이 8중량% 첨가된 경우에 이동거리 90㎞까지도 0.2이하의 마찰계수를 나타내고 있다. 이는 자기윤활성이 우수한 이방성 흑연 분말이 마찰 진행에 따라 안정적인 마찰양상을 나타내고, 윤활층을 형성하여 마찰계수를 낮춘 것이다.
도 12를 참조하면 흑연화 후 마찰계수는 전반적으로 0.2이하의 낮은 값을 나타내었으며, 이방성 흑연분말 첨가량이 8중량%인 경우 잔피크가 상당히 개선되어 안정된 마찰계수를 나타내는 것을 알 수 있었다.
상기 도 11 및 12로부터 명확히 나타나는 바와 같이, 본 발명에 의한 탄소재는 마찰조제로서 이방성 흑연분말을 포함함으로써 우수한 마찰안정성을 가져 기계용 씰로 이용되기에 적합한 것이다.
마찰 후 표면은 미국 올림푸스(OLYMPUS)사 OLYMPUS BX51 광학 현미경(optical microscope)를 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 13 및 14에 나타낸다.
도 13을 참조하면, 전반적으로 휘발분인 CH화합물이 배출된 자리가 선명하게 나타나며, 이방성 흑연분말과 피치 사이의 계면이 확연하게 보였다. 도 14를 참조하면 흑연화 후에는 탄화 후 시험편과는 확연히 다르게 기공이 상당히 작아졌고 첨가된 이방성 흑연분말과 피치 간의 계면이 보이지 않았으며, 전반적으로 흑연 결정이 발달하면서 자기윤활성을 갖추게 됨에 따라 마찰면이 매끈해졌다. 이는 탄소재가 2000℃ 이상의 흑연화 과정에서 중축합 반응이 더욱 진행되면서 계면간의 결합이 증진된 것으로 판단된다.
이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 등방성 탄소재는 휘발분 함량이 조절된 자기소결성 피치와 이방성 흑연분말을 포함하여 이루어짐으로써 고밀도의 마찰안정성이 우수한 특성을 가져 기계용 씰로 이용되기에 적합한 것임을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 등방성 탄소재를 제조하기 위한 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 피치의 열중량을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 피치의 휘발분 함량을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 피치의 탄화 후 사진.
도 5는 본 발명의 비교예에서 제조한 피치의 탄화 후 사진.
도 6은 본 발명의 비교예에서 제조한 피치의 탄화 후 단면의 사진.
도 7은 본 발명의 시험예 1의 결과에 따른 공정별 밀도를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 시험예 2의 결과에 따른 공정별 수축률을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 시험예 3의 결과에 따른 공정별 쇼아경도를 나타내는 그래프.
도 10은 본 발명의 시험예 4의 결과에 따른 탄소재의 공정별 굴곡강도를 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 시험예 5의 결과에 따른 탄소재의 탄화 후 마찰계수를 나타내는 그래프로서, (a)이방성 흑연분말 함량 2중량%인 경우, (b)이방성 흑연분말 함량이 4중량%인 경우, (c)이방성 흑연분말 함량 6중량%인 경우, (d)이방성 흑연분말 함량 8중량%인 경우를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 시험예 5의 결과에 따른 흑연화 후 마찰계수를 나타내는 그래프로서 (a)이방성 흑연분말 함량 2중량%인 경우, (b)이방성 흑연분말 함량이 4 중량%인 경우, (c)이방성 흑연분말 함량 8중량%인 경우를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 시험예 5의 결과에 따른 탄화 후 마찰면의 사진으로서 (a)이방성 흑연분말 함량 2중량%인 경우, (b)이방성 흑연분말 함량이 4중량%인 경우, (c)이방성 흑연분말 함량 6중량%인 경우, (d)이방성 흑연분말 함량 8중량%인 경우를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 시험예 5의 결과에 따른 흑연화 후 마찰면의 사진으로서, (a)이방성 흑연분말 함량 2중량%인 경우, (b)이방성 흑연분말 함량이 4중량%인 경우, (c)이방성 흑연분말 함량 8중량%인 경우를 나타낸다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 로(furnace) 2: SUS 용기(SUS beaker)
3: 모터(motor) 4: 질소 가스 주입 부위
5: 가스 배출 부위 6: 열전대(thermocouple)
7: PID 조절기(PID controller)
Claims (12)
- 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치 및 상기 피치 중량에 대하여 1~10중량%의 이방성 흑연 분말을 포함하여 이루어지며,상기 열처리를 통하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 피치와 이방성 흑연 분말을 혼합하여 분말화하는 단계 및 상기 혼합물 분말을 성형하여, 탄화 및 흑연화하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는등방성 탄소재.
- 제1항에 있어서,상기 피치는 460~500℃에서 4~6시간 동안 열처리하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 것인등방성 탄소재.
- 제2항에 있어서,상기 피치는 480℃에서 4~6시간 동안 열처리하여 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 것인등방성 탄소재.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 등방성 탄소재의 흑연화 후 밀도값이 1.8g/㎤ 이상인등방성 탄소재.
- 피치를 460~500℃에서 4~6시간 동안 열처리하여 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절하는 단계;상기 열처리하여 휘발분 함량이 조절된 피치와 상기 피치 중량에 대하여 1~10중량%인 이방성 흑연분말을 혼합하여 분말화하는 단계; 및상기 혼합물 분말을 성형하여, 탄화 및 흑연화하는 단계를 포함하는등방성 탄소재의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 열처리는 480℃에서 4~6시간 동안 이루어지는등방성 탄소재의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 열처리는 피치를 불활성 분위기 하에서 80~120rpm으로 교반하면서 수행되는등방성 탄소재의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 탄화는 1100~1250℃에서 2~4시간 동안 열처리함으로써 이루어지며, 상기 흑연화는 2200~3000℃에서 1~3시간 동안 열처리함으로써 이루어지는등방성 탄소재의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 분말화에 의하여 형성된 분말은 325메쉬(mesh) 이하의 입도를 가지는 것인등방성 탄소재의 제조방법.
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