KR20080034366A - 고밀도를 갖는 흑연 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피치를 일정한 온도와 시간 조건에서 열처리하여 휘발분량이 조절된 충진제와 바인더를 포함하는 고밀도 흑연 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 피치를 이용하여 제조된 충진제는 통상의 충진제에 비해 휘발분량이 높았으며, 상기 충진제를 사용하여 탄화, 흑연화 과정을 거쳐 제조된 흑연은 밀도가 높고, 경도도 높았다. 또한, 본 발명에서 제조된 흑연은 자기 윤활성을 띠었고 기공이 거의 보이지 않을 만큼 치밀화 되었다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 제조된 흑연은 고밀도 흑연으로서 기계용 부품이나 미케니칼 씰용으로 사용될 수 있다.

흑연, 충진제, 바인더, 휘발분

Description

고밀도를 갖는 흑연 및 이의 제조방법{GRAPHITE WITH HIGH DENSITY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 고밀도 흑연을 제조하기 위한 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 충진제와 비교예 1에서 제조된 충진제의 휘발분량을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 실시예 1과 비교예 2에서 제조된 바인더의 휘발분량을 나타낸 그래프.

도 4a는 본 발명의 실시예 1에서 탄화 과정 후 시편의 이동거리에 따른 하중별 마찰계수를 나타낸 그래프.

도 4b는 본 발명의 실시예 1에서 흑연화 과정 후 시편의 이동거리에 따른 하중별 마찰계수를 나타낸 그래프.

도 5a는 본 발명의 실시예 1에서 탄화후 및 흑연화후 제조된 시편 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진.

도 5b는 본 발명의 실시예 2에서 탄화후 및 흑연화후 제조된 시편 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진.

도 5c는 본 발명의 비교예 1에서 탄화후 및 흑연화후 제조된 시편 표면을 광 학현미경으로 관찰한 사진.

도 5d는 본 발명의 비교예 2에서 탄화후 및 흑연화후 제조된 시편 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진.

* 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)

본 발명은 고밀도 흑연 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피치를 일정한 온도와 시간 조건에서 열처리하여 휘발분량이 조절되어 제조된 충진제와 바인더를 포함하는 고밀도 흑연 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

흑연은 구성원소가 탄소 단일원소로 되어 있어 화학적으로 매우 안정하고, 내부식성이 우수하다. 또한, 흑연은 c축 방향으로는 반 데르 발스(van der waals) 결합, a, b축 방향으로는 공유결합을 하고 있는 이방성 구조이며, 독특한 특성으로 인해 기계구조용 재료로 광범위하게 사용되고 있다.

특히, 자기 윤활성 및 화학적 내구성, 우수한 열전도도와 가공성으로 인하여 미케니칼 씰(mechanical seal)용으로 매우 적합한 재료이다. 미케니칼 씰용 흑연은 밀도가 높아 기밀성을 유지할 수 있어야 한다. 일반적으로 코크스의 배향성이나 밀도 등의 특성에 따라 최종적인 흑연의 특성이 달라져 코크스의 특성제어는 매우 중요하다. 코크스는 피치를 불활성 분위기에서 500℃ 이상으로 열처리하면 배향성을 띤 무정형 구조를 갖는데, 탄소수율을 높이기 위해 좀더 발달된 배향성을 갖도록 500℃ 이상에서 휘발분이 거의 없도록 제어를 한다. 그러나, 이와 같은 방법으로 제조된 휘발분이 거의 없는 코크스는 성형성이 없고 소결능력도 없어 피치 바인더를 일정비율로 혼합하여 사용하고 있다.

따라서, 밀도가 높고 기밀성이 우수한 흑연을 제조하기 위해서는, 원료인 코크스의 휘발분을 일정한 수준으로 조절하는 방법이 요구되나, 아직까지 고밀도의 흑연을 위해 코크스의 휘발분을 조절하는 방법에 대한 연구는 이루어지지 않고 있었다.

즉, 대한민국 특허출원 제 2003-7011696호에는 리튬 이차 전지 음극에 사용하기 위한 흑연재료를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 코크스를 분쇄하고 탄화시킨 후 흑연화시키는 일반적인 공정을 이용하여 흑연을 제조하는 방법이며, 완성된 흑연의 밀도가 높지 않았다.

또한, 대한민국 특허출원 제 2002-7006684호에는 밀도가 증가된 흑연분말의 제조방법이 개시되어 있으나, 흑연분말을 표면처리하는 것에 의해 밀도를 증가시키는 방법이다.

본 발명자는 미케니칼 씰용 등으로 효과적으로 사용될 수 있는 고밀도 흑연을 제조하기 위하여 연구하던 중, 피치를 일정 온도와 시간에서 열처리하여 휘발분 함량이 조절된 충진제와 바인더를 제조하였고, 일정비율의 코크스와 바인더의 혼합분말을 성형한 후, 불활성 분위기에서 가열하여 흑연을 제조하였으며, 이와 같이 제조된 흑연이 고밀도를 갖는 우수한 흑연임을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고밀도를 갖고 특성이 우수한 흑연을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제 및 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 포함하여 이루어진 고밀도 흑연을 제공한다.

또한, 본 발명은, 피치를 490~500℃에서 0.5~4시간 동안 열처리하여 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제를 제조하는 단계; 피치를 200~240℃에서 1~6시간 동안 열처리하여 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 제조하는 단계; 상기 충진제 및 바인더의 입도를 325메쉬 이하로 조절하는 단계; 및 상기 충진제와 바인더를 혼합하는 단계를 포함하는 고밀도 흑연의 제조 방법을 제공한다.

상기에서 '충진제'란 흑연을 제조하기 위한 원료로 흑연결정이 이루어지는 코크스를 의미한다. 또한, '휘발분'이란 방향족 화합물 내의 자유 라디칼이거나 6각 고리의 한 축을 담당하는 탄화수소 화합물을 의미한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고밀도 흑연은, 피치를 490~500℃에서 0.5~4시간 동안 열처리하여 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제를 제조하는 단계; 피치를 200~240℃에서 1~6시간 동안 열처리하여 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 제조하는 단계; 상기 충진제 및 바인더의 입도를 325메쉬 이하로 조절하는 단계; 및 상기 충진제와 바인더를 혼합하는 단계를 포함하는 방법을 이용하여 제조된다.

상기에서 피치(pitch)는 유기물의 열분해나 타르의 증류시 나오는 잔류물로서 본 발명에서는 석탄 또는 석유피치를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 석탄 피치를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

고밀도의 흑연을 제조하기 위해서는 흑연 제조에 사용되는 원료인 충진제와 바인더의 휘발분량이 중요한 역할을 하는데, 본 발명에서는 충진제와 바인더 제조시 온도와 시간을 효과적으로 조절함으로써 충진제와 바인더가 고밀도의 흑연을 제조할 수 있는 범위의 휘발분량을 포함하도록 조절하였다.

본 발명에서, 충진제는 피치를 490~500℃에서 0.5~4시간 동안 열처리하여 제조하는 것이 바람직한데, 상기에서 온도가 490℃ 미만이면 휘발분의 감소량이 작고 방향족 화합물의 중축합이 더디게 일어나 분자량이 작아져서 탄화, 흑연화시 부풀거나 내부조직에 기공율이 높아져 밀도가 감소하고 기계적 강도가 떨어지는 문제점이 발생하며, 온도가 500℃를 초과하게 되면 휘발분인 CH 화합물, 즉 메틸기, 에틸기가 전량이 제거되어 성형이 전혀 이루어지지 않고 탄화시 메틸기, 에틸기의 분해 즉, 탈수소화 반응이 없어 충진제인 코크스의 자기소결이 일어나지 않아 밀도증진과 강도향상이 전혀 이루어지지 않는다는 문제점이 발생한다. 또한, 상기에서 열처리는 0.5~4시간 동안 이루어지는 것이 바람직한데, 열처리 시간이 0.5시간 미만이면 유지시간이 짧아 바람직한 휘발분량 조절이 이루어질 수 없고, 4시간을 초과하게 되면 휘발분량의 감소량이 많고 방향족화합물의 중축합 반응이 과도하게 이루어져 탄화, 흑연화시 자기소결성이 급격이 떨어져 결과적으로 고밀도의 흑연을 제조할 수 없는 문제점이 발생하기 때문이다. 상기 범위의 온도와 시간의 조건하에서 제조된 충진제는 고밀도 흑연 제조에 가장 적합한 3~7중량%의 휘발분량을 포함한다.

본 발명에서, 바인더는 피치를 200~240℃에서 1~6시간 동안 열처리하여 제조하는 것이 바람직하다. 피치내 분자들이 선형으로 재배열 되면 탄화와 흑연화시 흑연결정화가 용이하게 일어하는데, 상기에서 바인더 제조시 온도가 200℃ 미만이면 피치내 메틸기, 에틸기의 분해에 의해 복잡한 구조의 분자들이 선형으로 재배열이 일어나지 않는다는 문제점이 발생한다. 또한, 온도가 240℃를 초과하게 되면 CH 화합물인 메틸기, 에틸기의 분해가 본격적으로 일어나 휘발분이 감소하고 중축합 반응이 일어나기 시작하여 분자량이 향상된다. 따라서, 점도가 급격히 향상되어 바인더의 역할인 성형성 향상에 기여하지 못하게 된다는 문제점이 발생한다. 또한, 상기에서 열처리는 1~6시간 동안 이루어지는 것이 바람직한데, 열처리 시간이 1시간 미만이면 액상의 피치가 균일하게 가열되지 않아 피치분자 재배열이 균일하게 일어나지 않는 문제점이 발생하고, 6시간을 초과하게 되면 분자 재배열과 균일한 열처리가 더 이상 증진되지 않아 효과가 시간에 비례하여 더 이상 향상되지 않는 문제점이 발생하기 때문이다. 상기 범위의 온도와 시간의 조건하에서 제조된 바인더는 휘발분량이 58~60중량%로서 고밀도 흑연 제조에 적합하다.

한편, 본 발명에 따른 고밀도 흑연을 제조하는 방법에서는, 충진제와 바인더를 제조할 때 열처리 동안 휘발분의 효과적인 배출과 균일한 중축합 반응을 유도하기 위하여 불활성 분위기 하에서 80~120rpm의 속도로 교반해 주는 것이 중요하다. 피치의 분자를 선형으로 재배열하기 위해서는 CH 화합물인 메틸기, 에틸기 등의 분해가 일어나야 하는데 교반공정은 이들 기능기들이 효과적으로 분해되도록 도와준다. 상기에서 교반속도가 80rpm 미만이면 공정속도가 늦어져 효과적이지 못하고, 120rpm을 초과하면 용융된 피치가 반응용기 밖으로 넘쳐서 조작하기 힘들고 용융된 피치가 상하로 심하게 요동을 쳐서 균일한 온도분포가 이루어지지 않기 때문에, 상기 범위로 교반하는 것이 바람직하다. 상기에서 불활성 분위기는 질소 분위기 또는 아르곤 분위기일 수 있다.

또한, 상기 열처리하여 제조된 충진제 및 바인더는 이후 볼밀을 수행하여 입 도를 325메쉬(44㎛) 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 상기에서 볼밀 회전속도는 용기의 크기와 재료의 양에 의해 다양하게 달라진다. 또한, 충진제와 바인더의 입도가 325메쉬 이하일 때 이후 고밀도의 흑연으로 제조될 수가 있다. 피치는 열처리에 의해 CH 화합물인 메틸기, 에틸기의 분해가 이루어지고 중축합에 의해 고분자화가 진행이되면서 동시에 재배열이 일어난다. 이러한 과정에서 소량의 휘발분이 남아 성형성 부여와 탄화, 흑연화시 탈수소화 반응에 의해 자기소결이 일어나 밀도가 향상된다. 자기소결과정은 탈수소화 반응에 의해 이웃하는 충진제와 결합을 주도하면서 진행이 되는데 입도가 325메쉬 이하로 작을 때 표면에너지가 높아 이러한 자기소결과정이 활발히 일어나고 치밀한 성형과 고룬 입도분포로 탄화 및 흑연화후 조직이 치밀해지는 이점이 있다.

한편, 본 발명에서는 상기와 같은 열처리를 통해 휘발분이 조절된 충진제와 바인더를 성형한 후, 1100~1250℃에서 2~4시간 동안 열처리하여 탄화시키고, 2200~3000℃에서 1~3시간 동안 열처리하여 흑연화시키는 단계를 거쳐 최종적으로 본 발명에 따른 흑연이 제조된다.

이과 같이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 흑연은 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제 및 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 포함하며, 밀도가 1.6~1.8g/cm³, 쇼아경도가 100~110으로서 우수한 특성을 갖고 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1] 고밀도 흑연의 제조 1

하기 표 1의 특성을 갖는 석탄계 피치(동양제철화학(주))를 원료로 사용하여 흑연 제조를 위한 충진제인 코크스와 바인더를 제조하였다.

	용해성(%)		S.P. (℃)	석탄화값 (%)	비중 (g/cm2)
	BI	TI
피치	10-15	30-35	100-120	50	1.2

BI : 벤젠 불용성 TI : 톨루엔 불용성 S. P.: 연화점

먼저 충진제인 코크스를 제조하기 위하여, 석탄계 피치를 SUS 용기에 담아 반응기 내(도 1 참조)에 장입하였고, 5℃/min의 승온속도로 490℃에서 각각 60분 동안 80rpm으로 교반하면서 열처리하였다.

이후, 바인더를 제조하기 위하여, 석탄계 피치를 SUS 용기에 담아 반응기 내(도 1 참조)에 장입하였고, 5℃/min의 승온속도로 240℃에서 5시간 동안 80rpm으로 교반하면서 열처리하였다.

열처리 장치는 PID 온도 조절기(SCR 유니트)를 이용하여 ±1℃로 제어하였다. 열처리 동안 피치가 공기와 반응하여 산화되지 않도록 질소가스를 주입하여 불활성 분위기를 유지하였다.

열처리된 충진제와 바인더를 각각 250rpm의 속도로 12시간 습식볼밀을 수행하여 325mesh(＜44㎛) 이하의 입도를 갖는 분말만 채취하였다. 성능 시험을 위한 시편성형은 코크스와 바인더를 80:20으로 혼합한 분말을 정량한 후, 0.1kg/mm² 성형압력으로 지름 110mm의 원형시편을 제작하였고, CIP에 넣은 후 2000bar로 최종적으로 성형하였다. 성형된 시편은 아르곤 분위기하에서 1℃/min로 승온한 후 1100℃에서 2시간 유지하여 탄화하였다. 탄화한 시편은 다시 아르곤 분위기하에서 5℃/min으로 2200℃에서 1시간 유지하여 흑연화하여 최종 흑연을 제조하였다.

[실시예 2] 고밀도 흑연의 제조 2

코크스 제조시 500℃에서 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 같은 방법을 이용하여 흑연을 제조하였다.

[비교예 1]

코크스 제조시 510℃에서 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 같은 방법을 이용하여 흑연을 제조하였다.

[비교예 2]

바인더 제조시 400℃에서 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 같은 방법을 이용하여 흑연을 제조하였다.

[시험예 1] 충진제와 바인더의 휘발분량 측정

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 각각 제조된 충진제와 바인더 각각 7mg씩을 아르곤 분위기하에서 25℃에서 1200℃까지 10℃/분의 속도로 승온하면서, 스위스 메틀러(Mettler)사의 TGA/SDTA851 열분석 시스템(Thermal Analysis System)을 이용하여 휘발분량을 측정하였으며, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.

도 2에 따르면, 비교예 1에서 열처리 온도 510℃로 제조된 코크스는 휘발분량이 0.7중량% 이었다. 반면, 실시예 1 및 실시예 2에서 열처리 온도 각각 490℃ 및 500℃로 제조된 코크스는 휘발분량이 6.8중량% 및 3.1중량% 이었다.

또한, 도 3에 따르면, 비교예 2에서 열처리 온도 400℃로 제조된 바인더는 휘발분량이 36.1중량% 이었다. 반면, 실시예 1에서 열처리 온도 240℃로 제조된 바인더는 휘발분량이 58.2중량% 이었다.

즉, 본 발명에 따른 온도와 시간 조건으로 제조된 코크스와 바인더의 휘발분량이 비교예에서 제조된 코크스 또는 바인더 보다 높아, 고밀도 흑연 제조를 위한 우수한 원료로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

[시험예 2] 흑연의 물성 비교 시험

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조한 흑연에 대하여 밀도, 수축률 및 쇼아경도를 측정하는 시험을 수행하였다.

밀도는 KS L 3114에 의해 아르키메데스법으로으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

수축률은 탄화 및 흑연화 전 시험편의 길이를 측정하고 탄화 및 흑연화 후 시험편의 길이를 측정하여 수축길이를 처음길이로 나누어 백분율로 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

쇼아경도(Shore Hardness)는 일본 사토(SATO)사의 쇼아경도 측정기(Shore Hardness Tester)를 사용하여 측정하였으며, 측정시 시편의 각 면에 대하여 3회씩 측정한 후 그 평균값을 구하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	성형후	탄화후			흑연화후
	밀도 (g/cm3)	밀도 (g/cm3)	수축률 (%)	쇼아경도	밀도 (g/cm3)	수축률 (%)	쇼아경도
실시예 1	1.30	1.56	12.4	110	1.75	4.4	102
실시예 2	1.31	1.51	10.3	105	1.63	3.3	100
비교예 1	1.36	1.18	0	53	1.15	0	51
비교예 2	1.31	1.54	11.8	105	1.74	4.3	95

상기 표 2에 나타난 바에 따르면, 실시에 1, 2 및 비교예 1, 2에서 충진제와 바인더를 혼합하여 단순히 성형한 후의 밀도는 비슷하였다. 그러나, 탄화후 밀도는 실시예 1과 2에서 보다 높아졌으며, 흑연화후 실시예 1에서 열처리한 시편은 1.75g/cm³로 가장 높게 나타났다. 이는 휘발분량이 많은 코크스가 탄화과정에서 열중축합 반응이 활발히 일어나 치밀화가 이루어진 것으로 생각된다.

쇼아경도값의 경우도 실시예 1에서 110으로 가장 높게 나타나 열중축합 반응이 활발히 일어나 결합력이 증대되었음을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1에서는 쇼아경도 값이 매우 낮았는데, 이는 코크스의 휘발분량이 가장 적어 탄화 과정에서 열중축합 반응이 일어나지 않아 치밀화가 되지 않은 것으로 생각된다.

수축률의 경우, 실시예 1에서 12.4%로 가장 많은 수축이 일어났다. 이는 휘발분인 CH 화합물 즉, 메틸기, 에틸기 등이 탈수소화 반응에 의해 방향족화합물 등이 열중축합 반응이 활발히 일어나 소결되어 수축률이 커졌음을 의미한다. 반면, 비교예 1에서는 코크스의 휘발분량이 가장 적어 탈수소화 반응이 거의 일어나지 않았다. 따라서 탈수소화에 의한 방향족화합물의 열중축합 반응이 수반되지 않아 수축이 일어나지 않았고 결과적으로 치밀화가 되지 않았다.

결과적으로, 490~500℃의 온도에서 제조된 코크스와 200~240℃에서 제조된 바인더는 휘발분량이 높아 이후 이를 원료로 하여 탄화, 흑연화 과정을 거쳐 제조된 흑연은 밀도가 높고 경도가 높음을 확인할 수 있었다.

[시험예 3] 탄화 및 흑연화하여 제조된 흑연의 마찰마모 특성 시험

실시예 1에서 탄화 및 흑연화하여 제조된 시편의 마찰마모 특성을 관찰하기 위하여 핀-언-디스크형(pin-on-disc type)의 마찰마모 시험을 수행하였다.

마찰마모 시험에서, 시편 홀더는 시편에 수직하중이 주어지도록 하였으며, 상대재는 지름 200mm, 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 위에 무윤활(dry contact) 상태로 시편을 올려놓고, 그 위에 1~5kg의 하중을 주었을 때 시편에 걸리는 힘을 측정하여 계산하였으며, 그 결과를 도 4a(탄화후) 및 도 4b(흑연화후)에 나타내었다.

도 4a에 나타난 바에 따르면, 탄화 후 시편의 마찰계수는 마모가 증가함에 따라 마찰계수가 증가하고 있음을 볼 수 있다. 또한, 하중이 증가할수록 마찰계수의 증가가 더욱 확연하게 나타났다. 탄화 후 시편은 무정형으로 흑연결정이 발달하지 않아 미끄러짐 현상이 마찰시 나타나지 않는다.

반면, 도 4b에 나타난 바에 따르면, 흑연화 후 시편의 마찰계수는 낮고 안정적인 마찰거동을 보이고 있다. 하중이 증가하여도 마찰계수의 증가 없이 안정적인 마찰거동을 보이고 있다. 흑연화 후 시편은 육각판상이 겹쳐진 흑연결정이 발달하여 a,b면으로 미끄러지기 쉬워 자기 윤활성을 띠게 된다. 따라서, 마찰이 시작되면 흑연의 자기윤활성이 발현되어 낮은 마찰계수를 나타내고 하중이 증가하여도 안정적인 마찰거동을 보이고 있다.

즉, 본 발명에서 최종 흑연화를 통해 제조된 흑연은, 자기 윤활성이 높음을 확인할 수 있었다.

[시험예 4] 마찰 후 표면 관찰

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조한 흑연에 대하여, 마찰 후 표면을 미국 OLYMPUS BX51 광학 현미경(Optical microscope, 미국 OLYMPUS 사)을 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 5a 내지 도 5d에 나타내었다.

탄화 후, 연마표면에서 열처리온도 510℃인 코크스를 사용한 시편(비교예 1)은 코크스와 바인더, 코크스와 코크스간의 결합이 전혀 이루어지지 않아 충진제인 코크스가 분리되어 있음을 볼 수 있었다(도 5c). 500℃로 열처리한 코크스를 사용한 시편(실시예 2)은 탄화 후 코크스와 바인더, 코크스와 코크스간의 결합이 이루어져 있음을 볼 수 있었다(도 5b). 490℃에서 열처리한 코크스를 사용한 시편(실시예 1)은 코크스와 바인더, 코크스와 코크스간의 결합이 이루어지기는 했으나 상당량의 미세한 기공들이 존재하고 있음을 볼 수 있었다(도 5a). 이는 코크스가 포함하고 있는 휘발분량의 차이에 기인한 것으로 탄화과정에서 이들 탄화수소 화합물이 분해와 중축합반응이 진행되면서 휘발분이 조직 내에 기공으로 자리 잡기 때문으로 판단된다. 그리고, 탄소수율이 다른 240℃ 열처리 바인더와 400℃ 열처리 바인더(비교예 2, 도 5d)로 인한 조직 내 기공형성 차이는 크지 않았다. 따라서, 바인더에 포함된 탄화수소 화합물은 중축합 촉진에 기여 바가 코크스 내에 존재하는 탄화수소화합물 보다 크지 않았다. 따라서, 바인더의 역할은 조직의 치밀화 보다는 균일한 성형에 기여하는 것으로 판단된다.

흑연화 후, 510℃에서 열처리한 코크스를 사용한 시편(비교예 1)은 코크스와 바인더, 코크스와 코크스간의 결합이 탄화 후 상태보다 나아지지는 않았다(도 5c). 490℃ 및 500℃에서 열처리한 코크스를 사용한 시편(실시예 1 및 실시예 2)은 조직 내에 기공이 상당량 사라졌다(도 5a 및 도 5b). 이는 탄화 후 시편에 존재하는 탄화수소화합물이 흑연화 과정에서 중축합 반응을 촉진하면서 조직이 치밀화된 것으로 판단된다. 또한, 열처리 온도가 다른 바인더간의 미세조직에서 차이가 그리 크지 않아 흑연화 과정에서 조직의 치밀화에 기여하는 것은 코크스의 탄화수소 화합물인 것으로 판단된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 피치를 이용하여 제조된 충진제와 바인더는 휘발분량이 높았으며, 상기 충진제와 바인더를 사용하여 탄화, 흑연화 과정을 거쳐 최종적으로 제조된 흑연은 밀도가 높고, 경도도 높았다. 또한, 본 발명에서 제조된 흑연은 자기 윤활성이 높고 기공도 치밀하였다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 제조된 흑연은 고밀도 흑연으로서 기계용 부품이나 미케니칼 씰용으로 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제 및 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 포함하여 이루어진 고밀도 흑연.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 충진제는 피치를 490~500℃에서 0.5~4시간 동안 열처리하여 휘발분량이 조절된 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 바인더는 200~240℃에서 1~6시간 동안 열처리하여 휘발분량이 조절된 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 충진제는 코크스인 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 열처리는 피치를 불활성 분위기하에서 80~120rpm의 회전속도로 교반하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연.
6. 피치를 490~500℃에서 0.5~4시간 동안 열처리하여 휘발분량이 3~7중량%로 조절된 충진제를 제조하는 단계;

   피치를 200~240℃에서 1~6시간 동안 열처리하여 휘발분량이 58~60중량%로 조절된 바인더를 제조하는 단계;

   상기 충진제 및 바인더의 입도를 325메쉬 이하로 조절하는 단계; 및

   상기 충진제와 바인더를 혼합하는 단계

   를 포함하는 고밀도 흑연의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 충진제는 코크스인 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 열처리는 피치를 불활성 분위기하에서 80~120rpm의 회전속도로 교반하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는

   고밀도 흑연의 제조 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   혼합된 충진제와 바인더를 성형한 후, 1100~1250℃에서 2~4시간 동안 1차 열처리하여 탄화시키고, 2200~3000℃에서 1~3시간 동안 열처리하여 흑연화시키는 단계를 더 포함하는

   고밀도 흑연의 제조 방법.

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