KR960004380B1

KR960004380B1 - 탄소성형체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR960004380B1
Application number: KR1019930010995A
Authority: KR
Inventors: 김제영; 김철우; 박양덕
Original assignee: 포항종합제철주식회사; 박득표; 재단법인산업과학기술연구소; 백덕현
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1996-04-02
Also published as: KR950000609A

Abstract

내용 없음.

Description

탄소성형체 및 그 제조방법

본 발명은 기계용 부품, 전기 부품, 화학장치 및 야금용 부품들에 사용되는 탄소 성형체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 반성코크스와 잠재적 이방성 핏치를 혼합사용하여 탄소성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소성형체는 기계용 부품, 전기부품, 화학장치, 야금용 부품등 다방면에서 탄소특유의 성질을 이용하여 기존재료가 사용되기 어려운 곳에서 유용하게 이용되어지고 있다. 이러한 탄소 성형체는 성형체의 소성온도에 따라 탄소질과 흑연질로 구분되나, 원료는 대개 천연 흑연및 인조 흑연을 사용하며 이 원료들은 자체가 결합할 수 있는 소결특성을 가지지 못하기 때문에 유기결합재를 사용하여 혼합한 후 가압 성형하고 소성 및 흑연화과정을 거쳐 상품목적에 맞는 가공을 거쳐 각 응용분야에서 이용되어져 왔다.

그러나, 이러한 종래의 탄소성형체 제고방법은 소성도중 결함재에 함유된 휘발성분이 배출됨에 따라 소성후 많은 기공을 생성 시키고 있으며 이러한 기공은 성형체의 물성을 저하시키므로 결합재를 이용하여 기공을 메워주는 함침과정이를 재탄화하는 과정이 필요하며 이 과정은 수회 반복되어져야 한다.

이 함침 및 재탄화과정은 전체공정에서 많은 시간과 경비를 소모하는 부분으로서 수년전부터 이러한 문제점을 개선하기 위해 결합재를 사용하지 않는 새로운 제조법이 제안되어 왔으며, 그 방법으로는 a)핏치를 열처리한 수 생성된 메조페이스미소입자를 용매로 추출한 후 이를 가압성형항 소성하는 방법(일본 공개특허공보(소)53-4016호), b) a)와 같이 제조한 메조카본 마이크로 비드를 스테아릭산 등을 이용하여 가압성형 한 후 소성하므로서 탄소 성형체를 제조하는 방법(일본 공개특허공보(소)53-4017호), c) 95% 이상의 메조페이스를 함유하는 핏치를 유기용매와 함께 볼밀로 분쇄하여 10㎛ 이하의 입자로 제조한 후 이를 산화시켜 불융화한 수 가압성형하는 방법(EP 283211 A2), d) 생 코크스(green coke)를 100메쉬(mesh) 이하로 분쇄한 후 1~5wt%의 핏치를 결합재로 첨가한 후 가압성형하는 방법(일본 공개특허공보(소)61-2436호), e)생코크스(green coke)를 1~5㎛로 미분쇄한 후 이를 고온고압하에서성형하는 방법(탄소 No. 109, p.41) 및 f) 광학적 조직에 관계없이 250㎛ 이하의 입도로 분쇄한 후 불융화처리를 한 후 이를 가압성형하여 소성시켜서 탄소성형체를 제조하는 방법(대한민국 특허 제049159호)등이 알려져 있다.

그러나, 상기 a)의 방법은 미소구체의 수율이 낮고 또한 핏치중에 생성된 소구체의 분리가 어려우며 공정이 복잡하게 되므로 제조에 장시간이 요구되는 문제점이 있다.

또한, 상기 b)의 방법도 역시 상기 a)와 같은 방법이므로 동일한 문제점을 가지고 있다. 또한, 상기 c)의 방법은 상기 a) 및 b) 방법과는 달리 수율이 향상된 방법이나, 입자를 10㎛ 이하로 미세하게 분쇄하여야 하므로 동력소모가 많으며 원료자체가 메조페이스 함량이 98% 이상이여야 하는 제한이 있으며, 또한, 상기 d)의 방법은 기존성형체 제조방법과 마찬가지로 결합재를 사용하므로 함량은 낮지만 휘발분의 배출에 따른 기공이 생성될 수 있고 또한 승온속도를 매우 늦추어 주어야하는 문제점이 있다. 또한, 상기 e)의 방법은 원료의 제약이 적으나 1~5㎛이하의 입자상태로 미분쇄되어야 하므로 분쇄에 많은 비용이 소모되며 성형시 고온고압(2000℃, 2000kgf/㎠)이 요구되는 문제점이 있다. 또한, f)의 방법은 광학적 조직에 관계없이 일정연화점 이상이면 원료를 사용할 수 있고, 입도의 제한도 상기 타시료에 비하여 완화된 상태이나 이것도 역시 불융화 과정을 거쳐야 하는 점에서 c)방법과 동일한 문제점을 갖게된다.

상기한 바와 같이, 상기 각 방법들은 각 공정마다 문제점이 있을 뿐만 아니라 상기 각 방법들은 공통의 문제점을 갖는다. 상기 공통의 문제점은 탄소 성형체의 제조에 있어서 원료를 성형한 후 소성시킬때 승온속도를 매우 느리게 하여야 소성과정에서 균열의 생성 또는 팽창되는 것을 방지할 수 있다는 것인데, 이 소성과정은 전체 제조시간의 대대부분을 차지하고 잇으며 소성시간의 단축은 제조경비절감 및 생산량의 증대에 큰 영향을 미치게 된다.

본 발명은 탄소성형체를 제조함에 있어서 원료의 성질이 다른 두종류의 원료를 혼합하여 성형체를 제조하므로서 소성시 승온속도를 단일원료를 사용하였을때보다 빠르게 하여도 성형체가 유지되고, 그 물성도 우수하며, 또한 , 함침과정이 생략된 1회의 소성으로 탄소성형체를 제조하고자하는 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 탄소성형체를 제조하는 방법에 있어서, 베타수지의 함량이 2~6%인 반성코크스와 연화점이 300℃ 이상인 잠재적 이방성핏치를 준비하는 단계; 상기와 같이 준비된 반성코크스와 잠재적 이방성 핏치의 무게비가 90:10 ~ 80:20이 되도록 혼합하는 단계; 상기와 같이 혼합된 혼합물을 볼밀등의 분쇄기에 장입한 후, 통상의 혼합비로 물과 에탄올을 혼합한 혼합용매를 첨가하여 100메쉬 이하의 입도를 갖도록 분쇄하는 단계; 상기와 같이 분쇄된 분쇄물을 통상의 방법으로 여과 및 건조한 수 1500~2000kg/㎠의 성형압으로 성형하는 단계; 및 상기와 같이 성형된 성형체를 불활성 분위기하에서 700℃ 이상의 온도로 소성하는 단계를 포함하여 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에서 사용된 물질 및 제조조건등의 한정이유를 설명한다.

상기 출발원료중 잠재적 이방성 핏치의 연화점을 300℃ 이상의 한정한 것은 300℃이하의 온도에서 연화되기 쉬운 물질은 급속승온해서 휘발분의 배출로 인하여 성형체가 팽창되는 경향을 보이기 때문이며, 상기 반성코크스의 베타 수지의 함량을 2~6%로 한정한 이유는 이 범위내의 베타수지함량이 자기소결 특성을 가장 잘 나타내기 때문이다.

또한, 상기와 같이 준비된 반성코크스와 잠재적 이방성 핏치를 무게비로 90:10 ~ 80:20가 되도록 혼합하는 것이 바람직한데, 그 이유는 혼합비가 90:10 이상인 경우에는 반성코크스의 특성이 성형체의 물성을 좌우하게 되어 승온속도의 향상에 영향을 미치게 되기 때문이며, 그 혼합비가 80:20 이하인 경우에는 잠재적 이방성핏치의 영향에 의해 급속한 승온을 할때 팽창하는 경향을 보이기 때문이다.

상기 두 원료는 분말상태이기 때문에 이들 원료의 혼합시 잘 혼합되지 않으므로, 이들 두원료를 잘 혼합시키기 위하여 물을 사용할 수도 있으나, 이들 두 원료는 친수성이 아니기 때문에 본 발명에서는 약간의 에탄올을 혼합한 혼합용매를 사용한다.

이때, 혼합용매의 조성(물+에탄올)은 특별히 한정하지 않고, 에탄올이 친수성이 도움을 줄 수 있을 정도이면 충분하며, 궁극적인 목적은 완전한 혼합을 위한 것이다.

혼합원료에 대한 용매의 혼합양도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 혼합용매량은 탄소입자의 무게 1.0에대하여 3.0정도로 제한되는 것이 바람직하다.

상기 원료혼합물을 혼합용매와 함께 볼밀등과 같은 분쇄기에 장입하여 분쇄한 다음, 100 메쉬 크기의 체를 통해 거르게 되는데, 이 공정은 볼밀을 분쇄기로 사용하는 경우 볼(ball)과 같은 분쇄수단과 혼합물을 분리하기 위한 것이다.

상기 원료혼합물을 분쇄기에서 100메쉬 이하의 입도를 갖도록 분쇄하여야 하는데, 그 이유는 원료혼합물이 100메쉬 이상의 입도를 갖는 경우에는 탄소 입자 자체내의 기공이 다량 함유되어 밀도저하의 염려가 있기 때문이다.

다음에, 분쇄혼합물을 여과지를 통과시켜 원료물질만 걸러낸 다음, 건조시킨다.

상기와 같이 건조된 분쇄혼합물을 통상의 성형 압력인 1500~2000kg/cm²의 압력으로 성형하여 성형체를 제조한다.

상기와 같이 제조된 성형체를 700℃ 이상의 온도로 승온시키고 이 온도에서 일정시간동안 유지시켜 소성한 다음, 냉각시킨다. 소성시, 소성온도를 700℃ 이상으로 하는 이유는 소성체가 충분한 결합력을 가질 수 있도록 하기 위함이며, 승온속도는 시편크기 등에 따라 적절히 조절될 수 있는데, 바람직한 승온속도는 5~7℃/min이다.

그리고, 유지시간 즉, 소성시간은 상기 온도에서 휘발성분을 제거하고, 입자끼리 결합시킬 수 있도록 제한되며,바람직한 소성시간은 60분 정도이다.

본 발명에서 출발원료로 사용한 반성코크스와 잠재적 이방성 핏치를 단독으로 사용하여 탄소 성형체를 제조하는 경우에는 각각의 출발원료와 동일한 입자특성과 경도를 가지므로 성형후 입자간의 응력 및 소성되는 과정에서 생성되는 열응력으로 인해 승온속도가 빠를때 이를 완화하지 못하여 성형체에 균열이 생성되기 쉬워 소성시 매우 느린 승온속도(통상 2℃/min)로 승온시켜야만 한다.

그러나, 본 발명에 따라 반성 코크스와 잠재적 이방성 핏치를 혼합사용하여 탄소성형체를 제조하는 경우에는 각기 다른 특성을 가진 원료의 혼합에 의해 제조시 발생되는 응력을 적절히 완화시켜주므로서 단일원료를 사용하였을 때에 비하여 소성시 빠른 속도(5~7℃/min 정도)로 가열하여도 성형체에 군열이 생성되지 않게 된다.

본 발명에 따라 제조된 탄소 성형체는 600kgf/cm²이상, 바람직하게는 600-1000kgf/cm²의 곡강도 및 1.4g/cm³이상의 겉보기 밀도를 갖게 된다.

이하 본, 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

본 실시예에서는 하기 표 1 및 표 2의 물성을 각각 갖는 반성코크스 및 잠재적 이방성 핏치를 출발원료로 사용하였다.

[발명예 1]

하기 표 1과 표 2의 반성코크스의 잠재적 이방성 핏치를 무게비로 90:10으로 혼합하여 볼밀로 100메쉬이하의 입자로 분쇄한 후 이를 고무몰드에 충진시킨 다음, 1500kgf/cm²의 압력으로 성형하여 5cm×2cm×1.5cm의 성형체를 만든 후 승온속도 3℃/min와 5℃/min으로 각각 1000℃에서 60분간 가열하여 유지시킨 후 냉각시켜서 탄소성형체를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 성형체의 겉보기 밀도는 1.44g/㎠과 1.45g/㎠이었고, 곡강도는 600kgf/㎠과 650kgf/㎠이었다.

[비교예 1]

하기 표 2의 잠재적 이방성 핏치만을 원료로하여 상기 발명예 1)과 동일한 조건으로 성형체를 제조한 결과 소성후 성형체에 균열이 생성되었다. 그러나. 승온속도를 1℃/min으로 가열한 것은 성형체에 균열이 없었으며, 소성후 밀도는 1.4g/cm², 곡강도는 400kgf/cm²이었다.

[발명예 2]

상기 발명예 1)의 원료를 혼합비 85:15로 하여 발명예 1의 분쇄조건과 동일하게 하여 처리한 후 성형압 1500kgf/cm²로 성형하여 5cm×2cm×1.5cm의 성형체를 만든 다음, 승온속도 3℃/min로 1000℃에서 60분간 소성한 결과 탄소 성형체에 균열이 생성되지 않았으며, 겉보기 밀도는 1.48g/cm², 곡강도는 920kgf/cm²이었다.

[발명예 3]

발명예 2)의 조건중에서 성형압을 2000kgf/cm²로, 승온속도를 5℃/min로 하여 동일온도에서 소성한 후 성형체의 밀도는 1.42g/cm², 곡강도는 800kgf/cm²이었다.

[발명예 4]

상기 발명예 1)의 원료중 혼합비를 80:20으로 하고 타조건은 발명예 1과 동일하며, 다만, 성형압을 1500kgf/cm²으로 성형한 후 승온속도 3℃/min로 1000℃에서 60분간 소성한 성형체를 밀도는 1.5g/cm², 곡강도는 850kgf/cm²이었다.

[발명예 5]

상기 발명예 4)에서 성형압을 2000kgf/cm², 승온속도 5℃/min로 하여 소성시킨 성형체의 밀도는 1.55g/cm², 곡강도는 600kgf/cm²이었다.

[비교예 2]

혼합비를 75:25로 하고 성형압을 1500kgf/cm²로 하여 성형한 후 승온속도 3℃/min로 1000℃에서 60분간 소성한 결과 성형체는 팽창되었으며 원형이 유지되지 않았다.

[발명예 6]

원료의 혼합비를 85:15로 하여 6cm×6cm×5cm의 고무몰드에 넣고 1500kgf/㎠의 성형압으로 성형한후 승온속도 2℃/min로 1000℃에서 60분간 소성시킨 경우 성형체는 유지되었으며 균열이 생성되지 않았다. 그리고 성형체의 겉보기 밀도는 1.45g/cm²이었으며, 곡강도는 900kgf/cm²이었다.

[비교예 3]

하기 표 1의 반성코크스를 단독으로 사용하여 6cm×6cm×5cm의 고무몰드에 넣고 1500kgf/cm²의 성형압으로 성형한후 승온속도 1℃/min로 1000℃에서 60분간 소성한 결과 성형체는 균열이 생겨 깨어진 상태가 되었다.

[비교예 4]

비교예 3과 동일한 원료와 조건에서 승온속도만 0.2℃/min로 하여 소성하였을때는 성형체가 유지되었으며 밀도 1.6g/cm², 곡강도는 700kgf/cm²이었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 탄소성형체 제조에 있어 알려진 기타원료사용시에 비해 소성시 소성온도까지 빠른속도로 승온시키더라도 성형체가 유지될 뿐만 아니라 물성도 동등한 수준에 있는 성형체의 제조가 가능한 효과가 있는 것이다.

Claims

탄소성형체를 제조하는 방법에 있어서, 베타수지의 함량이 2~6%인 반성코크스와 연화점이 300℃ 이상인 잠재적 이방성 핏치를 출발원료로 준비하는 단계; 상기 반성코크스와 잠재적 이방성 핏치의 무게비가 90:10 ~ 80:20이 되도록 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 볼밀에 장입한 후, 통상의 혼합비로 물과 에탄올을 혼합한 혼합용매를 첨가하여 100메쉬이하의 입도를 갖도록 분쇄하는 단계; 상기 분쇄물을 통상의 방법으로 여과 및 건조한 후 1500~2000kg/cm²의 성형압으로 성형하는 단계; 및 상기 성형체를 불활성 분위기하에 700℃ 이상의 온도로 소성하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 소성시 승온속도가 5~7℃/min인 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 소성시 소성시간이 60분인 것을 특징으로하는 탄소성형체의 제조방법.
반성코크스와 잠재적 이방성 핏치를 출발원료로 하여 제조된 탄소 성형체에 있어서, 곡강도가 600~1000kgf/cm²이고, 그리고 겉보기밀도가 1.4g/cm²이상인 것을 특징으로 하는 탄소성형체.