DE3138268C2

DE3138268C2 -

Info

Publication number: DE3138268C2
Application number: DE3138268A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokio/Tokyo Jp Inoue
Original assignee: INOUE-JAPAX RESEARCH Inc YOKOHAMA KANAGAWA JP
Current assignee: INOUE-JAPAX RESEARCH Inc YOKOHAMA KANAGAWA JP
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-25
Publication date: 1987-10-29
Also published as: FR2490617B1; IT1142830B; DE3138268A1; US4399083A; GB2093001B; JPS5761670A; GB2093001A; JPH0134951B2; IT8149360A0; FR2490617A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 11.

Es ist bekannt, daß Kohlenstoffmaterialien unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer Herkunft und von ihren besonderen Behandlungsarten zeigen. Grundsätzliche Eigenschaftsvariationen treten auf, wo ihre Kristallisationsgrade wechseln. Es wurde daher als wichtig erkannt, Kohlenstoff bestimmter Herkunft zu wählen und einen vorgewählten Kristallisationsgrad in Abhängigkeit von einer bestimmten Verwendung des hergestellten Kohlenstoffs zu erzielen. Es besteht ein besonderer Bedarf, ein bestimmtes Kohlenstoffmaterial vorzusehen, in dem der gesamte Körper gleichmäßig kristallisiert ist, ein anderes, in dem ein besonderer Bereich des Körpers nach Wunsch kristallisiert ist, oder auch eines, in dem Kohlenstoffarten unterschiedlicher Quellen gemischt werden und die Mischung gleichmäßig kristallisiert ist. In Abhängigkeit von besonderen Verwendungen müssen die Kohlenstoffarten von ausreichender Dichte bzw. in vielen Richtungen ausgerichtet sein, müssen geeignete Leerstellen in kristallisierten Gefügen haben bzw. ihre inneren Gefüge in einem aktivierten Zustand aufweisen. In bestimmten Fällen sollen einige Teile eines gegebenen Kohlenstoffmaterials in erwünschter Weise in einem erhöhten Grad kristallisiert und mit anderen Teilen zusammenhängend sein, die mit dem gleichen oder einem verschiedenen Grad kristallisiert oder sogar nicht kristallisiert sind. Es ist äußerst wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein Kohlenstoffmaterial irgendeiner dieser Eigenschaften wahlweise herstellbar ist.

Die DE-OS 28 33 936 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs vorausgesetzten Art, womit kohlenstoffhaltige Körper mit ausgewählten, mehr als der übrige Körper graphitierten Oberflächenteilen hergestellt werden, welche Oberflächenteile zur Bildung einer Reibungs-, Lager- und/oder Gesenkform- oder Formoberfläche dienen. Dabei liegt der einwirkende Druck z. B. bei 3434 N/cm².

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, die das Erhalten des Verbundkohlenstoffmaterials mit jeder gewünschten Kristallisationsverteilung im gesamten Erzeugnis ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 und 12 gekennzeichnet.

Nach besonderen Ausgestaltungen der Erfindung kann ein erhöhter Anteil kristalliner Leerstellen im Material vorgesehen werden, indem man den Druck in Form von Impulsen und/oder auch die Wärme in einer solchen Art auf den Verbundkohlenstoffvorpreßling einwirken läßt. Umgekehrt kann der Anteil der Leerstellen im Material verringert oder praktisch beseitigt werden, indem man gesteuert eine Ultraschallschwingungsenergie auf den Verbundkohlenstoffvorpreßling während der Druckeinwirkung bei dem genannten Druck einwirken läßt. Dies läßt sich auch erreichen, indem man den auf den Kohlenstoffvorpreßling einwirkenden Druck mit Ultraschallfrequenz periodisch verringert.

Gemäß der Erfindung hergestellte Kohlenstoffmaterialien können vorteilhaft als mechanisches Abdichtmaterial, Atomreaktormaterial, Feuerfestmaterial, Düsenmaterial, Einspannvorrichtungsmaterial, Aktivkohle und andere Materialien verwendet werden.

Während der Schritte b) und c) wird der Kohlenstoffvorpreßling vorteilhaft in einer Wasserdampfatmosphäre angeordnet.

Weiter wird die Einwirkung des Drucks während des Schrittes c) vorteilhaft nacheinander von einer Richtung zur anderen umgeschaltet, während der Kohlenstoffvorpreßling auf eine Temperatur von 3000 bis 3500°C erhitzt gehalten wird, so daß die Ausrichtung der gebildeten Kristalle nach Wunsch gesteuert wird. Es wurde gefunden, daß dies eine variable Einstellung des Ausdehnungskoeffizienten des geformten Kohlenstoffmaterials mit Leichtigkeit ermöglicht.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials gemäß der Erfindung.

In der Figur ist ein Verbundkohlenstoffvorpreßling in der Form eines Blocks 1, der aus Kohlenstoffkörnern vorgewählter unterschiedlicher Ursprünge, z. B. Rußteilchen, mit Sackfiltern erfaßten feinen Teilchen (<3 mm), Kunstgraphitteilchen, Petroleumkoksteilchen und Kohlekoksteilchen, besteht, auf einem Tisch 2 angeordnet und davon gehalten. Ein von einer Welle 4 getragenes Druckorgan 3 ist im Eingriff mit dem Block 1 angeordnet, um einen Druck von 4405 bis 49 050 N/cm² auf einen örtlichen Bereich desselben einwirken zu lassen, wobei der Druck wirksam auf einen durch eine gestrichelte Linie 5 angedeuteten Teil einwirkt. Eine Stromquelle 6 ist zum Erhitzen des Blocks 1 vorgesehen und hat ein Paar von Ausgangsanschlüssen 6 a und 6b, die mit der Welle 4 bzw. dem Tisch 2 verbunden sind, um den Heizstrom direkt durch den Block 1 längs der Linie 5 fließen zu lassen. Der Heizstrom ist vorzugsweise in der Form einer Folge gesonderter, zeitlich beabstandeter elektrischer Stromimpulse, wie angedeutet, oder kann alternativ ein Einzelimpulsstrom raschen Anstiegs, hoher Amplitude und kurzer Dauer sein. Der Block 1 wird örtlich auf eine Temperatur von 1800 bis 2200°C oder 3000 bis 3500°C oder allgemein im Bereich zwischen 1800 und 3500°C erhitzt.

Die Welle 4 für das Druckorgan 3 ist längs einer X-Achse und einer zur X-Achse senkrechten Y-Achse mittels eines X-Achsen-Pulsmotors 7 und eines Y-Achsen-Pulsmotors 8 verschieblich, die mit der Welle 4 über Antriebsschrauben 9 bzw. 10 verbunden sind. Die Motoren 7 und 8 werden mit Steuersignalen gespeist, die von einer Steuereinheit 11 über Leiter 12 bzw. 13 geliefert werden. Die Steuereinheit 11 enthält vorprogrammierte Daten, die reproduziert werden, um die Steuersignale für die Motoren 7 und 8 zu ergeben, die die Welle 4 und das Druckorgan 3 längs einer vorbestimmten Bahn auf der Oberfläche des Blocks 1 verschieben.

Ein weiterer Motor 14 ist mit der Welle 4 verbunden, um das Druckorgan 3 gegen den Block 1 auf dem Tisch 2 längs einer zu den X- und Y-Achsen senkrechten Z-Achse zu treiben und auf den Block 1 eine Druck von 4905 bis 49 050 N/cm² in der Richtung der Z-Achse einwirken zu lassen. Der Motor 14 wird mit ebenfalls von der Steuereinheit 11 längs eines Leiters 15 gelieferten Steuersignalen gespeist.

Ein oder mehrere zusätzliche Druckorgane 3 können zusammen mit den zugehörigen Wellen 4 und Antriebsmotoren 14 vorgesehen sein, um auf den Block 1 in der Richtung der X-Achse oder der Y-Achse oder in diesen beiden Richtungen zusätzlich zur Z-Achsenrichtung Druck einwirken zu lassen.

Die Steuereinheit 11 liefert auch ein Heizsteuersignal, das über einen Leiter 16 der Stromquelle 6 zugeführt wird.

Ein Teil der Welle wird hier von einem Ultraschallhorn 17 gebildet, das mit einem (nicht dargestellten) elektromechanischen Wandler verbunden ist, der von einer (nicht dargestellten) Stromquelle gespeist wird, um Ultraschallschwingungen auf einen örtlich begrenzten Bereich des Blocks 1 einwirken zu lassen, welcher Bereich unter Druckeinwirkung durch das Druckorgan 3 gebracht ist. Die Ultraschallschwingungen können von einer Frequenz zwischen 15 und 50 kHz sein.

Beispiel

Kohlenstoffvorpreßlinge mit je 10 g, die im wesentlichen aus Kohlenstoffkörnern verschiedener Ursprünge bestehen, die in der Tabelle 1 angegeben sind, und in verschiedenen Anteilen gemischt sind, wie in der Tabelle 2 angegeben ist, werden hergestellt.

Tabelle 1

Bemerkung: Petroleumpechkörner (<0,1 mm) werden als Bindemittel mit jedem der Stoffe A-E in einem Anteil von 15 Gew.-% vermischt.

Tabelle 2

VorpreßlingeAnteile (Gewicht)

No. 11 Teil A + 1 Teil B + 1 Teil C No. 21 Teil B + 1 Teil C + 3 Teile D No. 33 Teile B + 1 Teil D + 1 Teil E

Diese Vorpreßlinge zeigen nach gleichmäßigem Sintern in herkömmlicher Weise Dichten, Härten und (Zug)festigkeiten, wie sie in der Tabelle 3 angegeben sind.

Tabelle 3

Solche Vorpreßlinge werden gemäß der Erfindung behandelt. Hierzu läßt man eine Folge elektrischer Impulse mit einem Spitzenstrom Ip von 3300 A, einer Offenkreisspannung von 3000 V und einer Impulsdauer von 80 μs und einen Druck von 3000 bar nacheinander auf sechs beabstandete Bereiche jedes der Vorpreßlinge No. 1, 2 und 3 einwirken. Die Dichten, Härten und Festigkeiten der behandelten Vorpreßlinge werden gemessen und sind in der Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4

Schliffbilduntersuchungen der Vorpreßlinge No. 1, 2 und 3, die in der erfindungsgemäßen Weise behandelt wurden, zeigen, daß jeder Körper Bereiche mit gegenüber anderen Bereichen abweichender Abmessung der Graphitkristalle aufweist. So zeigte sich, daß die merklichen Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften des Ausführungsbeispiels gemäß der Tabelle 4 gegenüber dem Stand der Technik gemäß der Tabelle 3 diesem modifizierten Körpergefüge zuzuschreiben sind.

Allgemein wurde gefunden, daß der Bereich des veränderten kristallinen Gefüges wenigstens 15% und vorzugsweise mehr als 30% des gesamten Kohlenstoffkörpers besetzen sollte.

Es wurde allgemein gefunden, daß ein günstiges verändertes kristallines Gefüge erhalten wird, indem man die Wärme und/oder den Druck impulsweise auf einen örtlichen Bereich eines Vorpreßlings aus Kohlenstoffkörnern verschiedener Ursprünge einwirken läßt und den örtlichen Bereich in abtastartiger Weise verlagert. Dies führt zu einer gesteuerten Kristallisation des verlagerten Bereichs und zu einer gesteuerten Bildung von kristallinen Leerstellen darin. Die Heiztemperatur sollte genau auf einem Wert zwischen 1800 und 3500°C gehalten werden, die sich für die besondere Kombination von Kohlenstoffkörnern verschiedenen Ursprungs zur vollständigen Graphitisierung eignet.

Es wurde auch als wünschenswert gefunden, eine Ultraschallschwingungsenergie auf einen Kohlenstoffvorpreßling einwirken zu lassen, der auf eine Temperatur von 1800 bis 3500°C erhitzt ist und vorzugsweise auch unter Druckeinwirkung steht, um die kristallinen Leerstellen, falls unerwünscht, zu verringern oder zu beseitigen und dadurch das innere Gefüge des Kohlenstoffmaterials zu homogenisieren.

Ein Kohlenstoffmaterial mit einer Vielzahl kristalliner Leerstellen gemäß der Erfindung läßt sich vorteilhaft beispielsweise als Aktivkohle und als mechanisches Dichtungsmaterial verwenden. Ein Kohlenstoffmaterial mit verringerten oder beseitigten kristallinen Leerstellen gemäß der Erfindung kann vorteilhaft als Gleitkontakt-Leitbürstenmaterial, als Dichtungsmaterial, als Atomarofenmaterial, als Allgemeinzweck-Feuerfestmaterial, als Einspannmaterial und für eine Vielzahl anderer Materialien verwendet werden. Typische Verbundkohlenstoffmaterialien gemäß der Erfindung, wie sie in der Tabelle 4 angegeben sind, weisen, wie festgestellt wurde, etwas höhere Dichten als die nach der herkömmlichen Technik behandelten, jedoch irgendeine aus einer Auswahl von Härten je nach dem bestimmten Anteil der Kohlenstoffkörner verschiedener Ursprünge und eine merklich verbesserte Festigkeit gegenüber den herkömmlich gesinterten Materialien auf.

Außerdem kann der Körper zusätzlich hinsichtlich seiner mikroskopischen Kristallausrichtung gesteuert werden, wodurch seine makroskopische Ausrichtung beseitigt wird. Dieser letztere Effekt wird erhalten, indem man einen Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 1800 und 2200°C in einer Anfangsstufe erhitzt und ihn dann auf eine Temperatur zwischen 3000 und 3500°C erhitzt, während man ihn nacheinander unter Druckeinwirkung längs zweier oder mehrerer senkrechter Achsen bringt, so daß diese beliebig ausgerichtete kristalline Ausbildungen verringerter Abmessung entwickeln.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkohlenstoffmaterials durch folgende Verfahrensschritte:

a) Bilden eines Vorpreßlings aus körnigen Kohlenstoffen verschiedener Ursprünge,
b) Erhitzen eines örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings auf eine Temperatur zwischen 1800 und 3500°C bei gleichzeitiger Einwirkung eines Drucks auf den örtlichen Bereich und
c) Wiederholen der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung im Schritt b) für weitere vorbestimmte örtliche Bereiche,

dadurch gekennzeichnet,
daß man in den Schritten b) und c) zwecks gesteuerter Kristallisation des Vorpreßlings und Steuerung der Bildung von kristallinen Leerstellen darin einen Druck zwischen 4905 und 49 050 N/cm² in einer oder mehreren Richtungen einwirken läßt und
daß man im Schritt c) die Verlagerung von einem vorbestimmten örtlichen Bereich zu den weiteren vorbestimmten örtlichen Bereichen nacheinander unter numerischer Steuerung vornimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der örtliche Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings in den Schritten b) und c) impulsweise erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsweise Erhitzen des örtlichen Bereichs mittels direkten Zuführens wenigstens eines elektrischen Impulses hoher Stromstärke durch den Kohlenstoffvorpreßling längs des örtlichen Bereichs erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schritten b) und c) der örtliche Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings einer impulsweisen Druckeinwirkung ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in den Schritten b) und c) zusätzlich zu der Druckeinwirkung die Zuführung einer Ultraschallschwingungsenergie zum örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungsenergie mit einer Frequenz zwischen 15 und 50 kHz zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Schritten b) und c) einwirkende Druck periodisch mit einer Ultraschallfrequenz verringert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck periodisch mit einer Ultraschallfrequenz zwischen 15 und 50 kHz verringert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich den Schritt der Zuführung einer Wasserdampfatmosphäre zu wenigstens den der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung in den Schritten b) und c) ausgesetzten örtlichen Bereichen des Kohlenstoffvorpreßlings umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Schritten b) und c) den Druck auf den örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings nacheinander in einer Richtung und in wenigstens einer zu dieser Richtung senkrechten Richtung einwirken läßt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit
einer Einrichtung (2) zur Halterung des Vorpreßlings (1),
einer Einrichtung (6) zum Erhitzen eines örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings (1) auf eine Temperatur zwischen 1800 und 3500°C,
einem Druckorgan (3) zur Druckeinwirkung auf den örtlichen Bereich mit einem Druck während der Erhitzung des Bereichs mittels der Heizeinrichtung (6) und
Antriebseinrichtungen (7, 8) zum Verschieben des der gleichzeitigen Erhitzung und Druckeinwirkung ausgesetzten örtlichen Bereichs des Kohlenstoffvorpreßlings (1) zu weiteren vorbestimmten örtlichen Bereichen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Druckorgan (3) zu einer Druckeinwirkung auf den örtlichen Bereich mit einem Druck zwischen 4905 und 49 050 N/cm² ausgelegt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Stromquelle (6) zum direkten Leiten elektrischer Impulse hoher Stromstärke durch den örtlichen Bereich des Kohlenstoffvorpreßlings (1) aufweist.