JPH0353006A - 二重中空円筒体 - Google Patents

二重中空円筒体

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JPH0353006A
JPH0353006A JP18634889A JP18634889A JPH0353006A JP H0353006 A JPH0353006 A JP H0353006A JP 18634889 A JP18634889 A JP 18634889A JP 18634889 A JP18634889 A JP 18634889A JP H0353006 A JPH0353006 A JP H0353006A
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hollow cylinder
graphite
thermal expansion
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hollow cylindrical
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Kazushi Matsuura
松浦 一志
Masaji Ishihara
正司 石原
Toshio Karikomi
苅込 俊雄
Masao Fukazawa
深沢 正男
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Mitsubishi Chemical Corp
Toyo Carbon Co Ltd
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Mitsubishi Kasei Corp
Toyo Carbon Co Ltd
Mitsubishi Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、セラミックス粉体や超硬合金粉等を焼結する
ために用いられるホットプレス用の型や、高温雰囲気下
で使用される機械用治具、支持体等に用いられる二重中
空円筒体に関するものである。
(従来の技術) セラ旦ソクス粉体や超硬合金粉等の材料を焼結処理する
際に用いられるホットプレス法は、これらの材料を中空
円筒状のスリーブとモールドからなる型の中に載置し、
ピストンにより上部及び下部から一様な高圧を加えなが
ら材料を加熱し焼結する方法である。
この様な方法において使用可能な型材料は加熱温度が1
000〜2400℃と非常に高温であるため、極めて制
限され、従来より黒鉛材料が使用されてきた。
黒鉛材料は高温下でも強度を維持し、不活性雰囲気下で
は化学的に極めて安定である等の好ましい材料であるが
、近年ホットプレス法において圧力操作を更に高圧にす
る傾向があり、黒鉛材料のみからなる型では強度の点で
問題があるということが顕在化してきたため、型、特に
モールドの肉厚を厚くする方法が考えられてきたが作業
性等で問題があり、決してよい解決策ではなかった。
そこで高強度かつ薄肉化が可能な炭素繊維強化炭素材料
(以下C/Cコンポジソトと略す)が黒鉛製モールドの
代替材料として開発されてきた。
すなわち従来の黒鉛材料製ホットプレス用型においては
、モールド(外型)の内側に、モールドの摩耗を防ぐこ
と、焼結品の着脱を容易に行なわれるようにすること、
及びモールドを焼結品との反応から保護すること等の理
由により、スリーブを設け、このスリーブの内側に焼結
粉を入れ、上下から黒鉛製ピストンを用いて焼結してい
る。そしてモールドをC/Cコンボジットで製造した型
も提案されている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、C/Cコンポジットからなるモールドと
黒鉛材料からなるスリーブとで構戊された型の場合はC
/Cコンボジットの熱膨張は一般に黒鉛材料の熱膨張に
比較して小さいため、この熱膨張差によりC/Cコンポ
ジソトからなるモールドが塑性変形を生じ実用化するに
は問題を有していた。
(課題を解決するための手段) そこで、本発明者等はかかる課題を解決すべく鋭意検討
した結果、異なる熱膨張係数を有する部林間に熱膨張に
よる堆積変化を吸収する層を設けることにより、かかる
問題点が解消されることを見い出し、本発明に到達した
。
すなわち、本発明の目的は熱膨張係数の異なる材料で構
成された二重中空円筒体であって高温下で塑性変形ある
いは、欠損等を生じない実用性の高い二重中空円筒体を
提供することにある。
そしてその目的は、黒鉛材料からなる内側中空円筒と該
内側中空円筒の外表面と接する様に嵌合配置された炭素
繊維強化炭素材料からなる外側中空円筒で構成された二
重中空円筒体であって、該内側中空円筒と該外側中空円
筒との間に熱膨張緩和層を設けたことを特徴とする二重
中空円筒体、により容易に達威される。
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、黒鉛材料からなる内側中空円筒は、常法によって
製造される。例えばコークス粉粒体と石炭、もしくは石
炭ピンチ、石油ピッチ等のピッチ類又はフェノール樹脂
、フラン樹脂等の樹脂類を、通常40〜130重量部の
範囲で混練する。この値は粒度によって異なるがコーク
スの平均粒径5μm程度のものであれば40〜70重量
部の範囲でl昆練するのが一般的である。またピンチ類
は混練を容易にするため120〜250℃の加温下で行
なうことが好ましい。
次いで得られた混線物を型込め、押し出しラハープレス
等の常法により成型し、不活性雰囲気中800〜100
0℃で炭化処理を行ない、次いで1000〜3000℃
で黒鉛化する。更に必要に応じてフェノール樹脂、フラ
ン樹脂、エボキシ樹脂等の樹脂類又はピッチ類を含漫後
800〜1000℃で炭化処理という含浸一焼成処理を
複数回繰り返すかあるいはハロゲン炭化水素、炭化水素
等を気相中熱分解させて得られる熱分解炭素によって、
緻密化処理を施こしてもよい。この様にして得られた黒
鉛材料製の中空円筒は通常3〜8×10−”/’Cの熱
膨張係数を有する。
尚、中空円筒はその形状に特に限定されるものではなく
、用途に応じて若干の変化があってもよい。例えばホッ
トプレス用スリーブに用いる場合には、通常二分割され
て使用される。
次に、C/Cコンポジソトからなる外側中空円筒も通常
の手法で製造される。例えばピッチ系、PAN系あるい
はレーヨン系等の炭素繊維又は黒鉛繊維の長繊維束をフ
ェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性
樹脂類又はピッチ等の熱可塑性樹脂類に含浸した後、円
筒形の型に一定の角度並びに所定の肉厚に巻回する。次
いで硬化処理の必要な場合には150〜250℃で予め
硬化処理を行なった後脱型し、その他の場合には引き続
き脱型して、不活性雰囲気中800〜1000℃で炭化
処理を行ない、次いで1000〜3000℃で黒鉛化す
ることにより製造される。更に必要に応じて上述した様
な方法で緻密化処理を行ない強度の改良を行なってもよ
い。尚、緻密化処理の際に樹脂類、ピンチ頻に炭素又は
黒鉛微粉末を添加してもよい。そして緻密化後最終的に
IO00〜3000℃の温度で黒鉛化処理を行なう。
この様にして得られた中空円筒は円周方向の熱膨張係数
1.5 X 1 0−”/’l:’以下を有している。
本発明はかかる黒鉛材料からなる内側中空円筒とC/C
コンポジソトからなる外側中空円筒からなる二重中空円
筒体であるが、かかる外側中空円筒はその内表面と内側
中空円筒の外表面とが接する様に嵌合されており、本発
明の特徴は各円筒同士の間に熱膨張緩和層を設けたこと
にある。
この熱膨張緩和層を構成する材料としては各円筒の熱膨
張差による体積変化を吸収できるものであればよく、具
体的に膨張黒鉛シート、炭素・黒鉛繊維の織物(二次元
、三次元〉や積層剤(織物積層材、一方向積層材)、フ
エルト材等が挙げられ、これらは通常応力に対して弾力
性に冨んだものが使用されるが、更にこれらにピッチや
フェノール樹脂等を含浸・硬化・炭化処理後1000〜
3 0 0 0 ’cの温度で加熱処理して弾力性を調
整したものを使用してもよい。
かかる熱膨張緩和層の形状としては、外側中空円筒と内
側中空円筒との間に隙間が生じない様なものであれば特
に限定されるものではない。
熱膨張緩和層の収縮率は初期の厚さと圧縮応力下の厚さ
の比によって求め、2 0 0 kt7am2圧縮応力
に対して40〜60%が望ましい。さらに復元率は初期
の厚さと圧縮応力下の厚さの差と圧縮応力負荷、除荷後
の厚さと圧縮応力下の厚さの差の比によって求め、2 
0 0 kg/cm”の圧縮応力に対して20%以上が
使用されるが前記数値は特にこの範囲に制限されるもの
ではない。
尚、本発明をホットプレス用型に適用した場合には、前
記熱膨張緩和層をC/Cコンポジットと(外型として使
用、熱膨張係数1. 5 X 1 0−”/’C以下)
黒鉛スリーブ(内型として使用、熱膨張係数3〜8 x
 1 0−’/℃)の中間に配置し、セラξソクス粉体
を充填後ホットプレス炉内に入れ、所定温度まで昇温、
加圧焼結した時、熱膨張緩和材が熱膨張差を解消できる
。
(実施例) 実施例1 1″のテーパーをもち平均外径63+n/mの円筒体を
マンドレルとして用い、炭素繊維4000フィラメント
のメソフェーズピッチをフェノール樹脂(郡栄化学■製
,“レジトップ”PL221))を含浸した後、フィラ
メントワインディング法により巻き角度89″にて、平
均外径73m/mまで巻きつけた。この戒形体を200
℃まで昇温硬化した。次に不活性雰囲気下で1000℃
まで昇温しマトリソクスを炭化した。その後アルゴン雰
囲気中において2400℃まで昇温し、炭素繊維及びマ
トリソクスを黒鉛化した.このC/Cコンボジットは、
緻密化のため含浸用ピッチ(コールタールピッチ,三菱
化成■製〉を含浸し、前記条件でマトリックスを炭化及
び黒鉛化した。この操作を5回くり返し実施して、平均
外径13rm/m平均内径63m/m高さ43m/mの
中空円筒状C/Cコンポジッ1・を得た.このC/Cコ
ンボジットは熱膨張係数0. I X 1 0−”/”
Cを有する。
一方、黒鉛スリーブは、等方製黒鉛(“AX650”.
東洋カーボン特製)で作られ、形状は平均外径6 2m
/m 、内径45m/m、高さ55m/mであり、熱膨
張係数5. I X 1 0−’/’Cを持つ。熱膨張
緩和のための中間素材は、膨張黒鉛シート(UCC社製
“GRAFO I L”)を用いた。厚さ0843m/
mの黒鉛シートを黒鉛スリーブ外周部全面に密着した。
これを前記C/Cコンポジソトの内側にセットした。
従って円筒外側にC/Cコンポジソト、内側には黒鉛ス
リーブがあり、その中間に厚さ0.43m/nの膨張黒
鉛シート(熱膨張緩和材)が配置されている。
C/Cコンポジットの内径、黒鉛スリーブの外径には、
l゜のテーパーがつけてあり、万能試験機にて15kg
の荷重で黒鉛スリーブ端面に荷重を加えてC/Cコンボ
ジソト、膨張黒鉛シート、黒鉛スリーブを密着させた. これを高温熱処理炉に入れ、アルゴン雰囲気中1700
℃まで昇温し、1700℃3時間保持後、常温まで冷却
したあと取り出し、黒鉛スリーブおよび膨張黒鉛シート
をはずし、C/Cコンポジットの内径寸法変化を測定し
た。結果を表1に示す。
比較例1 C/Cコンポジットと黒鉛スリーブを、実施例lと同じ
材質を用い、同様の方法で作製した。これらの熱膨張係
数はそれぞれ0. 1 X 1 0−”/’c、5. 
I X 1 0−’/’Cの値を有していた。C/Cコ
ンポジットと黒鉛スリーブは実施例lのホットプレス法
とまったく同様に組み合わされた。即ち、C/Cコンボ
ジットに黒鉛スリーブを直接挿入した。
従って黒鉛スリーブに平均外径631lノ1m内径45
m/m高さ55m/mのものを使用している他は、実施
例1と同様の形状である。挿入したあとに万能試験機に
て15kgの荷重で黒鉛スリーブ端面に荷重を加え、黒
鉛スリーブをC/Cコンボジソト内に密着させた。実施
例lと同様、高温熱処理炉に入れ、アルゴン雰囲気中1
700″Cまで昇温し、1700℃3時間の保持の後、
常温まで冷却後、取り出し、黒鉛スリーブをはずし、C
/Cコンボジソトの内径寸法変化を測定した6結果を表
1に示す。
実施例2 1″のテーパーをもち、平均外径190m/mの円筒体
をマンドレルとして、炭素繊維に4000フィラメント
のメソフェーズピッチを使用し、フェノール樹脂(郡栄
化学■製,“レジトップ”PL221))を含浸した後
、フィラメントワインディング法により巻き角度896
にて平均外径240m/mまで巻きつけた。この戒形体
は、その後前記実施例1と同一の条件を経て平均外径2
40m/m平均内径190m/m高さ250m/mの中
空円筒状C/Cコンボジットとした.このC/Cコンボ
ジットの熱膨張係数は0. I X 1 0−’/’C
であった。
一方、内部に挿入する黒鉛スリーブは、実施例1と同様
の等方性黒鉛(“AX650”,東洋カーボン■製)、
平均外径189m/m内径135m/m高さ270m/
mを使用した。この黒鉛スリーブの熱膨張係数は5. 
1 x 1 0−6/’cであった。熱膨張緩和のため
の中間素材は、前記実施例1と同し膨張黒鉛シー}<v
cc社製″GRAFO I L”)を用いた.厚さ0.
50m/mの膨張黒鉛シートを黒鉛スリーブ外周部全面
に密着し、前記C/Cコンボジソトの内側にセットした
。C/Cコンポジソトの内径、黒鉛スリーブの外径には
、■6のテーバーがつけてある。C/Cコンポジットの
内側に膨張黒鉛シート、その内側に黒鉛スリーブを配置
し、それぞれは隙間のないよう充分に密着してある。
こうして得た、次に黒鉛スリーブ内側に窒化ホウ素(ス
タルク社製,粒径0.5μm)を960g入れ上部及び
下部に黒鉛ピストンをセント、予備加圧後ホントプレス
内にセットした。炉内で不活性雰囲気中で温度1700
℃まで昇温し、1700℃3時間保持、圧力4 Q O
 kg/ctn2で窒化ホウ素を加圧焼結した。これは
常温まで冷却したあと、焼結体、黒鉛スリーブおよび膨
張黒鉛シートをは丁し、C/Cコンボジットの内径寸法
変化を測定した。結果を表1に示す。
比較例2 C/Cコンポジソトと黒鉛スリーブを、実施例2と同し
材質を用い、同様の方法で作製した。これらの熱膨張係
数はそれぞれ0. l x l O−6/℃、5. l
 x L O−6,z”cであった。前記C/C:1)
7ボジントと黒鉛スリーブは、直接密着させた。
従って黒鉛スリーブに平均外径190m/m内径135
m/m高さ270m/mを使用している他、C/Cコン
ボジソトは実施例2と同様の形状である。
次にこれは実施例2と同様、窒化ホウ素(スタルク社製
、粒径0. 5μm)960gを黒鉛スリーブ内に入れ
、上部及び下部に黒鉛ピストンをセントした、他は実施
例2と同一条件にて窒化ホウ素を加圧焼結した。
これを常温まで冷却したあと、焼結体、黒鉛スリーブを
はずし、C/Cコンボジットの内径寸法変化を測定した
。結果を表1に示す。
表1からわかるように熱膨張緩和材をC/Cコンボジソ
トモールドと黒鉛スリーブの中間に用いた場合は、内径
の寸法変化(膨張)は認められるず膨張黒鉛シートが収
縮した。
一方、比較例で示したものはそれぞれ、内径の寸法変化
(膨張)が認められた。
以上から熱膨張緩和材の効果が明らかとなった。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)黒鉛材料からなる内側中空円筒と該内側中空円筒
    の外表面と接する様に嵌合配置された炭素繊維強化炭素
    材料からなる外側中空円筒で構成された二重中空円筒体
    であって、該内側中空円筒と該外側中空円筒との間に熱
    膨張緩和層を設けたことを特徴とする二重中空円筒体。
  2. (2)二重中空円筒体が、ホットプレス用型である請求
    項1記載の二重中空円筒体。
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