JPH111376A - ガラス容器製造用治具材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐酸化性及び耐摩耗性ともに優れたＣ／Ｃ材
製のガラス容器製造用治具材料を提供する。 【解決手段】 炭素繊維を補強材とし、難黒鉛化性炭素
をマトリックスとする炭素繊維強化炭素複合材料であっ
て、該複合材料が高純度化されてなる（好ましくは１０
０ｐｐｍ以下である）ことを特徴とするガラス容器製造
用治具材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素繊維強化炭素
複合材料からなるガラス容器製造用治具材料に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ガラスビンやガラスコップ等のガラス容
器は、ＩＳマシンやプレスマシン等のガラス成形機によ
って製造されていることは良く知られている。これらの
成形機で成形されたガラス容器は、徐冷炉までの搬送過
程において、通常３００〜６５０℃の高温となってい
る。この過程でのガラス容器は、搬送用の治具材表面と
の接触による摩擦や熱応力により、ビリと呼ばれる表面
割れが入りやすく、そのため従来では、アスベストやそ
の成形物がガラス容器製造用治具材料として多く使用さ
れていた。しかし、アスベストが発ガン誘因物質の一つ
として問題視されて以来、アスベストに代わって黒鉛材
料、耐熱プラスチック、炭素繊維強化炭素複合材料（以
下「Ｃ／Ｃ材」ともいう。）などが使用され始めてい
る。

【０００３】特にＣ／Ｃ材の場合は炭素繊維を補強材と
し、炭素をマトリックスとした複合材料であり、高温強
度が高く、耐熱性、耐衝撃性に優れているため、ガラス
容器製造用治具材料として注目されつつある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＣ／Ｃ
材は、マトリックスたる炭素材として機械的強度（硬
度）が比較的大きく、かつ取扱い易いという点から、一
般にフェノール樹脂等の難黒鉛化性材料を使用している
ために、耐酸化性が低いという欠点がある。即ち、この
ようなＣ／Ｃ材をガラス容器製造用治具材として用いた
場合、治具材の酸化消耗の程度が著しいため、寿命が短
くなりがちであり、その結果新品の治具材との交換回数
が多くなり、最終的にはガラス容器製造コストを上昇さ
せる一因となっていた。

【０００５】上記の対応策として、黒鉛化処理の温度を
高めることにより、つまり通常は２６００℃以上で黒鉛
化することによりＣ／Ｃ材の耐酸化性を改善する試みも
なされている。しかし、２６００℃以上の高温で黒鉛化
処理されたＣ／Ｃ材では、硬度の低下という特異な現象
が発生する。このため、このような高温黒鉛化処理後の
Ｃ／Ｃ材をガラス容器製造用治具材として用いた場合、
耐摩耗性の低下による短命化という別の問題が生じ、最
終的には上記の酸化消耗に起因する短命化の場合と同
様、ガラス容器製造コストの上昇という欠点につなが
る。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、耐酸化性及び耐摩耗
性に優れたＣ／Ｃ材製のガラス容器製造用治具材料を提
供する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明のガラス容器製造用治具材料は、炭素繊維を補強材
とし、難黒鉛化性炭素をマトリックスとするＣ／Ｃ材で
あって、該Ｃ／Ｃ材が高純度化（望ましくは１００ｐｐ
ｍ以下）されてなることを特徴とする。また、他の発明
は、その高純度化の手段がハロゲン化処理であることを
特徴とするガラス容器製造用治具材料である。

【０００８】以下本発明を、詳しく説明する。まず本発
明者は、一般にフェノール樹脂等の難黒鉛化性材料を使
用してなるＣ／Ｃ材の特性が耐酸化性に及ぼす影響につ
いて種々検討を行ってきた。この結果、Ｃ／Ｃ材の耐酸
化性の良否が不純物含有量と密接に関連していること、
即ち耐酸化性の低いＣ／Ｃ材ほど不純物含有量（灰分）
が多いという事実を確認することができた。従って、２
０００℃程度の高温処理の段階で、ある程度のレベル以
上に高純度化されたＣ／Ｃ材とすることができれば、こ
のＣ／Ｃ材の耐酸化性を改善できるはずである。そし
て、このようなＣ／Ｃ材であれば、従来のように２６０
０℃以上という高温黒鉛化処理を施す必要もないので、
その反射的効果として硬度低下ひいては耐摩耗性の低下
を回避することができるはずである。従って、ガラス容
器製造用治具材料として十分実用的に良好な使用が可能
なレベルまで耐酸化性、耐摩耗性共にその改善を図るこ
とができるはず、との指針を得て、そのような高純度化
されたＣ／Ｃ材を見い出すべくさらに検討を重ねた結
果、本発明を完成したものである。

【０００９】本発明に係るＣ／Ｃ材は、炭素繊維と炭素
材原料とを組み合わせて成形材料とした後、プレス成形
等を行って成形体となし、さらにこれを非酸化性雰囲気
中で炭化焼成した後、高純度化処理を行って得られる。
以下、詳しく説明する。

【００１０】まず、本発明に用いられる補強用の炭素繊
維はポリアクリロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系の
いずれであってもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれで
あってもよい。またその形態も、短繊維、長繊維を問わ
ず、シート状であってもよい。さらに、マトリックス中
における炭素繊維の配列方向に特別の条件はない。

【００１１】マトリックスとなる炭素材原料は難黒鉛化
性炭素材料であるが、ここにいう「難黒鉛化性炭素材
料」とは、熱処理を行っても結晶子の配向が乱れたまま
で、グラファイトには至らない一群の無定形炭素材料を
意味する。通常は、フェノール樹脂、フラン樹脂等の熱
硬化性樹脂が該当する。

【００１２】前記成形体中における炭素繊維とマトリッ
クスとの占有割合は、得られる最終製品（ガラス容器製
造用治具材料）として必要な強度を確保できる範囲で適
宜変更可能であり、通常は成形体中に炭素繊維が５０体
積％前後含有されている状態が望ましい。また、成形体
の成形方法にも特別の限定条件はなく、上記のプレス成
形法以外にもフィラメントワインディング法などを挙げ
ることができる。

【００１３】得られた成形体は、チッ素、アルゴン等の
非酸化性雰囲気中で８００℃以上、好ましくは１０００
℃以上１５００℃以下の温度で炭化焼成してＣ／Ｃ材の
中間体を得る。得られたＣ／Ｃ材の中間体に対してピッ
チ及びフェノール樹脂を含浸し、その後再焼成する作業
を適当な回数だけ繰り返し、Ｃ／Ｃ材中間体の緻密化を
図る。この後、非酸化性雰囲気中で最高２０００℃まで
の温度下で熱処理（高温処理）を行う。

【００１４】次に、最終段階として高温熱処理を終えた
Ｃ／Ｃ材に対して高純度化処理を行う。高純度化処理と
しては、高温処理，高温真空熱処理，ハロゲン化処理等
があり、すべて採用可能であるが、純度管理の容易性を
考慮した場合、ハロゲン化処理が望ましい。ハロゲン化
処理としては、非酸化性雰囲気下にある真空又は常圧の
熱処理炉内において、Ｃｌ₂ ガス等のハロゲンガスを用
い、金属不純物の沸点を下げて除去する方法が有効であ
る。

【００１５】上記のハロゲン化処理によってＣ／Ｃ材中
の灰分レベルを従来の一般的なＣ／Ｃ材（灰分レベルは
平均１０００ｐｐｍ程度）よりも高く、具体的には約２
倍以上（約５００ｐｐｍ以下）の高レベルまで高純度化
することにより、従来の一般的なＣ／Ｃ材より耐酸化性
を向上させることができる。望ましくは、純度管理のレ
ベルを１００ｐｐｍ以下とすることにより、耐酸化性を
さらに大きく向上させることができる。この結果、従来
のＣ／Ｃ材のように耐酸化性付与のため２６００℃を超
えるような高温での黒鉛化処理を不要にできるため、反
射的効果としてその高温黒鉛化処理が原因で生じていた
耐摩耗性の低下を回避し、良好な耐摩耗性を保持するこ
とができる。即ち、耐酸化性及び耐摩耗性ともに優れた
Ｃ／Ｃ材とすることができる。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊
維クロスにフェノール樹脂を４０重量％含浸、乾燥し、
これを適当な大きさに切断してプリプレグとした。この
プリプレグを金型に積層し、温度１６０℃、圧力５０ｋ
ｇｆ／ｃｍ² でプレス成形し、成形体を得た。この成形
体をＮ₂ 雰囲気中にて１０℃／ｈｒの昇温速度で１００
０℃まで昇温した後、徐冷してＣ／Ｃ材の中間体を得
た。続いてこのＣ／Ｃ材の中間体に対しピッチ及びフェ
ノール樹脂を含浸し、炭化焼成処理を繰り返して緻密質
にした後、この緻密質Ｃ／Ｃ材をさらにＮ₂ 雰囲気中に
て２０００℃まで昇温し、１ｈｒ保持して高温熱処理し
た。次いで、この熱処理されたＣ／Ｃ材を切断した後、
１つは真空炉内に設置し、２０００℃に昇温した後Ｃｌ
₂ ガスを供給し、炉内圧力を２０Ｔｏｒｒに制御しつつ
２０ｈｒの高純度化処理を行い、１００ｐｐｍ程度にま
で高純度化されたＣ／Ｃ材を得た。

【００１７】こうして得られたそれぞれの高純度化Ｃ／
Ｃ材から、共に幅２４ｍｍ×長さ３２ｍｍ×厚み１２．
５ｍｍの試験片を切り出した。まず、ハロゲン化処理し
た試験片を５５０℃に調整された空気中に２４時間放置
して酸化消耗試験を行い、耐酸化性を調べた。次に、リ
ング試験機を使用して以下の条件（〜）で摺動試験
を行い、耐摩耗性を調べた。なお、リング試験機は、一
方端を支点とし、他方端に重りを掛けられた長棒の中間
付近に試験片を取り付け、この試験片に対して下方から
回転している鉄製リングを接触させて摩耗状況を調べる
構造をしている。 〔試験条件〕 面積：１２．５ｍｍ×２０ｍｍ 面圧：７．８×１０^-2ＭＰａ 周速：８．２４ｍ／ｓ 時間：１００ｈｒ 雰囲気：大気中

【００１８】上記の耐酸化性試験及び耐摩耗性試験の結
果を、Ｃ／Ｃ材の硬度に関する物性値と併せて表１に示
す。

【００１９】（比較例１）通常の等方性高密度黒鉛か
ら、実施例１と同じ寸法、形状の試験片を切り出し、同
一条件下で行った耐酸化性及び耐摩耗性の試験の結果を
表１に併せて示す。 （比較例２）実施例１で同時に切り出された他の試験
片、つまり２０００℃の熱処理が終了し、最後のハロゲ
ン化処理をしないＣ／Ｃ材から実施例１と同じ寸法、形
状に切り出された試験片に対し、同一条件下で行った耐
酸化性及び耐摩耗性の試験の結果を表１に併せて示す。 （比較例３）最終の黒鉛化処理温度が２６００℃以上で
あって、最後のハロゲン化処理を実施しない条件以外は
実施例１，２と同様の製法で得られたＣ／Ｃ材（本発明
で課題としてとり挙げた従来型Ｃ／Ｃ材に相当する。）
から実施例１と同じ寸法、形状の試験片を切り出し、同
一条件下で行った耐酸化性及び耐摩耗性の試験の結果を
表１に併せて示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１からも明らかなように、１００ｐｐｍ
程度に高純度化されたＣ／Ｃ材（実施例１）では耐酸化
性及び耐摩耗性ともに大きく向上していることが分か
る。一方、従来型Ｃ／Ｃ材（比較例３）では、高温黒鉛
化処理の作用で一応耐酸化性の点では良好であるもの
の、耐摩耗性が悪い。即ち、製品たるトングの寿命で比
較した場合、実施例１のＣ／Ｃ材は、比較例３のものに
比べて約２倍の延命化を図ることができた。

【００２２】また、比較例２では高純度化処理を行って
おらず、しかも最終の黒鉛化温度が２０００℃程度とあ
って、耐酸化性は非常に低いことが分かる。なお、比較
例１も比較例２と同程度の純度レベルゆえに耐酸化性及
び耐摩耗性が低いことが分かる。

【００２３】なお、本発明のＣ／Ｃ材から実用的なガラ
ス容器製造用治具材が問題なく得られるか、つまり加工
性の面でも特に問題がないか確認するために加工性の試
験も併せて行った。試験は、実施例１で得られた高純度
化Ｃ／Ｃ材を超硬バイトにより切削加工して、外径５０
ｍｍ／内径４０ｍｍ×厚み２．７ｍｍの寸法、形状のト
ングを製作し、製作後のトングを外観から判断した。製
作後のトングは、端部の欠け、傷もなく、綺麗にできて
おり、本発明のＣ／Ｃ材は加工性の面でも何ら問題がな
いことを確認することができた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１記載の発明のＣ／Ｃ材製ガラス容器製造用治具材料
は、従来のように２６００℃以上という高温黒鉛化処理
することなく、灰分の純度レベルを高くすることによっ
て耐酸化性を高め得た構成である。従って、従来のＣ／
Ｃ材では高温黒鉛化処理を行うが故に回避できなかった
硬度低下ひいては耐摩耗性の低下を有効に防止すること
ができる。この結果、ガラス容器製造用治具材料として
十分実用的に良好な使用が可能なレベルまで耐酸化性、
耐摩耗性共にその向上を図ることができ、同時に治具材
料の延命化を図ることが可能である。

【００２５】また、請求項２記載の発明は、灰分の純度
レベルが１００ｐｐｍ以下のものである。従って、請求
項１記載の発明の効果を一層確実、顕著なものとし、治
具材料の寿命でいえば従来より少なくとも２倍程度以上
に延命化された治具材料とすることができる。最終的に
は、ガラス容器製造コストの低減化を図ることができ
る。

【００２６】また、請求項３記載の発明は、Ｃ／Ｃ材を
ハロゲン化処理によって高純度化したものである。即
ち、純度管理を確実、容易に行なえる手段を採用するこ
とにより、請求項１又は請求項２記載の発明の効果に加
えて、本発明に係る治具材料の製作を良好に行うことが
できる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維を補強材とし、難黒鉛化性炭素
   をマトリックスとする炭素繊維強化炭素複合材料であっ
   て、該複合材料が高純度化されてなることを特徴とする
   ガラス容器製造用治具材料。
2. 【請求項２】 前記高純度化のレベルが１００ｐｐｍ以
   下である請求項１記載のガラス容器製造用治具材料。
3. 【請求項３】 前記高純度化の手段がハロゲン化処理で
   ある請求項１又は請求項２記載のガラス容器製造用治具
   材料。