專利名稱：高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泛應(yīng)用于冶金、化工、電子、軍工等領(lǐng)域，尤其是廣泛應(yīng)用于塑料、壓鑄、鍛造等模具行業(yè)普通機(jī)械產(chǎn)品的碳石墨材料。特別是能夠達(dá)到肖氏硬度80，抗折70Mpa，抗壓150Mpa的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法。
背景技術(shù)：
碳石墨材料按其使用要求可劃分為機(jī)械用碳、電子電工用碳、化工用碳和冶金用碳等大類。按材質(zhì)又可分為硬質(zhì)碳、中硬質(zhì)碳和軟質(zhì)碳。按品種分為碳石墨、電化石墨、浸潰樹脂石墨、浸潰無(wú)機(jī)鹽石墨和浸潰金屬石墨等。根據(jù)不同的使用要求，碳石墨材料可制成不同尺寸的軸承、密封件、電刷、石墨模、石墨坩堝、刮片、滑塊等零部件。目前在機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)中，需求呼聲最高的一類石墨制品是具有高強(qiáng)度、高密度、高純度(含碳量在99. 99%以上)的石墨制品(簡(jiǎn)稱為“二聞石墨”)。二聞石墨屬于“特種石墨”，它很大部分的廣品是人造碳-石墨為原料而制成的，其工藝方法很大部分采用等靜壓工藝法，生產(chǎn)出的產(chǎn)品為各向同性石墨。例如，應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的直拉單晶硅爐熱場(chǎng)中的特種石墨，就是絕大多數(shù)多采用高純細(xì)顆粒的等靜壓各向同性石墨制成的。因碳石墨材料的制造過(guò)程決定了其質(zhì)硬而脆、氣孔率大的特性。用浸潰的方法，可降低氣孔率，達(dá)到不透性，提高機(jī)械強(qiáng)度和硬度的目的。浸潰燒結(jié)是碳材料的核心工藝，是碳材料必不可少的環(huán)節(jié)，但其過(guò)程對(duì)環(huán)境污染相當(dāng)大。經(jīng)多次浸潰浙青的高純石墨體積密度可達(dá)I. 8g/cm3以上。為了得到細(xì)顆粒石墨，原材料焦碳采用超細(xì)磨粉機(jī)磨粉，料粉粒徑為5-10 u m ;磨壓粉粒度為30-40 u m。為了提高材料的密度，制品經(jīng)一次焙燒后可浸潰1-2次浙青再焙燒。同時(shí)在等靜壓成型時(shí)，單位壓力要達(dá)到200MPa以上。焙燒后制品經(jīng)2500°C以上高溫石墨化，灰分達(dá)0. 02%以下，石墨化后制品再經(jīng)通鹵氣石墨化提純，灰分可達(dá)0.005%以下。達(dá)到高純、高密、高強(qiáng)度的目的。目前我國(guó)在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的石墨制品，要求大規(guī)格，高純、高密、高強(qiáng)度、細(xì)顆粒，各向同性的石墨迅速增大。在現(xiàn)有技術(shù)中，碳石墨材料在第一次磨粉時(shí)，因?yàn)闆]有粘接劑，粒度可以很小，可以達(dá)到600-700目，甚至更高，但一般第一次磨粉完成后，還會(huì)把粉末與浙青混合，進(jìn)行軋輥，以及二次磨粉，在二次磨粉時(shí)，由于浙青發(fā)熱變軟，粘度很高，受國(guó)內(nèi)技術(shù)的限制，二次磨粉后，被浙青包裹的顆粒的粒度大小一般約為300目，這種粒度的顆粒在結(jié)合時(shí)，由于顆粒較大，相互接觸的表面很少。顆粒與顆粒之間會(huì)有很大的間隙出現(xiàn)，因此產(chǎn)品的氣孔率較高，由于顆粒大，顆粒與顆粒之間的距離較遠(yuǎn)，相互間的拉扯較小，在外力作用下顆粒很容易脫落，這就造成制品的密度和機(jī)械強(qiáng)度都較低，并且加工后表面比較粗糙。雖然在材料中加入細(xì)的顆粒，可以有效的提高材料的密度和強(qiáng)度，但是并不是細(xì)顆粒越多材料的性能就越好，糊料中顆粒料越細(xì)，則其表面積越大，顆粒間的摩擦面也越 大，壓型時(shí)不僅需要較多的粘接劑，還需要較大壓力，因而在生坯中儲(chǔ)存了較大的內(nèi)應(yīng)力，故細(xì)顆粒配方的生坯彈性比粗顆粒配方的生坯大，糊料內(nèi)顆粒表面平滑形狀規(guī)則，顆粒間的機(jī)械咬合和交織作用減小，因而生坯彈性后較增強(qiáng)，容易造成彈坯在培燒和石墨化過(guò)積中產(chǎn)生細(xì)裂紋廢品，并使產(chǎn)品的抗震和氧化性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種不需要較多粘接劑和較大壓力，能夠減少碳石墨材料產(chǎn)品氣孔率，提高產(chǎn)品密度和機(jī)械強(qiáng)度的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法。本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)以下措施達(dá)到，一種高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟首先將> 300 目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，去除碳石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的碳石墨顆粒料放在磨粉容器中，用直徑至少為3. 5mm鋼珠,球磨磨粉機(jī)速度至少為500r/min,磨粉15 25小時(shí),將碳石墨粉的顆粒磨細(xì)為550 650目，然后加入30% 50%顆粒大小為300目的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4 5時(shí)，再把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化常規(guī)工藝后，制成碳石墨材料。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。本發(fā)明將> 300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，把石墨顆粒料中的水分烘干，避免了二次磨粉與鋼珠摩擦生熱，產(chǎn)生大量水蒸氣，使顆粒黏在一起，嚴(yán)重影響磨粉的質(zhì)量缺陷。本發(fā)明采用這種將原先約為300目的顆粒料，通過(guò)烘干去除水分、再磨粉，然后用I : 2 I : 3比例的粗細(xì)顆粒搭配的全新工藝處理后，所用的粘接劑是最少的，只相當(dāng)于常規(guī)用量的三分之一。本發(fā)明通過(guò)在磨粉工藝的球磨磨粉機(jī)中新加入沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的較粗的粉顆粒料，正好作為材料的骨架，使二次磨細(xì)到顆粒大小約為600目的小顆粒和粉末產(chǎn)生填充大中顆粒間的間隙作用，這種在一定范圍內(nèi)增加小顆粒和粉料的用料，可以提高產(chǎn)品的密度和機(jī)械強(qiáng)度，減少產(chǎn)品的氣孔率。因此本發(fā)明采用顆粒粗細(xì)相結(jié)合的方式配比搭配，在工藝方面都是一次全新的發(fā)明創(chuàng)新，產(chǎn)生了新型的細(xì)顆粒高強(qiáng)度機(jī)械用碳的材料。在粗細(xì)配比工藝和采用球磨磨粉機(jī)磨粉工藝，相比于現(xiàn)有技術(shù)采用的雷諾磨粉機(jī)，磨粉效果更好，而且成型后的碳石墨材料性能無(wú)論是在密度，硬度，還是在抗折抗壓以及氣孔率方面都比普通材料優(yōu)很多。一般現(xiàn)有技術(shù)未浸潰過(guò)的普通材料的性能參數(shù)為密度=I. 5g/cm3、肖氏硬度-35、抗折=30Mpa、抗壓=60Mpa ;本發(fā)明未浸潰的材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=I. 75g/cm3,肖氏硬度=80,抗折=70Mpa,抗壓=150Mpa。本發(fā)明更重要的技術(shù)效果還在于，用本發(fā)明方法制備的碳石墨材料比普通的碳石墨材料在不透性的處理方面同樣有很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明制備的碳石墨材料在0. 3MPa的氣壓測(cè)試不泄漏，這樣，對(duì)于工況要求不高的情況下，這種材料可直接投入使用，不需要再次浸潰樹脂等，這樣不僅節(jié)約了勞動(dòng)成本，也減少了因?yàn)榻⑦^(guò)程而產(chǎn)生的環(huán)境污染。(因?yàn)槠胀ㄌ际牧蠈儆诙嗫撞牧?，碳制品的氣孔率?6% 25%，石墨制品的總氣孔率在25% 32%，大量氣孔的存在必然會(huì)對(duì)碳材料的理化性能和使用性能產(chǎn)生負(fù)面影響，如隨著氣孔率的增加，碳材料的體積密度下降、電阻率上升，機(jī)械強(qiáng)度降低，抗氧化性能和耐腐蝕性能變差，對(duì)氣體和液體的滲透性增加，因此，對(duì)某些高性能功能碳材料和結(jié)構(gòu)碳材料，必須浸潰密實(shí)化處理)。
具體實(shí)施方式
在以下實(shí)施例中，首先將彡300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)，用150°進(jìn)行烘干，這樣做的目的是為了把石墨顆粒料中的水分烘干，避免在二次磨粉的時(shí)候，由于與鋼珠的摩擦生熱，會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，使顆粒黏在一起，嚴(yán)重影響磨粉的質(zhì)量。然后將烘干后的顆粒料放在磨粉容器內(nèi)，同時(shí)放入直徑為3. 5mm 5_鋼珠，再把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為500r/min左右，磨粉15 25小時(shí)，在這一過(guò)程中，將碳粉的顆粒大小由原來(lái)的300目磨細(xì)為550 650目，然后在磨粉工序中，按碳石墨粉的粗細(xì)顆粒搭配比例為I : 2 I 3，加入顆粒大小為300的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4左右時(shí)，這段時(shí)間的磨粉目的，主要是為了把新加入的這30%、或40%、50%的粗顆粒料粉與前面已經(jīng)磨到550 650的細(xì)顆粒料粉進(jìn)行均勻的混合。然后把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，在壓制過(guò)程中，可以保壓兩次，這樣壓制的產(chǎn)品效果會(huì)更好，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化等工藝后，制成碳石墨材料。實(shí)施例I根據(jù)本發(fā)明，在磨粉工藝中，將通過(guò)烘干后的預(yù)制碳石墨顆粒料，將直徑為3. 5mm鋼珠放入球磨磨粉機(jī)的磨粉桶內(nèi)，把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為550r/min，磨粉15小時(shí)，在這一過(guò)程中，石墨碳粉的顆粒大小由原來(lái)的400目，磨細(xì)為500目左右，然后加入30%的粉顆粒大小為400目的粉，混合磨粉5小時(shí)左右，把新加入的粗顆粒的粉與桶內(nèi)已經(jīng)磨細(xì)的粉進(jìn)行均勻的混合，使新加入較粗的碳石墨顆粒粉作為材料的骨架，二次磨細(xì)后的大小約為500目的碳石墨小顆粒和粉末填充大中顆粒間的間隙，提高碳石墨產(chǎn)品的密度和機(jī)械強(qiáng)度，減少產(chǎn)品的氣孔率?；旌暇鶆虻念w粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型的壓制過(guò)程中的保壓次數(shù)為兩次。浸潰的材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=I. 60g/cm3,硬度=58,抗折=55Mpa,抗壓=120Mpa。實(shí)施例2在上述工藝的基礎(chǔ)上，將直徑為4mm鋼珠放入球磨磨粉機(jī)的磨粉桶內(nèi)，把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為450r/min，磨粉20小時(shí)，在這一過(guò)程中，把石墨碳粉的顆粒大小由原來(lái)的350目，磨細(xì)為550目左右，然后加入4096的粉顆粒大小為350目的粉，混合磨粉5小時(shí)，把新加入的粗顆粒的粉與桶內(nèi)已經(jīng)磨細(xì)的粉進(jìn)行均勻的混合，新加入較粗的碳石墨顆粒粉，正好可以作為材料的骨架，二次磨細(xì)后的大小約為550目的碳石墨小顆粒和粉末的填充大中顆粒間的間隙，提高碳石墨產(chǎn)品的密度和機(jī)械強(qiáng)度，而且在一定范圍內(nèi)增加小顆粒和粉料的用料，可以減少產(chǎn)品的氣孔率。未浸潰的材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=1.68g/cm3,硬度=70,抗折=62Mpa,抗壓=138Mpa,實(shí)施例3將350目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)，用150°進(jìn)行烘干，去除石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的顆粒料放在磨粉容器內(nèi)，同時(shí)放入直徑至少為3. 5_鋼珠，再把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為500r/min左右，磨粉25小時(shí)，將碳粉的顆粒大小由原來(lái)的350目磨細(xì)為600目，加入5096顆粒大小為300的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4左右時(shí)，加入5096的粗顆粒料粉與前面已經(jīng)磨到600左右的細(xì)顆粒料粉進(jìn)行均勻的混合。然后把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，在壓制過(guò)程中，保壓兩次，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化等工藝后，制成碳石墨材料。材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=I. 72g/cm3,硬度=74,抗折=68Mpa,抗壓=140Mpa。
實(shí)施例4將300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)，用150°進(jìn)行烘干，去除石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的顆粒料放在磨粉容器內(nèi)，同時(shí)放入直徑為3. 5_鋼珠，再把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為550r/min左右，磨粉25小時(shí)，將碳粉的顆粒大小由原來(lái)的300目磨細(xì)為650目，加入40%顆粒大小為300的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4左右時(shí)，力口A 40%的粗顆粒料粉與前面已經(jīng)磨到650左右的細(xì)顆粒料粉進(jìn)行均勻的混合。然后把混合均勻的顆粒粉料 通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，在壓制過(guò)程中，保壓兩次，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化等工藝后，制成碳石墨材料。材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=I. 71g/m3,硬度=74，抗折=70Mpa,抗壓=158Mpa。實(shí)施例5將300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)，用150°進(jìn)行烘干，去除石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的顆粒料放在磨粉容器內(nèi)，同時(shí)放入直徑為3. 5_鋼珠，再把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為550r/min左右，磨粉25小時(shí)，將碳粉的顆粒大小由原來(lái)的300目磨細(xì)為650目，加入30%顆粒大小為300的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉5左右時(shí)，力口A 30%的粗顆粒料粉與前面已經(jīng)磨到650左右的細(xì)顆粒料粉進(jìn)行均勻的混合。然后把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，在壓制過(guò)程中，保壓兩次，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化等工藝后，制成碳石墨材料。材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=
I.78g/cm3,硬度=88,抗折=72Mpa,抗壓=178Mpa。實(shí)施例6將300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)，用150°進(jìn)行烘干，去除石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的顆粒料放在磨粉容器內(nèi)，同時(shí)放入直徑為3. 5_鋼珠，再把球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為650r/min左右，磨粉25小時(shí)，將碳粉的顆粒大小由原來(lái)的300目磨細(xì)為700目，加入30%顆粒大小為300的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉5左右時(shí)，力口A 30%的粗顆粒料粉與前面已經(jīng)磨到650左右的細(xì)顆粒料粉進(jìn)行均勻的混合。然后把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，在壓制過(guò)程中，保壓兩次，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化等工藝后，制成碳石墨材料。材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度=
I.81g/cm3,硬度=65，抗折=63Mpa,抗壓=138Mpa。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟首先將^ 300目的預(yù)制碳石墨顆粒料，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，去除碳石墨顆粒料中的水分，然后將烘干后的碳石墨顆粒料放在磨粉容器中，用直徑至少為3. 5_鋼珠，球磨磨粉機(jī)速度至少為500r/min，磨粉15 25小時(shí)，將碳石墨粉的顆粒磨細(xì)為550 650目，然后加入30% 50%顆粒大小為300目的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4 5時(shí)，再把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型，成型后的坯料經(jīng)過(guò)焙燒、浸潰、再次焙燒、石墨化常規(guī)工藝后，制成碳石墨材料。
2.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于，在磨粉工序中采用球磨磨粉機(jī)。
3.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于，在磨粉工序中，碳石墨粉的粗細(xì)顆粒搭配比例為I : 2 I : 3。
4.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于，混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型的壓制過(guò)程中的保壓次數(shù)為兩次。
5.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于，放在磨粉容器內(nèi)鋼珠直徑為3. 5mm 5mm。
6.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，其特征在于，球磨磨粉機(jī)速度調(diào)整為550r/min。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種高強(qiáng)度細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法，旨在提供一種能夠減少氣孔率，提高密度和機(jī)械強(qiáng)度的細(xì)顆粒碳石墨材料的制備方法。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)首先將≥300目的預(yù)制碳石墨顆粒料放入烘箱內(nèi)烘干，然后放入磨粉容器中，用球磨磨粉機(jī)磨粉15～25小時(shí)，將碳石墨粉的顆粒磨細(xì)為550～650目，然后加入30％～50％顆粒大小為300目的沒經(jīng)過(guò)二次磨粉的顆粒料，混合磨粉4～5時(shí)，再把混合均勻的顆粒粉料通過(guò)等靜壓機(jī)壓制成型。利用本發(fā)明方法能夠顯著減少粘接劑，粘接劑用量只相當(dāng)于常規(guī)用量的三分之一；未浸漬的材料性能參數(shù)可以達(dá)到密度＝1.75g/cm3，肖氏硬度＝80，抗折＝70Mpa，抗壓＝150Mpa。制備的碳石墨材料在0.3MPa的氣壓測(cè)試不泄漏。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102659100SQ201210177990
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者侯玉杰, 程諾 申請(qǐng)人:成都中超碳素科技有限公司