黒鉛とカーボン繊維強化炭素との複合材製の接続部品
黒鉛電極を接続するための接続部品であって、少なくとも１つの黒鉛領域、および少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域を含み、その際、該黒鉛は１０質量％未満の繊維を含有し、且つ該カーボン繊維強化炭素は、２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。有利には、該接続部品は、シリンダーまたは双円錐形の形態の黒鉛体を含み、その際、該黒鉛体に複数の溝形状の凹部が備えられており、該凹部は、２０質量％より多くのカーボン繊維の質量割合を有するカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素電極の接続のための接続部品に関する。
【０００２】
炭素に基づく電極は、とりわけ、電熱法において、および殊に製鋼の際に電気アーク炉内で溶融物の溶融のために使用される。黒鉛の、良好な熱伝導率、低い電気抵抗、高い温度衝撃強度、および化学耐性に基づき、この目的のために、殊に黒鉛電極が使用される。
【０００３】
アーク炉内での使用の際、黒鉛電極に電圧が印加され、その結果、黒鉛電極の下端から溶融物に至るアークが発生され、それが、溶融物、例えば鋼スクラップまたは鉄スポンジを溶融するために充分な高温、例えば１５００℃を発生させる。アーク炉内部の高温に基づき、且つ、アークによって、黒鉛電極の下端が次第に焼け落ちて、黒鉛電極が消耗することが起きる。この理由から、この利用の際、一般に、互いに接続される黒鉛電極の複数個からなる電極線が使用され、その際、電極線は、オーブンの稼働の間に電極下端が焼け落ちる分だけ、アーク炉内に送りこまれる。電極線が規定された最短長を下回るやいなや、電極線の上端に、１つまたはそれより多くの新しい電極が取り付けられる。
【０００４】
電極線の個々の電極は、ニップルとして示され且つ一般に黒鉛から構成される接続部品を介して互いに機械的に且つ電気伝導的に接続されている。その際、個々の、従来のシリンダー状の電極は、接続部品の収容のためにその両方の正面にそれぞれ、雌ねじを備える窪み、もしくは、接続部品の外形に対して相補的である幾何学的形状を有するねじ箱（Ｇｅｗｉｎｄｅｓｃｈａｃｈｔｅｌ）を有している。両方の電極をその都度、その正面を介して互いに接続するために、ねじ箱にその都度、雄ねじを備えた接続部品をねじ込む。その際、接続部品は一般に、二重円錐台形状もしくは双円錐の形態、またはシリンダー形状に形成されている。
【０００５】
アーク炉の稼働の際、電極線は、機械的、熱的および電気的に非常に酷使される。例えば、鋼溶融物において非常に不均一である際（例えばそこで浮遊しているスクラップ部分によって引き起こされる）、電極線に強く曲がる力が生じ、そのことが接続部品または電極の破壊をみちびくことがある。
【０００６】
加えて、黒鉛電極線の直径は、アーク炉の稼働の際、側壁の酸化に基づいて低減し、このために、殊に、鋼溶融物槽に向いた電極線の端部の直径が非常に減少する。説明された通り、電極はアーク炉の稼働の際に消耗し、このために、個々の接続部品が溶融槽のレベルに降りてくる。そのために、電極接続部においてかなりの熱勾配が生じ、それがねじ穴（Ｇｅｗｉｎｄｅｓｃｈａｃｈｔ）の壁で著しい周辺応力をみちびき、それによってまた、ねじ穴の壁にクラックが生じる。酸化に基づき、ねじ穴の壁が薄くなるほど、周辺応力は大きくなる。ねじ穴の壁がより厚い際、即ち、より小さなニップルが使用される際、より小さな周辺応力が発生する。
【０００７】
この理由から、ねじ穴の壁をより厚く形成することが望ましく、それは、同じねじ穴直径の際の電極直径が大きくなるか、または同じ電極直径の際のねじ穴直径が小さくなるという意味である。ただし、黒鉛電極の外径は一般に、計画されている用途によって予め設定されており、電極直径の増大は考慮に入らない。ねじ穴の直径の減少は、他方で、接合物の機械的強度を、殊に電極線の上の部分において、非常に減少させ、なぜなら、その際、より小さな直径を有する接続部品もしくは黒鉛ニップルが使用されることになり、それは、必然的に、より大きな直径を有するものよりも低い強度を有するからである。これはまた、電極線の上部の領域における破壊についての可能性を高め、それに続いて、破壊された電極線が溶融物中に落下し、そのことが著しい製造の損失につながりかねない。
【０００８】
そのような接続部品の機械的強度を高めるために、既に、例えばＥＰ１４６０８８３号Ａ２内に、黒鉛からなるニップルの代替として、カーボン繊維で強化された黒鉛製のニップルが提案されており、そこでは、表面が酸化活性化され且つさらに炭化被覆を備えられている０．２ないし１０％のカーボン繊維が、黒鉛マトリックス中に均一に分布している。ただし、このニップルの機械的強度は充分に高くないので、上記の問題を克服するために、ニップルの機械的強度が不充分とならないでニップルの直径を減少することはできない。
【０００９】
従って、本発明の課題は、黒鉛ベースの接続部品であって、改善された機械的強度を有して、黒鉛電極を、アーク炉内で使用するために充分に安定な電極線に接続でき、それにしかも、殊に、従来技術から公知の接続部品にとって必須である直径よりも小さい直径を有する場合であっても該電極線に接続できる黒鉛ベースの接続部品を提供することである。
【００１０】
本発明によれば、この課題は、黒鉛電極を接続するための接続部品であって、少なくとも１つの黒鉛領域、および少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域を含み、その際、該黒鉛は１０質量％未満の繊維を含有し、且つ該カーボン繊維強化炭素は、２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する、前記接続部品を提供することによって解決される。
【００１１】
この解決策は、単独の領域または複数の個々の領域が、２０％より多いカーボン繊維の質量割合を有するカーボン繊維強化炭素（ＣＦＣ）製の材料からなり、且つ、単数もしくは複数の残りの領域が（繊維含有率１０質量％未満を有する）黒鉛から構成される、複合材製の接続部品が、従来技術から公知の黒鉛ニップルと比較して、しかも殊に、カーボン繊維がニップル全体に渡って均一に分布しているものと比較しても、はるかにより高い機械的強度、殊により高い引っ張り強度およびより高い曲げ強度を有するという、驚くべき知見に基づく。加えて、驚くべきことに、互いに異なる熱膨張係数を有しているにもかかわらず、個々の領域の離層が生じない。これに基づき、本発明による接続部品は、黒鉛電極を電極線に接続させるために抜群に適している。殊に本発明による接続部品を、この用途のために、優れた機械的強度に基づいて、比較的小さな直径で使用することができる、即ち、殊に、従来技術から公知の黒鉛ニップルについて充分な強度を達成するために少なくとも必要な直径の半分で使用することができる。これに基づき、本発明による接続部品を用いて、黒鉛電極を、相応してより小さな直径を有するねじ穴を用いて、アーク炉内において利用するために充分に安定な電極線に接続できる。ねじ穴の直径がより小さいので、電極中に備えられたねじ穴の壁における周辺応力、およびこれによるねじ穴の壁におけるクラック形成、およびそこから生じる材料損失を、アーク炉内での電極線における電極の利用の際に、著しく減少できる。
【００１２】
本発明によれば、該接続部品は、１つまたはそれより多くの黒鉛領域もしくはドメイン、および１つまたはそれより多くのＣＦＣ領域もしくはドメインを含み、その際、前記黒鉛は、これがそもそも繊維を含有する場合は、１０質量％未満の繊維を含有し、前記ＣＦＣ材料は、２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。有利には、少なくとも１つの黒鉛領域は５質量％未満の繊維を含有し、且つ、特にとりわけ特に好ましくは繊維を全く含有せず、他方で、ＣＦＣ材料は好ましくは少なくとも３０質量％のカーボン繊維を含有する。
【００１３】
従って、本発明による接続部品は繊維の豊富な領域と、繊維の乏しい領域もしくは繊維のない領域を含む。その際、個々の領域はそれぞれ、任意の幾何学的形状を有することができ、且つ、これらが互いに隣接している限りは、重なり合って任意に配置されている。ただし、単数もしくは複数のＣＦＣ材料領域が、少なくとも部分的に、単数もしくは複数の黒鉛領域で取り囲まれていることが好ましい。
【００１４】
最後に挙げた実施態様を、以下のように具体的に示すことができる： 本発明による接続部品が少なくとも１つの黒鉛体を含み、その中に少なくとも１つの凹部が備えられており、その少なくとも１つの凹部内にカーボン繊維強化炭素製の材料が備えられており、該黒鉛は１０質量％未満の繊維を含有し、且つ、該カーボン繊維強化炭素は２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。有利には、少なくとも１つの凹部は完全にＣＦＣ材料で満たされている、もしくは塞がれている。その際、その少なくとも１つの凹部は、黒鉛体に、例えばそれを製造の際に相応の形状に成形することによって、始めから備えられてもよく、または、その少なくとも１つの凹部は、例えばシリンダー形状の黒鉛体に溝形状（ｎｕｔｆｏｅｒｍｉｇ）の凹部をフライス削りすることによって、後で黒鉛体にもたらされてもよい。
【００１５】
黒鉛体と、カーボン繊維強化炭素製の材料との間の固い結合を達成するために、本発明の思想のさらなる形態において、少なくとも１つの凹部内に備えられたカーボン繊維強化炭素製の材料を、黒鉛体と、結合剤を介して結合することが提案される。このために、カーボン繊維強化炭素製の材料を、凹部の形状に加工し、その後、結合剤と共に、例えばＣＦＣ製の材料をその外表面上に結合剤をコーティングすることによって、黒鉛体の凹部内にはめ込むことができ、その後、そのように得られた接続部品を、例えば１００ないし３００℃の熱処理に供して、ＣＦＣ材料を黒鉛体と固く結合させる。
【００１６】
原則的に、この目的のために、それぞれ、炭素含有材料に基づく結合剤が使用され、その際、良好な結果は、殊に、結合剤が、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステル、および２つまたはそれより多くの上記の化合物の任意の混合物からなる群から選択される場合に得られる。
【００１７】
黒鉛体の少なくとも１つの凹部内に備えられる、カーボン繊維強化炭素製の材料は、炭素マトリックスから構成され、その中にカーボン繊維が含有されている。ＣＦＣ材料のマトリックスのための出発材料として、炭素含有材料、殊にフェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステルおよび上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択されるものを使用することができ、他方で、カーボン繊維のための出発材料としては、好ましくはピッチ、ポリアクリロニトリル、過酸化ポリアクリロニトリルまたはセルロースを使用できる。上記の材料製の繊維混合物、または２つまたはそれより多くの上記の出発材料製のバイフィラメントを使用することもできる。
【００１８】
カーボン繊維は、例えば長さ５〜２５０ｍｍ、好ましくは５〜１００ｍｍを有する、エンドレスファイバーまたはステープルファイバーであってよい。同様に好ましく、カーボン繊維は、繊維束、ニット、結ばれた物（Ｇｅｓｔｒｉｃｋ）、フリース、網状のもの、または一方向または多軸のいずれかで配列された束層状化物（Ｇｅｌｅｇｅ）の形態で存在することが可能である。
【００１９】
本発明のさらに特に好ましい実施態様によれば、ＣＦＣ材料のカーボン繊維は織物の形態で形成されているか、またはとりわけ特に好ましくは、複数の織物層が重なり合って配置され且つ互いに結合されている織物積層体の形態で形成される。このＣＦＣ織物材料は、有利には、少なくとも１５０ＭＰａ、特に好ましくは少なくとも２００ＭＰａ、およびとりわけ特に好ましくは少なくとも２５０ＭＰａの３点曲げ強さを有する。
【００２０】
かかる織物積層体を、例えば、炭化および／または黒鉛化繊維、殊にエンドレスファイバーから、織物を製造し、その際、プリプレグに樹脂を含浸させた後、複数のプリプレグを重ね合わせて積層化することによって製造できる。その際、個々のプリプレグを、例えば平行または９０°だけ互いにずらして重なり合わせて配置できる。引き続き、該積層体をプレスし、硬化させ、炭化し、且つ随意に黒鉛化する。その際、炭化を、有利には６００〜１２００℃の温度で実施し、且つ、随意の黒鉛化を１８００〜３０００℃、並びに特に好ましくは２０００〜２５００℃の温度で実施する。炭化の後、且つ随意の黒鉛化の前に、該積層体に、随意に１回または複数回、例えば３回または４回、樹脂またはピッチを含浸させることができ、その際、個々の含浸段階の後、その都度、新たな炭化を行う。この実施態様の際も、結合剤もしくはマトリックス材料としては、有利にはフェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂および／またはフェニルエステルが使用され、且つ、カーボン繊維のための出発材料としては、有利にはピッチ、ポリアクリロニトリル、過酸化ポリアクリロニトリルまたはセルロースが使用される。
【００２１】
本発明の思想のさらなる形態において、ＣＦＣ材料が厚さ１．２〜１．８ｇ／ｃｍ3、特に好ましくは１．４〜１．６ｇ／ｃｍ3、およびとりわけ特に好ましくは約１．５ｇ／ｃｍ3を有することが提案される。
【００２２】
有利には、カーボン繊維強化炭素製の材料中でのカーボン繊維の質量割合は、２０より上〜８０％、特に好ましくは３０〜７０％、およびとりわけ特に好ましくは４０〜６０％、例えば約５０％である。
【００２３】
原則的に、少なくとも１つの凹部、ひいては少なくとも１つのＣＦＣ材料領域が、黒鉛体のそれぞれの位置に配置されており、且つ、全ての考えられる幾何学的形状を有するが、しかしながら、好ましくは、その少なくとも１つの凹部は溝もしくはスリットの形態で形成されている。特に好ましくは、少なくとも１つの凹部が、接続部品の縦方向、即ち、接続部品の接続方向に延びており、且つ、接続部品の縦方向に垂直な面において、即ち、接続部品の縦方向に対して横切って、黒鉛体の外側から内側に延びている。言い換えれば、シリンダー形状の黒鉛体の場合、少なくとも１つの凹部は、黒鉛体の外周面から内部に延びる直方体形またはくさび形の形態を有する。
【００２４】
一般に、少なくとも１つの凹部、ひいては少なくとも１つのＣＦＣ材料領域は、黒鉛体の縦寸法の、即ち、接続部品における黒鉛体の寸法の、任意の長さの部分にわたって、または黒鉛体の縦寸法にわたって完全に延びていてよい。良好な結果は殊に、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の縦寸法の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも９０％、およびとりわけ特に好ましくは１００％にわたって延びている場合に得られる。ただし、あまり好ましくない場合、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の縦寸法の５０％未満にわたって延びていることも可能である。
【００２５】
上記の説明の通り、少なくとも１つの凹部、ひいてはＣＦＣ材料領域は、有利には黒鉛体の外周面から内部に延びている。原則的に、これがまたあまり好ましくない場合、少なくとも１つの凹部が黒鉛体を通じて横切って延びていることも可能である。ただし、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の外側もしくは外周面から、黒鉛体の中心軸を超えずに、内部に延びていることが好ましい。有利には、少なくとも１つの凹部は、接続部品の縦方向に対して横切る面から見て、黒鉛体の外側もしくは外周面から、黒鉛体の外側と中心軸との間の距離の１０％超ないし１００％未満、有利には２０％ないし８０％、特に好ましくは３０〜７０％、とりわけ特に好ましくは４０〜７０％、および極めて好ましくは約５０％にわたって、内側に延びている。
【００２６】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、全ての凹部の全体の体積、ひいてはカーボン繊維強化炭素の全体の体積は、接続部品の全体の体積に対して５ないし７５％、好ましくは１０ないし５０％、およびとりわけ特に好ましくは２０ないし４０％である。
【００２７】
凹部もしくはカーボン繊維強化炭素領域の数に関して、本発明による接続部品は限定されない。これが少なくとも２つの凹部を有する場合、個々の凹部は有利にはほぼ同一の大きさであり、且つ殊に接続部品の横断面にわたって一様に分布していることが好ましい。良好な結果は、殊に、黒鉛体が、２ないし５０個の凹部、特に好ましくは２〜３２個の凹部、とりわけ特に好ましくは５ないし３２個の凹部、および極めて好ましくは８ないし２４個の凹部、例えば１６または２４個の凹部を有し、それらがカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている場合に得られる。有利には、個々の凹部がそれぞれくさび形に、接続部品の外周面から内部に延びており、且つ、これが好ましくはほぼ同一の大きさであり、且つ接続部品の横断面にわたって一様に分布している。
【００２８】
原則的に、接続部品はそれぞれ任意の幾何学的形態を取ることができるのだが、好ましくは、それらはシリンダー形状または特に好ましくは双円錐形、即ち、２つの円錐台がその底面で互いに結合されている二重円錐台形状の形態で形成されている。
【００２９】
説明された通り、本発明による接続部品は、カーボン繊維が接続部品の体積全体にわたって均一に分布している従来技術から公知の黒鉛製ニップルと比較して、より高い機械的強度および殊により高い引っ張り強度および曲げ強度を有する。この理由から、たとえ且つ殊に、本発明による接続部品が従来技術から公知の接続部品と比較して小さい、例えば２５ないし７５％だけ小さい、および殊に少なくとも５０％だけ小さい直径を有する場合でも、本発明による接続部品を用いて黒鉛電極を互いに安定に接続できる。例えば従来の接続部品が、２７００ｍｍの長さおよび６００ｍｍの直径を有する標準的な黒鉛電極の接続のために、電極の充分に安定な接続を達成するために３１７ｍｍの直径を有する一方で、本発明による接続部品が１５０ｍｍの直径を有する場合、同一の黒鉛電極を、本発明による接続部品を用いて、同一の安定性で接続できる。
【００３０】
本発明による接続部品の少なくとも１つの黒鉛もしくは黒鉛体領域のための黒鉛用の出発材料として、それぞれ、当業者に公知の黒鉛前駆体、殊にコークスと結合剤との混合物を使用できる。有利には、使用されるコークスは、１０ｍｍ未満、特に好ましくは５ｍｍ未満、およびとりわけ特に好ましくは０．０１ないし３ｍｍの粒径を有する。コークスとしては、例えばピッチコークス、製司コークス、または石油コークス、殊にニードルコークスを使用でき、他方で、結合剤としては、好ましくはピッチを使用できる。コークスと結合剤との間の混合比は、有利には５：１ないし２：１、および特に好ましくは約４：１である。この混合物に、添加剤として、０．１〜０．５質量％の少量の酸化鉄を添加できる。該混合物内に、１０％未満の質量割合までの繊維が含有されることができ、しかしながらその際、前記で説明した通り、好ましくは、これは最大で５質量％の繊維を含有し、且つ特に好ましくは繊維を含有しない。該混合物はその後、例えば押出によって望ましい形態に成形され、且つその後、炭化および黒鉛化される。黒鉛化前に、１つまたはそれより多くの含浸段階を実施でき、その際、その成形体を含浸剤、例えば含浸ピッチで含浸させ、引き続き、新たに炭化する。
【００３１】
随意に、黒鉛化の後にも、１またはそれより多くの（後）含浸を行ってもよく、その都度、炭化が続く。
【００３２】
本発明のさらなる対象は、先に記載された本発明による接続部品の製造方法であって、以下の段階：
ｉ） 繊維を含有しないか、または１０質量％未満の繊維を含有する、黒鉛体を準備する段階、
ｉｉ） ２０質量％より多くの繊維を含有する、カーボン繊維強化炭素製の材料を準備する段階、
ｉｉｉ） 該黒鉛体と、該カーボン繊維強化炭素製の材料とを、結合剤を用いて結合する段階、および
ｉｖ） 段階ｉｉｉ）で得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む、製造方法である。
【００３３】
有利には、ＣＦＣ材料は少なくとも部分的に黒鉛体によって取り囲まれている。この実施態様の際、該方法は有利には以下の段階：
ａ） 有利にはシリンダーまたは双円錐形の形態の黒鉛体を準備する段階、
ｂ） 該黒鉛体を加工することによって、少なくとも１つの凹部を該黒鉛体に備える段階、
ｃ） 少なくとも１つの凹部の形態のカーボン繊維強化炭素を準備する段階、
ｄ） 結合剤およびカーボン繊維強化炭素を少なくとも１つの凹部にもたらす段階、
ｅ） 段階ｄ）において得られた構造物を熱処理する段階、および
ｆ） 段階ｅ）において得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む。
【００３４】
工程段階ａ）による黒鉛体の準備のために、例えば、結合剤とコークスとの混合物を、シリンダーまたは双円錐形の形態に成形でき、且つ、そのように得られた物体をその後、炭化し且つ黒鉛化する。随意に、その際、成形と黒鉛化との間に、含浸剤、例えばピッチを用いた少なくとも１つの含浸段階を行うことができる。含浸を、例えば真空下で２ないし１０時間の間、行い、その際、その含浸の後に、有利には熱処理を例えば６００〜１０００℃、殊に７００〜９００℃で、例えば２〜１０時間、殊に４〜６時間の間、行う。
【００３５】
少なくとも１つの凹部を、工程段階ｂ）において、それぞれ公知の加工技術、例えばフライスによって施与することができる。その代替として、該黒鉛体を、成形段階の際に、例えば押出によって、既に少なくとも１つの凹部を含む形態に成形することができる。
【００３６】
本発明の思想のさらなる形態において、工程段階ｂ）において、黒鉛体に２ないし５０個の凹部、好ましくは２ないし３２個の凹部、特に好ましくは５ないし３２個の凹部、およびとりわけ特に好ましくは８ないし２４個の凹部が備えられ、有利には、それらが接続部品の横断面にわたって一様に分布していることが提案される。その際、好ましくは、個々の凹部は、接続部品の縦方向に延びており、且つ、接続部品の縦方向を横切って、接続部品の外側から内部へ延びている。
【００３７】
工程段階ｃ）におけるカーボン繊維強化炭素の製造のために、カーボン繊維、例えば過酸化ポリアクリロニトリル繊維、ポリアクリロニトリル繊維、セルロース繊維および／またはピッチ繊維を炭化および／または黒鉛化でき、その後、そのように得られたカーボン繊維を特に好ましくは織物または織物積層体に加工し、引き続き、それに結合剤を含浸させ、その後、そのように得られた構成物を炭化し、且つ、場合によっては黒鉛化する。その際、例えば、結合剤として、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステル、および上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択されるものが使用される。
【００３８】
工程段階ｄ）において、カーボン繊維強化炭素と共にもたらされる結合剤も、有利には、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステルおよび上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択される。
【００３９】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、工程段階ｅ）における熱処理を１００〜３００℃の温度で実施する。
【００４０】
本発明のさらなる対象は、上述の本発明による方法によって得られる接続部品である。
【００４１】
さらに、本発明は、２つの電極を接続するための、有利には２つの黒鉛電極を接続するための、先述の本発明による接続部品の使用、もしくは、複数の電極、有利には黒鉛電極を、電極線に接続するための、複数の先述の本発明による接続部品の使用に関する。
【００４２】
最終的に、本発明は、２つまたはそれより多くの黒鉛電極を含み、そのそれぞれ２つの黒鉛電極が、それぞれ本発明による接続部品によって互いに接続されている、電極線に関する。
【００４３】
以降で、本発明を単に例示的に、有利な実施態様を用いて、添付図を参照して説明する。その際、図は以下を示す：
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第一の実施例による接続部品の透視図である
【図２】図１に描かれる接続部品を上から見た図である
【図３】本発明の第二の実施例による接続部品を上から見た図である
【図４】本発明の第三の実施例による接続部品の透視図である。
【００４５】
図１および２に描かれる接続部品１０は、黒鉛体１２から構成され、前記黒鉛体は１０個のくさび形の凹部１４、１４’を有し、前記凹部はカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている。その際、くさび状の凹部１４、１４’は、黒鉛体１２の縦寸法全体にわたって、且つ、接続部品１０の縦軸に対して横切る方向に見て、黒鉛体１２の外周面もしくは外面１６から、黒鉛体１２の外側１６と中心軸１８との間の距離の約５０％にわたって、内部に延びている。
【００４６】
黒鉛体１２が、繊維を有さない黒鉛からなる一方、カーボン繊維強化炭素は２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。カーボン繊維強化炭素製の材料は、黒鉛体１２と、結合剤（図示されない）を介して結合されている。接続部品１０の外周面に、雄ねじ（図示されない）が取り付けられている。
【００４７】
図３に描かれる接続部品１０は、図２および３に描かれるものと、個々の、カーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている凹部１４、１４’が、くさび形ではなく、平坦な直方体形態で形成されている点で異なる。
【００４８】
図１に描かれる接続部品１０とは異なり、図４に描かれる接続部品は双円錐形、即ち、２つの円錐台がその底面で互いに結合されている二重円錐台形状の形態に構成されている。接続部品１０の外周面に、雄ねじ（図示されない）が取り付けられている。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 接続部品
１２ 黒鉛体／黒鉛領域
１４、１４’ 凹部（ＣＦＣ材料で満たされている）／ＣＦＣ材料領域
１６ 黒鉛体の外周面もしくは外面
１８ 黒鉛体の中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素電極の接続のための接続部品に関する。
【０００２】
炭素に基づく電極は、とりわけ、電熱法において、および殊に製鋼の際に電気アーク炉内で溶融物の溶融のために使用される。黒鉛の、良好な熱伝導率、低い電気抵抗、高い温度衝撃強度、および化学耐性に基づき、この目的のために、殊に黒鉛電極が使用される。
【０００３】
アーク炉内での使用の際、黒鉛電極に電圧が印加され、その結果、黒鉛電極の下端から溶融物に至るアークが発生され、それが、溶融物、例えば鋼スクラップまたは鉄スポンジを溶融するために充分な高温、例えば１５００℃を発生させる。アーク炉内部の高温に基づき、且つ、アークによって、黒鉛電極の下端が次第に焼け落ちて、黒鉛電極が消耗することが起きる。この理由から、この利用の際、一般に、互いに接続される黒鉛電極の複数個からなる電極線が使用され、その際、電極線は、オーブンの稼働の間に電極下端が焼け落ちる分だけ、アーク炉内に送りこまれる。電極線が規定された最短長を下回るやいなや、電極線の上端に、１つまたはそれより多くの新しい電極が取り付けられる。
【０００４】
電極線の個々の電極は、ニップルとして示され且つ一般に黒鉛から構成される接続部品を介して互いに機械的に且つ電気伝導的に接続されている。その際、個々の、従来のシリンダー状の電極は、接続部品の収容のためにその両方の正面にそれぞれ、雌ねじを備える窪み、もしくは、接続部品の外形に対して相補的である幾何学的形状を有するねじ箱（Ｇｅｗｉｎｄｅｓｃｈａｃｈｔｅｌ）を有している。両方の電極をその都度、その正面を介して互いに接続するために、ねじ箱にその都度、雄ねじを備えた接続部品をねじ込む。その際、接続部品は一般に、二重円錐台形状もしくは双円錐の形態、またはシリンダー形状に形成されている。
【０００５】
アーク炉の稼働の際、電極線は、機械的、熱的および電気的に非常に酷使される。例えば、鋼溶融物において非常に不均一である際（例えばそこで浮遊しているスクラップ部分によって引き起こされる）、電極線に強く曲がる力が生じ、そのことが接続部品または電極の破壊をみちびくことがある。
【０００６】
加えて、黒鉛電極線の直径は、アーク炉の稼働の際、側壁の酸化に基づいて低減し、このために、殊に、鋼溶融物槽に向いた電極線の端部の直径が非常に減少する。説明された通り、電極はアーク炉の稼働の際に消耗し、このために、個々の接続部品が溶融槽のレベルに降りてくる。そのために、電極接続部においてかなりの熱勾配が生じ、それがねじ穴（Ｇｅｗｉｎｄｅｓｃｈａｃｈｔ）の壁で著しい周辺応力をみちびき、それによってまた、ねじ穴の壁にクラックが生じる。酸化に基づき、ねじ穴の壁が薄くなるほど、周辺応力は大きくなる。ねじ穴の壁がより厚い際、即ち、より小さなニップルが使用される際、より小さな周辺応力が発生する。
【０００７】
この理由から、ねじ穴の壁をより厚く形成することが望ましく、それは、同じねじ穴直径の際の電極直径が大きくなるか、または同じ電極直径の際のねじ穴直径が小さくなるという意味である。ただし、黒鉛電極の外径は一般に、計画されている用途によって予め設定されており、電極直径の増大は考慮に入らない。ねじ穴の直径の減少は、他方で、接合物の機械的強度を、殊に電極線の上の部分において、非常に減少させ、なぜなら、その際、より小さな直径を有する接続部品もしくは黒鉛ニップルが使用されることになり、それは、必然的に、より大きな直径を有するものよりも低い強度を有するからである。これはまた、電極線の上部の領域における破壊についての可能性を高め、それに続いて、破壊された電極線が溶融物中に落下し、そのことが著しい製造の損失につながりかねない。
【０００８】
そのような接続部品の機械的強度を高めるために、既に、例えばＥＰ１４６０８８３号Ａ２内に、黒鉛からなるニップルの代替として、カーボン繊維で強化された黒鉛製のニップルが提案されており、そこでは、表面が酸化活性化され且つさらに炭化被覆を備えられている０．２ないし１０％のカーボン繊維が、黒鉛マトリックス中に均一に分布している。ただし、このニップルの機械的強度は充分に高くないので、上記の問題を克服するために、ニップルの機械的強度が不充分とならないでニップルの直径を減少することはできない。
【０００９】
従って、本発明の課題は、黒鉛ベースの接続部品であって、改善された機械的強度を有して、黒鉛電極を、アーク炉内で使用するために充分に安定な電極線に接続でき、それにしかも、殊に、従来技術から公知の接続部品にとって必須である直径よりも小さい直径を有する場合であっても該電極線に接続できる黒鉛ベースの接続部品を提供することである。
【００１０】
本発明によれば、この課題は、黒鉛電極を接続するための接続部品であって、少なくとも１つの黒鉛領域、および少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域を含み、その際、該黒鉛は１０質量％未満の繊維を含有し、且つ該カーボン繊維強化炭素は、２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する、前記接続部品を提供することによって解決される。
【００１１】
この解決策は、単独の領域または複数の個々の領域が、２０％より多いカーボン繊維の質量割合を有するカーボン繊維強化炭素（ＣＦＣ）製の材料からなり、且つ、単数もしくは複数の残りの領域が（繊維含有率１０質量％未満を有する）黒鉛から構成される、複合材製の接続部品が、従来技術から公知の黒鉛ニップルと比較して、しかも殊に、カーボン繊維がニップル全体に渡って均一に分布しているものと比較しても、はるかにより高い機械的強度、殊により高い引っ張り強度およびより高い曲げ強度を有するという、驚くべき知見に基づく。加えて、驚くべきことに、互いに異なる熱膨張係数を有しているにもかかわらず、個々の領域の離層が生じない。これに基づき、本発明による接続部品は、黒鉛電極を電極線に接続させるために抜群に適している。殊に本発明による接続部品を、この用途のために、優れた機械的強度に基づいて、比較的小さな直径で使用することができる、即ち、殊に、従来技術から公知の黒鉛ニップルについて充分な強度を達成するために少なくとも必要な直径の半分で使用することができる。これに基づき、本発明による接続部品を用いて、黒鉛電極を、相応してより小さな直径を有するねじ穴を用いて、アーク炉内において利用するために充分に安定な電極線に接続できる。ねじ穴の直径がより小さいので、電極中に備えられたねじ穴の壁における周辺応力、およびこれによるねじ穴の壁におけるクラック形成、およびそこから生じる材料損失を、アーク炉内での電極線における電極の利用の際に、著しく減少できる。
【００１２】
本発明によれば、該接続部品は、１つまたはそれより多くの黒鉛領域もしくはドメイン、および１つまたはそれより多くのＣＦＣ領域もしくはドメインを含み、その際、前記黒鉛は、これがそもそも繊維を含有する場合は、１０質量％未満の繊維を含有し、前記ＣＦＣ材料は、２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。有利には、少なくとも１つの黒鉛領域は５質量％未満の繊維を含有し、且つ、特にとりわけ特に好ましくは繊維を全く含有せず、他方で、ＣＦＣ材料は好ましくは少なくとも３０質量％のカーボン繊維を含有する。
【００１３】
従って、本発明による接続部品は繊維の豊富な領域と、繊維の乏しい領域もしくは繊維のない領域を含む。その際、個々の領域はそれぞれ、任意の幾何学的形状を有することができ、且つ、これらが互いに隣接している限りは、重なり合って任意に配置されている。ただし、単数もしくは複数のＣＦＣ材料領域が、少なくとも部分的に、単数もしくは複数の黒鉛領域で取り囲まれていることが好ましい。
【００１４】
最後に挙げた実施態様を、以下のように具体的に示すことができる： 本発明による接続部品が少なくとも１つの黒鉛体を含み、その中に少なくとも１つの凹部が備えられており、その少なくとも１つの凹部内にカーボン繊維強化炭素製の材料が備えられており、該黒鉛は１０質量％未満の繊維を含有し、且つ、該カーボン繊維強化炭素は２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。有利には、少なくとも１つの凹部は完全にＣＦＣ材料で満たされている、もしくは塞がれている。その際、その少なくとも１つの凹部は、黒鉛体に、例えばそれを製造の際に相応の形状に成形することによって、始めから備えられてもよく、または、その少なくとも１つの凹部は、例えばシリンダー形状の黒鉛体に溝形状（ｎｕｔｆｏｅｒｍｉｇ）の凹部をフライス削りすることによって、後で黒鉛体にもたらされてもよい。
【００１５】
黒鉛体と、カーボン繊維強化炭素製の材料との間の固い結合を達成するために、本発明の思想のさらなる形態において、少なくとも１つの凹部内に備えられたカーボン繊維強化炭素製の材料を、黒鉛体と、結合剤を介して結合することが提案される。このために、カーボン繊維強化炭素製の材料を、凹部の形状に加工し、その後、結合剤と共に、例えばＣＦＣ製の材料をその外表面上に結合剤をコーティングすることによって、黒鉛体の凹部内にはめ込むことができ、その後、そのように得られた接続部品を、例えば１００ないし３００℃の熱処理に供して、ＣＦＣ材料を黒鉛体と固く結合させる。
【００１６】
原則的に、この目的のために、それぞれ、炭素含有材料に基づく結合剤が使用され、その際、良好な結果は、殊に、結合剤が、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステル、および２つまたはそれより多くの上記の化合物の任意の混合物からなる群から選択される場合に得られる。
【００１７】
黒鉛体の少なくとも１つの凹部内に備えられる、カーボン繊維強化炭素製の材料は、炭素マトリックスから構成され、その中にカーボン繊維が含有されている。ＣＦＣ材料のマトリックスのための出発材料として、炭素含有材料、殊にフェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステルおよび上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択されるものを使用することができ、他方で、カーボン繊維のための出発材料としては、好ましくはピッチ、ポリアクリロニトリル、過酸化ポリアクリロニトリルまたはセルロースを使用できる。上記の材料製の繊維混合物、または２つまたはそれより多くの上記の出発材料製のバイフィラメントを使用することもできる。
【００１８】
カーボン繊維は、例えば長さ５〜２５０ｍｍ、好ましくは５〜１００ｍｍを有する、エンドレスファイバーまたはステープルファイバーであってよい。同様に好ましく、カーボン繊維は、繊維束、ニット、結ばれた物（Ｇｅｓｔｒｉｃｋ）、フリース、網状のもの、または一方向または多軸のいずれかで配列された束層状化物（Ｇｅｌｅｇｅ）の形態で存在することが可能である。
【００１９】
本発明のさらに特に好ましい実施態様によれば、ＣＦＣ材料のカーボン繊維は織物の形態で形成されているか、またはとりわけ特に好ましくは、複数の織物層が重なり合って配置され且つ互いに結合されている織物積層体の形態で形成される。このＣＦＣ織物材料は、有利には、少なくとも１５０ＭＰａ、特に好ましくは少なくとも２００ＭＰａ、およびとりわけ特に好ましくは少なくとも２５０ＭＰａの３点曲げ強さを有する。
【００２０】
かかる織物積層体を、例えば、炭化および／または黒鉛化繊維、殊にエンドレスファイバーから、織物を製造し、その際、プリプレグに樹脂を含浸させた後、複数のプリプレグを重ね合わせて積層化することによって製造できる。その際、個々のプリプレグを、例えば平行または９０°だけ互いにずらして重なり合わせて配置できる。引き続き、該積層体をプレスし、硬化させ、炭化し、且つ随意に黒鉛化する。その際、炭化を、有利には６００〜１２００℃の温度で実施し、且つ、随意の黒鉛化を１８００〜３０００℃、並びに特に好ましくは２０００〜２５００℃の温度で実施する。炭化の後、且つ随意の黒鉛化の前に、該積層体に、随意に１回または複数回、例えば３回または４回、樹脂またはピッチを含浸させることができ、その際、個々の含浸段階の後、その都度、新たな炭化を行う。この実施態様の際も、結合剤もしくはマトリックス材料としては、有利にはフェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂および／またはフェニルエステルが使用され、且つ、カーボン繊維のための出発材料としては、有利にはピッチ、ポリアクリロニトリル、過酸化ポリアクリロニトリルまたはセルロースが使用される。
【００２１】
本発明の思想のさらなる形態において、ＣＦＣ材料が厚さ１．２〜１．８ｇ／ｃｍ3、特に好ましくは１．４〜１．６ｇ／ｃｍ3、およびとりわけ特に好ましくは約１．５ｇ／ｃｍ3を有することが提案される。
【００２２】
有利には、カーボン繊維強化炭素製の材料中でのカーボン繊維の質量割合は、２０より上〜８０％、特に好ましくは３０〜７０％、およびとりわけ特に好ましくは４０〜６０％、例えば約５０％である。
【００２３】
原則的に、少なくとも１つの凹部、ひいては少なくとも１つのＣＦＣ材料領域が、黒鉛体のそれぞれの位置に配置されており、且つ、全ての考えられる幾何学的形状を有するが、しかしながら、好ましくは、その少なくとも１つの凹部は溝もしくはスリットの形態で形成されている。特に好ましくは、少なくとも１つの凹部が、接続部品の縦方向、即ち、接続部品の接続方向に延びており、且つ、接続部品の縦方向に垂直な面において、即ち、接続部品の縦方向に対して横切って、黒鉛体の外側から内側に延びている。言い換えれば、シリンダー形状の黒鉛体の場合、少なくとも１つの凹部は、黒鉛体の外周面から内部に延びる直方体形またはくさび形の形態を有する。
【００２４】
一般に、少なくとも１つの凹部、ひいては少なくとも１つのＣＦＣ材料領域は、黒鉛体の縦寸法の、即ち、接続部品における黒鉛体の寸法の、任意の長さの部分にわたって、または黒鉛体の縦寸法にわたって完全に延びていてよい。良好な結果は殊に、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の縦寸法の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも９０％、およびとりわけ特に好ましくは１００％にわたって延びている場合に得られる。ただし、あまり好ましくない場合、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の縦寸法の５０％未満にわたって延びていることも可能である。
【００２５】
上記の説明の通り、少なくとも１つの凹部、ひいてはＣＦＣ材料領域は、有利には黒鉛体の外周面から内部に延びている。原則的に、これがまたあまり好ましくない場合、少なくとも１つの凹部が黒鉛体を通じて横切って延びていることも可能である。ただし、少なくとも１つの凹部が、黒鉛体の外側もしくは外周面から、黒鉛体の中心軸を超えずに、内部に延びていることが好ましい。有利には、少なくとも１つの凹部は、接続部品の縦方向に対して横切る面から見て、黒鉛体の外側もしくは外周面から、黒鉛体の外側と中心軸との間の距離の１０％超ないし１００％未満、有利には２０％ないし８０％、特に好ましくは３０〜７０％、とりわけ特に好ましくは４０〜７０％、および極めて好ましくは約５０％にわたって、内側に延びている。
【００２６】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、全ての凹部の全体の体積、ひいてはカーボン繊維強化炭素の全体の体積は、接続部品の全体の体積に対して５ないし７５％、好ましくは１０ないし５０％、およびとりわけ特に好ましくは２０ないし４０％である。
【００２７】
凹部もしくはカーボン繊維強化炭素領域の数に関して、本発明による接続部品は限定されない。これが少なくとも２つの凹部を有する場合、個々の凹部は有利にはほぼ同一の大きさであり、且つ殊に接続部品の横断面にわたって一様に分布していることが好ましい。良好な結果は、殊に、黒鉛体が、２ないし５０個の凹部、特に好ましくは２〜３２個の凹部、とりわけ特に好ましくは５ないし３２個の凹部、および極めて好ましくは８ないし２４個の凹部、例えば１６または２４個の凹部を有し、それらがカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている場合に得られる。有利には、個々の凹部がそれぞれくさび形に、接続部品の外周面から内部に延びており、且つ、これが好ましくはほぼ同一の大きさであり、且つ接続部品の横断面にわたって一様に分布している。
【００２８】
原則的に、接続部品はそれぞれ任意の幾何学的形態を取ることができるのだが、好ましくは、それらはシリンダー形状または特に好ましくは双円錐形、即ち、２つの円錐台がその底面で互いに結合されている二重円錐台形状の形態で形成されている。
【００２９】
説明された通り、本発明による接続部品は、カーボン繊維が接続部品の体積全体にわたって均一に分布している従来技術から公知の黒鉛製ニップルと比較して、より高い機械的強度および殊により高い引っ張り強度および曲げ強度を有する。この理由から、たとえ且つ殊に、本発明による接続部品が従来技術から公知の接続部品と比較して小さい、例えば２５ないし７５％だけ小さい、および殊に少なくとも５０％だけ小さい直径を有する場合でも、本発明による接続部品を用いて黒鉛電極を互いに安定に接続できる。例えば従来の接続部品が、２７００ｍｍの長さおよび６００ｍｍの直径を有する標準的な黒鉛電極の接続のために、電極の充分に安定な接続を達成するために３１７ｍｍの直径を有する一方で、本発明による接続部品が１５０ｍｍの直径を有する場合、同一の黒鉛電極を、本発明による接続部品を用いて、同一の安定性で接続できる。
【００３０】
本発明による接続部品の少なくとも１つの黒鉛もしくは黒鉛体領域のための黒鉛用の出発材料として、それぞれ、当業者に公知の黒鉛前駆体、殊にコークスと結合剤との混合物を使用できる。有利には、使用されるコークスは、１０ｍｍ未満、特に好ましくは５ｍｍ未満、およびとりわけ特に好ましくは０．０１ないし３ｍｍの粒径を有する。コークスとしては、例えばピッチコークス、製司コークス、または石油コークス、殊にニードルコークスを使用でき、他方で、結合剤としては、好ましくはピッチを使用できる。コークスと結合剤との間の混合比は、有利には５：１ないし２：１、および特に好ましくは約４：１である。この混合物に、添加剤として、０．１〜０．５質量％の少量の酸化鉄を添加できる。該混合物内に、１０％未満の質量割合までの繊維が含有されることができ、しかしながらその際、前記で説明した通り、好ましくは、これは最大で５質量％の繊維を含有し、且つ特に好ましくは繊維を含有しない。該混合物はその後、例えば押出によって望ましい形態に成形され、且つその後、炭化および黒鉛化される。黒鉛化前に、１つまたはそれより多くの含浸段階を実施でき、その際、その成形体を含浸剤、例えば含浸ピッチで含浸させ、引き続き、新たに炭化する。
【００３１】
随意に、黒鉛化の後にも、１またはそれより多くの（後）含浸を行ってもよく、その都度、炭化が続く。
【００３２】
本発明のさらなる対象は、先に記載された本発明による接続部品の製造方法であって、以下の段階：
ｉ） 繊維を含有しないか、または１０質量％未満の繊維を含有する、黒鉛体を準備する段階、
ｉｉ） ２０質量％より多くの繊維を含有する、カーボン繊維強化炭素製の材料を準備する段階、
ｉｉｉ） 該黒鉛体と、該カーボン繊維強化炭素製の材料とを、結合剤を用いて結合する段階、および
ｉｖ） 段階ｉｉｉ）で得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む、製造方法である。
【００３３】
有利には、ＣＦＣ材料は少なくとも部分的に黒鉛体によって取り囲まれている。この実施態様の際、該方法は有利には以下の段階：
ａ） 有利にはシリンダーまたは双円錐形の形態の黒鉛体を準備する段階、
ｂ） 該黒鉛体を加工することによって、少なくとも１つの凹部を該黒鉛体に備える段階、
ｃ） 少なくとも１つの凹部の形態のカーボン繊維強化炭素を準備する段階、
ｄ） 結合剤およびカーボン繊維強化炭素を少なくとも１つの凹部にもたらす段階、
ｅ） 段階ｄ）において得られた構造物を熱処理する段階、および
ｆ） 段階ｅ）において得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む。
【００３４】
工程段階ａ）による黒鉛体の準備のために、例えば、結合剤とコークスとの混合物を、シリンダーまたは双円錐形の形態に成形でき、且つ、そのように得られた物体をその後、炭化し且つ黒鉛化する。随意に、その際、成形と黒鉛化との間に、含浸剤、例えばピッチを用いた少なくとも１つの含浸段階を行うことができる。含浸を、例えば真空下で２ないし１０時間の間、行い、その際、その含浸の後に、有利には熱処理を例えば６００〜１０００℃、殊に７００〜９００℃で、例えば２〜１０時間、殊に４〜６時間の間、行う。
【００３５】
少なくとも１つの凹部を、工程段階ｂ）において、それぞれ公知の加工技術、例えばフライスによって施与することができる。その代替として、該黒鉛体を、成形段階の際に、例えば押出によって、既に少なくとも１つの凹部を含む形態に成形することができる。
【００３６】
本発明の思想のさらなる形態において、工程段階ｂ）において、黒鉛体に２ないし５０個の凹部、好ましくは２ないし３２個の凹部、特に好ましくは５ないし３２個の凹部、およびとりわけ特に好ましくは８ないし２４個の凹部が備えられ、有利には、それらが接続部品の横断面にわたって一様に分布していることが提案される。その際、好ましくは、個々の凹部は、接続部品の縦方向に延びており、且つ、接続部品の縦方向を横切って、接続部品の外側から内部へ延びている。
【００３７】
工程段階ｃ）におけるカーボン繊維強化炭素の製造のために、カーボン繊維、例えば過酸化ポリアクリロニトリル繊維、ポリアクリロニトリル繊維、セルロース繊維および／またはピッチ繊維を炭化および／または黒鉛化でき、その後、そのように得られたカーボン繊維を特に好ましくは織物または織物積層体に加工し、引き続き、それに結合剤を含浸させ、その後、そのように得られた構成物を炭化し、且つ、場合によっては黒鉛化する。その際、例えば、結合剤として、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステル、および上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択されるものが使用される。
【００３８】
工程段階ｄ）において、カーボン繊維強化炭素と共にもたらされる結合剤も、有利には、フェノール樹脂、ピッチ、フラン樹脂、フェニルエステルおよび上記の化合物の２つまたはそれより多くの任意の混合物からなる群から選択される。
【００３９】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、工程段階ｅ）における熱処理を１００〜３００℃の温度で実施する。
【００４０】
本発明のさらなる対象は、上述の本発明による方法によって得られる接続部品である。
【００４１】
さらに、本発明は、２つの電極を接続するための、有利には２つの黒鉛電極を接続するための、先述の本発明による接続部品の使用、もしくは、複数の電極、有利には黒鉛電極を、電極線に接続するための、複数の先述の本発明による接続部品の使用に関する。
【００４２】
最終的に、本発明は、２つまたはそれより多くの黒鉛電極を含み、そのそれぞれ２つの黒鉛電極が、それぞれ本発明による接続部品によって互いに接続されている、電極線に関する。
【００４３】
以降で、本発明を単に例示的に、有利な実施態様を用いて、添付図を参照して説明する。その際、図は以下を示す：
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第一の実施例による接続部品の透視図である
【図２】図１に描かれる接続部品を上から見た図である
【図３】本発明の第二の実施例による接続部品を上から見た図である
【図４】本発明の第三の実施例による接続部品の透視図である。
【００４５】
図１および２に描かれる接続部品１０は、黒鉛体１２から構成され、前記黒鉛体は１０個のくさび形の凹部１４、１４’を有し、前記凹部はカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている。その際、くさび状の凹部１４、１４’は、黒鉛体１２の縦寸法全体にわたって、且つ、接続部品１０の縦軸に対して横切る方向に見て、黒鉛体１２の外周面もしくは外面１６から、黒鉛体１２の外側１６と中心軸１８との間の距離の約５０％にわたって、内部に延びている。
【００４６】
黒鉛体１２が、繊維を有さない黒鉛からなる一方、カーボン繊維強化炭素は２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する。カーボン繊維強化炭素製の材料は、黒鉛体１２と、結合剤（図示されない）を介して結合されている。接続部品１０の外周面に、雄ねじ（図示されない）が取り付けられている。
【００４７】
図３に描かれる接続部品１０は、図２および３に描かれるものと、個々の、カーボン繊維強化炭素製の材料で満たされている凹部１４、１４’が、くさび形ではなく、平坦な直方体形態で形成されている点で異なる。
【００４８】
図１に描かれる接続部品１０とは異なり、図４に描かれる接続部品は双円錐形、即ち、２つの円錐台がその底面で互いに結合されている二重円錐台形状の形態に構成されている。接続部品１０の外周面に、雄ねじ（図示されない）が取り付けられている。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 接続部品
１２ 黒鉛体／黒鉛領域
１４、１４’ 凹部（ＣＦＣ材料で満たされている）／ＣＦＣ材料領域
１６ 黒鉛体の外周面もしくは外面
１８ 黒鉛体の中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛電極を接続するための接続部品（１０）であって、少なくとも１つの黒鉛領域（１２）および少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域（１４、１４’）を含み、該黒鉛が１０質量％未満の繊維を含有し、且つ該カーボン繊維強化炭素が２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する、接続部品（１０）。
【請求項２】
黒鉛が、５質量％未満の繊維を含有し、好ましくは繊維を含有しないことを特徴とする、請求項１に記載の接続部品（１０）。
【請求項３】
少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域（１４、１４’）が、少なくとも部分的に、少なくとも１つの黒鉛領域（１２）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の接続部品（１０）。
【請求項４】
少なくとも１つの黒鉛領域（１２）が黒鉛体（１２）であり、該黒鉛体に少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が備えられており、その少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内にカーボン繊維強化炭素が備えられていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項５】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内に備えられているカーボン繊維強化炭素製の材料が、黒鉛体（１２）と、結合剤を介して結合されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項６】
カーボン繊維が、カーボン繊維強化炭素製の材料中に、織物、または複数の織物層が重なり合って配置され且つ互いに結合されている織物積層体の形態で存在することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項７】
カーボン繊維強化炭素製の材料中でのカーボン繊維の質量割合が、２０％より多く８０％まで、特に好ましくは３０％ないし７０％、且つとりわけ特に好ましくは４０％ないし６０質量％であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項８】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、接続部品（１０）の縦方向に延びており、且つ、接続部品（１０）の縦方向に対して横切って、黒鉛体（１２）の外側（１６）から内部に延びていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項９】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、黒鉛体（１２）の縦方向の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも９０％、およびとりわけ特に好ましくは１００％にわたって延びていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１０】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、黒鉛体（１２）の縦方向に対して横切って、黒鉛体（１２）の外側（１６）から、黒鉛体（１２）の外側（１６）と中心軸（１８）との間の距離の１０％超ないし１００％未満、有利には２０％ないし８０％、特に好ましくは３０％ないし７０％、およびとりわけ特に好ましくは４０％ないし７０％にわたって、内部に延びていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１１】
全ての凹部（１４、１４’）の全体の体積が、接続部品（１０）の全体の体積に対して、５％ないし７５％、好ましくは１０％ないし５０％、およびとりわけ特に好ましくは２０％ないし４０％であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１２】
黒鉛体（１２）が、２ないし５０個の凹部（１４、１４’）、好ましくは２ないし３２個の凹部（１４、１４’）、特に好ましくは５ないし３２個の凹部（１４、１４’）、および極めて好ましくは８ないし２４個の凹部（１４、１４’）を有し、該凹部はカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１３】
シリンダー形状または双円錐の形態に構成されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）の製造方法であって、以下の段階：
ｉ） 繊維を含有しないか、または１０質量％未満の繊維を含有する黒鉛体（１２）を準備する段階、
ｉｉ） ２０質量％より多くの繊維を含有する、カーボン繊維強化炭素製の材料を準備する段階、
ｉｉｉ） 該黒鉛体（１２）と該カーボン繊維強化炭素製の材料とを、結合剤を用いて結合する段階、および
ｉｖ） 段階ｉｉｉ）で得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、以下の段階：
ａ） 有利にはシリンダーまたは双円錐形の形態の黒鉛体（１２）を準備する段階、
ｂ） 黒鉛体（１２）を加工することによって、少なくとも１つの凹部（１４、１４’）を黒鉛体（１２）に備える段階、
ｃ） 少なくとも１つの凹部（１４、１４’）の形態のカーボン繊維強化炭素を準備する段階、
ｄ） 結合剤およびカーボン繊維強化炭素を少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内にもたらす段階、
ｅ） 段階ｄ）において得られた構造物を熱処理する段階、および
ｆ） 段階ｅ）において得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む方法。
【請求項１６】
段階ｅ）における熱処理を、１００〜３００℃の温度で実施することを特徴とする、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
２つの電極、有利には２つの黒鉛電極を接続するための、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）の使用。
【請求項１８】
２つまたはそれより多くの黒鉛電極を含み、それぞれ２つの黒鉛電極が、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）によって互いに接続されている電極線。
【請求項１】
黒鉛電極を接続するための接続部品（１０）であって、少なくとも１つの黒鉛領域（１２）および少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域（１４、１４’）を含み、該黒鉛が１０質量％未満の繊維を含有し、且つ該カーボン繊維強化炭素が２０質量％より多くのカーボン繊維を含有する、接続部品（１０）。
【請求項２】
黒鉛が、５質量％未満の繊維を含有し、好ましくは繊維を含有しないことを特徴とする、請求項１に記載の接続部品（１０）。
【請求項３】
少なくとも１つのカーボン繊維強化炭素領域（１４、１４’）が、少なくとも部分的に、少なくとも１つの黒鉛領域（１２）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の接続部品（１０）。
【請求項４】
少なくとも１つの黒鉛領域（１２）が黒鉛体（１２）であり、該黒鉛体に少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が備えられており、その少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内にカーボン繊維強化炭素が備えられていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項５】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内に備えられているカーボン繊維強化炭素製の材料が、黒鉛体（１２）と、結合剤を介して結合されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項６】
カーボン繊維が、カーボン繊維強化炭素製の材料中に、織物、または複数の織物層が重なり合って配置され且つ互いに結合されている織物積層体の形態で存在することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項７】
カーボン繊維強化炭素製の材料中でのカーボン繊維の質量割合が、２０％より多く８０％まで、特に好ましくは３０％ないし７０％、且つとりわけ特に好ましくは４０％ないし６０質量％であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項８】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、接続部品（１０）の縦方向に延びており、且つ、接続部品（１０）の縦方向に対して横切って、黒鉛体（１２）の外側（１６）から内部に延びていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項９】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、黒鉛体（１２）の縦方向の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも９０％、およびとりわけ特に好ましくは１００％にわたって延びていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１０】
少なくとも１つの凹部（１４、１４’）が、黒鉛体（１２）の縦方向に対して横切って、黒鉛体（１２）の外側（１６）から、黒鉛体（１２）の外側（１６）と中心軸（１８）との間の距離の１０％超ないし１００％未満、有利には２０％ないし８０％、特に好ましくは３０％ないし７０％、およびとりわけ特に好ましくは４０％ないし７０％にわたって、内部に延びていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１１】
全ての凹部（１４、１４’）の全体の体積が、接続部品（１０）の全体の体積に対して、５％ないし７５％、好ましくは１０％ないし５０％、およびとりわけ特に好ましくは２０％ないし４０％であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１２】
黒鉛体（１２）が、２ないし５０個の凹部（１４、１４’）、好ましくは２ないし３２個の凹部（１４、１４’）、特に好ましくは５ないし３２個の凹部（１４、１４’）、および極めて好ましくは８ないし２４個の凹部（１４、１４’）を有し、該凹部はカーボン繊維強化炭素製の材料で満たされていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１３】
シリンダー形状または双円錐の形態に構成されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）の製造方法であって、以下の段階：
ｉ） 繊維を含有しないか、または１０質量％未満の繊維を含有する黒鉛体（１２）を準備する段階、
ｉｉ） ２０質量％より多くの繊維を含有する、カーボン繊維強化炭素製の材料を準備する段階、
ｉｉｉ） 該黒鉛体（１２）と該カーボン繊維強化炭素製の材料とを、結合剤を用いて結合する段階、および
ｉｖ） 段階ｉｉｉ）で得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、以下の段階：
ａ） 有利にはシリンダーまたは双円錐形の形態の黒鉛体（１２）を準備する段階、
ｂ） 黒鉛体（１２）を加工することによって、少なくとも１つの凹部（１４、１４’）を黒鉛体（１２）に備える段階、
ｃ） 少なくとも１つの凹部（１４、１４’）の形態のカーボン繊維強化炭素を準備する段階、
ｄ） 結合剤およびカーボン繊維強化炭素を少なくとも１つの凹部（１４、１４’）内にもたらす段階、
ｅ） 段階ｄ）において得られた構造物を熱処理する段階、および
ｆ） 段階ｅ）において得られた構造物にねじを取り付ける段階
を含む方法。
【請求項１６】
段階ｅ）における熱処理を、１００〜３００℃の温度で実施することを特徴とする、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
２つの電極、有利には２つの黒鉛電極を接続するための、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）の使用。
【請求項１８】
２つまたはそれより多くの黒鉛電極を含み、それぞれ２つの黒鉛電極が、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の接続部品（１０）によって互いに接続されている電極線。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１３−５０８９０１（Ｐ２０１３−５０８９０１Ａ）
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３４６０９（Ｐ２０１２−５３４６０９）
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６４６７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４７９４７
【国際公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０１０９０８０３）エスゲーエル カーボン ソシエタス ヨーロピア (47)
【氏名又は名称原語表記】ＳＧＬ ＣＡＲＢＯＮ ＳＥ
【住所又は居所原語表記】Ｒｈｅｉｎｇａｕｓｔｒａｓｓｅ １８２， Ｄ−６５２０３ Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６４６７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４７９４７
【国際公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０１０９０８０３）エスゲーエル カーボン ソシエタス ヨーロピア (47)
【氏名又は名称原語表記】ＳＧＬ ＣＡＲＢＯＮ ＳＥ
【住所又は居所原語表記】Ｒｈｅｉｎｇａｕｓｔｒａｓｓｅ １８２， Ｄ−６５２０３ Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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