黒鉛製弾性体及びその製造方法
【課題】炭素材料の欠点を補い、繰り返し使用しても破損することのない黒鉛製弾性体を得、安定した利用、長寿命化を図る。
【解決手段】多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有する黒鉛材料にて黒鉛製弾性体１１を形成する。黒鉛材料は、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下としたものを用いる。黒鉛製弾性体１１は、この黒鉛材料からなる例えば筒状バネ母材１３の外周部１３ａを、軸線Ｌ中心の螺旋の突切溝１５で切り、コイルバネ状に形成できる。
【解決手段】多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有する黒鉛材料にて黒鉛製弾性体１１を形成する。黒鉛材料は、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下としたものを用いる。黒鉛製弾性体１１は、この黒鉛材料からなる例えば筒状バネ母材１３の外周部１３ａを、軸線Ｌ中心の螺旋の突切溝１５で切り、コイルバネ状に形成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉、熱処理等の高温炉、センサー、示差熱天秤、ケミカルポンプ、エンジン用部材等に用いて好適な黒鉛製弾性体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製のバネは、バネ定数の温度依存性が大きく、一般的に常用されるのは２００℃以下であり耐熱性も６００℃が限度で急激に強度が低下する。また、錆や化学薬品などに対する耐腐食性に乏しい。一方、セラミックス製のバネでも耐熱性は１０００℃が限度で、耐熱衝撃性に乏しい。金属、セラミックス共に比重が高いので組込んだ装置等の重量が大きくなるなどの不都合な点があった。このような従来からあるバネの欠点を補うため有機質線状体をスプリング形状に形成した後、炭素化させてなる炭素系コイルスプリングが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この炭素系コイルスプリングは、炭素化し得る有機物材料、あるいは、これに炭素繊維、黒鉛ウィスカー、黒鉛粉体、非晶質炭素粉体等を均一に分散し、高度に複合配向強化させた有機質線状体をコイル状に形成した後、必要に応じ炭素前駆体処理を施し、さらに不活性雰囲気中で加熱処理して炭素化し、この炭素系のスプリングの全表面を所望する機能に応じた金属で被覆して形成される。この炭素系コイルスプリングによれば、酸素存在下の高温でも優れた耐熱性及び耐腐食性を有し、高い強度と信頼性が期待された。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１４４８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の炭素系コイルスプリングは、有機質線状体を炭素化する過程で寸法収縮を伴うため、精度の高いバネを得ることができないという欠点がある上、このような方法で製作される炭素材は、硬度の高いガラス状炭素であるため、後加工で形状を整えることは困難であった。また、広く用いられている等方性黒鉛材をコイル状等所定の形状に加工し、バネを製作することも可能であるものの、一般に等方性黒鉛材中の気孔は扁平で大きいため、繰り返し使用するうちに、扁平な気孔の端部から亀裂が進展し、バネの破壊に繋がりやすく、黒鉛製のバネの材料としては適していなかった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭素材料の欠点を補い、繰り返し使用しても破損することのない黒鉛製弾性体及びその製造方法を提供し、もって、金属製バネの使用不可環境下での安定した利用、長寿命化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したことを特徴とする黒鉛製弾性体。
【０００７】
この黒鉛製弾性体によれば、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、強度、弾性率が高まり、耐熱性、耐腐食性、切削加工性も確保され、寸法精度も高まる。
【０００８】
（２） 前記黒鉛材料からなる筒状バネ母材の外周部が軸線を中心に螺旋の突切溝で切られてコイルバネ状に形成されたことを特徴とする（１）の黒鉛製弾性体。
【０００９】
この黒鉛製弾性体によれば、断面四角形の棒材を螺旋状に巻いたのと同様のコイルバネを形成することができる。また、棒材を巻き付けて形成する通常のコイルバネの場合、平に仕上げなければならない端部（座）が、筒状バネ母材の平坦な筒端部をそのまま利用できるので、仕上げを容易にすることができる。なお、筒状バネ母材を、円錐形とすれば、円錐形コイルバネを同様にして得ることができる。
【００１０】
（３） 多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成する工程と、
該筒状バネ母材の内周に円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得る工程と、
該ワークを軸線回りで回転させながら刃物を軸線と平行に相対移動させて前記筒状バネ母材を前記円柱体に至る螺旋溝で突っ切る工程と、
該突切溝付きワークを熱処理して前記接着剤を分解し、前記円柱体を抜脱する工程と、
を含むことを特徴とする黒鉛製弾性体の製造方法。
【００１１】
この黒鉛製弾性体の製造方法によれば、円柱体が筒状バネ母材の補強部材として働き、筒状バネ母材の半径方向内側への潰れ強度が高まり、螺旋状の突切溝加工が筒状バネ母材の外周部に形成可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る黒鉛製弾性体によれば、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したので、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、高強度で高弾性率でありながら、耐熱性、耐腐食性、切削加工性を備え、しかも、寸法精度を高めることができる。この結果、炭素材料の欠点を補い、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉等で繰り返し使用しても破損することがなく、安定して利用できる長寿命の黒鉛製弾性体を提供できる。
【００１３】
本発明に係る黒鉛製弾性体の製造方法によれば、上記黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成し、筒状バネ母材の内周に炭素材からなる円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得、このワークを軸線回りで回転させながら筒状バネ母材を軸線を中心とした螺旋溝で突っ切り、この突切溝付きワークを接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体を抜脱するので、円柱体を筒状バネ母材の補強部材とし、筒状バネ母材を半径方向内側に潰すことなく、螺旋状の突切溝加工を外周部に施して、コイルバネ状の黒鉛製弾性体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る黒鉛製弾性体及びその製造方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明に係る黒鉛製弾性体は、板状の黒鉛製弾性体の場合、厚さ方向に荷重をかける黒鉛製弾性体であり、例えば、圧カセンサー、ロードセル等で使用されるダイヤフラム、板バネ、さらバネ等が挙げられる。線状の黒鉛製弾性体の場合、太さ方向、あるいは捻れ方向に荷重をかける弾性体が相当し、直線状のものに限らず、螺旋形状の弾性体も含まれる。例えば、コイルスプリング、渦巻きバネ等が挙げられる。
【００１５】
図１は本発明に係る黒鉛製弾性体の斜視図である。
以下、黒鉛製弾性体をコイルスプリング１１とした形態を説明する。コイルスプリング１１は、黒鉛材料からなる筒状バネ母材１３の外周部１３ａが軸線Ｌを中心に螺旋の突切溝１５で切られ（切削され）てコイルバネ状に形成されている。つまり、コイルスプリング１１は、断面四角形の棒材を螺旋状に巻いたコイルバネ状に形成される。棒材を巻き付けて形成する通常のコイルバネの場合、平に仕上げなければならない端部（座）１３ｂが、コイルスプリング１１では、筒状バネ母材１３の平坦な端部１３ｂをそのまま利用できるので、仕上げを容易にすることができる。なお、筒状バネ母材１３を、円錐形とすれば、円錐形コイルバネを同様にして得ることができる。
【００１６】
コイルスプリング１１に用いられる黒鉛材は、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有している。この黒鉛材料の断面を走査型顕微鏡で観察したとき、断面に現れる気孔は、６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均面積が５μｍ2以下である。つまり、黒鉛材料の中に分布する気孔が十分に小さく、かつ、黒鉛材料の単位体積あたりに存在する気孔数が充分に多い。このため、切削時に大きな粒子単位で脱落することなく、平滑な加工面が得られる。また、大きな気孔が存在せず、応力集中が発生しにくいため、繰り返し使用しても亀裂進展の少ない黒鉛材を提供できる。
【００１７】
また、黒鉛弾性体に用いられる黒鉛材は、断面を走査型顕微鏡で観察したとき、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下である。加工時における刃物による圧縮強度に対して黒鉛材料の弾性率が大きくなり、加工時に生じる切削屑を小さくすることができる。すなわち、刃物の切削抵抗が小さく、加工がしやすい。また、断面に現れる気孔の平均扁平率を０．５５以下とすることにより、気孔端部のノッチ（切り込み）を小さくすることができ、亀裂進展の少ない黒鉛材を提供することができる。
【００１８】
上記のような黒鉛材料の気孔の形状とその加工性との関係は以下のメカニズムによるものと推察される。
黒鉛材料は、切削される際に、刃物の進行方向に圧縮力が働く。この時、刃物の進行に伴って蓄えられた歪みエネルギーが、破壊に必要なエネルギーを超えたときに切削される。平滑な加工面を得るためには、細かな切削粉を出しながら加工することが必要であり、大きな歪みエネルギーを蓄える前に破壊が起こることが重要である。
大きな歪みエネルギーを蓄えないためには、圧縮強度が小さく、弾性率が大きいことが重要であり、つまり、切削される粒子の直径は、圧縮強度／弾性率と正の相関があると言える。以上より、切削される粒子の直径が小さい（きめの細かい）加工面を得るためには、所定の圧縮強度のもとでは、より弾性率が大きい黒鉛材料が有利であることがわかる。
【００１９】
次に、黒鉛材料の弾性率と気孔の形状との関係について説明すると、一般に黒鉛材料の弾性率は以下のKnudsenの経験式で示される。
Ｅ（Ｐ）＝Ｅ（０）exp（−ｂP)
（Ｅ（Ｐ）：弾性率、Ｐ：気孔率、ｂ：経験定数）
経験定数ｂは気孔の形状に強く依存しており、気孔の形状が球形の場合には、その値が小さく、扁平回転楕円体から亀裂状の気孔形状になるに従って急激にその値が大きくなることが知られている（「新・炭素材料入門」、炭素材料学会編）。従って、弾性率を大きくするためには、その形状が丸い（扁平率が小さい）黒鉛材料が有利であることがわかる。
以上より、黒鉛材料の気孔の形状とその加工性との関係が導かれると考えられる。すなわち、気孔の形状が丸い（すなわち、観察断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下となる）ことにより、黒鉛材料の弾性率を大きくすることができるので、きめ細かな加工面を得ることができ、加工性に優れた黒鉛材料が得られる。
【００２０】
次に、圧縮強度に関しては、気孔が扁平回転楕円体や、亀裂状の気孔であっても、圧縮荷重がかかることによって気孔は潰れるように作用するため、気孔の形状は大きな影響を与えない。圧縮強度に対しては気孔率の影響の方が大きいことがわかる。
気孔率が小さいと、圧縮強度が高くなりすぎ切削されにくくなり、加工面の凹凸が大きくなる。気孔率が大きいと、圧縮強度を小さくできるものの、軟らかい黒鉛材料となるため、微細な加工を施しても、折れたり割れやすくなる。また放電加工においても消耗しやすくなる。
【００２１】
黒鉛材料の気孔率と、かさ密度とは相関が高く、同一の原材料を使用し、同一の黒鉛化処理を施した場合、同一の気孔率であれば、ほぼ同一のかさ密度となる。
本発明では、主にピッチを出発原料として、ピッチコークスを経る成分や、直接炭素化、黒鉛化される成分があるものの、出発原料と黒鉛化処理温度は限られた範囲内で行われているため、黒鉛材料のかさ密度は好ましい範囲が存在し、その値は１．７８〜１．８６ｇ／ｃｍ3であり、より好ましくは１．８２〜１．８５ｇ／ｃｍ3である。なお、かさ密度は、体積、質量を測定することにより得られる。
【００２２】
本発明において、断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率は、黒鉛材料を電子顕微鏡等で観察することにより算出することができる。具体的には、まず黒鉛材料の切断面をCP（クロスセクションポリッシャ）法により加工する。作製した断面にフラットミリング処理（４５°、３分）を施した後、ＦＥ−ＳＥＭにて観察することにより得られる。
また、撮影した画像の解析は、画像解析ソフト(Image J 1.37)を用いて２値化した後、個々の空隙（断面に現れる気孔）の面積を算出する。個々の空隙について楕円フィットを行い、その長軸、短軸の値から扁平率を算出する。
なお、扁平率とは、空隙（断面に現れる気孔）にフィットされた楕円の（長軸−短軸）／長軸のことである。
【００２３】
断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率の測定には、上記のようにＳＥＭを使用することが望ましい。ミクロンオーダーの気孔の形状を判別するのに充分な解像度が得られる上、粒子部分は単一の濃度の灰色、気孔部分は気孔の深さに応じて深い気孔の場合は黒色、浅い気孔の場合は白色に表示され、明確に気孔と粒子を区別することができるからである。
【００２４】
断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率の測定は、樹脂埋めされていない黒鉛材料を用いることが好ましい。黒鉛材料を樹脂埋めすると、黒鉛材料内部に存在する開気孔に樹脂が封止されて、正しい気孔の個数及び形状を判別することができないからである。
【００２５】
最大気孔直径（長軸）は、２０μｍ以下であることが好ましい。最大気孔直径が２０μｍ以下であることにより、切削時に気孔に沿ってクラックが進展するため、細ピンでは折れ、薄いリブの切削加工においては割れ、穴あきの原因となる。
最大気孔直径も前記と同様にＳＥＭで観察した断面から測定することができる。なお、ＳＥＭの断面観察から得られた気孔の直径は、水銀圧入式ポロシメータ等で得られる気孔及び黒鉛粒子の直径とは異なる。前者は、実際の大きさが計測されるのに対し、後者は連続気孔の入口部分の直径が計測される。
【００２６】
次に、コイルスプリング１１の製造方法について説明する。
図２は図１に示した黒鉛製弾性体の製作に用いられる旋盤の一例を示す構成図、図３は図１に示した黒鉛製弾性体の製造の手順を（ａ）〜（ｅ）で表した模式図である。
コイルスプリング１１の製造には、先ず、黒鉛材料からなる図３（ａ）に示す筒状バネ母材１３を形成する。黒鉛材料は、ピッチに炭素質微粉を添加し混練した後、熱処理を加えて４００〜５００℃で熱処理をしながら揮発分調整を行い、二次原料を得る。次に得られた二次原料を、粒径の細かい微粉を除去する機能を備えた粉砕機で過粉砕しないよう粒度調整をしながら粉砕し、二次原料粉を得る。次に、冷間等方圧成形（ＣＩＰ成形）により筒状に成形し、焼結炉にて約１０００℃で焼成し、さらに黒鉛化炉にて約２５００℃で黒鉛化処理を行い、黒鉛材料からなる筒状バネ母材１３が得られる。
【００２７】
なお、使用するピッチとは、石炭系や石油系のピッチのことであり、これらの混合物であってもよい。これらの原材料のうち、石炭系のピッチを使用するのが望ましい。石炭系のピッチの場合は、光学的異方性が発達しにくく（結晶が針状に発達しにくく）高強度で、高弾性の黒鉛材料を得ることができる。
【００２８】
また、ピッチの軟化点は、５０℃以下であることが望ましい。５０℃以上であると、混練時の粘度が上昇し製造が非常に困難となる。
本発明に使用する炭素質微粉は、メソフェースの発達する際の核となるものであり、カーボンブラック、黒鉛微粉、生ピッチコークス微粉、仮焼ピッチコークス微粉等の炭素質のものを使用することができる。微粉のサイズとしては、５μｍ以下のものが望ましい。５μｍ以上の微粉を使用すると混練して得られた二次原料を粉砕する際の粒度分布の制御が困難となり、粒度分布の粗い側が増えるからである。ピッチへの添加量としては、３〜１０％重量であることが望ましい。１０重量％を超えて添加するとピッチの粘度が上昇し、製造が非常に困難となる。３重量％以下の場合にはコークスのモザイク組織が十分に発達できない。
【００２９】
上記原材料の熱処理は、JIS8812で測定される揮発分が６〜１２％（より好ましくは８〜１１％）になるよう温度、時間を調整され二次原料が得られる。揮発分が６％未満の場合には、粒子間の接着が十分に得られないため、密度の低い黒鉛材料しか得ることができない。１２％以上の場合には、焼成時に内部から発生する炭化水素ガスの量が多く、割れやすい上、蓄積したガスが大きな気孔を形成する。
【００３０】
上記原材料を熱処理し得られた二次原料は、粒度を制御しながら粉砕され、得られた二次原料粉からは、微粉末は取り除かれている。粉砕の方法は、内部分級機を備えた粉砕機を用いる方法や、粉砕機と精密気流分級機とを備えた粉砕プラントを用いる方法、粉砕機で粉砕された原材料を精密気流分級機で別個に粒度調整する方法等がある。
微粉末が含まれる二次原料粉を用いた黒鉛材料は、焼成時に発生するガスが放出されにくくなり、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。
【００３１】
二次原料粉は、レーザー回折式粒度測定器で測定されるメジアン径（ＤＰ−５０：５０％積算直径）が５〜１０μｍであるが好ましい。通常粒子間に存在する気孔はシャープなエッジを持った扁平率の大きな気孔である場合が多く、粒子の大きさが大きい場合、気孔のサイズと形状とが相乗効果を示し、弾性率の低下が大きくなる。このため、メジアン径が１０μｍ以上である場合、弾性率が大きく低下してしまう。また、メジアン径が５μｍ以下である場合、焼成時に二次原料粉の成形体から発生する揮発分を速やかに素材の外部に排出することができず、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。
また二次原料粉は、レーザー回折式粒度測定器で測定される粒度分布の範囲が１μｍ〜８０μｍであることが好ましい。１μｍ以下の原材料が含まれると、焼成時に二次原料粉の成形体から発生する揮発分を速やかに素材の外部に排出することができず、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。８０μｍ以上の粒子が含まれると、大きな粒子の外周部や大きな粒子どうしの界面近傍に扁平な気孔ができやすくなる上、気孔の数も少なくなり、平均断面積も低下する。
【００３２】
次に、図３（ｂ）に示すように、筒状バネ母材１３の内周に円柱体１７を接着剤にて嵌着して筒状バネ母材１３と円柱体１７を一体化させたワークＷ１を得る。
接着剤としては、熱分解し、揮散するものであれば特に種類は限定されず、例えばα-シアノアクリレート（瞬間接着剤）等を好適に使用することが出来る。α-シアノアクリレートであれば、２・３００℃に加熱することにより解重合し、モノマーに分解する。また、黒鉛材料の酸化開始温度は４００℃前後であるため、黒鉛材料を酸化させることなく、接着剤のみ熱分解させることが出来る。
【００３３】
次に、図２に示す旋盤１９を用い、ワークＷ１を軸線回りで回転させながら、刃物（バイト）２１を軸線Ｌと平行に相対移動させて、図３（ｃ）に示すように、筒状バネ母材１３を、軸線Ｌを中心とした円柱体１７に至る螺旋溝２３で突っ切る。すなわち、ワークＷ１に対してネジ切り加工を行う場合と同様に、主軸２５を回転中心としてワークＷ１を回転させ、刃物台２７から、ワークＷ１の周部に対して刃物２１を接触させながら、ワークＷ１の回転に同期させて主軸２５の軸心に平行なガイド軸３１に沿って刃物２１を移動させて螺旋溝２３を形成する。この際、円柱体１７が筒状バネ母材１３の補強部材として働き、筒状バネ母材１３の半径方向内側への潰れ強度が高まり、螺旋状の突切溝加工が筒状バネ母材１３の外周部１３ａに形成可能となる。
【００３４】
螺旋溝２３の形成された図３（ｄ）に示すワークＷ２が得られたなら、次に、この突切溝付きワークＷ２を、上記接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体１７を抜脱し、図３（ｅ）に示すコイルスプリング１１の製造を完了する。
【００３５】
したがって、上記のコイルスプリング１１によれば、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したので、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、高強度で高弾性率でありながら、耐熱性、耐腐食性、切削加工性を備え、しかも、寸法精度を高めることができる。この結果、炭素材料の欠点を補い、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉等で繰り返し使用しても破損することがなく、金属製バネの使用不可状況下においても安定して利用できる長寿命のコイルスプリング１１を提供できる。
【００３６】
また、コイルスプリング１１の製造方法によれば、黒鉛材料を用いて筒状バネ母材１３を形成し、筒状バネ母材１３の内周に炭素材からなる円柱体１７を接着剤にて嵌着してワークＷ１を得、このワークＷ１を軸線回りで回転させながら筒状バネ母材１３を軸線Ｌを中心とした螺旋溝２３で突っ切り、この突切溝付きワークＷ２を接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体１７を抜脱するので、円柱体１７を筒状バネ母材１３の補強部材とし、筒状バネ母材１３を半径方向内側に潰すことなく、螺旋状の突切溝加工を外周部１３ａに施して、コイルバネ状の黒鉛製弾性体を得ることができる。
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３８】
１．黒鉛材料の製造
（実施例１〜２）
軟化点４０℃の石炭系ピッチ９５重量部にたいし、平均２μｍに粉砕した仮焼コークス５重量部を添加し混練した後、熱処理を加えて４１５℃で熱処理しながら揮発分調整を行い、二次原料を得た。次に内部分級機を備えた粉砕機で過粉砕しないよう粉砕し、二次原料粉を得た。次に等方性静水圧プレスにて１００ＭＰａの圧力にて加圧した後、１０００℃まで約５℃／時間の昇温速度にて焼成し、２５００℃で黒鉛化処理を実施した。
尚、製造の途中で得られた二次原料粉には、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に１μｍ以下及び８０μｍ以上の粉は含まれていなかった。
表１に使用した原材料の特性値を示し、表２、３に得られた黒鉛材料の特性値を示す。
【００３９】
（比較例１）
内部分級機を持たない粉砕機で粉砕したこと以外は実施例１〜２と同様の方法で黒鉛材料を製造した。尚、製造の途中で得られた二次原料粉は、精密気流分級等の操作を行っておらず、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に８０μｍ以上の粉は含まれていなかったが、１μｍ以下の粉が９．３％含まれていた。
表１に使用した原材料の特性値を示し、表２、３に得られた黒鉛材料の特性値を示す。
【００４０】
（比較例２）
軟化点８０℃の石炭系ピッチ３５重量部にたいし、平均１４μｍに粉砕した仮焼コークス６５重量部を添加し混練した後、熱処理を加えて２５０℃で熱処理しながら揮発分調整を行い、二次原料を得た。次に粉砕機と精密気流分級機とを備えた粉砕プラントで過粉砕しないよう粉砕し、二次原料粉を得た。次に等方性静水圧プレスにて１００ＭＰａの圧力にて加圧した後、１０００℃まで約５℃／時間の昇温速度にて焼成し、２５００℃で黒鉛化処理を実施した。
尚、製造の途中で得られた二次原料粉には、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に１μｍ以下の粉は含まれていなかったが、８０μｍ以上の粉が約３％含まれていた。
【００４１】
表１に原材料の特性値を示す。
【表１】
【００４２】
２． 黒鉛材料の特性評価
以下の項目を測定し、上記で得られた黒鉛材料の特性評価を行った。
（断面に現れる気孔の個数・平均面積・平均扁平率）
以下の手順で、断面に現れる気孔の個数、平均面積・平均扁平率を算出した。
（ａ）試料荒研磨
上記で作製したテストピースを約５ｍｍ厚の円柱状に切断し、両面をＧＡＴＡＮ社製治具ＭＯＤＥＬ６２３及びＳｉＣ性耐水研磨紙＃２４００を用いて試料両面の整面処理を実施した。次に真鍮性の試料台に固定した。
（ｂ）ＣＰ加工
JEOL製ＳＭ０９０１０を使用し、加速電圧６ｋＶでＣＰ加工を行った。
（ｃ）ミリング
日立ハイテク社製フラットミリング装置Ｅ−３２００を使用し、加速電圧５ｋＶ、０．５ｍＡ、試料傾斜角４５°、ミリング時間３分で、Ａｒミリング処理を行った。
（ｄ）ＦＥ−ＳＥＭ観察
上記により作製した試料を日立ハイテク社製超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡 Ｓ−４８００を使用し加速電圧２ｋＶで観察した。実施例１の黒鉛材料を図４ａ〜ｃ、実施例２の黒鉛材料を図５ａ〜ｃ、比較例１の黒鉛材料を図６ａ〜ｃ、比較例２の黒鉛材料を図７ａ〜ｃに示す。
（ｅ）画像解析
アメリカ国立衛生研究所製解析ソフトＩｍａｇｅＪ１．３７を使用し、上記で得られたＳＥＭ画像を解析した。このときの観察倍率は２０００倍で、ノイズ低減処理を施した後、平面部／空隙（気孔）部の２値化処理を実施した。尚、空隙（気孔）の解析対象は、空隙（気孔）か否かの判断が可能な０．２μｍを超えるものとした。
画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）で２値化することにより得られた空隙（気孔）部に対して、面積計測、最適楕円フィッティングを実施すると共に個数をカウントし、上記処理より得られた値から断面に現れる気孔の個数、平均面積、平均扁平率を算出した。
（圧縮強度）
JIS R7222に準じて測定を実施した。
（弾性率）
JIS R7222に準じて測定を実施した。
【００４３】
表２に黒鉛材料の特性値を示す。
【表２】
【００４４】
３．コイルスプリングの製造
実施例、比較例の黒鉛材料を厚さ２．５ｍｍの中空円筒状に加工して筒状バネ母材１３とし（図３（ａ））、筒状バネ母材１３の内周に円柱体１７をα-シアノアクリレートにて接着することで筒状バネ母材１３と円柱体１７を一体化させたワークＷ１を作成し（図３（ｂ））、図２に示す旋盤１９を用い、ワークＷ１に１ｍｍ幅でピッチ２ｍｍの螺旋溝２３を形成し（図３（ｃ））、得られたワークＷ２を３３０℃で熱処理して円柱体１７を抜き取り（図３（ｄ））、コイルスプリング１１が完成する（図３（ｅ））。
【００４５】
４．コイルスプリングの評価
実施例のコイルスプリング（実施例１，２の黒鉛材料で製造したコイルスプリング）についても、比較例のコイルスプリング（比較例１，２の黒鉛材料で製造したコイルスプリング）についても、外見上の差異を肉眼で確認することはできなかった。しかしながら、図４ａ〜ｃ，図５ａ〜ｃ，図６ａ〜ｃ及び図７ａ〜ｃに示す黒鉛材料の断面写真からもわかる様に、実施例の黒鉛材料は比較的サイズが小さい丸い形状の気孔が均一に多数分布しているのに対し、比較例の黒鉛材料は、気孔が丸いものが少なく、比較的大きなものが多く存在しているため、実施例の黒鉛材料で製造したコイルスプリングと比較例の黒鉛材料で製造したコイルスプリングとでは、応力に対する耐性が大きく異なる。具体的には、比較例のコイルスプリングは、自然長状態から圧縮して最も縮んだ状態まで圧縮する間に欠けが発生し、伸縮を数回繰り返すだけで破損してしまう。これに対し、実施例のコイルスプリングは、自然長状態から最も縮んだ状態までの間の伸縮を繰り返しても欠けが発生せず、伸縮を１０００回繰り返しても破損しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る黒鉛製弾性体の斜視図である。
【図２】図１に示した黒鉛製弾性体の製作に用いられる旋盤の一例を示す構成図である。
【図３】図１に示した黒鉛製弾性体の製造の手順を（ａ）〜（ｅ）で表した模式図である。
【図４ａ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図４ｂ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図４ｃ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図５ａ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図５ｂ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図５ｃ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図６ａ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図６ｂ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図６ｃ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図７ａ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図７ｂ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図７ｃ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１ コイルスプリング（黒鉛製弾性体）
１３ 筒状バネ母材
１３ａ 外周部
１５ 螺旋の突切溝
１７ 円柱体
２１ 刃物
２３ 螺旋溝
Ｌ 軸線
Ｗ１，Ｗ２ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉、熱処理等の高温炉、センサー、示差熱天秤、ケミカルポンプ、エンジン用部材等に用いて好適な黒鉛製弾性体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製のバネは、バネ定数の温度依存性が大きく、一般的に常用されるのは２００℃以下であり耐熱性も６００℃が限度で急激に強度が低下する。また、錆や化学薬品などに対する耐腐食性に乏しい。一方、セラミックス製のバネでも耐熱性は１０００℃が限度で、耐熱衝撃性に乏しい。金属、セラミックス共に比重が高いので組込んだ装置等の重量が大きくなるなどの不都合な点があった。このような従来からあるバネの欠点を補うため有機質線状体をスプリング形状に形成した後、炭素化させてなる炭素系コイルスプリングが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この炭素系コイルスプリングは、炭素化し得る有機物材料、あるいは、これに炭素繊維、黒鉛ウィスカー、黒鉛粉体、非晶質炭素粉体等を均一に分散し、高度に複合配向強化させた有機質線状体をコイル状に形成した後、必要に応じ炭素前駆体処理を施し、さらに不活性雰囲気中で加熱処理して炭素化し、この炭素系のスプリングの全表面を所望する機能に応じた金属で被覆して形成される。この炭素系コイルスプリングによれば、酸素存在下の高温でも優れた耐熱性及び耐腐食性を有し、高い強度と信頼性が期待された。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１４４８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の炭素系コイルスプリングは、有機質線状体を炭素化する過程で寸法収縮を伴うため、精度の高いバネを得ることができないという欠点がある上、このような方法で製作される炭素材は、硬度の高いガラス状炭素であるため、後加工で形状を整えることは困難であった。また、広く用いられている等方性黒鉛材をコイル状等所定の形状に加工し、バネを製作することも可能であるものの、一般に等方性黒鉛材中の気孔は扁平で大きいため、繰り返し使用するうちに、扁平な気孔の端部から亀裂が進展し、バネの破壊に繋がりやすく、黒鉛製のバネの材料としては適していなかった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭素材料の欠点を補い、繰り返し使用しても破損することのない黒鉛製弾性体及びその製造方法を提供し、もって、金属製バネの使用不可環境下での安定した利用、長寿命化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したことを特徴とする黒鉛製弾性体。
【０００７】
この黒鉛製弾性体によれば、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、強度、弾性率が高まり、耐熱性、耐腐食性、切削加工性も確保され、寸法精度も高まる。
【０００８】
（２） 前記黒鉛材料からなる筒状バネ母材の外周部が軸線を中心に螺旋の突切溝で切られてコイルバネ状に形成されたことを特徴とする（１）の黒鉛製弾性体。
【０００９】
この黒鉛製弾性体によれば、断面四角形の棒材を螺旋状に巻いたのと同様のコイルバネを形成することができる。また、棒材を巻き付けて形成する通常のコイルバネの場合、平に仕上げなければならない端部（座）が、筒状バネ母材の平坦な筒端部をそのまま利用できるので、仕上げを容易にすることができる。なお、筒状バネ母材を、円錐形とすれば、円錐形コイルバネを同様にして得ることができる。
【００１０】
（３） 多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成する工程と、
該筒状バネ母材の内周に円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得る工程と、
該ワークを軸線回りで回転させながら刃物を軸線と平行に相対移動させて前記筒状バネ母材を前記円柱体に至る螺旋溝で突っ切る工程と、
該突切溝付きワークを熱処理して前記接着剤を分解し、前記円柱体を抜脱する工程と、
を含むことを特徴とする黒鉛製弾性体の製造方法。
【００１１】
この黒鉛製弾性体の製造方法によれば、円柱体が筒状バネ母材の補強部材として働き、筒状バネ母材の半径方向内側への潰れ強度が高まり、螺旋状の突切溝加工が筒状バネ母材の外周部に形成可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る黒鉛製弾性体によれば、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したので、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、高強度で高弾性率でありながら、耐熱性、耐腐食性、切削加工性を備え、しかも、寸法精度を高めることができる。この結果、炭素材料の欠点を補い、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉等で繰り返し使用しても破損することがなく、安定して利用できる長寿命の黒鉛製弾性体を提供できる。
【００１３】
本発明に係る黒鉛製弾性体の製造方法によれば、上記黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成し、筒状バネ母材の内周に炭素材からなる円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得、このワークを軸線回りで回転させながら筒状バネ母材を軸線を中心とした螺旋溝で突っ切り、この突切溝付きワークを接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体を抜脱するので、円柱体を筒状バネ母材の補強部材とし、筒状バネ母材を半径方向内側に潰すことなく、螺旋状の突切溝加工を外周部に施して、コイルバネ状の黒鉛製弾性体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る黒鉛製弾性体及びその製造方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明に係る黒鉛製弾性体は、板状の黒鉛製弾性体の場合、厚さ方向に荷重をかける黒鉛製弾性体であり、例えば、圧カセンサー、ロードセル等で使用されるダイヤフラム、板バネ、さらバネ等が挙げられる。線状の黒鉛製弾性体の場合、太さ方向、あるいは捻れ方向に荷重をかける弾性体が相当し、直線状のものに限らず、螺旋形状の弾性体も含まれる。例えば、コイルスプリング、渦巻きバネ等が挙げられる。
【００１５】
図１は本発明に係る黒鉛製弾性体の斜視図である。
以下、黒鉛製弾性体をコイルスプリング１１とした形態を説明する。コイルスプリング１１は、黒鉛材料からなる筒状バネ母材１３の外周部１３ａが軸線Ｌを中心に螺旋の突切溝１５で切られ（切削され）てコイルバネ状に形成されている。つまり、コイルスプリング１１は、断面四角形の棒材を螺旋状に巻いたコイルバネ状に形成される。棒材を巻き付けて形成する通常のコイルバネの場合、平に仕上げなければならない端部（座）１３ｂが、コイルスプリング１１では、筒状バネ母材１３の平坦な端部１３ｂをそのまま利用できるので、仕上げを容易にすることができる。なお、筒状バネ母材１３を、円錐形とすれば、円錐形コイルバネを同様にして得ることができる。
【００１６】
コイルスプリング１１に用いられる黒鉛材は、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有している。この黒鉛材料の断面を走査型顕微鏡で観察したとき、断面に現れる気孔は、６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均面積が５μｍ2以下である。つまり、黒鉛材料の中に分布する気孔が十分に小さく、かつ、黒鉛材料の単位体積あたりに存在する気孔数が充分に多い。このため、切削時に大きな粒子単位で脱落することなく、平滑な加工面が得られる。また、大きな気孔が存在せず、応力集中が発生しにくいため、繰り返し使用しても亀裂進展の少ない黒鉛材を提供できる。
【００１７】
また、黒鉛弾性体に用いられる黒鉛材は、断面を走査型顕微鏡で観察したとき、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下である。加工時における刃物による圧縮強度に対して黒鉛材料の弾性率が大きくなり、加工時に生じる切削屑を小さくすることができる。すなわち、刃物の切削抵抗が小さく、加工がしやすい。また、断面に現れる気孔の平均扁平率を０．５５以下とすることにより、気孔端部のノッチ（切り込み）を小さくすることができ、亀裂進展の少ない黒鉛材を提供することができる。
【００１８】
上記のような黒鉛材料の気孔の形状とその加工性との関係は以下のメカニズムによるものと推察される。
黒鉛材料は、切削される際に、刃物の進行方向に圧縮力が働く。この時、刃物の進行に伴って蓄えられた歪みエネルギーが、破壊に必要なエネルギーを超えたときに切削される。平滑な加工面を得るためには、細かな切削粉を出しながら加工することが必要であり、大きな歪みエネルギーを蓄える前に破壊が起こることが重要である。
大きな歪みエネルギーを蓄えないためには、圧縮強度が小さく、弾性率が大きいことが重要であり、つまり、切削される粒子の直径は、圧縮強度／弾性率と正の相関があると言える。以上より、切削される粒子の直径が小さい（きめの細かい）加工面を得るためには、所定の圧縮強度のもとでは、より弾性率が大きい黒鉛材料が有利であることがわかる。
【００１９】
次に、黒鉛材料の弾性率と気孔の形状との関係について説明すると、一般に黒鉛材料の弾性率は以下のKnudsenの経験式で示される。
Ｅ（Ｐ）＝Ｅ（０）exp（−ｂP)
（Ｅ（Ｐ）：弾性率、Ｐ：気孔率、ｂ：経験定数）
経験定数ｂは気孔の形状に強く依存しており、気孔の形状が球形の場合には、その値が小さく、扁平回転楕円体から亀裂状の気孔形状になるに従って急激にその値が大きくなることが知られている（「新・炭素材料入門」、炭素材料学会編）。従って、弾性率を大きくするためには、その形状が丸い（扁平率が小さい）黒鉛材料が有利であることがわかる。
以上より、黒鉛材料の気孔の形状とその加工性との関係が導かれると考えられる。すなわち、気孔の形状が丸い（すなわち、観察断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下となる）ことにより、黒鉛材料の弾性率を大きくすることができるので、きめ細かな加工面を得ることができ、加工性に優れた黒鉛材料が得られる。
【００２０】
次に、圧縮強度に関しては、気孔が扁平回転楕円体や、亀裂状の気孔であっても、圧縮荷重がかかることによって気孔は潰れるように作用するため、気孔の形状は大きな影響を与えない。圧縮強度に対しては気孔率の影響の方が大きいことがわかる。
気孔率が小さいと、圧縮強度が高くなりすぎ切削されにくくなり、加工面の凹凸が大きくなる。気孔率が大きいと、圧縮強度を小さくできるものの、軟らかい黒鉛材料となるため、微細な加工を施しても、折れたり割れやすくなる。また放電加工においても消耗しやすくなる。
【００２１】
黒鉛材料の気孔率と、かさ密度とは相関が高く、同一の原材料を使用し、同一の黒鉛化処理を施した場合、同一の気孔率であれば、ほぼ同一のかさ密度となる。
本発明では、主にピッチを出発原料として、ピッチコークスを経る成分や、直接炭素化、黒鉛化される成分があるものの、出発原料と黒鉛化処理温度は限られた範囲内で行われているため、黒鉛材料のかさ密度は好ましい範囲が存在し、その値は１．７８〜１．８６ｇ／ｃｍ3であり、より好ましくは１．８２〜１．８５ｇ／ｃｍ3である。なお、かさ密度は、体積、質量を測定することにより得られる。
【００２２】
本発明において、断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率は、黒鉛材料を電子顕微鏡等で観察することにより算出することができる。具体的には、まず黒鉛材料の切断面をCP（クロスセクションポリッシャ）法により加工する。作製した断面にフラットミリング処理（４５°、３分）を施した後、ＦＥ−ＳＥＭにて観察することにより得られる。
また、撮影した画像の解析は、画像解析ソフト(Image J 1.37)を用いて２値化した後、個々の空隙（断面に現れる気孔）の面積を算出する。個々の空隙について楕円フィットを行い、その長軸、短軸の値から扁平率を算出する。
なお、扁平率とは、空隙（断面に現れる気孔）にフィットされた楕円の（長軸−短軸）／長軸のことである。
【００２３】
断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率の測定には、上記のようにＳＥＭを使用することが望ましい。ミクロンオーダーの気孔の形状を判別するのに充分な解像度が得られる上、粒子部分は単一の濃度の灰色、気孔部分は気孔の深さに応じて深い気孔の場合は黒色、浅い気孔の場合は白色に表示され、明確に気孔と粒子を区別することができるからである。
【００２４】
断面に現れる気孔の個数、平均面積及び平均扁平率の測定は、樹脂埋めされていない黒鉛材料を用いることが好ましい。黒鉛材料を樹脂埋めすると、黒鉛材料内部に存在する開気孔に樹脂が封止されて、正しい気孔の個数及び形状を判別することができないからである。
【００２５】
最大気孔直径（長軸）は、２０μｍ以下であることが好ましい。最大気孔直径が２０μｍ以下であることにより、切削時に気孔に沿ってクラックが進展するため、細ピンでは折れ、薄いリブの切削加工においては割れ、穴あきの原因となる。
最大気孔直径も前記と同様にＳＥＭで観察した断面から測定することができる。なお、ＳＥＭの断面観察から得られた気孔の直径は、水銀圧入式ポロシメータ等で得られる気孔及び黒鉛粒子の直径とは異なる。前者は、実際の大きさが計測されるのに対し、後者は連続気孔の入口部分の直径が計測される。
【００２６】
次に、コイルスプリング１１の製造方法について説明する。
図２は図１に示した黒鉛製弾性体の製作に用いられる旋盤の一例を示す構成図、図３は図１に示した黒鉛製弾性体の製造の手順を（ａ）〜（ｅ）で表した模式図である。
コイルスプリング１１の製造には、先ず、黒鉛材料からなる図３（ａ）に示す筒状バネ母材１３を形成する。黒鉛材料は、ピッチに炭素質微粉を添加し混練した後、熱処理を加えて４００〜５００℃で熱処理をしながら揮発分調整を行い、二次原料を得る。次に得られた二次原料を、粒径の細かい微粉を除去する機能を備えた粉砕機で過粉砕しないよう粒度調整をしながら粉砕し、二次原料粉を得る。次に、冷間等方圧成形（ＣＩＰ成形）により筒状に成形し、焼結炉にて約１０００℃で焼成し、さらに黒鉛化炉にて約２５００℃で黒鉛化処理を行い、黒鉛材料からなる筒状バネ母材１３が得られる。
【００２７】
なお、使用するピッチとは、石炭系や石油系のピッチのことであり、これらの混合物であってもよい。これらの原材料のうち、石炭系のピッチを使用するのが望ましい。石炭系のピッチの場合は、光学的異方性が発達しにくく（結晶が針状に発達しにくく）高強度で、高弾性の黒鉛材料を得ることができる。
【００２８】
また、ピッチの軟化点は、５０℃以下であることが望ましい。５０℃以上であると、混練時の粘度が上昇し製造が非常に困難となる。
本発明に使用する炭素質微粉は、メソフェースの発達する際の核となるものであり、カーボンブラック、黒鉛微粉、生ピッチコークス微粉、仮焼ピッチコークス微粉等の炭素質のものを使用することができる。微粉のサイズとしては、５μｍ以下のものが望ましい。５μｍ以上の微粉を使用すると混練して得られた二次原料を粉砕する際の粒度分布の制御が困難となり、粒度分布の粗い側が増えるからである。ピッチへの添加量としては、３〜１０％重量であることが望ましい。１０重量％を超えて添加するとピッチの粘度が上昇し、製造が非常に困難となる。３重量％以下の場合にはコークスのモザイク組織が十分に発達できない。
【００２９】
上記原材料の熱処理は、JIS8812で測定される揮発分が６〜１２％（より好ましくは８〜１１％）になるよう温度、時間を調整され二次原料が得られる。揮発分が６％未満の場合には、粒子間の接着が十分に得られないため、密度の低い黒鉛材料しか得ることができない。１２％以上の場合には、焼成時に内部から発生する炭化水素ガスの量が多く、割れやすい上、蓄積したガスが大きな気孔を形成する。
【００３０】
上記原材料を熱処理し得られた二次原料は、粒度を制御しながら粉砕され、得られた二次原料粉からは、微粉末は取り除かれている。粉砕の方法は、内部分級機を備えた粉砕機を用いる方法や、粉砕機と精密気流分級機とを備えた粉砕プラントを用いる方法、粉砕機で粉砕された原材料を精密気流分級機で別個に粒度調整する方法等がある。
微粉末が含まれる二次原料粉を用いた黒鉛材料は、焼成時に発生するガスが放出されにくくなり、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。
【００３１】
二次原料粉は、レーザー回折式粒度測定器で測定されるメジアン径（ＤＰ−５０：５０％積算直径）が５〜１０μｍであるが好ましい。通常粒子間に存在する気孔はシャープなエッジを持った扁平率の大きな気孔である場合が多く、粒子の大きさが大きい場合、気孔のサイズと形状とが相乗効果を示し、弾性率の低下が大きくなる。このため、メジアン径が１０μｍ以上である場合、弾性率が大きく低下してしまう。また、メジアン径が５μｍ以下である場合、焼成時に二次原料粉の成形体から発生する揮発分を速やかに素材の外部に排出することができず、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。
また二次原料粉は、レーザー回折式粒度測定器で測定される粒度分布の範囲が１μｍ〜８０μｍであることが好ましい。１μｍ以下の原材料が含まれると、焼成時に二次原料粉の成形体から発生する揮発分を速やかに素材の外部に排出することができず、割れやすくなる。さらには、素材内にガスが蓄積し、大きな気孔を形成する。８０μｍ以上の粒子が含まれると、大きな粒子の外周部や大きな粒子どうしの界面近傍に扁平な気孔ができやすくなる上、気孔の数も少なくなり、平均断面積も低下する。
【００３２】
次に、図３（ｂ）に示すように、筒状バネ母材１３の内周に円柱体１７を接着剤にて嵌着して筒状バネ母材１３と円柱体１７を一体化させたワークＷ１を得る。
接着剤としては、熱分解し、揮散するものであれば特に種類は限定されず、例えばα-シアノアクリレート（瞬間接着剤）等を好適に使用することが出来る。α-シアノアクリレートであれば、２・３００℃に加熱することにより解重合し、モノマーに分解する。また、黒鉛材料の酸化開始温度は４００℃前後であるため、黒鉛材料を酸化させることなく、接着剤のみ熱分解させることが出来る。
【００３３】
次に、図２に示す旋盤１９を用い、ワークＷ１を軸線回りで回転させながら、刃物（バイト）２１を軸線Ｌと平行に相対移動させて、図３（ｃ）に示すように、筒状バネ母材１３を、軸線Ｌを中心とした円柱体１７に至る螺旋溝２３で突っ切る。すなわち、ワークＷ１に対してネジ切り加工を行う場合と同様に、主軸２５を回転中心としてワークＷ１を回転させ、刃物台２７から、ワークＷ１の周部に対して刃物２１を接触させながら、ワークＷ１の回転に同期させて主軸２５の軸心に平行なガイド軸３１に沿って刃物２１を移動させて螺旋溝２３を形成する。この際、円柱体１７が筒状バネ母材１３の補強部材として働き、筒状バネ母材１３の半径方向内側への潰れ強度が高まり、螺旋状の突切溝加工が筒状バネ母材１３の外周部１３ａに形成可能となる。
【００３４】
螺旋溝２３の形成された図３（ｄ）に示すワークＷ２が得られたなら、次に、この突切溝付きワークＷ２を、上記接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体１７を抜脱し、図３（ｅ）に示すコイルスプリング１１の製造を完了する。
【００３５】
したがって、上記のコイルスプリング１１によれば、多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したので、微細な黒鉛粒子及び気孔が均一に分布し、高強度で高弾性率でありながら、耐熱性、耐腐食性、切削加工性を備え、しかも、寸法精度を高めることができる。この結果、炭素材料の欠点を補い、種々の化学合成装置、航空宇宙環境利用装置、原子炉、核融合炉等で繰り返し使用しても破損することがなく、金属製バネの使用不可状況下においても安定して利用できる長寿命のコイルスプリング１１を提供できる。
【００３６】
また、コイルスプリング１１の製造方法によれば、黒鉛材料を用いて筒状バネ母材１３を形成し、筒状バネ母材１３の内周に炭素材からなる円柱体１７を接着剤にて嵌着してワークＷ１を得、このワークＷ１を軸線回りで回転させながら筒状バネ母材１３を軸線Ｌを中心とした螺旋溝２３で突っ切り、この突切溝付きワークＷ２を接着剤の分解温度以上、且つ黒鉛材料の酸化温度以下で熱処理して円柱体１７を抜脱するので、円柱体１７を筒状バネ母材１３の補強部材とし、筒状バネ母材１３を半径方向内側に潰すことなく、螺旋状の突切溝加工を外周部１３ａに施して、コイルバネ状の黒鉛製弾性体を得ることができる。
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３８】
１．黒鉛材料の製造
（実施例１〜２）
軟化点４０℃の石炭系ピッチ９５重量部にたいし、平均２μｍに粉砕した仮焼コークス５重量部を添加し混練した後、熱処理を加えて４１５℃で熱処理しながら揮発分調整を行い、二次原料を得た。次に内部分級機を備えた粉砕機で過粉砕しないよう粉砕し、二次原料粉を得た。次に等方性静水圧プレスにて１００ＭＰａの圧力にて加圧した後、１０００℃まで約５℃／時間の昇温速度にて焼成し、２５００℃で黒鉛化処理を実施した。
尚、製造の途中で得られた二次原料粉には、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に１μｍ以下及び８０μｍ以上の粉は含まれていなかった。
表１に使用した原材料の特性値を示し、表２、３に得られた黒鉛材料の特性値を示す。
【００３９】
（比較例１）
内部分級機を持たない粉砕機で粉砕したこと以外は実施例１〜２と同様の方法で黒鉛材料を製造した。尚、製造の途中で得られた二次原料粉は、精密気流分級等の操作を行っておらず、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に８０μｍ以上の粉は含まれていなかったが、１μｍ以下の粉が９．３％含まれていた。
表１に使用した原材料の特性値を示し、表２、３に得られた黒鉛材料の特性値を示す。
【００４０】
（比較例２）
軟化点８０℃の石炭系ピッチ３５重量部にたいし、平均１４μｍに粉砕した仮焼コークス６５重量部を添加し混練した後、熱処理を加えて２５０℃で熱処理しながら揮発分調整を行い、二次原料を得た。次に粉砕機と精密気流分級機とを備えた粉砕プラントで過粉砕しないよう粉砕し、二次原料粉を得た。次に等方性静水圧プレスにて１００ＭＰａの圧力にて加圧した後、１０００℃まで約５℃／時間の昇温速度にて焼成し、２５００℃で黒鉛化処理を実施した。
尚、製造の途中で得られた二次原料粉には、レーザー回折式粒度分布計で計測される粒度分布に１μｍ以下の粉は含まれていなかったが、８０μｍ以上の粉が約３％含まれていた。
【００４１】
表１に原材料の特性値を示す。
【表１】
【００４２】
２． 黒鉛材料の特性評価
以下の項目を測定し、上記で得られた黒鉛材料の特性評価を行った。
（断面に現れる気孔の個数・平均面積・平均扁平率）
以下の手順で、断面に現れる気孔の個数、平均面積・平均扁平率を算出した。
（ａ）試料荒研磨
上記で作製したテストピースを約５ｍｍ厚の円柱状に切断し、両面をＧＡＴＡＮ社製治具ＭＯＤＥＬ６２３及びＳｉＣ性耐水研磨紙＃２４００を用いて試料両面の整面処理を実施した。次に真鍮性の試料台に固定した。
（ｂ）ＣＰ加工
JEOL製ＳＭ０９０１０を使用し、加速電圧６ｋＶでＣＰ加工を行った。
（ｃ）ミリング
日立ハイテク社製フラットミリング装置Ｅ−３２００を使用し、加速電圧５ｋＶ、０．５ｍＡ、試料傾斜角４５°、ミリング時間３分で、Ａｒミリング処理を行った。
（ｄ）ＦＥ−ＳＥＭ観察
上記により作製した試料を日立ハイテク社製超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡 Ｓ−４８００を使用し加速電圧２ｋＶで観察した。実施例１の黒鉛材料を図４ａ〜ｃ、実施例２の黒鉛材料を図５ａ〜ｃ、比較例１の黒鉛材料を図６ａ〜ｃ、比較例２の黒鉛材料を図７ａ〜ｃに示す。
（ｅ）画像解析
アメリカ国立衛生研究所製解析ソフトＩｍａｇｅＪ１．３７を使用し、上記で得られたＳＥＭ画像を解析した。このときの観察倍率は２０００倍で、ノイズ低減処理を施した後、平面部／空隙（気孔）部の２値化処理を実施した。尚、空隙（気孔）の解析対象は、空隙（気孔）か否かの判断が可能な０．２μｍを超えるものとした。
画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）で２値化することにより得られた空隙（気孔）部に対して、面積計測、最適楕円フィッティングを実施すると共に個数をカウントし、上記処理より得られた値から断面に現れる気孔の個数、平均面積、平均扁平率を算出した。
（圧縮強度）
JIS R7222に準じて測定を実施した。
（弾性率）
JIS R7222に準じて測定を実施した。
【００４３】
表２に黒鉛材料の特性値を示す。
【表２】
【００４４】
３．コイルスプリングの製造
実施例、比較例の黒鉛材料を厚さ２．５ｍｍの中空円筒状に加工して筒状バネ母材１３とし（図３（ａ））、筒状バネ母材１３の内周に円柱体１７をα-シアノアクリレートにて接着することで筒状バネ母材１３と円柱体１７を一体化させたワークＷ１を作成し（図３（ｂ））、図２に示す旋盤１９を用い、ワークＷ１に１ｍｍ幅でピッチ２ｍｍの螺旋溝２３を形成し（図３（ｃ））、得られたワークＷ２を３３０℃で熱処理して円柱体１７を抜き取り（図３（ｄ））、コイルスプリング１１が完成する（図３（ｅ））。
【００４５】
４．コイルスプリングの評価
実施例のコイルスプリング（実施例１，２の黒鉛材料で製造したコイルスプリング）についても、比較例のコイルスプリング（比較例１，２の黒鉛材料で製造したコイルスプリング）についても、外見上の差異を肉眼で確認することはできなかった。しかしながら、図４ａ〜ｃ，図５ａ〜ｃ，図６ａ〜ｃ及び図７ａ〜ｃに示す黒鉛材料の断面写真からもわかる様に、実施例の黒鉛材料は比較的サイズが小さい丸い形状の気孔が均一に多数分布しているのに対し、比較例の黒鉛材料は、気孔が丸いものが少なく、比較的大きなものが多く存在しているため、実施例の黒鉛材料で製造したコイルスプリングと比較例の黒鉛材料で製造したコイルスプリングとでは、応力に対する耐性が大きく異なる。具体的には、比較例のコイルスプリングは、自然長状態から圧縮して最も縮んだ状態まで圧縮する間に欠けが発生し、伸縮を数回繰り返すだけで破損してしまう。これに対し、実施例のコイルスプリングは、自然長状態から最も縮んだ状態までの間の伸縮を繰り返しても欠けが発生せず、伸縮を１０００回繰り返しても破損しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る黒鉛製弾性体の斜視図である。
【図２】図１に示した黒鉛製弾性体の製作に用いられる旋盤の一例を示す構成図である。
【図３】図１に示した黒鉛製弾性体の製造の手順を（ａ）〜（ｅ）で表した模式図である。
【図４ａ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図４ｂ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図４ｃ】実施例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図５ａ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図５ｂ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図５ｃ】実施例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図６ａ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図６ｂ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図６ｃ】比較例１で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【図７ａ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真である。
【図７ｂ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像である。
【図７ｃ】比較例２で作製した黒鉛材料の断面ＳＥＭ写真を画像処理した２値化像の楕円フィット図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１ コイルスプリング（黒鉛製弾性体）
１３ 筒状バネ母材
１３ａ 外周部
１５ 螺旋の突切溝
１７ 円柱体
２１ 刃物
２３ 螺旋溝
Ｌ 軸線
Ｗ１，Ｗ２ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したことを特徴とする黒鉛製弾性体。
【請求項２】
前記黒鉛材料からなる筒状バネ母材の外周部が軸線を中心に螺旋の突切溝で切られてコイルバネ状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の黒鉛製弾性体。
【請求項３】
多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成する工程と、
該筒状バネ母材の内周に円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得る工程と、
該ワークを軸線回りで回転させながら刃物を軸線と平行に相対移動させて前記筒状バネ母材を前記円柱体に至る螺旋溝で突っ切る工程と、
該突切溝付きワークを熱処理して前記接着剤を分解し、前記円柱体を抜脱する工程と、
を含むことを特徴とする黒鉛製弾性体の製造方法。
【請求項１】
多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて形成したことを特徴とする黒鉛製弾性体。
【請求項２】
前記黒鉛材料からなる筒状バネ母材の外周部が軸線を中心に螺旋の突切溝で切られてコイルバネ状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の黒鉛製弾性体。
【請求項３】
多数の黒鉛粒子と気孔とからなる微細構造を有し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したときに、断面に現れる気孔の密度が６０００μｍ2あたり２５０個以上、断面に現れる気孔の平均断面積が５μｍ2以下、断面に現れる気孔の平均扁平率が０．５５以下とした黒鉛材料を用いて筒状バネ母材を形成する工程と、
該筒状バネ母材の内周に円柱体を接着剤にて嵌着してワークを得る工程と、
該ワークを軸線回りで回転させながら刃物を軸線と平行に相対移動させて前記筒状バネ母材を前記円柱体に至る螺旋溝で突っ切る工程と、
該突切溝付きワークを熱処理して前記接着剤を分解し、前記円柱体を抜脱する工程と、
を含むことを特徴とする黒鉛製弾性体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【公開番号】特開２００９−２４２１９６（Ｐ２００９−２４２１９６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９２７０４（Ｐ２００８−９２７０４）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
【Ｆターム（参考）】
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