Verfahren zur Herstellung von keramischen Körpern, insbesondere von Werkzeugteilen, durch Sinterung von Korundpulver Korund-Formkörper können aus Korundpulver durch Sintern hergestellt werden. Beim Brennen die- ser Formkörper werden hohe Temperaturen ange wendet. Wenn man z. B. aus reinem Korundpulver, dessen Schmelzpunkt 20500 C ist, porenfreie Form stücke mit gleichmässigem Gefüge herstellen will, so muss bei üblicher Korngrösse die Sinterung bei etwa 1800 C durchgeführt werden.
Die Erzeugung hoher Temperaturen in Industrieöfen erfordert kostspielige Lufterhitzungsanlagen und ist mit grossem Energie bedarf verbunden, da der Korund in einer oxydie renden Atmosphäre gebrannt werden muss, was in der Praxis nur in Gasheizungsanlagen verwirklicht werden kann. Zur Verminderung der Sintertempera- tur und zur Verfeinerung der Korngefüge wurden verschiedene Zutaten empfohlen. Diese Zutaten set zen meistens die Härte des gesinterten Körpers herab, und auch seine Massbeständigkeit wird vermindert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstel lung von keramischen Körpern, insbesondere von Werkzeugteilen durch Sinterung von Korundpulver, ist dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung von Formstücken, Korundpulver mit einer Partikel- grösse von weniger als 10 Mikron und mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 % A1203 ver wendet, dieses sintert unterhalb 1700 und die Zeit dauer der Sinterung so kurz bemisst,
dass in den gesinterten Körpern mindestens 90 % der Partikel im Sintergefüge eine Korngrösse von nicht mehr als 10 Mikron aufweisen. Die Sinterung wird also bei einer wesentlich geringeren Temperatur als bisher üblich vorgenommen, wobei ein keramischer Körper von sehr feinem Gefüge, hoher Temperaturbeständig keit und hoher Festigkeit hergestellt werden kann. Die Sinterung kann z. B. in den gebräuchlichen Ma gnesitindustrieöfen durchgeführt werden.
Um eine möglichst hohe Härte und Festigkeit zu erreichen, wird zweckmässig ein solches Korund- pulver verwendet, dessen Gehalt an Titan-, Mangan- und Natriumoxyden einzeln oder insgesamt nicht mehr als 0,02 % beträgt.
Der Siliciumdioxydgehalt soll unterhalb 0,1 % liegen. Besonders gute Eigen schaften weisen diejenigen gesinterten Formkörper auf, welche aus solchem reinen Korundpulver ange fertigt wurden, dessen A1203-Gehalt mindestens 99.99 % beträgt. Je feineres Korundpulver ange wandt wird, umso genauere Abmessungen werden die gesinterten Formkörper aufweisen und es können desto wertvollere Korund-Formkörper, wie z. B. Ziehringe, Schneidwerkzeuge usw. hergestellt werden.
Aus diesem Grunde wird vorteilhaft ein so feines Korundpulver verwendet, das mindestens zu 50 % aus Partikeln besteht, die einen Durchmesser von 1 Mikron oder weniger aufweisen.
Falls man ein Korundpulver obigen Feinheits- grades verwendet, kann die Sinterung bei einer un terhalb 1500 C liegenden Temperatur erfolgen, wo bei die so hergestellten Körper hohe Festigkeit und ein gleichmässiges und sehr feines Gefüge aufweisen.
Falls man zur Anfertigung von Formkörpern ein so feines Korundpulver verwendet, das zu 90 % aus 1 Mikron oder kleineren Partikeln besteht, kann man die Sinterung in einem Temperaturbereich von 1450-1500,) C, vorteilhaft bei etwa 1480o C, durch führen und falls man bei dieser Sintertemperatur die Formkörper nicht längere Zeit als 1 Stunde - vor teilhaft 10-15 Minuten lang erhitzt,
so wird die Korn- grösse im Sintergefüge mindestens zu 90 % 1O Mi- kron nicht übersteigen. Zur Herstellung des oben angeführten feinen Ko- rundpulvers kann dasselbe in Kugelmühlen, vorteil haft in Vibrationsmühlen gemahlen werden. Um Verunreinigungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn man aus reinem Korund angefertigte Mahlkör- per verwendet.
Die inneren Wände der Mühlen wer den vorzugsweise mit einem organischen Stoff über zogen, welcher beim Ausbrennen der Korund-Form- körper ohne Hinterlassung von Asche verbrennt.
Zur Herstellung der feinkörnigen Korundmasse kann man die in der Industrie erhältliche reine Ton erde verwenden, welche - falls nötig - noch ge reinigt werden kann. Man kann ferner auch den bei der Elektrokorundherstellung anlässlich der Zerklei nerung der Korundblöcke anfallenden Flugstaub ver wenden, den man von Verunreinigungen vorher ge reinigt hat.
Bei der Herstellung von Formkörpern kann man bekannterweise so vorgehen, dass man aus Korund- pulver und Wasser, oder mit Wasser sich mischenden Flüssigkeiten wie Alkohol, Glykol einen Schlicker bereitet und aus diesem, z. B. durch Giessen in Gips formen, die Formkörper herstellt. Die Formkörper können auch durch Pressen aus Massen hergestellt werden.
Bei der Herstellung der Formkörper ver fährt man vorteilhaft derart, dass man die angefertig ten und getrockneten Formkörper unterhalb der Sin- tertemperatur einer Wärmebehandlung unterwirft und die auf diese Weise verfestigten Formstücke auf Mass bearbeitet und danach sintert. Auf diese Weise kann man gesinterte Formstücke mit sehr genauen Massen herstellen. Die gesinterten Formkörper kann man noch gegebenenfalls schlichten, z. B. läppen.
Die Wärmebehandlung kann man in einem Tem peraturbereich von 400-5000 C vornehmen. In ge wissen Fällen ist es aber vorteilhaft, wenn man sie bei höheren Temperaturen, vorteilhaft bei 1000 bis 1400 C vornimmt. Je höher die angewandte Ver- festigungstemperatur, umso fester wird das Form stück und umso genauer kann dieses bearbeitet wer den, wodurch auch das Mass der Formstücke genauer wird.
Die Dichte, die Gleichmässigkeit des Gefüges und die Festigkeit des gesinterten Formkörpers kann man noch dadurch erhöhen, dass man zu der Verformung wenig Flüssigkeit verwendet. Die Menge der bei der Verformung angewandten Flüssig keit kann dadurch vermindert werden, dass man organische Netzmittel zugibt. Auf diese Weise kann man einen zum Giessen geeigneten Schlicker herstel len ; vorzugsweise enthält er auf die Menge Korund- pulver berechnet weniger als 30 % Wasser oder mit Wasser mischbare Flüssigkeit.
Als Netzmittel können vorteilhaft Fettsäure-Derivate verwendet werden. Ebenso hat sich eine Zugabe von Spermöl sehr gut bewährt. Ein auf diese Weise angefertigter Schlicker wird zweckmässig von Luftblasen vor dem Giessen durch Vakuumbehandlung befreit. Falls man zu sol chen, zum Giessen geeigneten dünnflüssigen Schlicker organische Säuren, vorteilhaft Ameisensäure, hinzu- fügt, wird die Konsistenz des Schlickers erhöht und man kann zu einer gut pressbaren Masse gelangen.
Falls man diese verfestigte Masse mit Ammoniak neutralisiert bzw. schwach alkalisch macht, wird die Masse wieder dünnflüssig, so dass dieselbe zum Gies- sen verwendet werden kann.
<I>Beispiel 1</I> Es wird ein Korundpulver verwendet, dessen Zu sammensetzung die folgende ist A1201 99.995 % TiO@ 0.001 % S102 ........ 0.002 % NaoO . . . . 0.(i01 % V20,;
0.0005% und Mangan in Spuren. 90 % der Korund-Partikel sind kleiner als 1 Mikron und 10 % liegen zwischen 1 und 3 Mikron. Zur Anfertigung des Schlickers wer den 100 kg Pulver mit 25 kg Flüssigkeit folgender Zusammensetzung innig vermischt 0.8 kg Spermöl, gelöst in 3.2 kg Äthylalkohol 6.4 kg konz. Ammoniumhydroxyd 3.7 kg Äthylalkohol 10.6 kg Wasser Man erhält einen dünnflüssigen Schlicker, aus welchem man unter Vakuum die Luftblasen entfernt.
Es werden Schneidformstücke der Abmessungen 18 X 16 X 6 mm in Gipsform gegossen. Die gegos senen Formstücke werden aus der Gipsform heraus genommen und an der Luft und danach bei 1100 C getrocknet und anschliessend binnen 2 Stunden auf 1100 C erhitzt und bei dieser Temperatur 10 Minu ten lang gehalten. Danach werden sie langsam abge kühlt.
Die Formstücke werden dann durch Schleifen auf das gewünschte Mass, unter Beachtung der bei der späteren Sinterung erfolgenden Massänderung bearbeitet und sodann gesintert. Zu Sinterung wird in einem gasgeheizten Ofen in oxydierender Atmo sphäre innert 3 Stunden auf 1480 C erhitzt, bei die ser Temperatur 5 Minuten lang gehalten und dann wieder langsam abgekühlt.
Die Korngrösse beträgt nicht mehr als 10 Mikron. Die abgekühlten Schneid formstücke werden fein bearbeitet und geläppt. Die Schneidekante der zur Spanabhebung von Stahl be nützten Formkörper wird mit einer Diamantschleif- scheibe geschliffen. Mit auf diese Weise angefertigten Schneidekörpern konnte man ohne Schärfen 3.6 Ton nen Stahl von einer Zugfestigkeit von 80 kg/mm2 ab drehen, wobei die Spanabhebung bei einem Vorschub, einer Spantiefe und Umlaufgeschwindigkeit erfolgte, bei welcher die Späne dunkelblau anfallen.
Auf dieselbe Weise wurden Ziehringe gegossen, mit einem äusseren Durchmesser von 24 mm und einem inneren Durchmesser von 6 mm. Diese Zieh ringe zeigten nach dem Sintern und der Bearbeitung am äusseren und am inneren Durchmesser etwa 14 bis 17 % Schwund. Durch einen solchen Ziehring wurden 30 Tonnen Kupferdraht mit einer Reduktion von 33 % abgezogen, ohne dass an dem Ziehring ein Verschleiss bemerkt werden konnte. Mit einem Ziehring kleinerer Abmessung wurde Kupferdraht von 2.5 mm Durchmesser auf 2.0 mm bei einer Ge schwindigkeit von 350 m/Minuten abgezogen. Nach Abziehen von 15 Tonnen Kupferdraht konnte man an dem Ziehring keine Massveränderung feststellen.
<I>Beispiel 2</I> Der nach Beispiel 1 hergestellte und im Vakuum von Luftblasen befreite Schlicker wird mit -konz. Ameisensäure neutralisiert und schwach angesäuert. Der pH-Wert war 4. Die Konsistenz des dünnflüs sigen Schlickers erhöht sich in einem Masse, dass man ihn zum Pressen gut verwenden kann. Auf diese Weise kann man auch Formlinge von gleichmässigem und dichtem Gefüge herstellen. Diese plastische Masse kann z. B. in Gips-Formen gepresst werden. Auf diese Weise können z. B.
Glühtiegel für Labora toriumszwecke hergestellt werden, deren Durchmes ser 20-70 mm, Höhe 25-90 mm und Wandstärke 1-3 mm beträgt. Nach dem Pressen werden die Form- linge aus der Gipsform nach 15 Minuten heraus genommen, an der Luft und dann bei 1100 C ge trocknet und bei 11000 C verfestigt. Die Oberflächen der ausgekühlten Formlinge werden geschlichtet und bei 1480 C 10 Minuten lang gesintert.
Aus der oben angeführten plastischen Masse mit erhöhter Konsistenz werden Röhren mit 1 mm äus- serem und 0.5 mm innerem Durchmesser gezogen und wie die Tiegel behandelt. Die auf diese Weise gesinterten Röhren besitzen eine Dichte von 3.88 bis 3.97 g/ml und weisen genaue Abmessungen auf, sind gasfrei und wegen ihrer hohen Reinheit können die selben bei Radioröhren besonders vorteilhaft ver wendet werden, da sie z. B. das Wolfram bei hoher Temperatur nicht angreifen.
<I>Beispiel 3</I> Die in Beispiel 2 zum Pressen verwendete und als Abfall sich ergebende Pressmasse wird mit gas förmigem Ammoniak oder konz. Ammoniumhydro- xyd Lösung schwach alkalisch gemacht, wobei die Masse sich wieder in einen dünnflüssigen Schlicker verwandelt, welche dann für Giesszwecke oder nach Ansäuren mit Ameisensäure für Presszwecke ver wendet werden kann.
<I>Beispiel 4</I> 100 kg Korundpulver mit einer durchschnitt lichen Korngrösse von 1 Mikron und einer maxi malen Korngrösse von weniger als 10 Mikron wird mit 10-14 kg Wasser, 7 kg konz. Ammoniumhydro- xyd und 2 kg Spermöl gelöst in 6 kg Alkohol zu dünnflüssigem Giesschlicker verarbeitet. Dieser Schlik- ker wird zu Formstücken nach Beispiel 1 oder 2 ver arbeitet.
Die Menge der Netzmittel muss im allge- meinen erhöht werden, je feineres Korundpulver an gewandt wird. Falls die Durchschnittskorngrösse des verwendeten Korundpulvers 0.1 Mikron -beträgt, muss das drei- oder vierfache der obigen Menge ver wendet werden.
Falls man aus diesem feinkörnigen Schlicker Formlinge herstellt, bei 1000 C verfestigt, bearbeitet, bei 1480o C sintert und danach läppt, erhält man eine Oberfläche der Feinheit von h.. <I>=</I> 0.02-0.03.
Die Korngrösse beträgt höchstens 10 Mi- kron. Es können auch solche keramische Formkörper hergestellt werden, welche in der gesinterten Korund- Grundmasse grössere, nicht gesinterte Partikel einge bettet enthalten.
So können in der Grundmasse Elek- trokorundpartikel von . beliebiger Grösse, die erst oberhalb 1700 C sintern, oder Siliziumkarbid, oder sonstige, erst oberhalb 1700 sinterbare Karbide ein gebettet werden. So z. B. können in einem nach Bei spiel 1 hergestellten Schlicker Elektrokorundkristalle, welche erst oberhalb 17000 sintern, von einer Durch- schnittsgrösse von 1-2 mm eingebettet werden.
Die Menge dieser Elektrokorund-Körnchen kann 50 bis 200 %, gerechnet auf die feine Grundmasse, be tragen. Auf diese Weise kann man 10-12 kg Form- linge herstellen und in einem in der Industrie übli chen Magnesitofen mit einer Schrumpfung von 4 bis 5 % brennen. Die auf diese Weise hergestellten Guss schalen, Gusstöpsel, Gusstopfausmauerung können in der Elektrostahimetallurgie vorteilhaft verwendet werden.
Auf obige Weise können auch Siliziumkarbid- kristalle in den Korundkörper einverleibt werden, da sie erst oberhalb 17000 sintern. Bei der angewandten niedrigen Sintertemperatur kommt eine feste Verbin dung zwischen den besagten Stoffen zustande.
Die aus solchem Gemisch angefertigten Formstücke be sitzen eine hohe Härte. Durch die einverleibten, nicht gesinterten Siliziumkarbidkristalle wird die Wärme leitfähigkeit der gesinterten Korundgrundmasse noch erheblich erhöht. Man kann auch aus dieser Mi schung durch Sintern des Korunds Turbinenschaufeln herstellen. Ähnlicherweise können auch andere sta bile, erst oberhalb 1700 sinterbare Karbide einver leibt und aus einem solchen Gemisch hervorragende Schleifsteine und Poliersteine hergestellt werden.
<I>Beispiel 5</I> In einem Schlicker gemäss Beispiel 1 wird Sili- ziumkarbid von 1 Mikron Durchschnittsgrösse in doppelter Menge, gerechnet auf die Korundmenge, zugegeben. Es werden in Gipsformen Stäbe von 5 bis 10 mm Durchmesser gegossen und ähnlich auf gearbeitet, wie in Beispiel 1 angeführt. Sodann wer den die Stäbe getrocknet, bei 1100 C einer ver festigenden Wärmebehandlung unterworfen und falls erwünscht, bearbeitet, z. B.
Löcher von 2 mm Tiefe und 1 mm Durchmesser gebohrt und bei 1480 C gesintert. Diese Stäbe können als elektrische Wider standskörper verwendet werden. Aus der obigen Masse können auch Schleifsteine angefertigt werden.