DE102004056012B4

DE102004056012B4 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils mit einer dreidimensionalen Netzstruktur

Info

Publication number: DE102004056012B4
Application number: DE102004056012A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Wako Shibata; Tadashi Wako Ohya; Tsuyoshi Wako Tanaka
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: JP2005154156A; JP3987022B2; DE102004056012A1; US20050121816A1; US7556755B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils (2) mit einer dreidimensionalen Netzstruktur aus einer Mehrzahl von kugelförmigen Poren (4) und einer Mehrzahl von in Trennwänden (5) zwischen benachbarten Poren (4) vorhandenen Durchgangslöchern (6), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– Mischen eines Aggregats von kugelförmigen Kunstharzpartikeln (7) und eines Aggregats von keramischen Partikeln (8), die einen kleineren Durchmesser als die kugelförmigen Kunstharzpartikel (7) aufweisen, miteinander derart, dass beschichtete Partikel (9) erhalten werden, bei denen mehrere keramische Partikel (8) an der Oberfläche eines jeweiligen kugelförmigen Kunstharzpartikels (7) anhaften,
– Einbringen der beschichteten Partikel (9) in eine Form und Behandlung der beschichteten Partikel derart, dass sie in der Form eine Anordnung dichtester Packung bilden,
– Einfüllen einer keramischen Masse (10) in die Form derart, dass zwischen den beschichteten Partikeln (9) vorhandene Zwischenräume mit der keramischen Masse (10) gefüllt werden und sich ein geformtes Produkt (11) ergibt,
– Entformen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils mit einer dreidimensionalen Netzstruktur.
Herkömmlich ist ein Verfahren zur Herstellung dieser Art von keramischen Formteilen bekannt, bei dem aufeinander folgend die folgenden Schritte durchgeführt werden: Tränkung eines Schaumkunststoffs mit einer keramischen Masse, Trocknen der keramischen Masse, thermische Zersetzung des Schaumkunststoffs und Sintern von keramischen Partikeln (siehe z. B. die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 5-50182 ).
Da jedoch ein derartiges herkömmliches keramisches Formteil eine nicht einheitliche Zellengröße sowie eine nicht einheitliche Zellenverteilung aufweist, existiert das folgende Problem: Wenn das Formteil als Verstärkungsmaterial für ein Metallmatrixverbundelement verwendet wird, ist es möglich, dass große Unterschiede in mechanischen Eigenschaften, wie der Festigkeit und den Gleiteigenschaften, physikalischen Eigenschaften, wie der Kühlungsfähigkeit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, usw. des Metallmatrixverbundelements in einigen Teilen des Elements auftreten.
Die DE 11 97 010 B beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen, welche die Form von porösen keramischen Gegenständen haben. Das beschriebene Verfahren ist ein bekanntes Ausbrennverfahren, bei dem ein Stoff wie Ton mit Körnern eines brennbaren Materials, etwa Polystyrol, gemischt wird. Die Körner besitzen eine Größe zwischen 0,1 und 3,0 mm und werden in jeweilige Größenklassen klassifiziert, beispielsweise in Klassen von 1 mm ± 0,2 mm, sodass die Gegenstände nach dem Brennvorgang Poren einer einheitlichen Größe aufweisen. Ferner ist auch offenbart, dass die Kornverteilung des Gemischs nach den Gesetzen der dichtesten Packung gewählt ist.
Die DE 12 78 322 B offenbart ein ähnliches Ausbrennverfahren zur Herstellung von porösen Formkörpern aus Ton oder Lehm, insbesondere für Filterzwecke, dem ein beim Brennen schmelzendes Material hinzugefügt wird. Hierbei lehrt diese Druckschrift insbesondere, dass die Porosität durch eine ausreichend große Menge von Füllmaterial in der Form von Polystyrol, dem andere anorganische Füllmaterialien hinzugefügt sein können, erhöht werden kann, weil während des Schritts der thermischen Zersetzung der Polystyrolpartikel die dünnen Wandabschnitte zwischen benachbarten Poren aufgeschmolzen werden können.
Unter den genannten Umständen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils mit verbesserter Einheitlichkeit von Zellengröße und Zellenverteilung anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils mit einer dreidimensionalen Netzstruktur gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Dabei ist der Schritt des Mischens eines Aggregats von kugelförmigen Kunstharzpartikeln und eines Aggregats von keramischen Partikeln, die einen kleineren Durchmesser als die kugelförmigen Kunstharzpartikel aufweisen, miteinander derart, dass beschichtete Partikel erhalten werden, bei denen mehrere keramische Partikel an der Oberfläche eines jeweiligen kugelförmigen Kunstharzpartikels anhaften, für die Erfindung charakteristisch.
Gemäß dem genannten Verfahren ist es möglich, ein keramisches Formteil zu erhalten, das eine sehr einheitliche Größe und Verteilung der sphärischen Zellen besitzt. Da die Größe der sphärischen Zellen von der Größe der sphärischen Kunstharzpartikel abhängt, ist es ferner einfach, die Größe der sphärischen Zellen einzustellen. Dieses keramische Formteil ist daher als Verstärkungsmaterial für ein Metallmatrixverbundelement verwendbar.
Die oben genannte Aufgabe, andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus einer Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen, die im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigt:
1 eine Perspektivansicht eines Metallmatrixverbundelements,
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines wichtigen Teils des Metallmatrixverbundelements,
3 eine Perspektivansicht eines keramischen Formteils,
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines wichtigen Teils des keramischen Formteils,
5 ein Diagramm zur Erläuterung von Schritten zur Herstellung des keramischen Formteils, und
6 ein Diagramm zur Erläuterung eines anderen Beispiels von beschichteten Partikeln.
In 1 und 2 ist ein Metallmatrixverbundelement 1, das in der Form eines rechteckigen Parallelepipeds ausbebildet ist und eine hohe Festigkeit aufweist, aus einem keramischen Formteil 2 gebildet, welches eine dreidimensionale Netzstruktur aufweist, sowie aus einer Metallmatrix 3, mit der das keramische Formteil 2 gefüllt ist. In 3 und 4 besitzt das keramische Formteil 2 die Form eines rechteckigen Parallelepipeds und besitzt eine Mehrzahl von sphärischen Zellen 4, die in einer dichtest gepackten Form angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 6, die in Trennwänden 5 zwischen benachbarten sphärischen Zellen 4 vorhanden sind.
Der Median M_D des Innendurchmessers des Durchgangslochs 6 ist als M_D ≥ 1 μm gewählt, um eine Druckbefüllung mit einer Schmelze der Metallmatrix 3 zu ermöglichen. Um die Festigkeit des keramischen Formteils 2 sicherzustellen, ist ferner das Verhältnis Md/M_D zwischen dem Median M_D des Innendurchmessers des Durchgangslochs 6 und dem Median M_D des Innendurchmessers der sphärischen Zelle 4 als 0,1 < Md/M_D < 0,5 gewählt. Wenn das Verhältnis Md/M_D ≤ 0,1 ist, wird die Festigkeit des Elements 1 verschlechtert, da die Belastung am Rand des Durchgangslochs 6 konzentriert ist.
Demgegenüber ist dann, wenn Md/M_D ≥ 0,5 ist, die Festigkeit und Steifigkeit des Elements 1 verschlechtert, da sich die zur Verfügung stehende Menge der Trennwand 5 verringert. Der Median M_D des Innendurchmessers der sphärischen Zelle 4 wird durch eine 3D-CT-Analyse bestimmt, und der Median Md des Innendurchmessers des Durchgangslochs 6 wird durch ein Quecksilberintrusionsverfahren bestimmt.
Als Komponentenmaterialien des keramischen Formteils 2 sind technische Keramiken, wie SiC, Al₂O₃, Si₃N₄ und AlN bevorzugt, aber sie sind nicht hierauf beschränkt. Als Komponentenmaterialien der Metallmatrix 3 werden Al, eine Al-Legierung, Si, eine Si-Legierung, Cu, eine Cu-Legierung, Mg, eine Mg-Legierung, usw. verwendet.
Beim Herstellen des keramischen Formteils 2 werden die in 5 gezeigten Schritte ausgeführt.
Schritt (a): Ein Aggregat von sphärischen Kunstharzpartikeln 7 zum Bilden der sphärischen Zellen 4 und ein Aggregat von keramischen Partikeln 8 mit einem Durchmesser kleiner als derjenige der Kunstharzpartikel 7 wird hergestellt. Als sphärische Kunstharzpartikel 7 werden solche mit einem Mediandurchmesser D_M von beispielsweise 10 μm ≤ D_M ≤ 1000 μm verwendet, wohingegen als keramische Partikel 8 solche mit einem Mediandurchmesser d_M von beispielsweise 0,1 μm ≤ d_M ≤ 100 μm verwendet werden. Die keramischen Partikel 8 sind das Hauptkomponentenmaterial des keramischen Formteils 2 und das Material ist wie oben beschrieben. Als sphärische Kunstharzpartikel 7 werden PMMA-(Polymethylmethacrylat)-Partikel, PS-(Polystyrol)-Partikel usw. verwendet. In diesem Fall ist es auch möglich, C-(Kohlenstoff)-Partikel zu verwenden.
Schritt (b): Die beiden Aggregate werden in einen Beschichtungsprozessor geladen, um ein Aggregat von beschichteten Partikeln 9 zu erhalten, bei dem die keramischen Partikel 8 dicht an der Oberfläche der Kunstharzpartikel 7 angebracht sind. Ein geeignetes Massenmischungsverhältnis zwischen dem Aggregat von Kunstharzpartikeln 7 und dem Aggregat von keramischen Partikeln 8 ist 0,1 ≤ W₁/W₂ ≤ 10, wobei das Gewicht des Aggregats von Kunstharzpartikeln 7 W₁ ist und das Gewicht des Aggregats von keramischen Partikeln 8 W₂ ist. Wenn W₁/W₂ > 10 ist, kann aufgrund dessen, dass die Menge von keramischen Partikeln bezüglich der Menge von Kunstharz unzureichend ist, nicht die gesamte Fläche der Kunstharzpartikel 7 mit den keramischen Partikeln 8 bedeckt werden, wohingegen dann, wenn W₁/W₂ < 0,1 ist, aufgrund dessen, dass die Menge von keramischen Partikeln relativ zur Menge von Kunstharz zu groß ist, eine große Menge von übrig bleibenden keramischen Partikeln 8 verbleibt, die die Fläche des Harzes nicht bedecken. Die Drehzahl RS des aus der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2003-160330 bekannten Beschichtungsprozessors wird auf 500 UpM ≤ RS ≤ 2500 UpM eingestellt, die Behandlungszeit t wird auf 0,25 h ≤ t ≤ 1 h eingestellt und der innere Stückabstand wird auf 1 mm eingestellt.
Schritt (c): Das Aggregat von beschichteten Partikeln 9 wird in eine Form gebracht und einer Behandlung zur dichtesten Packung unterworfen. Diese Behandlung wendet ein Vakuumfiltrationsverfahren an, bei dem eine poröse Form, etwa ein Gips, eine aus verschiedenen Metallarten oder PTFE hergestellte und eine Mehrzahl von Saugöffnungen in der Basis aufweisende Form usw. verwendet wird. In diesem Fall kann ein Mittel zum Unterdrucksetzen des Inneren der Form von der Öffnungsseite her verwendet werden, falls notwendig.
Schritt (d): Eine keramische Masse, die beispielsweise eine Keramik 10 desselben Materials wie die keramischen Partikel 8 enthält, wird in die Form eingefüllt, um die Lücken im Aggregat auszufüllen. Die keramische Masse ist aus keramischen Partikeln, einem Dispergiermittel, einem Bindemittel und destilliertem Wasser gebildet. Als Dispergiermittel wird ein quartäres Ammoniumsalz, ein Acrylsäureoligomer, Monoethylamin, usw. verwendet. Als Bindemittel wird ein Polyvinylalkohol, eine Acrylemulsion, Polyvinylbutyral, Me thylzellulose, β-1,3-Glucan usw. verwendet. Beim Herstellen der keramischen Masse wird ein Verfahren verwendet, bei dem ein Gemisch, das das Bindemittel und destilliertes Wasser enthält, hergestellt wird und dann dieses Gemisch, die keramischen Partikel, das Dispergiermittel und destilliertes Wasser durch Verwendung einer Kugelmühle gemischt werden und danach folgend im Vakuum entgast werden. Eine geeignete Viskosität η der keramischen Masse ist 0,05 Pa·s ≤ η ≤ 5 Pa·s. Wenn η < 0,05 Pa·s ist, gibt es aufgrund dessen, dass die Menge von Wasser im Überschuss vorhanden ist, eine starke Deformation und Schrumpfen der Keramik nach dem Trocknen und Kalzinieren (Brennen), wohingegen dann, wenn η > 5 Pa·s ist, es unmöglich wird, die Masse in ausreichendem Maß in die Lücken im Aggregat einbringen zu lassen, da die Viskosität der Masse zu hoch ist.
Schritt (e): Nachdem die keramische Masse getrocknet ist, wird ein Formteil 11, das aus der Keramik 10 und den beschichteten Partikeln 9 gebildet ist, aus der Form entformt. Beim Trocknen wird eine primäre Trocknungsbehandlung, bei der 10°C ≤ T ≤ 30°C und 5 h ≤ t ≤ 40 h ist, und eine sekundäre Trocknungsbehandlung, bei der 30°C ≤ T ≤ 120°C und 1 h ≤ t ≤ 20 h ist, eingesetzt, wobei T die Erwärmungstemperatur und t die Erwärmungszeit ist.
Schritt (f): Das geformte Produkt 11 wird in einen Sinterofen unter einer vorbestimmten Atmosphäre gebracht. Dann wird die Temperatur im Ofen mit einer vorbestimmten Temperaturanstiegsrate unter einem vorbestimmten Druck im Ofen auf eine Erwärmungstemperatur erhöht, bei der die Kunstharzpartikel 7 thermisch zersetzt werden können. Diese Erwärmungstemperatur wird für eine vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten. Während dieses Prozesses zersetzen sich die Kunstharzpartikel 7 thermisch, um sphärische Zellen 4 zu bilden. Der durch Entweichen des thermischen Zersetzungsgases erzeugte Druck bildet eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 6 in Trennwand-bildenden Abschnitten 5a, die zwischen benachbarten sphärischen Zellen 4 vorhanden sind und die aus der Mehrzahl von keramischen Partikeln 8 und der Keramik 10 gebildet sind. Die Atmosphäre innerhalb des Ofens ist Luft oder ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Argon. Trotz der Ab hängigkeit vom Material der Kunstharzpartikel 7 wird der Druck P innerhalb des Ofens generell auf 0,01 MPa ≤ P ≤ 1 MPa eingestellt, die Temperaturanstiegsrate Hr auf 5°C/h ≤ Hr ≤ 120°C/h eingestellt, die Erwärmungstemperatur T auf 300°C ≤ T ≤ 600°C eingestellt und die Erwärmungszeit t auf 0,5 h ≤ t ≤ 10 h eingestellt. Bezüglich der Atmosphäre innerhalb des Ofens tendiert bei einer gegebenen Temperaturanstiegsrate eine Atmosphäre aus Stickstoff im Vergleich zu einer Atmosphäre von Luft dazu, den Verlust der Aggregate an Kunstharzpartikeln zu verlangsamen, d. h. den thermischen Zerfall zu verlangsamen. Wenn der Druck innerhalb des Ofens P < 0,01 MPa ist, kann aufgrunddessen, dass der Druck des durch den thermischen Zerfall der Kunstharzpartikel (C-Partikel) oder des Bindemittels erzeugte Druck hoch ist, das geformten Erzeugnis deformiert werden oder zerbrechen, wohingegen dann, wenn P > 1 MPa ist, ausreichende Durchgangslöcher nicht erhalten werden können, da der Druck des erzeugten Gases niedrig ist. Wenn die Temperaturanstiegsrate Hr < 5°C/h ist, können ausreichende Durchgangslöcher nicht erhalten werden, da der Druck des erzeugten Gases niedrig ist. Demgegenüber kann dann, wenn Hr > 120°C/h ist, das geformte Erzeugnis deformiert sein oder zerbrechen, da der Druck des erzeugten Gases hoch ist. Wenn die Erwärmungstemperatur T < 300°C ist, können ferner die Kunstharzpartikel, das Bindemittel usw. nicht aureichend verdampft werden und im geformten Erzeugnis verbleiben, wohingegen dann, wenn T > 600°C ist, die Nähe der Oberfläche des geformten Erzeugnisses allmählich durch die Atmosphäre beeinträchtigt wird. Wenn die Erwärmungszeit t 0,5 h ist, können die Kunstharzpartikel oder das Bindemittel in einigen Fällen verbleiben, wohingegen dann, wenn t > 10 h ist, die Nähe der Oberfläche des geformten Ereugnisses allmählich durch die Atmosphäre beeinträchtigt wird.
Schritt (g): Die Temperatur des Innenraums des Ofens wird auf eine Temperatur erhöht, bei der ein Sintern der keramischen Partikel 8 möglich ist, und diese Sintertemperatur wird für eine vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten. Auf diese Weise wird das keramische Formteil 2 mit einer dreidimensionalen Netzstruktur erhalten. Trotz der Abhängigkeit vom Material der kera mischen Partikel 8 wird die Sintertemperatur T im Allgemeinen auf 1000°C ≤ T < 2300°C eingestellt und die Sinterzeit t wird auf 2 h ≤ t ≤ 6 h eingestellt. Wenn die Sintertemperatur T < 1000°C ist, ist die Sinterung nicht ausreichend, wohingegen dann, wenn t > 2300°C ist, die Keramik zu sublimieren beginnt. Wenn die Sinterzeit t < 2 h ist, ist ferner das Sintern nicht ausreichend, wohingegen dann, wenn t = 6 h ist, es nicht notwendig ist, die Sinterzeit noch länger zu wählen, da die Sinterung der Keramik ausreichend ausgeführt ist. Bei Berücksichtigung der Kosten, Verbesserung der Lebensdauer des Ofens usw. kann die Sintertemperatur verringert werden durch Einsatz von Mitteln wie der Verwendung eines ein Sintern unterstützenden Mittels oder durch Arbeiten bei erhöhtem Atmosphärendruck.
Im oben genannten Herstellungsverfahren hängen der Innendurchmesser der sphärischen Zellen 4 und die Gleichförmigkeit des Innendurchmessers vom Mediandurchmesser D_M der Kunstharzpartikel 7 ab. Eine einheitliche Verteilung der sphärischen Zellen 4 kann erreicht werden durch Ausführen der Behandlung zur dichtesten Packung des Schritts (c). Ferner wird der Innendurchmesser der Durchgangslöcher 6 durch die Atmosphäre innerhalb des Ofens, die Temperaturanstiegsrate, den Druck innerhalb des Ofens, die Viskosität der keramischen Masse (Konzentration der Keramik 10) usw. in Schritt (f) gesteuert/geregelt. Beispielsweise ist es durch Einstellen des Mediandurchmesers D_M der Kunstharzpartikel 7 auf einen vorbestimmten Wert und Steuern/Regeln der Temperaturanstiegsrate Hr möglich, ein Verhältnis Md/M_D zwischen den beiden Medianen Md und M_D innerhalb von 0,1 ≤ Md/M_D < 0,5 zu erhalten.
Wie in 6 gezeigt ist, kann bezüglich der beschichteten Partikel 9 ein Mittel verwendet werden, bei dem einige der keramischen Partikel 8 durch Kunstharzpartikel 7₁ mit kleinerem Durchmesser ersetzt werden und bei dem die Bildung der Durchgangslöcher 6 durch thermischen Zerfall der Kunstharzpartikel 7₁ mit kleinerem Durchmesser gefördert wird, wodurch der Median Md des Innendurchmessers der Durchgangslöcher 6 gesteuert/geregelt wird.
Spezifische Beispiele werden im Folgenden beschrieben.
(Ausführungsform 1)
Die Schritte (a) bis (g) wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt, um ein keramisches Formteil in der Form eines rechteckigen Parallelepipeds mit einer Höhe von 20 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 40 mm zu erhalten.
Schritt (a): Aggregat von sphärischen Kunstharzpartikeln: Ein Aggregat von PMMA-Partikeln mit einem Mediandurchmesser D_M von 90 μm, Aggregat von keramischen Partikeln: ein Aggregat von SiC-Partikeln mit einem Mediandurchmesser d_M von 0,5 μm.
Schritt (b): Gewichtsmischungsverhältnis zwischen einem Aggregat von Kunstharzpartikeln (W₁) und einem Aggregat von keramischen Prtikeln (W₂): W₁/W₂ = 1/1, Beschichtungsprozessor mit Drehzahl RS 1000 UpM, Behandlungszeit t 0,5 h, innerer Stückabstand 1 mm.
Schritt (c): Abmessungen und Struktur der Form: Zwei PTFE-Blöcke mit einer Höhe von 20 mm, einer Breite von 30 mm und einer Tiefe von 20 mm wurden derart angeordnet, dass sie einander zugewandt waren. Dies ergab eine Form mit einem Hohlraum von 20 mm Höhe, 30 mm Breite und 40 mm Länge, dichteste Packungsbehandlung einschließlich Vakuumfiltration: ein Glasfaserfiltermaterial mit 0,7 μm Durchgangslöchern wurde am Boden eines der Blöcke angeordnet, der eine Mehrzahl von Saugöffnungen aufwies. Der Hohlraum wurde nachfolgend mit den beschichteten Partikeln über eine Öffnung des anderen Blocks gefüllt und das Innere des Hohlraums wurde dann durch die Sauglöcher des einen Blocks evakuiert.
Schritt (d): Keramikmasse: SiC-Masse, Zusammensetzung: Ein Aggregat von SiC-Partikeln (α-SiC, Mediandurchmesser 0,5 μm) 61,7 Massen-%, 20%-iges quartäres Ammoniumsalz 2,8 Massen-%, 35%-ige Acrylemulsion 1,9 Massen-%, destilliertes Wasser 33,6 Massen-%, Viskosität η = 0,32 Pa·s.
Schritt (e): Primäre Trocknungsbehandlung: Erwärmungstemperatur T 20°C, Erwärmungszeit t 20 h, sekundäre Trocknungsbehandlung: Erwärmungstemperatur T 90°C, Erwärmungszeit t 1 h.
Schritt (f): Atmosphäre innerhalb des Ofens: Luft, Druck P innerhalb des Ofens: 0,1 MPa, Temperaturanstiegsrate Hr: 10°C/h, Erwärmungstemperatur T: 500°C, Erwärmungszeit t: 1 h.
Schritt (g): Sintertemperatur T: 2000°C, Sinterzeit t: 3 h.
Ein auf diese Weise erhaltenes keramisches Formteil 2 besaß eine dreidimensionale Netzstruktur, die Mehrzahl von sphärischen Zellen 4 war in einer am dichtesten gepackten Form angeordnet, der Median M_D ihres Innendurchmessers war 80 μm, der Median Md des Innendurchmessers der Durchgangslöcher 6 war 16 μm und daher war das Verhältnis Md/M_D zwischen den beiden Medianen Md und M_D 0,2.
(Ausführungsform 2)
Die Schritte (a) bis (g) wurden unter den folgenden Bedingungen ausgeführt, um ein keramisches Formteil mit rechteckiger Parallelepipedform mit einer Höhe von 20 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 40 mm zu erhalten.
Schritt (a): Aggregat von sphärischen Kunstharzpartikeln: Ein Aggregat von PMMA-Partikeln mit einem Mediandurchmesser D_M von 10 μm, Aggregat von keramischen Partikeln: ein Aggregat von SiO₂-Partikeln mit einem Mediandurchmesser d_M von 0,01 μm und ein Aggregat von Al₂O₃-Partikeln mit einem Mediandurchmesser d_M von 0,28 μm, wobei das SiO₂/Al₂O₃-Massenmischungsverhältnis zwischen dem Aggregat von SiO₂-Partikeln und dem Aggregat von Al₂O₃-Partikeln = 1/20 war.
Schritt (b): Gewichtsmischungsverhältnis zwischen einem Aggregat von Kunstharzpartikeln (W₁) und einem Aggregat von keramischen Partikeln (W₂): W₁/W₂ = 1/1, Beschichtungsprozessor mit Drehzahl RS 1000 UpM, Behandlungszeit t 0,5 h, innerer Stückabstand 1 mm.
Schritt (c): Abmessungen und Struktur der Form: Zwei PTFE-Blöcke mit einer 20 mm hohen, 30 mm breiten und 20 mm tiefen Vertiefung wurden derart angeordnet, dass sie einander zugewandt waren, wodurch eine Form mit einem 20 mm hohen, 30 mm breiten und 40 mm langen Hohlraum erhalten wurde, dichteste Packungsbehandlung einschließlich Vakuumfiltration: ein Glasfaserfiltermaterial mit 0,7 μm Durchgangslöchern wurde auf dem Boden eines der Blöcke angeordnet, der eine Mehrzahl von Sauglöchern aufwies, der Hohlraum wurde nachfolgend mit den beschichteten Partikeln über eine Öffnung des anderen Blocks gefüllt und das Innere des Hohlraums wurde dann durch die Sauglöcher des einen Blocks evakuiert.
Schritt (d): Keramische Masse: Al₂O₃-Masse, Zusammensetzung: ein Aggregat von Al₂O₃-Partikeln (Mediandurchmesser 0,28 μm) 40,6 Massen-%, Ammoniumpolycarboxylat 1,3 Massen-%, Acrylemulsion 1,9 Massen-%, destilliertes Wasser 56,2 Massen-%, Viskosität η = 0,43 Pa·s.
Schritt (e): Primäre Trocknungsbehandlung: Erwärmungstemperatur T 20°C, Erwärmungszeit t 20 h, sekundäre Erwärmungsbehandlung: Erwärmungs temperatur T90°C, Erwärmungszeit t 1 h.
Schritt (f): Atmosphäre innerhalb des Ofens: Luft, Druck P innerhalb des Ofens: 0,1 MPa, Temperaturanstiegsrate Hr: 10°C/h, Erwärmungstemperatur T: 500°C, Erwärmungszeit t: 1 h.
Schritt (g): Sintertemperatur T: 1600°C, Sinterzeit t: 3 h.
Ein auf diese Weise erhaltenes keramisches Formteil 2 besaß eine dreidimensionale Netzstruktur, die Mehrzahl von sphärischen Zellen 4 war in einer am dichtesten gepackten Form angeordnet, der Median M_D ihres Innendurchmessers war 10 μm, der Median Md des Innendurchmessers der Durchgangslöcher 6 war 2 μm und daher war das Verhältnis Md/M_D zwischen den beiden Medianen Md und M_D 0,2.
Als Beispiele für ein Metallmatrixverbundelement können angeführt werden ein Motorzylinderblock, bei dem wenigstens eine ausgewählte Stelle aus dem Bereich um eine Zylinderbohrung, einer Zylinderkopfdichtfläche, einer Bolzenbefestigungssitzfläche, dem Bereich um ein Kurbelzapfenlager usw. verstärkt ist, ein Zylinderkopf, bei dem wenigstens eine Stelle aus einer Zylinderkopfdichtfläche, einer Bolzenbefestigungssitzfläche, dem Bereich um ein Nockenwellenlager, einem Ventilsitzeinpressabschnitt, einem Ventilführungseinpressabschnitt usw. verstärkt ist, und ein Gehäuse oder eine Abdeckung, bei der wenigstens eine Stelle aus einer Bolzenbefestigungssitzfläche, einer Berührungsfläche usw. verstärkt ist.
Obwohl oben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden sind, kann die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Arten modifiziert werden, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Formteils (2) mit einer drei dimensionalen Netzstruktur aus einer Mehrzahl von sphärischen Zellen (4) und einer Mehrzahl von Durchgangslöchern (6), die in Trennwänden (5) zwischen den sphärischen Zellen (4) vorhanden sind, umfasst: einen Schritt des Erhaltens eines Aggregats von beschichteten Partikeln (9), in denen eine Mehrzahl von keramischen Partikeln (8) an der Oberfläche von sphärischen Kunstharzpartikeln (7) angebracht ist, einen Schritt des Anordnens des Aggregats von beschichteten Partikeln (9) in einer am dichtesten gepackten Form in einer Form, einen Schritt des Füllens von Lücken im Aggregat von beschichteten Partikeln (9) mit einer Keramik (10), so dass sich ein geformtes Produkt (11) ergibt, einen Schritt des Entformen des geformten Produkts (11) aus der Form, einen Schritt des thermischen Zersetzens der sphärischen Kunstharzpartikel (7) des geformten Produkts (11), um die sphärischen Zellen (4) zu bilden und die Mehrzahl von Durchgangslöchern (6) in Trennwand-bildenden Abschnitten auszubilden, die zwischen benachbarten sphärischen Zellen (4) vorhanden sind, sowie einen Schritt des Sinterns der keramischen Partikel (8) und der Keramik (10), um die Trennwände (5) zu bilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formteils (2) mit einer dreidimensionalen Netzstruktur aus einer Mehrzahl von kugelförmigen Poren (4) und einer Mehrzahl von in Trennwänden (5) zwischen benachbarten Poren (4) vorhandenen Durchgangslöchern (6), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Mischen eines Aggregats von kugelförmigen Kunstharzpartikeln (7) und eines Aggregats von keramischen Partikeln (8), die einen kleineren Durchmesser als die kugelförmigen Kunstharzpartikel (7) aufweisen, miteinander derart, dass beschichtete Partikel (9) erhalten werden, bei denen mehrere keramische Partikel (8) an der Oberfläche eines jeweiligen kugelförmigen Kunstharzpartikels (7) anhaften, – Einbringen der beschichteten Partikel (9) in eine Form und Behandlung der beschichteten Partikel derart, dass sie in der Form eine Anordnung dichtester Packung bilden, – Einfüllen einer keramischen Masse (10) in die Form derart, dass zwischen den beschichteten Partikeln (9) vorhandene Zwischenräume mit der keramischen Masse (10) gefüllt werden und sich ein geformtes Produkt (11) ergibt, – Entformen des geformten Produkts (11) aus der Form, – thermisches Zersetzen der im geformten Produkt (11) enthaltenen kugelförmigen Kunstharzpartikel (7) derart, dass die kugelförmigen Poren (4) gebildet werden und in zwischen benachbarten kugelförmigen Poren (4) vorhandenen Abschnitten, die aus den keramischen Partikeln (8) und der keramischen Masse (10) gebildet sind, die Durchgangslöcher (6) ausgebildet werden, und – Sintern der keramischen Partikel (8) und der keramischen Masse (10) derart, dass die Trennwände (5) zwischen den Poren (4) gebildet werden, in denen die Durchgangslöcher (6) ausgebildet sind.