DE102012200652A1 - Slip for manufacturing ceramics and molded product for e.g. medical implants, comprises doped zirconia solid particles having tetragonal and monoclinic modification and specified mean agglomerate size, dispersed in liquid medium - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff auf ZrO2-Basis sowie dessen Vorstufen in Form von Pulvern, Schlickern, Granulaten oder vorgesinterten Formkörper und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die ZrO2-Vorstufen eine hohe Sinteraktivität besitzen und ein feinteiliges keramisches Gefüge bilden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Keramikwerkstoffs auf ZrO2-Baisis im medizinischen und technischen Bereich, insbesondere zur Herstellung oder Beschichtung von medizinischen Implantaten sowie von technischen Maschinenteilen. The invention relates to a ZrO 2 -based ceramic material and its precursors in the form of powders, slips, granules or presintered shaped bodies and to a process for their preparation, wherein the ZrO 2 precursors have a high sintering activity and form a finely divided ceramic structure. Moreover, the invention relates to the use of the ceramic material according to the invention on ZrO 2 -Baisis in the medical and technical field, in particular for the production or coating of medical implants and technical machine parts.
Seit Mitte der 1980er Jahre hat Zirkonoxid einen festen Platz unter den Hochleistungskeramiken. Unstabilisiertes Zirkonoxid (ZrO2) weist bei Raumtemperatur eine monokline Kristallstruktur und bei Temperaturen über 1170°C eine tetragonale Kristallstruktur auf. Da es beim Phasenübergang zwischen tetragonal zu monoklin zu einem Wechsel der Gitterstruktur kommt, was mit einer Volumenzunahme verbunden ist, wird reines ZrO2 mit Stabilisatoren (auch Additiven oder Dotierungselementen) versetzt, um eine spätere Zerstörung beim Sinterprozess zu vermeiden. Mit Hilfe dieser Additive, beispielsweise aus der Gruppe der Oxide der Seltenerdmetalle (wie Yttrium, Cer), wird eine Stabilisierung der tetragonalen Phase erreicht. Solche Materialien werden allgemein als TZP (Tetragonal Zirconia Polycrytals) und im Besonderen, je nach stabilisierendem Element, beispielsweise als Y-TZP oder Ce-TZP bezeichnet. TZP zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften aus, namentlich hohe Biegefestigkeit und hohe Bruchzähigkeit, bei einem Elastizitäts-Modul vergleichbar dem von Stahl. Since the mid-1980s, zirconia has held a firm place among high-performance ceramics. Unstabilized zirconia (ZrO 2 ) has a monoclinic crystal structure at room temperature and a tetragonal crystal structure at temperatures above 1170 ° C. Since there is a change in the lattice structure during the phase transition between tetragonal and monoclinic, which is associated with an increase in volume, pure ZrO 2 is mixed with stabilizers (also additives or doping elements) in order to avoid subsequent destruction in the sintering process. With the aid of these additives, for example from the group of oxides of rare earth metals (such as yttrium, cerium), a stabilization of the tetragonal phase is achieved. Such materials are commonly referred to as TZP (Tetragonal Zirconia Polycrytals) and, more particularly, depending on the stabilizing element, for example as Y-TZP or Ce-TZP. TZP is characterized by excellent properties, namely high flexural strength and high fracture toughness, with a modulus of elasticity comparable to that of steel.
Die keramischen Eigenschaften stehen im direkten Zusammenhang mit einer Vielzahl von Einflussfaktoren, beginnend mit der Art und Qualität der Rohstoffe und der Dotierungselemente, über die gesamte Verarbeitungskette bis hin zur Endpräparation der keramischen Formkörper. The ceramic properties are directly related to a large number of influencing factors, starting with the type and quality of the raw materials and the doping elements, over the entire processing chain up to the final preparation of the ceramic shaped bodies.
Bekannt ist beispielsweise die Abhängigkeit der Biegezugfestigkeit von der Korngröße in der Keramikstruktur. Kleinere Korngrößen führen zu höheren Festigkeiten. Weist die Keramikstruktur unterschiedliche Korngrößen auf, ist das größte Korn für die Festigkeit entscheidend. For example, the dependence of the bending tensile strength on the grain size in the ceramic structure is known. Smaller grain sizes lead to higher strengths. If the ceramic structure has different grain sizes, the largest grain for strength is crucial.
Feine Gefügestrukturen können über zwei Ansätze realisiert werden. Zum einen kann durch Zugabe von geeigneten Additiven versucht werden, das Kornwachstum beim Sinterprozess zu unterdrücken. Zum anderen können feinere ZrO2-Pulver eingesetzt werden. Dabei steigt mit sinkender Partikelgröße die Sinteraktivität, das heißt, es sind niedrigere Sintertemperaturen notwendig. Durch niedrigere Sintertemperaturen wird das Partikelwachstum beim Sinterprozess begrenzt. Fine microstructures can be realized using two approaches. On the one hand, by adding suitable additives, it is possible to attempt to suppress grain growth during the sintering process. On the other hand, finer ZrO 2 powders can be used. The sintering activity increases with decreasing particle size, which means that lower sintering temperatures are necessary. Lower sintering temperatures limit particle growth during the sintering process.
Es sind ZrO2-Pulver mit nanoskaliger Partikelgröße erhältlich, die aufgrund ihrer feinen Struktur eine besonders hohe Sinteraktivität aufweisen. Demgegenüber steht jedoch oft die Schwierigkeit, diese feinteiligen Pulver zu handhaben und derart aufzubereiten, dass tatsächlich dicht gesinterte Gefüge resultieren. Zudem sind feinteilige Pulver, insbesondere nanoskalige Pulver teuer, da ihr Herstellungsprozess kostenintensiv ist. ZrO 2 powders with nanoscale particle size are available which, due to their fine structure, have a particularly high sintering activity. On the other hand, however, there is often the difficulty of handling these finely divided powders and processing them in such a way that densely sintered microstructures actually result. In addition, finely divided powders, in particular nanoscale powders, are expensive because their production process is cost-intensive.
Alternativ wird versucht, die Partikelgröße von gröber körnigen Pulvern durch intensive Vermahlung zur verringern und dadurch diesen Partikelgrößeneffekt zu erzielen. Dabei kann es zu einer Phasentransformation von tetragonal zu monoklin kommen. Beispielsweise ist im Falle von ZrO2 teilstabilisiert mit 3 mol-% Y2O3 bekannt, dass die anfänglich nachweisbare tetragonale Kristallphase nach einer intensiven Vermahlung nur noch reduziert oder gar nicht mehr vorhanden ist. Durch nachfolgende Temperaturbehandlung (z.B. beim Sintern) erfolgt eine Rekristallisation der tetragonalen ZrO2-Phase. Dieser erneute Phasentransfer nach tetragonal ist meistens mit einer Volumenänderung verbunden, die im Gefüge zu Rissen führen kann. Alternatively, it is attempted to reduce the particle size of coarser granular powders by intensive grinding and thereby achieve this particle size effect. This can lead to a phase transformation from tetragonal to monoclinic. For example, in the case of ZrO 2 partially stabilized with 3 mol% Y 2 O 3 it is known that the initially detectable tetragonal crystal phase is only reduced or no longer present after intensive grinding. Subsequent temperature treatment (eg during sintering) recrystallizes the tetragonal ZrO 2 phase. This renewed phase transfer to tetragonal is usually associated with a change in volume, which can lead to cracks in the structure.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Schlicker, der zumindest ZrO2-Partikel enthält, ein verbessertes Granulat, das zumindest ZrO2-Partikel enthält, einen verbesserte aus dem Schlicker und/oder dem Granulat hergestellten vorgesinterten Formkörper, eine verbesserte aus dem Schlicker und/oder dem Granulat hergestellte Keramik sowie verbesserte Verfahren zur Herstellung des Schlickers, des Granulats und der Keramik und deren technische und medizinische Anwendungsmöglichkeiten anzugeben. The invention is based on the object, an improved slurry containing at least ZrO 2 particles, an improved granules containing at least ZrO 2 particles, an improved prepared from the slurry and / or the granules presintered moldings, an improved from the To indicate slip and / or ceramic produced granules and improved methods for producing the slurry, the granules and the ceramic and their technical and medical applications.
Bezüglich des Schlickers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Schlicker mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 4. With regard to the slip, the object is achieved according to the invention by a slip having the features of one of claims 1 to 4.
Bezüglich des Granulats wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Granulat mit den Merkmalen eines der Ansprüche 5 bis 7. With regard to the granules, the object is achieved according to the invention by a granulate having the features of one of claims 5 to 7.
Bezüglich der Keramik wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Keramik mit den Merkmalen eines der Ansprüche 8 oder 11. With respect to the ceramic, the object is achieved according to the invention by a ceramic having the features of one of claims 8 or 11.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des Schlickers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. With regard to the method for producing the slip, the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 9.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung der Keramik wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. With regard to the method for producing the ceramic, the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 10.
Bezüglich der Verwendung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. With respect to the use of the object is achieved by a use with the features of claim 12th
Bezüglich des vorgesinterten Formkörpers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen vorgesinterten Formkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 13. With regard to the presintered shaped body, the object is achieved according to the invention by a presintered shaped body having the features of claim 13.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Alle Prozentangaben (%) beziehen sich nachfolgend auf Gewichtsprozent (Gew.-% d.h. % w/w), wenn nicht anders angegeben. All percentages (%) are hereinafter by weight percent (wt%, i.e.,% w / w) unless otherwise specified.
Ein erfindungsgemäßer Schlicker umfasst ein flüssiges Medium mit darin dispergierten dotierten, festen ZrO2-Partikeln, umfassend zumindest tetragonale und monokline Modifikationen, wobei die ZrO2-Partikel eine mittlere Agglomeratgröße im Bereich von 20 nm bis 300 nm und ein Verhältnis der Peakintensitäten zwischen der tetragonalen und der monoklinen Modifikation von 1,3 bis 20 aufweisen. A slurry according to the invention comprises a liquid medium having doped solid ZrO 2 particles dispersed therein, comprising at least tetragonal and monoclinic modifications, wherein the ZrO 2 particles have an average agglomerate size in the range of 20 nm to 300 nm and a ratio of peak intensities between the tetragonal and the monoclinic modification of 1.3 to 20.
Ein Schlicker ist eine Spezialform einer Suspension, bei der als feste Phase keramische Partikel in einer flüssigen Phase dispergiert sind. Als Dispergiermedium (flüssiges Medium) kann beispielsweise Wasser verwendet werden. A slip is a special form of suspension in which ceramic particles are dispersed as a solid phase in a liquid phase. As the dispersing medium (liquid medium), for example, water can be used.
Die Peakintensitäten werden wie folgt bestimmt: Die Phasenzusammensetzung wird mittels röntgenographischer Pulverdiffraktometrie ermittelt, beispielsweise mit dem Diffraktometer Bruker-AXS (Siemens) D5000. Basis dafür ist, dass jede kristallographische Phase ein einmaliges Muster des Beugungsdiagrammes (Röntgendiffraktogramme) aufweist; einmalig in Bezug auf die Lage der Reflexe, bestimmt durch die Gittermetrik und in Bezug auf die Intensitätsverteilung, die wesentlich durch den Zellinhalt der Kristallstruktur bestimmt wird. Im Röntgendiffraktogramm ergeben sich dabei typische Maxima, so genannte peaks. Deren Amplituden, die Peakintensitäten werden in counts per seconds (cps) angegeben. Die Beugungsdiagramme können dabei mit der ICDD/PDF2 (
Das Verhältnis der Peakintensitäten wird dabei definitionsgemäß durch den Intensitätswert eines Hauptpeaks der tetragonalen Phase bei einem 2θ-Wert von 30,2° (Theta, Braggwinkel) und den Intensitätswert des Hauptpeaks der monoklinen Phase bei einem 2θ-Wert von 28,2° (Theta, Braggwinkel) wie folgt gebildet:
Peak tetragonale ZrO2(2θ-Wert = 28,2°):Peak monoklines ZrO2(2θ-Wert = 28,2°) = V The ratio of the peak intensities is defined as the intensity value of a main peak of the tetragonal phase at a 2θ value of 30.2 ° (theta, Bragg angle) and the intensity value of the main peak of the monoclinic phase at a 2θ value of 28.2 ° (theta , Braggwinkel) formed as follows:
Peak tetragonal ZrO 2 (2θ value = 28.2 °): peak monoclinic ZrO 2 (2θ value = 28.2 °) = V
Der Hauptpeak der tetragonalen ZrO2-Phase (2θ-Wert = 30,2°) und der kubischen (2θ-Wert = 30,3°) liegen dicht zusammen. Sind beide Modifikation vorhanden, addieren sich entsprechend die Intensitäten. Definitionsgemäß gilt hier: Die Intensität des Hauptpeak bei 2θ-Wert = 30,2° wird vollständig der Bezeichnungen Peak bzw. Peakintensität für die tetragonalen Phase zugeordnet. The main peak of the tetragonal ZrO 2 phase (2θ value = 30.2 °) and the cubic (2θ value = 30.3 °) are close together. If both modifications are present, the intensities add up accordingly. By definition, the following applies: The intensity of the main peak at 2θ value = 30.2 ° is completely assigned to the terms peak and peak intensity for the tetragonal phase.
Der Hauptpeak der tetragonalen Phase bei 2θ-Wert = 30,2° gilt im Folgenden für die Bezeichnungen „Peakintensität für die tetragonale Phase“ und der Hauptpeak der monoklinen Phase bei 2θ-Wert = 28,2° für die Bezeichnung „Peakintensität für die monokline Phase“. Die Peaklagen sowie theoretischen Peakintensitäten können der ICDD/PDF2 (
Die Agglomeratgröße der Schlicker bezeichnet die Größe der Partikelzusammenlagerungen im Schlicker. Agglomerate sind dabei aus Primärpartikeln zusammengesetzt. Die im Folgenden angegebenen Agglomeratgrößen sind als mittlere Agglomeratgrößen d50 zu verstehen, falls nicht explizit anders angegeben. Durch den Dispergiervorgang sollen die Agglomerate weitestgehend aufgelöst werden. Gelingt dies überwiegend, nähert sich die Agglomeratgröße im Schlicker der Primärpartikelgröße der Ausgangspulver. The agglomerate size of the slurry indicates the size of the particle aggregates in the slurry. Agglomerates are composed of primary particles. The agglomerate sizes given below are to be understood as average agglomerate sizes d 50 , unless explicitly stated otherwise. By the dispersing process, the agglomerates should be largely resolved. If this succeeds predominantly, the agglomerate size in the slurry approaches the primary particle size of the starting powder.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass für die Weiterverarbeitung zu dichtgesinterten Keramikkörpern mit besonders hohen Festigkeiten Schlicker dann besonders geeignet sind, wenn diese zum einen ein mittlere Agglomeratgröße im Bereich von 20 nm bis 300 nm und zum anderen ein Verhältnis der Peakintensitäten von 1,3 bis 20 aufweisen. Unter dem Begriff „dicht gesintert“ ist hier eine relative Sinterdichte größer 95 % zu verstehen. Surprisingly, it has been found that for further processing into densely sintered ceramic bodies with particularly high strengths, slip is particularly suitable if, on the one hand, they have an average agglomerate size in the range of 20 nm to 300 nm and, on the other hand, a ratio of peak intensities of 1.3 to 20 , The term "densely sintered" here is to be understood as meaning a relative sintering density of greater than 95%.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die mittlere Agglomeratgröße 50 nm bis 200 nm und das Verhältnis der Peakintensitäten von 1,4 bis 15. Dadurch können gesinterte Keramikkörper mit einer relativen Dichte von mehr als 98 % bezogen auf die theoretische Dichte hergestellt werden. In a preferred embodiment, the average agglomerate size is 50 nm to 200 nm and the ratio of the peak intensities is from 1.4 to 15. As a result, sintered ceramic bodies with a relative density of more than 98% based on the theoretical density can be produced.
Als theoretische Dichte ist die Reindichte (auch als Skelettdichte, absolute oder wahre Dichte) zu verstehen. Diese Dichte kann ein Keramikkörper bei vollständiger Porenfreiheit erhalten. Für ZrO2 mit 3 mol-% Y2O3 wird hier von einer theoretischen Dichte von 6,08 g/cm3 ausgegangen. Unter Sinterdichte ist die Dichte zu verstehen, die ein keramischer Formkörper nach erfolgter Sinterung erreicht und gibt das Verhältnis von Masse zum Gesamtvolumen des Formkörpers an. Offene und geschlossene Poren können beinhaltet sein. Die relative Sinterdichte gibt das Verhältnis zwischen Sinterdichte und theoretisch (maximal erreichbarer) Dichte an und wird in Prozent ausgedrückt. Im Fall dass die Sinterdichte der theoretischen Dichte entspricht, ergibt sich eine relative Sinterdichte von 100 %. The theoretical density is the pure density (also called skeletal density, absolute or true density). This density can obtain a ceramic body with complete freedom from pores. For ZrO 2 with 3 mol% Y 2 O 3 , a theoretical density of 6.08 g / cm 3 is assumed here. Sintered density is the density that a ceramic molding achieves after sintering and indicates the ratio of mass to the total volume of the molding. Open and closed pores can be included. The relative sintered density indicates the ratio between sintered density and theoretical (maximum achievable) density and is expressed as a percentage. In the case that the sintering density corresponds to the theoretical density, a relative sintering density of 100% results.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die mittlere Agglomeratgröße 120 nm bis 200 nm und das Verhältnis der Peakintensitäten von 1,5 bis 10. Dadurch können dichtgesinterte Keramikkörper mit einer relativen Dichte von mehr als 99 % bezogen auf die theoretische Dichte hergestellt werden. In a further preferred embodiment, the average agglomerate size is 120 nm to 200 nm and the ratio of the peak intensities is from 1.5 to 10. As a result, densely sintered ceramic bodies having a relative density of more than 99% based on the theoretical density can be produced.
Die ZrO2-Partikel im Schlicker weisen eine definierte Phasenzusammensetzung auf. Vorzugsweise weisen die ZrO2-Partikel im Schlicker ein Phasengemisch aus größer 0,5 Gew.-% jedoch kleiner 70 Gew.-%, bevorzugt kleiner 60 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 50 Gew.-% monokline ZrO2-Modifikation und einen tetragonale Anteil im Bereich von 5 Gew.-% bis 70 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 10 Gew.-% bis 60 Gew.- % und besonders bevorzugt im Bereich 15 Gew.-% bis 40 Gew.-% bezogen auf den Feststoffanteil auf. Neben der monoklinen und der tetragonalen Phase können die kubische ZrO2-Modifikation und gegebenenfalls weitere Phasen, wie beispielsweise eine amorphe Phase vorhanden sein. Die ZrO2-Partikel im Schlicker können mit 0,5 mol-% bis 5 mol-% Y2O3 dotiert sein. The ZrO 2 particles in the slurry have a defined phase composition. Preferably, the ZrO 2 particles in the slurry a phase mixture of greater than 0.5 wt .-% but less than 70 wt .-%, preferably less than 60 wt .-%, more preferably less than 50 wt .-% monoclinic ZrO 2 modification and a tetragonal portion in the range of 5 wt .-% to 70 wt .-%, preferably in the range 10 wt .-% to 60 wt .-% and particularly preferably in the range 15 wt .-% to 40 wt .-% based on the solids content. In addition to the monoclinic and the tetragonal phase, the cubic ZrO 2 modification and optionally other phases, such as an amorphous phase may be present. The ZrO 2 particles in the slurry can be doped with 0.5 mol% to 5 mol% of Y 2 O 3 .
Der Schlicker kann zusätzlich Al2O3 enthalten, insbesondere mit einem Anteil im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich 10 Gew.-% bis 25 Gew.-%. Daraus hergestellte Keramikkörper, so genannte ATZ-Keramiken (ATZ steht für "alumina toughened zirconia"), besitzen besonders hohe Festigkeiten und sind leichter als reine ZrO2-Keramiken. The slip may additionally contain Al 2 O 3 , in particular with a content in the range from 0.5% by weight to 50% by weight, preferably in the range from 5% by weight to 30% by weight, particularly preferably in the range 10 wt .-% to 25 wt .-%. The resulting ceramic bodies, known as ATZ ceramics (ATZ stands for "alumina toughened zirconia"), have particularly high strengths and are lighter than pure ZrO 2 ceramics.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Schlicker zusätzlich Al2O3 enthalten, insbesondere mit einem Anteil im Bereich von 50 Gew.-% bis 99 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich 65 Gew.-% bis 85 Gew.-%. Daraus hergestellte Keramikkörper, so genannte ZTA-Keramiken (ZTA steht für " zirconia toughened alumina"), weisen eine deutlich höhere Zähigkeit verglichen mit reinem Aluminiumoxid auf und sind leichter als reine ZrO2 bzw. ATZ Keramiken. In a further embodiment, the slip additionally contains Al 2 O 3 , in particular with a proportion in the range from 50% by weight to 99% by weight, preferably in the range from 60% by weight to 90% by weight, particularly preferably in the range 65 wt .-% to 85 wt .-%. Ceramic bodies produced therefrom, known as ZTA ceramics (ZTA stands for "zirconia toughened alumina"), have a significantly higher toughness compared to pure aluminum oxide and are lighter than pure ZrO 2 or ATZ ceramics.
Die Al2O3-Partikel können dem Schlicker vor, während oder nach der Dispergierung zugegeben werden. Alternativ kann eine geeignete aluminiumhaltige Rohstoffkomponente auch der Rohstoffmischung zur Herstellung der Pulver oder dem Pulver-Herstellungsprozess zugegeben werden. In diesem Fall bildet sich ein Pulvergemisch mit ZrO2-Partikeln und Al2O3-Partikeln The Al 2 O 3 particles may be added to the slurry before, during or after dispersion. Alternatively, a suitable aluminum-containing raw material component can also be added to the raw material mixture for the production of the powders or the powder production process. In this case, a powder mixture is formed with ZrO 2 particles and Al 2 O 3 particles
Auch die Schlicker mit Al2O3 enthaltenden Partikeln weisen nach der Dispergierung die erfindungsgemäße Agglomeratgröße im Bereich von 20 nm bis 300 nm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 120 nm bis 200 nm auf, wobei für die Summe aller ZrO2-Partikel in diesen Schlickern die gleichen Parameter, insbesondere die zur Kristallstruktur und Phasenzusammensetzung gelten wie für reine ZrO2-Schlicker. The slips with Al 2 O 3 -containing particles also have, after dispersion, the agglomerate size according to the invention in the range from 20 nm to 300 nm, preferably in the range from 50 nm to 200 nm, particularly preferably in the range from 120 nm to 200 nm, wherein the same parameters, in particular those relating to the crystal structure and phase composition, apply to the sum of all ZrO 2 particles in these slips as for pure ZrO 2 slickeners.
In einer Ausführungsvariante wird die Peakintensität der tetragonalen Phase der ZrO2-Partikel im Schlicker auf 200 cps bis 2000 cps, bevorzugt auf 250 cps bis 1000 cps und besonders bevorzugt auf 300 cps bis 800 cps eingestellt, wobei die Agglomeratgröße im Bereich von 20 nm bis 300 nm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 120 nm bis 200 nm liegt. Die so eingestellten Schlicker eignen sich besonders für die Weiterverarbeitung zu keramischen Formkörpern, insbesondere führen die bei der Sinterung ablaufenden Phasenumwandlungen (beispielsweise Umwandlung/Rekristallisation zur tetragonalen Phase) nicht zu signifikanter Rissbildung. Entsprechend werden Keramiken mit besonders hohen Festigkeiten erhalten. In one embodiment, the peak intensity of the tetragonal phase of the ZrO 2 particles in the slurry is set to 200 cps to 2000 cps, preferably to 250 cps to 1000 cps and more preferably to 300 cps to 800 cps, the agglomerate size ranging from 20 nm to 300 nm, preferably in the range of 50 nm to 200 nm, particularly preferably in the range of 120 nm to 200 nm. The slips thus adjusted are particularly suitable for further processing into ceramic moldings, in particular the phase transformations taking place during the sintering (for example conversion / recrystallization to the tetragonal phase) do not lead to significant cracking. Accordingly, ceramics with particularly high strengths are obtained.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Schlicker eine Konzentration von mehr als 40 Gew.-%, bevorzugt im Bereich zwischen 50 Gew.-% bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 60 Gew.-% bis 75 Gew.-% ZrO2-Partikel auf. Diese Schlicker eignen sich besonders zum weiteren Verarbeiten wie beispielsweise Schlickerguß oder ähnlichen Verfahren. In a preferred embodiment, the slip has a concentration of more than 40% by weight, preferably in the range between 50% by weight to 80% by weight, particularly preferably in the range between 60% by weight to 75% by weight. ZrO 2 particles on. These slip are particularly suitable for further processing such as slip casting or similar processes.
An der Oberfläche der ZrO2-Partikel im Schlicker oder Granulat kann mindestens eine wasserstoffhaltige Verbindung angelagert sein, wobei der Wasserstoffanteil (H) der wasserstoffhaltigen Verbindungen 0,06 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% bezogen auf die ZrO2-Partikel ist. At least one hydrogen-containing compound may be attached to the surface of the ZrO 2 particles in the slurry or granules, the hydrogen content (H) of the hydrogen-containing compounds being from 0.06% by weight to 1.1% by weight, based on the ZrO 2 . Particle is.
Vorzugsweise können die ZrO2-Partikel mit 0,5 mol-% bis 5 mol-% Y2O3 dotiert sein, wobei der Anteil der monoklinen Modifikation des ZrO2 kleiner als 70 Gew.-% und der Anteil der tetragonalen Phase größer als 5 Gew.-% sein kann. The ZrO 2 particles may preferably be doped with from 0.5 mol% to 5 mol% of Y 2 O 3 , the proportion of the monoclinic modification of the ZrO 2 being less than 70% by weight and the proportion of the tetragonal phase being greater than May be 5 wt .-%.
Ein erfindungsgemäßes Granulat umfasst dotierte, feste ZrO2-Partikel, umfassend zumindest tetragonale und monokline Modifikationen, wobei die ZrO2-Partikel ein Verhältnis von Peakintensitäten der tetragonalen und der monoklinen Phase von 1,3 bis 20 aufweisen. A granule according to the invention comprises doped, solid ZrO 2 particles comprising at least tetragonal and monoclinic modifications, the ZrO 2 particles having a ratio of tetragonal and monoclinic peak intensities of 1.3 to 20.
Die ZrO2-Partikel des Granulats können mit 0,5 mol-% bis 5 mol-% Y2O3 dotiert sein. Der Anteil der monoklinen Modifikation des ZrO2 im Granulat kann kleiner als 70 Gew.-% und der Anteil der tetragonalen Phase größer als 5 Gew.-% sein. The ZrO 2 particles of the granules may be doped with 0.5 mol% to 5 mol% of Y 2 O 3 . The proportion of the monoclinic modification of the ZrO 2 in the granules may be less than 70% by weight and the proportion of the tetragonal phase may be greater than 5% by weight.
Das Granulat kann einen Feuchtegehalt von 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% aufweisen und zusätzlich Verbindungen aus Wasserstoff und Sauerstoff ohne Kohlenstoff mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% und einen Anteil an Kohlenstoff, gebunden in kohlenstoffhaltigen Verbindungen, von weniger als 2 % enthalten. The granules may have a moisture content of 0.1 wt .-% to 3 wt .-% and in addition compounds of hydrogen and oxygen without carbon with a content of 0.5 wt .-% to 10 wt .-% and a proportion of Carbon, bound in carbonaceous compounds, of less than 2%.
Granulate, die für das Verpressen zu Formkörpern verwendbar sind, werden im Kontext der vorliegenden Beschreibung von Agglomeraten unterschieden, da sich im Vergleich zu Pulver- und nicht dispergierten Schlickeragglomeraten grundsätzliche Unterschiede im Aufbau ergeben. In Pulveragglomeraten oder nicht aufgebrochenen Schlickeragglomeraten besteht eine Bindung zwischen den ZrO2-Partikeln. Werden die Partikel jedoch im Schlicker dispergiert, erfolgt eine weitestgehende Ummantelung der Partikel mit einem Dispergieradditiv. Durch eine dann anschließende Reagglomeration (z.B. im Granulat) ergibt sich nun keine Bindung zwischen ZrO2-Partikeln, sondern zwischen den Partikeln befindet sich die Dispergiermittelkomponente. Es wurde festgestellt, dass daraus ein signifikant verändertes Sinterverhalten resultiert, wobei das Sinterverhalten stark von der Agglomeratgröße des ZrO2 im Schlicker beeinflusst wird. Dabei gilt, dass mit kleinerer Agglomeratgröße die Sinteraktivität ansteigt. Granules that can be used for compression molding to form bodies are distinguished in the context of the present description of agglomerates, as compared to powder and non-dispersed Schlickeragglomeraten fundamental differences in the structure arise. In powder agglomerates or unbroken slip agglomerates, there is a bond between the ZrO 2 particles. However, if the particles are dispersed in the slurry, the particles are largely coated with a dispersing additive. Subsequent reagglomeration (eg in the granules) does not result in any binding between ZrO 2 particles, but between the particles is the dispersant component. It was found that this results in a significantly changed sintering behavior, whereby the sintering behavior is strongly influenced by the agglomerate size of the ZrO 2 in the slurry. It is true that with a smaller agglomerate size, the sintering activity increases.
Sinkt die Agglomeratgröße im Schlicker, ist für daraus hergestellte keramische Formkörper eine tendenziell höhere Sinterdichte zu erwarten. Dies resultiert daraus, dass bei größeren Agglomeraten in der Regel mehr Poren eingeschlossen sind, die im Sinterprozess entfernt bzw. geschlossen werden müssen. Diese Art der Poren innerhalb der Agglomerate mit der spezifischen Größe und Ausbildung können oft nur unvollständig ausgetrieben bzw. geschlossen werden. Bestehen diese Agglomerate nicht mehr oder sind deutlich kleiner, müssen beim Sinterprozess diese Poren nicht mehr ausgetrieben bzw. geschlossen werden und es werden höhere Sinterdichten und damit höhere Festigkeiten erreicht. If the agglomerate size in the slurry decreases, a tendency for a higher sintering density is to be expected for ceramic shaped bodies produced therefrom. This results from the fact that in larger agglomerates usually more pores are included, which must be removed or closed in the sintering process. This type of pores within the agglomerates of the specific size and design can often be incompletely expelled or closed. If these agglomerates no longer exist or are significantly smaller, these pores need no longer be expelled or closed during the sintering process and higher sintering densities and thus higher strengths are achieved.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die erzielten Sinterdichten zunächst mit sinkender Agglomeratgröße (ansonsten identische Schlicker, identische Prozedur zur Herstellung der Keramik) steigen. Beim Unterschreiten einer definierten Agglomeratgröße im Schlicker kehrt sich jedoch diese Abhängigkeit um, das heißt mit dann weiter sinkender Agglomeratgröße werden niedrigere Sinterdichten erreicht. Surprisingly, it was found that the sintering densities obtained initially increase with decreasing agglomerate size (otherwise identical slips, identical procedure for the production of the ceramic). When falling below a defined agglomerate size in the slip, however, this dependence is reversed, that is, with then further decreasing agglomerate size lower sintering densities are achieved.
Dieser überraschende Befund basiert darauf, dass zum Erreichen von niedrigeren Agglomeratgrößen ein höherer Energieeintrag in den Schlicker erfolgen muss. Mit steigendem Energieeintrag wird jedoch die Kristallstruktur zunehmend geschädigt bzw. erfährt eine Umwandlung (Phasentransformation). Die Untersuchung der Phasenzusammensetzung mittels röntgenographischer Phasenanalyse belegt, dass mit fortschreitender Dispergier- bzw. Vermahldauer die Peakintensität der tetragonalen ZrO2-Modifikation abnimmt. Die monokline Phase steigt an. This surprising finding is based on the fact that in order to achieve lower agglomerate sizes, a higher energy input must be made in the slurry. With increasing energy input, however, the crystal structure is increasingly damaged or undergoes a transformation (phase transformation). The investigation of the phase composition by means of X-ray phase analysis shows that with progressive Dispersing or grinding time decreases the peak intensity of the tetragonal ZrO 2 modification. The monoclinic phase increases.
Die pressfähigen Granulate können aus den Schlickern hergestellt werden. Überraschenderweise wurde dabei festgestellt, dass sich die bei der Dispergierung angebundenen wasserstoffhaltigen Verbindungen an der Partikeloberfläche besonders günstig auf das Pressverhalten daraus hergestellter Granulate auswirken. Damit kann beispielsweise die Menge an sonst notwendigen Press- und Gleitmitteln reduziert werden. The moldable granules can be made from the slips. It has surprisingly been found that the hydrogen-containing compounds bound to the particle surface during the dispersion have a particularly favorable effect on the pressing behavior of granules produced therefrom. Thus, for example, the amount of otherwise necessary pressing and lubricants can be reduced.
Ein erfindungsgemäßer vorgesinterer Formkörper kann aus dem Schlicker nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder aus dem Granulat nach einem der Ansprüche 5 bis 7 gebildet werden, wobei die ZrO2-Partikel ein Verhältnis der Peakintensitäten der tetragonalen und der monoklinen Phase von 1,3 bis 20 aufweisen. A pre-sintered shaped article according to the invention can be formed from the slip according to one of claims 1 to 4 and / or from the granulate according to one of claims 5 to 7, wherein the ZrO 2 particles have a ratio of the peak intensities of the tetragonal and monoclinic phases of 1, 3 to 20 have.
Eine erfindungsgemäße Keramik ist gebildet aus dem Schlicker nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder aus dem Granulat nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Keramikgefüge eine mittlere Korngröße im Bereich von kleiner als 500 nm und eine Sinterdichte von größer als 90% aufweist. A ceramic according to the invention is formed from the slurry according to any one of claims 1 to 4 and / or from the granules according to any one of claims 5 to 7, wherein the ceramic structure has a mean grain size in the range of less than 500 nm and a sintering density of greater than 90%. having.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Schlickers wird zumindest ZrO2-Pulver, umfassend zumindest tetragonale Modifikationen, vermahlen und/oder in mindestens einem flüssigen Dispergiermedium dispergiert, wobei ein Energieeintrag während der Dispergierung und/oder Vermahlung so gesteuert und/oder geregelt wird, dass die resultierenden festen ZrO2-Partikel im Schlicker nach der Dispergierung und/oder Vermahlung eine mittlere Agglomeratgröße im Bereich zwischen 20 nm und 300 nm und ein Intensitätsverhältnis zwischen der tetragonalen und der monoklinen ZrO2-Modifikation von 1,3 bis 20 aufweisen. In a method according to the invention for producing the slip, at least ZrO 2 powder comprising at least tetragonal modifications is ground and / or dispersed in at least one liquid dispersing medium, wherein an energy input during the dispersion and / or grinding is controlled and / or regulated such that the resulting solid ZrO 2 particles in the slurry after dispersion and / or milling have an average agglomerate size in the range between 20 nm and 300 nm and an intensity ratio between the tetragonal and the monoclinic ZrO 2 modification of 1.3 to 20.
Unter Vermahlung wird eine Zerkleinerung von Partikeln oder das Auftrennen von harten Agglomeraten durch mechanische Energie verstanden. Dabei werden in beiden Fällen chemische Bindungskräfte aufgebrochen. Aggregate sind entsprechend Gebilde aus miteinander chemisch verbundenen (verwachsenen) Partikeln. Agglomerate sind hingegen Gebilde aus Partikeln, wobei die Bindungskraft hier rein physikalisch, zum Beispiel aufgrund von Oberflächenenergie, basiert. Typischerweise treten Gemische aus Agglomeraten und Aggregaten auf, so dass hier mit der Bezeichnung Agglomerate auch ein geringfügiger Anteil an aggregierten Gebilden eingeschlossen ist. Unter Dispergierung ist das feine verteilen von festen Partikeln in einer flüssigen Phase zu verstehen, wobei aber keine Partikelzerkleinerung stattfindet muss, sondern auch nur Partikelagglomerationen aufgelöst werden können. Milling is understood to mean comminution of particles or separation of hard agglomerates by mechanical energy. In both cases, chemical binding forces are broken up. Aggregates are corresponding structures made of chemically combined (intergrown) particles. Agglomerates, on the other hand, are formed by particles, whereby the bonding force here is purely physical, for example due to surface energy. Typically, mixtures of agglomerates and aggregates occur, so that the term agglomerates also includes a small proportion of aggregated structures. Dispersion is understood to mean the fine distribution of solid particles in a liquid phase, but no particle comminution must take place, and only particle agglomerations can be dissolved.
Als wesentlicher Vorteil beim Einsatz von aus der Vermahlung oder Dispergierung resultierenden feinteiligen Partikeln bzw. Agglomeraten zur Herstellung von Keramiken gilt, dass deren Sinteraktivität deutlich erhöht ist und dadurch die notwendige maximale Sintertemperatur niedriger gewählt werden kann. Durch eine niedrigere Sintertemperatur ist das Kornwachstum beim Sintern geringer, das gesinterte Gefüge weist entsprechend eine feinere Kornstruktur auf, die eine höhere Festigkeit bewirkt. A significant advantage when using finely divided particles or agglomerates resulting from the grinding or dispersion for the production of ceramics is that their sintering activity is significantly increased and thereby the necessary maximum sintering temperature can be selected lower. Due to a lower sintering temperature, the grain growth during sintering is lower, the sintered structure accordingly has a finer grain structure, which causes a higher strength.
Durch den gesteuerten und/oder geregelten Energieeintrag beim Mahlen oder Dispergieren wird das Kristallgitter der tetragonalen Phase nur begrenzt geschädigt oder umgewandelt, anders als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen das Kristallgitter der tetragonalen Phase derart geschädigt wird, dass diese Phase in der röntgenographischen Phasenanalyse aufgrund der Gitterstörungen (Amorphisierung) oder nahezu vollständiger Phasenumwandlung nicht mehr nachweisbar ist. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nur eine begrenzte Umwandlung und/oder Schädigung der tetragonalen Phase durch den Energieeintrag, zum Beispiel eine begrenzte Umwandlung in die monokline Phase, so dass verhindert wird, dass es bei anschließender Sinterung zu unerwünschten Rissbildung im Keramikgefüge kommt. Dieser Schlicker eignet sich zur Weiterverarbeitung und Herstellung von Keramiken mit besonders hohen Festigkeiten. The controlled and / or controlled input of energy during grinding or dispersing causes only limited damage to or transformation of the tetragonal phase crystal lattice, unlike conventional methods in which the tetragonal phase crystal lattice is damaged to such an extent in the X-ray phase analysis Lattice disruption (amorphization) or almost complete phase transformation is no longer detectable. In the method according to the invention only a limited conversion and / or damage of the tetragonal phase by the energy input, for example, a limited conversion into the monoclinic phase, so that it prevents that in subsequent sintering to undesirable cracking in the ceramic structure. This slip is suitable for the further processing and production of ceramics with particularly high strengths.
Der Energieeintrag kann beispielsweise durch die Rotationsgeschwindigkeit eines Mahlwerks und/oder die Mahl- oder Dispergierungszeit beeinflusst werden. The energy input can be influenced for example by the rotational speed of a grinder and / or the grinding or dispersion time.
Zusätzlich kann dem Schlicker ein Dispergiermittel, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 3,0 Gew.-% (Aktivsubstanz des Dispergiermittels bezogen auf den ZrO2-Anteil) zugegeben werden. In diesem Konzentrationsbereich werden eine besonders gute Dispergierung und eine ausreichend gute Stabilisierung des Schlickers erreicht. In addition, a dispersant, preferably in the range of 0.1 to 3.0 wt .-% (active substance of the dispersant based on the ZrO 2 content) may be added to the slurry. In this concentration range, a particularly good dispersion and a sufficiently good stabilization of the slurry are achieved.
Diese Schlicker können derart hergestellt werden, dass das flüssige Medium vorgelegt wird, gegebenenfalls das Dispergiermittel zugeführt, die Komponenten gut vermischt werden und anschließend das ZrO2-Pulver zugeführt wird, wobei eine gute Vermischung durch beispielsweise Rührwerke, Disolver, Ultratorax oder Ultraschall vorteilhaft ist. Alternativ kann die Schlickerherstellung auch direkt in dem Gerät erfolgen, in dem die Dispergierung und/oder Vermahlung stattfindet, zum Beispiel in einer Perlmühle. Dazu wird beispielsweise Wasser und das Dispergiermittel vorgelegt und dazu schrittweise das ZrO2-Pulver zugeführt. Andere Abfolgen sind auch möglich. These slips can be prepared in such a way that the liquid medium is initially introduced, optionally the dispersant supplied, the components are well mixed and then the ZrO 2 powder is fed, with a good mixing by, for example, stirrers, Disolver, Ultratorax or Ultrasound is advantageous. Alternatively, the slurry preparation may also be carried out directly in the apparatus in which the dispersion and / or grinding takes place, for example in a bead mill. For this purpose, for example, water and the dispersant are initially introduced and gradually fed to the ZrO 2 powder. Other sequences are also possible.
Die so hergestellten Schlicker weisen zunächst eine Agglomeratgröße oberhalb von 300 nm auf, zumeist deutlich oberhalb von 500 nm auf. Zur Reduzierung der Agglomeratgröße unterhalb von 300 nm ist in der Regel das Einbringen einer hohen Energie, zum Beispiel mechanische Scherkräfte, in den Schlicker erforderlich. Dies kann beispielsweise durch Mühlen, zum Beispiel durch Perlmühlen erfolgen. Durch den Energieeintrag, insbesondere bei Verwendung von Perlmühlen, kann die Gitterstruktur und/oder die Modifikation beeinflusst werden. Amorphisierung, Gitterfehlordnungen und/oder Modifikationswechsel (zum Beispiel tetragonales ZrO2 in monoklines ZrO2) können entstehen. Erfindungsgemäß wird der Energieeintrag so gesteuert, dass eine definierte Ordnung der Kristallstruktur resultiert bzw. ein definierter Anteil an tetragonalem ZrO2 erhalten bleibt. The slips produced in this way initially have an agglomerate size above 300 nm, usually well above 500 nm. In order to reduce the agglomerate size below 300 nm, it is usually necessary to introduce a high energy, for example mechanical shear, into the slurry. This can be done for example by mills, for example by bead mills. The energy input, in particular when using bead mills, the lattice structure and / or the modification can be influenced. Amorphization, lattice mismatches and / or modification changes (for example tetragonal ZrO 2 in monoclinic ZrO 2 ) can arise. According to the invention, the energy input is controlled such that a defined order of the crystal structure results or a defined proportion of tetragonal ZrO 2 is retained.
Der Energieeintrag bei der Dispergierung wird dabei insbesondere so gesteuert, dass die Umwandlung der kristallinen tetragonalen ZrO2-Phase und der Anteil der monoklinen ZrO2-Phase ein definiertes Maß nicht überschreitet. Als Maß gilt dabei das Verhältnis zwischen den Peakintensität der Reflexe der monoklinen und kristallinen ZrO2-Phase im Beugungsdiagramm der röntgenographischen Pulverdiffraktometrie. The energy input in the dispersion is controlled in particular so that the conversion of the crystalline tetragonal ZrO 2 phase and the proportion of the monoclinic ZrO 2 phase does not exceed a defined level. The measure used here is the ratio between the peak intensity of the reflections of the monoclinic and crystalline ZrO 2 phases in the diffraction diagram of X-ray diffractometric powder diffractometry.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die ZrO2-Pulver in trockenen Verfahren vordispergiert bzw. vorvermahlen. Unter Vordispergierung bzw. Vorvermahlung ist dabei zu verstehen, dass die Agglomerate zumindest teilweise aufgebrochen oder zerstört werden. Trockene Verfahren heißt, dass keine Dispergierung bzw. Vermahlung in einem flüssigen Dispergiermedium erfolgt, wobei jedoch flüssige Komponenten mit dem ZrO2 gemeinsam oder in dem Prozess separat eingetragen werden können, die aber zumindest teilweise zur Beschichtung der Partikel dienen und somit den Dispergierprozess fördern bzw. die aufgelösten/aufgebrochen Agglomerate stabilisieren. Derartige trockene Verfahren können beispielsweise in Strahlmühlen, Fließbettstrahlmühlen, Spiralmühlen, Zentrifugalmühlen, Prallmühlen oder dergleichen durchgeführt werden. Die trockenen Verfahren können beispielsweise auf dem Prinzip des Partikelbruchs mittels Kollision in einem druckbeaufschlagtem Medium und mit hohen Geschwindigkeiten basieren. Ein Beispiel dafür ist die Turbo-Luftstrahlmühle RINA-JET von Riera Nadeu. In one embodiment of the process, the ZrO 2 powders are predispersed or pre-ground in dry processes. Under predispersion or premilling is to be understood that the agglomerates are at least partially broken or destroyed. Dry process means that no dispersion or grinding takes place in a liquid dispersion medium, but liquid components can be added separately to the ZrO 2 or separately in the process, but which at least partially serve to coat the particles and thus promote the dispersion process or stabilize the dissolved / broken agglomerates. Such dry processes can be carried out, for example, in jet mills, fluid bed jet mills, spiral mills, centrifugal mills, impact mills or the like. For example, the dry methods may be based on the principle of particle fracture by collision in a pressurized medium and at high speeds. An example of this is the RINA-JET turbo air jet mill by Riera Nadeu.
Aus den so vordispergierten bzw. Vorvermahlen ZrO2-Pulver werden erfindungsgemäß Schlicker hergestellt. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch die Kombination aus trockener Vordispergierung bzw. Vorvermahlung mit anschließender Dispergierung in ein flüssiges Medium Schlicker resultieren, bei den die Gitterstruktur der ZrO2-Partikel bei gleicher Agglomeratgröße weniger im Vergleich zur Nassvermahlung verändert bzw. geschädigt sein kann, das heißt diese Schlicker weisen einen höheren Anteil der tetragonalen Modifikation des ZrO2 auf. From the thus predispersed or premilled ZrO 2 powder, slips are produced according to the invention. Surprisingly, it was found that by the combination of dry predispersion or pre-grinding followed by dispersion into a liquid medium slip result, in which the lattice structure of the ZrO 2 particles with the same agglomerate size changed or damaged less compared to wet grinding, that is These slips have a higher proportion of the tetragonal modification of ZrO 2 .
Bei der Dispergierung der ZrO2-Partikel können sich an deren Oberflächen wasserstoffhaltige Gruppen und/oder Verbindungen (wasserstoffhaltige Verbindungen, bestehend aus Wasserstoff und Sauerstoff ohne Kohlenstoff), wie beispielsweise Hydroxy-Gruppen oder Hydroxidverbindungen, anlagern. Die Konzentration der wasserstoffhaltigen Gruppen und/oder Verbindungen nimmt dabei mit Länge und Intensität der Dispergierung zu. Deshalb ist der Anteil an wasserstoffhaltigen Gruppen und/oder Verbindungen ein Maß für die Intensität der Dispergierung. Der Anteil an diesen Phasen kann bestimmt werden, indem die Schlicker bzw. das daraus hergestellte Granulat bei 50°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet werden (damit ist das physikalisch gebundene Haftwasser (Feuchte) abgetrennt) und anschließend der Gewichtsverlust bei 200°C ermittelt wird. Alternativ kann der Anteil an diesen Phasen bestimmt werden indem an dem bei 50 °C getrocknete Schlicker der H–-Anteil (z.B. mittels eines Kohlen-Wasserstoff-Analysator) ermittelt wird, der im Bereich zwischen 50°C und 200°C freigesetzt wird. Typischerweise wird dieser Wert in H2O+ (Kristallwasseranteil) umgerechnet und angegeben. Damit wird einer einheitlichen Schreibweise Rechnung getragen, auch wenn daraus keine Ableitung zur vorliegenden Bindung getroffen werden kann. Die ZrO2-Partikel können einen Wasserstoffanteil, gebunden in den wasserstoffhaltigen Phasen und angelagert an die ZrO2-Partikel von 0,06 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% (entspricht ca. 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% H2O–), bevorzugt von 0,11 Gew.-% bis 0,89 Gew.-% (entspricht ca. 1 Gew.-% bis 8 Gew.-% H2O–), besonders bevorzugt von 0,33 Gew.-% bis 0,67 Gew.-% (entspricht ca. 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% H2O+) aufweisen. When dispersing the ZrO 2 particles, hydrogen-containing groups and / or compounds (hydrogen-containing compounds consisting of hydrogen and oxygen without carbon), such as, for example, hydroxyl groups or hydroxide compounds, can accumulate on their surfaces. The concentration of the hydrogen-containing groups and / or compounds increases with the length and intensity of the dispersion. Therefore, the proportion of hydrogen-containing groups and / or compounds is a measure of the intensity of the dispersion. The proportion of these phases can be determined by drying the slips or the granules prepared therefrom at 50 ° C. to constant weight (thus separating the physically bound adhesive water (moisture)) and then determining the weight loss at 200 ° C. Alternatively, the proportion of these phases can be determined by determining the H - fraction (for example by means of a carbon-hydrogen analyzer), which is liberated in the range between 50 ° C. and 200 ° C., on the slurry dried at 50 ° C. Typically, this value is converted to H 2 O + (water of crystallization) and reported. Thus, a uniform spelling is taken into account, even if no deduction can be made to the present bond. The ZrO 2 particles may have a hydrogen content bound in the hydrogen-containing phases and attached to the ZrO 2 particles of from 0.06 wt.% To 1.1 wt.% (Corresponding to about 0.5 wt 10 wt .-% H 2 O - ), preferably from 0.11 wt .-% to 0.89 wt .-% (corresponds to about 1 wt .-% to 8 wt .-% H 2 O - ), especially preferably from 0.33 wt .-% to 0.67 wt .-% (corresponding to about 3 wt .-% to 6 wt .-% H 2 O + ) have.
Dem Schlicker können weitere Komponenten, insbesondere Press-, Gleit- und Sinterhilfsmittel zugegeben werden. Die Zugabe dieser Additive kann vor, während oder nach der Dispergierung erfolgen. The slip can be further components, in particular pressing, sliding and sintering aids are added. The addition of these additives can take place before, during or after the dispersion.
Zur Herstellung der für die Herstellung des Schlickers verwendeten ZrO2-Pulverwerkstoffe können sich grundsätzlich unterschiedliche thermische Verfahren eignen, wie beispielsweise Flammen- oder Spraypyrolyse, Herstellung in Plasma- oder Pulsationsreaktoren, aber auch nasschemische Verfahren wie Fällungsreaktionen oder Sol-Gel-Prozesse sind geeignet. Solche Pulver werden beispielsweise durch ein Herstellungsverfahren im pulsierenden Heißgasstrom, wie es aus den Offenlegungsschriften
Alternativ können derartige ZrO2-Pulver auch erhalten werden, indem eine geeignete Rohstoffmischung gegebenenfalls getrocknet wird und diese Rohstoffmischung im Bereich von 500 °C bis 1300 °C thermisch behandelt wird. Alternatively, such ZrO 2 powders can also be obtained by optionally drying a suitable raw material mixture and thermally treating this raw material mixture in the range of 500 ° C to 1300 ° C.
Ebenso können zirkoniumhaltige Rohstoffkomponenten wie beispielsweise Salze in eine Lösung überführt werden, zu dieser zirkoniumhaltigen Rohstofflösung werden die Dotierungselemente zugegeben, so dass auch die Dotierungselemente gelöst vorliegen. Bevorzugt sind Rohstofflösungen, da die Elemente in der Lösung eine nahezu ideale Lösung bilden, heißt, nahezu ideal homogen gemischt sind. Diese Rohstofflösung kann in einem Heißgasstrom bei einer Heißgastemperatur am Aufgabeort von 50 °C bis 500 °C, bevorzugt im Bereich von 80 °C bis 150 °C eingebracht werden, wobei sich aus der Rohstofflösung die festen Partikel bilden. Dies kann beispielsweise durch Sprühtrocknungsverfahren erfolgen. Das so erzeugte Pulver und/oder Granulat wird anschließend thermisch bei 500 °C bis 1300 °C, bevorzugt bei 700 °C bis 1200 °C, besonders bevorzugt bei 900 °C bis 1100 °C nachbehandelt, da in diesem Temperaturbereich erfahrungsgemäß ein besonders gutes Verhältnis zwischen niedriger Aggregation und ausreichender Kristallinität vorherrscht. Dadurch können diese Pulver mit vergleichsweise niedrigem Energieeintrag bis zur erfindungsgemäßen Agglomeratgröße im Schlicker dispergiert werden. Likewise, zirconium-containing raw material components such as salts can be converted into a solution, to this zirconium-containing raw material solution, the doping elements are added, so that the doping elements are present dissolved. Preference is given to raw material solutions, since the elements in the solution form an almost ideal solution, that is, they are almost ideally homogeneously mixed. This raw material solution can be introduced in a hot gas stream at a hot gas temperature at the feed location of 50 ° C. to 500 ° C., preferably in the range from 80 ° C. to 150 ° C., the solid particles forming from the raw material solution. This can be done for example by spray drying. The powder and / or granules thus produced are then thermally treated at 500 ° C to 1300 ° C, preferably at 700 ° C to 1200 ° C, more preferably at 900 ° C to 1100 ° C, since in this temperature range experience shows a particularly good Relationship between low aggregation and sufficient crystallinity prevails. As a result, these powders can be dispersed in the slurry with a comparatively low energy input up to the agglomerate size according to the invention.
Alternativ kann zur Herstellung des ZrO2-Pulvers die hergestellte Rohstofflösung, die Dotierungselemente enthält, direkt einem pulsierenden oder nichtpulsierenden Heißgasstrom mit einer Heißgastemperatur am Aufgabeort von 800 °C bis 1300 °C, bevorzugt im Bereich von 900 °C bis 1200 °C, besonders bevorzugt im Bereich 1000 °C bis 1200 °C zugeführt werden. Alternatively, to prepare the ZrO 2 powder, the prepared raw material solution containing doping elements may be directly exposed to a pulsating or non-pulsating hot gas stream having a hot gas temperature at the feed location of 800 ° C to 1300 ° C, preferably in the range of 900 ° C to 1200 ° C preferably be supplied in the range 1000 ° C to 1200 ° C.
Besonders geeignet sind solche ZrO2-Pulver, aus denen Schlicker mit niedriger Agglomeratgröße bereits bei geringem Energieeintrag erzeugt werden können. Solche Pulver weisen eine Struktur mit niedriger Primärpartikelgröße und möglichst niedriger Aggregation auf. Als Aggregation wird dabei die Zusammenlagerung von Primärpartikeln verstanden, wobei starke Bindungskräfte, insbesondere chemische Bindungen aufgrund von Sintererscheinungen zwischen den Teilchen vorhanden sind. Particularly suitable are those ZrO 2 powder from which slips with a low agglomerate size can be produced even at low energy input. Such powders have a structure with a low primary particle size and the lowest possible aggregation. Aggregation is understood here to mean the aggregation of primary particles, with strong binding forces, in particular chemical bonds, being present due to sintering phenomena between the particles.
Die verwendeten Pulver weisen einen Kohlenstoff-Anteil von kleiner 0,2 Gew.-%, bevorzugt von kleiner 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt von kleiner 0,05 Gew.-% auf. Geringe Kohlenstoffanteile führen erfahrungsgemäß zu besseren Verdichtungseigenschaften beim Sintern und damit zu höheren Dichten. Zudem kann elementarer Kohlenstoff oft beim Sintern nicht vollständig entfernt werden, was mit einer unerwünschten Verfärbung der Keramik einhergeht. The powders used have a carbon content of less than 0.2% by weight, preferably less than 0.1% by weight, more preferably less than 0.05% by weight. According to experience, low carbon contents lead to better compaction properties during sintering and thus to higher densities. In addition, elemental carbon often can not be completely removed during sintering, which is accompanied by an undesirable discoloration of the ceramic.
In einer bevorzugten Ausführung liegt die spezifische Oberfläche (nach BET) der Pulver im Bereich von 3 m2/g bis 15 m2/g, bevorzugt im Bereich 4 m2/g bis 10m2/g, besonders bevorzugt 5 m2/g bis 8 m2/g. Pulver mit höheren spezifischen Oberflächen sind schwieriger im Handling und bereiten oft Schwierigkeiten bei der Dispergierung. Geringere spezifische Oberflächen sind ein Indikator für größere Primärpartikeldurchmesser und/oder für eine harte Aggregation. Bei diesen Pulvern können die erfindungsgemäßen Agglomeratgrößen im Schlicker nur mit hohem Energieeintrag erreicht werden. In a preferred embodiment, the specific surface area (according to BET) of the powders is in the range from 3 m 2 / g to 15 m 2 / g, preferably in the range from 4 m 2 / g to 10m 2 / g, particularly preferably 5 m 2 / g up to 8 m 2 / g. Powders with higher specific surface areas are more difficult to handle and often cause difficulties in dispersing. Lower specific surface areas are an indicator of larger primary particle diameters and / or hard aggregation. In these powders, the agglomerate sizes according to the invention can be achieved in the slurry only with high energy input.
Die verwendeten ZrO2-Pulver sind dotiert. Durch die Dotierungen des ZrO2 sollen bestimmte Modifikationen wie beispielsweise die tetragonale oder kubische Phase des ZrO2 vollständig oder teilweise stabilisiert werden. Dies ist im Bereich der Keramikherstellung überwiegend erforderlich, da ein Phasenwechsel insbesondere zwischen monoklin und tetragonal bzw. kubisch mit Volumenänderungen verbunden ist, was zu Rissen führen kann. Dem ZrO2 werden deshalb Stabilisatorzusätze in Form anderer Metalloxide, wie beispielsweise Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid oder Ceroxid, einzeln oder in Kombinationen beigegeben. Je nach Anteil der Stabilisatorzusätze kann beispielsweise die tetragonale Hochtemperaturphase des Zirkoniumdioxids bis auf Raumtemperatur völlig oder teilweise stabilisiert werden. Die Art des Stabilisators entscheidet, welche Modifikation vom ZrO2 stabilisiert bzw. teilstabilisiert wird. In einer bevorzugten Variante handelt es sich bei den verwendeten Pulvern um mit Yttrium stabilisiertes ZrO2, wobei die Dotierungskonzentration im Bereich von 0,5 mol-% bis 5 mol-%, bevorzugt im Bereich 2 mol-% bis 3,5 mol-% liegt. Durch die Dotierung mit Yttrium in diesem Konzentrationsbereich werden besonders hohe Biegezugfestigkeiten und Dichten erreicht. Besonders hohe kritische Risszähigkeit KIC werden bei Konzentration von 2 mol-% bis 3 mol-%, besonders bei 2,5 mol-% bis 2 mol-% Yttrium erreicht. The ZrO 2 powders used are doped. By doping the ZrO 2 certain modifications such as the tetragonal or cubic phase of ZrO 2 are to be fully or partially stabilized. This is predominantly necessary in the field of ceramic production, since a phase change, in particular between monoclinic and tetragonal or cubic, is associated with volume changes, which can lead to cracks. Stabilizer additives in the form of other metal oxides, such as, for example, calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide or cerium oxide, are added to the ZrO 2 , individually or in combinations. Depending on the proportion of stabilizer additives, for example, the tetragonal high-temperature phase of the zirconium dioxide can be fully or partially stabilized up to room temperature. The type of stabilizer determines which modification is stabilized or partially stabilized by the ZrO 2 . In a preferred variant, the powders used are yttrium-stabilized ZrO 2 , the doping concentration being in the range from 0.5 mol% to 5 mol%, preferably in the range from 2 mol% to 3.5 mol% lies. By doping with yttrium in this concentration range, particularly high flexural tensile strengths and densities are achieved. Particularly high critical fracture toughness K IC is achieved at a concentration of 2 mol% to 3 mol%, especially at 2.5 mol% to 2 mol% yttrium.
Die verwendeten ZrO2-Pulver können weitere Bestandteile enthalten, die typischerweise aus den Paragenes der Rohstoffe resultieren, so ist beispielsweise oft Hafnium z.B. in oxidischer Form mit ZrO2 verbunden. Definitionsgemäß gilt Hafnium im Folgenden nicht als Dotierungsmittel, da er als Paragenese im Rohstoff vorliegt und nicht gezielt zugegeben wird. Der Anteil an diesen Komponenten, der durch den Zr-Rohstoff eingetragen wird, hängt von der Art des Zr-Rohstoffes ab. Zudem können Spuren von Verunreinigungen auftreten, zum einen durch die Rohstoffe bedingt, zum anderen durch den thermischen Herstellungsprozess der Pulverwerkstoffe. Die Summe der akzeptablen Verunreinigungen ist abhängig von der Verwendung und den gewünschten Eigenschaften der Keramik. Typischerweise sind Verunreinigungen kleiner 1%, bevorzugt kleiner 0,5 %, besonders bevorzugt kleiner 0,1 % und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,05 % bezogen auf den Pulverwerkstoff akzeptabel. The ZrO 2 powders used may contain further constituents which typically result from the clays of the raw materials, for example hafnium, for example, is often associated in an oxidic form with ZrO 2 . By definition, hafnium is not considered to be a doping agent in the following since it is present as a paragenesis in the raw material and is not deliberately added. The proportion of these components, which is registered by the Zr raw material, depends on the type of Zr raw material. In addition, traces of contamination may occur, on the one hand due to the raw materials, on the other hand due to the thermal production process of the powder materials. The sum of the acceptable impurities depends on the use and the desired properties of the ceramic. Typically, impurities less than 1%, preferably less than 0.5%, more preferably less than 0.1% and most preferably less than 0.05%, based on the powder material, are acceptable.
Häufig werden für den Herstellungsprozess für ZrO2 Rohstoffe eingesetzt, die stark chlor- und /oder schwefelhaltig sind, beispielsweise in Form von Salzen. Durch den Herstellungsprozess werden diese Rohstoffe weitestgehend umgewandelt, jedoch meist nicht vollständig. Entsprechend verbleiben Anteile an Cl und/oder S bzw. deren Verbindungen im ZrO2. Für die Herstellung von Keramiken wird S und Cl als besonders störend bewertet, da dadurch insbesondere die Festigkeitseigenschaften stark negativ beeinflusst werden. Zudem kann Cl in die Gitterstruktur vom ZrO2 eingebaut werden, womit neben unerwünschten Eigenschaftsveränderungen des ZrO2 auch zusätzlich eine Farbänderung verbunden sein kein, die ebenfalls unerwünscht ist. Frequently, ZrO 2 raw materials are used for the production process, which are highly chlorine- and / or sulfur-containing, for example in the form of salts. Through the manufacturing process, these raw materials are largely converted, but usually not completely. Correspondingly, fractions of Cl and / or S or their compounds remain in ZrO 2 . For the production of ceramics, S and Cl are considered to be particularly disturbing, since in particular the strength properties are strongly negatively influenced. In addition, Cl can be incorporated into the lattice structure of the ZrO 2 , which in addition to undesirable changes in the properties of the ZrO2 also be associated in addition a change in color, which is also undesirable.
Die verwendeten ZrO2-Pulver weisen einen besonders niedrigen Anteil an Cl (Chlor) und S (Schwefel) bzw. an deren Verbindungen auf. Der Anteil an Chlor (Cl) ist dabei kleiner 1000 ppm, bevorzugt kleiner 500 ppm, besonders bevorzugt kleiner 200 ppm und der Schwefel-Konzentration (angegeben als S) ist kleiner 800 ppm, bevorzugt kleiner 200 ppm, besonders bevorzugt kleiner 100 ppm. The ZrO 2 powders used have a particularly low proportion of Cl (chlorine) and S (sulfur) or on their compounds. The proportion of chlorine (Cl) is less than 1000 ppm, preferably less than 500 ppm, more preferably less than 200 ppm and the sulfur concentration (expressed as S) is less than 800 ppm, preferably less than 200 ppm, more preferably less than 100 ppm.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das ZrO2-Pulver, z.B. durch Dotierung mit Yttrium, zumindest anteilig in der tetragonalen Modifikation vor, bevorzugt mit einem Anteil von größer 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mit einem Anteil größer 75 Gew.-%. Daneben kann auch die monokline Modifikation des ZrO2 vorhanden sein, bevorzugt im Bereich von kleiner 30 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich kleiner 15 Gew.-%. Daneben sind auch weitere Phasen möglich, insbesondere kubisches ZrO2 oder röntgenamorphe Phasen, die also in der röntgenographischen Phasenanalyse nur als amorph identifiziert werden können. In a preferred embodiment, the ZrO 2 powder is present, for example by doping with yttrium, at least proportionally in the tetragonal modification, preferably with a proportion of greater than 50% by weight, particularly preferably with a proportion greater than 75% by weight. In addition, the monoclinic modification of ZrO 2 may also be present, preferably in the range of less than 30% by weight, more preferably in the range of less than 15% by weight. In addition, other phases are possible, in particular cubic ZrO 2 or X-ray amorphous phases, which can therefore be identified in the X-ray phase analysis only as amorphous.
Durch die Dispergierung bzw. Vermahlung wird zumindest anteilig die tetragonale Phase geschädigt und/oder umgewandelt. Besitzen die ZrO2-Pulver einen derart hohen Anteil, ergibt sich letztlich ein höherer Anteil an tetragonaler Phase nach der Dispergierung bzw. Vermahlung, was zu besseren Keramikeigenschaften führt. Mit einem derart hohen Anteil an tetragonaler ZrO2-Modifikation kann sichergestellt werden, dass nach der Dispergierung bzw. Vermahlung das erfindungsgemäße Verhältnis zwischen tetragonaler und monokliner Phase vorhanden ist. By dispersing or grinding, the tetragonal phase is at least partially damaged and / or converted. If the ZrO 2 powder has such a high proportion, ultimately a higher proportion of tetragonal phase results after dispersion or milling, which leads to better ceramic properties. With such a high proportion of tetragonal ZrO 2 modification, it can be ensured that the ratio according to the invention between tetragonal and monoclinic phase is present after dispersion or milling.
Formgebungsprozesse dienen dem Ziel, ein keramisches Haufwerk durch äußere Kräfte derart umzuformen, dass sowohl die gewünschte geometrische Gestalt als auch ein bleibender Zusammenhalt bei optimaler homogener Verdichtung erreicht wird. Grundsätzlich lassen sich drei keramische Formgebungsverfahren unterscheiden: Gießen, Plastische Formgebung und Pressen, wobei aus den ZrO2-Partikeln prinzipiell über all diese Verfahren Formkörper hergestellt werden können, die bei einem Sinterprozess ein keramisches Gefüge ausbilden. Forming processes serve the purpose of reshaping a ceramic heap by external forces such that both the desired geometric shape and a permanent cohesion with optimum homogeneous compression is achieved. In principle, three ceramic molding processes can be distinguished: casting, plastic molding and pressing, wherein in principle all of the ZrO 2 particles can be used to produce moldings which form a ceramic structure during a sintering process.
Die Formgebung für Hochleistungskeramik kann generell in Nass- und Trockenverfahren eingeteilt werden. Dabei haben sich der konventionelle Schlickerguss, der Druckschlickerguss und der Spritzguss als Nassformgebung etabliert. Axiales und isostatisches Pressen als Formgebungsverfahren werden vorwiegend zur Herstellung von keramischen Bauteilen mit einfacher Geometrie verwendet. Diese Pressverfahren werden wegen ihrer Automatisierbarkeit häufig kommerziell eingesetzt. The design for high-performance ceramics can generally be divided into wet and dry processes. Here, the conventional slip casting, the pressure slip casting and the injection molding have established as wet molding. Axial and isostatic pressing as a molding process are used predominantly for the manufacture of simple geometry ceramic components. These pressing methods are often used commercially because of their automation.
In einer Ausführungsform werden die Schlicker zunächst in pressfähige Granulate, zum Beispiel mittels Sprühgranulierungsverfahren überführt, die insbesondere für axiales und isostatisches Pressen als Formgebungsverfahren geeignet sind. Sprühgranulieren ist dabei die Trocknung von Flüssigkeiten (Lösungen, Suspensionen, Schmelzen) bei gleichzeitigem Aufbau von Granulaten. Keime für die Granulate können vorgelegt werden (Fremdkeime) oder bilden sich durch Abrieb und Bruch (Eigenkeime). Die eingesprühte Flüssigkeit beschichtet die Keime und wird abgetrocknet. Durch Variation von Art und Konzentration zugegebener Additive, wie Dispergatoren, Bindemittel, Presshilfsmittel und Gleitmittel, sowie durch gezieltes Einstellen der Prozessparameter beim Granulationsprozess, wie beispielsweise Prozesstemperatur, Verweilzeit oder Tropfengröße, kann gezielt Einfluss auf die Festigkeit, Form und Granulatgrößenverteilung genommen werden. Bevorzugt werden Granulate bestehend aus Vollgranalien mit möglichst idealer Kugelform (z.B. wegen besserer Fließfähigkeit) und einer mittleren Granulatgröße des Granulats im Bereich von 5 µm bis 500 µm, bevorzugt 10 µm bis 200 µm, besonders bevorzugt 20 µm bis 150 µm. In one embodiment, the slips are first converted into moldable granules, for example by means of spray granulation, which are particularly suitable for axial and isostatic pressing as a molding process. Spray granulation is the drying of liquids (solutions, suspensions, melts) with the simultaneous construction of granules. Germs for the granules can be submitted (foreign nuclei) or formed by abrasion and breakage (intrinsic germs). The sprayed liquid coats the seeds and is dried. By varying the type and concentration of additives added, As dispersants, binders, pressing aids and lubricants, as well as by targeted adjustment of the process parameters in the granulation process, such as process temperature, residence time or drop size, can be specifically influenced on the strength, shape and granule size distribution. Preference is given to granules consisting of full granules with an ideal spherical shape (eg, for better flowability) and an average granule size of the granules in the range of 5 .mu.m to 500 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 200 .mu.m, more preferably 20 .mu.m to 150 .mu.m.
Die Formgebung erfolgt anschließend durch Pressverfahren, wobei man das axiale und das isostatische Pressen (CIP = cold isostatic pressing) unterscheidet. Letzteres wiederum lässt sich in die Nass- und Trockenmatrizentechnik unterteilen. Außerdem kann der Pressvorgang auch mit einem Temperaturzyklus kombiniert werden. In diesem Fall spricht man vom Heiß- oder Heißisostatischem Pressen (HP oder HIP). The shaping is then carried out by pressing, whereby the axial and the isostatic pressing (CIP = cold isostatic pressing) differs. The latter, in turn, can be subdivided into wet and dry die technology. In addition, the pressing process can also be combined with a temperature cycle. In this case we speak of hot or hot isostatic pressing (HP or HIP).
Wie die Schlicker sind auch diese Granulate für die Weiterverarbeitung zu dicht gesinterten Keramikkörpern mit besonders hohen Festigkeiten dann besonders geeignet, wenn sie ein Verhältnis der Peakintensitäten der tetragonalen und monoklinen Phase von 1,3 bis 20, bevorzugt von 1,4 bis 15, besonders bevorzugt von 1,5 bis 10 aufweisen. Like the slips, these granules are also particularly suitable for further processing into densely sintered ceramic bodies having particularly high strengths if they have a ratio of the tetragonal and monoclinic phase peak intensities of from 1.3 to 20, preferably from 1.4 to 15, particularly preferably from 1.5 to 10.
Die Granulate stellen ein Phasengemisch aus zumindest monoklinem und tetragonalem ZrO2 dar, wobei erfindungsgemäß zumindest 0,5 Gew.-% jedoch weniger als 70 Gew.-%, bevorzugt weniger als 60 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 50 Gew.-% monokline ZrO2-Modifikation vorhanden ist und der tetragonale Anteil im Bereich von 5 Gew.-% bis 70 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 10 Gew.-% bis 60 Gew.- % und besonders bevorzugt im Bereich 15 Gew.-% bis 40 Gew.-% bezogen auf den Feststoffanteil liegt. Neben der monoklinen und der tetragonalen Phase können die kubische ZrO2-Modifikation und gegebenenfalls weitere Phasen, wie beispielsweise eine amorphe Phase vorhanden sein. The granules represent a phase mixture of at least monoclinic and tetragonal ZrO 2 , wherein according to the invention at least 0.5 wt .-% but less than 70 wt .-%, preferably less than 60 wt .-%, more preferably less than 50 wt. % monoclinic ZrO 2 modification is present and the tetragonal portion in the range of 5 wt .-% to 70 wt .-%, preferably in the range 10 wt .-% to 60 wt%, and particularly preferably in the range 15 wt. % to 40 wt .-% based on the solids content. In addition to the monoclinic and the tetragonal phase, the cubic ZrO 2 modification and optionally other phases, such as an amorphous phase may be present.
Die Granulate können Press-, Gleitmittel oder andere Hilfsstoffe (z.B. Bindemittel) enthalten. Derartige Additive dienen beispielsweise dazu, die Festigkeit der Granulate so einzustellen, dass diese beim Verpressen die Ausbildung eines kompakten, besonders homogenen Gefüges fördern. Der organische Teil dieser Additive (kohlenstoffhaltige Verbindungen; Die Additive können rein organische Verbindungen sein.), wird bei der Entbinderung und/oder dem Sinterprozess wieder entfernt. Dabei hinterlassen diese Komponenten zunächst Poren, die anschließend durch das Sintern verschlossen werden müssen. Ähnliches gilt auch für physikalisch gebundenes Wasser, z.B. Haftwasser oder auch als Feuchte bezeichnet und die wasserstoffhaltigen Verbindungen an der ZrO2-Partikeloberfläche, die durch den Dispergier- und Mahlprozess angelagert werden. Diese Komponenten werden so auch Bestandteil des Grünpresslings und werden im Entbinderungs- und Sinterprozess abgetrennt, entfernt und hinterlassen zunächst Poren. Ist der Anteil organischer Komponenten, Wasser (Feuchte) oder wasserstoffhaltiger Verbindungen sehr groß, insbesondere der Summenwert, können die vielen Poren nicht vollständig verschlossen werden. Zudem können sich aufgrund der dann größeren Schwindung zunehmend Risse ausbilden. Beides ist mit dem Verlust an Festigkeit verbunden. Bevorzugt weisen die Granulate deshalb eine Feuchte (= Gewichtsverlust bei Trocknung bei 50°C bis zu Gewichtskonstanz) von 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-%, bevorzugt von 0,3 Gew.-% bis 1 Gew.-% und einen Anteil an wasserstoffhaltigen Komponenten (Bestimmung erfolgt an bei 50°C getrockneten Proben, wobei der Gewichtsverlust bei 200°C ermittelt wird), also Verbindungen aus Wasserstoff und Sauerstoff ohne Kohlenstoff im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% H2O+, bevorzugt von 1 Gew.-% bis 8 Gew.-% H2O+, besonders bevorzugt 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% H2O+ auf. Der Glühverlust (= Gewichtsverlust beim Glühen bei 1000°C für 2 Stunden von bei 50°C getrockneten Proben) liegt im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% und bildet den Summenwert aus organischen Komponenten und wasserstoffhaltigen Verbindungen (H2O+). Die Granulate können einen Kohlenstoffgehalt, gebunden in den kohlenstoffhaltigen Verbindungen im Bereich von kleiner 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner 1,5 Gew.-% besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-% aufweisen. The granules may contain pressing agents, lubricants or other auxiliaries (eg binders). Such additives are used, for example, to adjust the strength of the granules so that they promote the formation of a compact, particularly homogeneous microstructure during pressing. The organic part of these additives (carbon-containing compounds, the additives may be purely organic compounds), is removed again in the binder removal and / or the sintering process. These components initially leave behind pores, which must then be closed by sintering. The same applies to physically bound water, for example, adhesive water or also referred to as moisture, and the hydrogen-containing compounds on the ZrO 2 particle surface, which are deposited by the dispersing and grinding process. These components are thus also part of the green compact and are separated in the debinding and sintering process, removed and leave first pores. If the proportion of organic components, water (moisture) or hydrogen-containing compounds is very large, in particular the sum value, the many pores can not be completely closed. In addition, cracks can increasingly form due to the then greater shrinkage. Both are associated with the loss of strength. The granules therefore preferably have a moisture content (= weight loss on drying at 50 ° C. to constant weight) of from 0.1% by weight to 3% by weight, preferably from 0.3% by weight to 1% by weight. and a proportion of hydrogen-containing components (determined on samples dried at 50 ° C, the weight loss is determined at 200 ° C), ie compounds of hydrogen and oxygen without carbon in the range of 0.5 wt .-% to 10 wt. -% H 2 O + , preferably from 1 wt .-% to 8 wt .-% H 2 O + , more preferably 3 wt .-% to 6 wt .-% H 2 O + on. The loss on ignition (= weight loss on annealing at 1000 ° C. for 2 hours of samples dried at 50 ° C.) is in the range from 0.2% by weight to 20% by weight, preferably in the range from 1% by weight to 10 Wt .-%, particularly preferably in the range 5 wt .-% to 10 wt .-% and forms the sum of organic components and hydrogen-containing compounds (H 2 O + ). The granules may have a carbon content bound in the carbonaceous compounds in the range of less than 2% by weight, preferably less than 1.5% by weight, more preferably less than 1% by weight.
Aus den so hergestellten Granulaten können gepresste Formkörper hergestellt werden, die sich für einen anschließenden Sinterprozess eignen. The granules produced in this way can be used to produce pressed moldings which are suitable for a subsequent sintering process.
Alternativ dazu kann der Schlicker auch über andere Formgebungsverfahren, beispielsweise das Schlickergießen, Druckgießen, keramischen Spritzguss, Heißgießen, Gel-Casting oder Freeze Casting + QuicksetTM, weiter verarbeitet werden. Sowohl Heißgieß- als auch Spritzgießverfahren eignen sich für die Herstellung kleiner, kompliziert geformter Bauteile, wobei der Spritzguss eher bei Serienfertigung in Frage kommt. Es lassen sich bei den gesinterten Heißgieß- oder Spritzgießteilen sehr hohe Oberflächengüten erzielen, so dass eine Nachbearbeitung mittels Schleifen oder Polieren oftmals nicht nötig ist. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren ist das sogenannte DCC-Verfahren (Direct Coagulation Casting). Dieses Verfahren beruht auf der Destabilisierung von hochfeststoffhaltigen Suspensionen mittels in situ-enzymkatalysierter Reaktionen. Hiermit kann der pH-Wert der Suspension von ihrem stabilen, dünnflüssigen Bereich zu ihrem isoelektrischen Punkt verschoben werden, worauf die Suspension koaguliert und sich verfestigt. Somit können gut fließfähige Suspensionen in Formen abgegossen und als nasse, feste Grünkörper entformt werden. Alternativ kann die Formgebung auch über plastische Formgebung, zum Beispiel mittels Extrudieren erfolgen. Alternatively, the slurry may be further processed through other molding processes such as slip casting, die casting, ceramic injection molding, hot casting, gel casting, or freeze casting + Quickset ™ . Both hot-casting and injection molding processes are suitable for the production of small, complicated-shaped components, with injection molding being more suitable for series production. Very high surface qualities can be achieved with sintered hot-cast or injection-molded parts, so that reworking by means of grinding or polishing is often unnecessary. A particularly advantageous method is the so-called DCC method (direct coagulation casting). This method is based on the Destabilization of high-solids suspensions by in situ enzyme-catalyzed reactions. This allows the pH of the suspension to be shifted from its stable, low-viscosity region to its isoelectric point, whereupon the suspension coagulates and solidifies. Thus, highly flowable suspensions can be poured into molds and demolded as wet, solid green bodies. Alternatively, the shaping can also take place via plastic shaping, for example by means of extrusion.
Die Formkörper können bereits der gewünschten Form der Keramik entsprechen, wobei die beim Sintern auftretende Schwindung zu berücksichtigen ist. Alternativ können die Formkörper auch nachbearbeitet werden. In einer bevorzugten Variante werden die Formkörper vorgesintert bei Temperaturen zwischen 600°C bis 1300°C, bevorzugt zwischen 800°C und 1200°C, damit die Formkörper eine höhere Festigkeit erreichen und/oder die Formkörper entbindert, also die organischen Bestandteile zumindest teilweise ausgebrannt werden. Diese so erhaltenen Formkörper werden als „vorgesinterte Formkörper“ bezeichnet. Anschließend kann die Form der vorgesinterten Formkörper bearbeitet und/oder gesintert werden. Diese vorgesinterten Formkörper sind für die Weiterverarbeitung zu dicht gesinterten Keramikkörpern mit besonders hohen Festigkeiten dann besonders geeignet, wenn sie ein Verhältnis der Peakintensitäten der tetragonalen und monoklinen Phase von 1,3 bis 20, bevorzugt von 1,4 bis 15, besonders bevorzugt von 1,5 bis 10 aufweisen. The moldings may already correspond to the desired shape of the ceramic, taking into account the shrinkage occurring during sintering. Alternatively, the shaped bodies can also be reworked. In a preferred variant, the moldings are pre-sintered at temperatures between 600 ° C. to 1300 ° C., preferably between 800 ° C. and 1200 ° C., so that the moldings achieve a higher strength and / or debind the moldings, ie the organic constituents are at least partially burned out become. These moldings thus obtained are referred to as "presintered moldings". Subsequently, the shape of the presintered molded body can be processed and / or sintered. These presintered moldings are particularly suitable for further processing into densely sintered ceramic bodies having particularly high strengths if they have a ratio of the tetragonal and monoclinic phase peak intensities of 1.3 to 20, preferably 1.4 to 15, particularly preferably 1, 5 to 10 have.
Die ZrO2-Partikel nach der Dispergierung, vorliegend in Form eines Schlickers, gebunden im Granulat bzw. gebunden als vorgesinterter Formkörper, weisen eine besonders hohe Sinteraktivität auf. Die Sinteraktivität wird dabei in einem Dilatometer an definierten Prüfkörpern gemessen, wobei die lineare thermische Ausdehnung eines Prüfkörpers als Funktion der Temperatur ermittelt wird. Die thermische Ausdehnung ist dabei ein Maß dafür, wie die Entropie eines Körpers auf Änderungen des Volumens reagiert. Dazu werden zunächst Prüfkörper hergestellt. Die Herstellung der Prüfkörper mit den Abmessungen von 25 mm mal 9 mm mal 5 mm erfolgt hier definitionsgemäß durch uniaxiales Verpressen der Granulate bei 100 MPa und anschließendem isostatischen Nachverdichten bei 330 MPa. Die Entbinderung (= Herauslösen der organischen Zusatzstoffe, die zur Dispergierung oder Formung des Werkstücks benötigt wurden) erfolgt mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis 1000 °C. Die dilatometrische Untersuchung der Formkörper wird anschließend bis 1500 °C bei einer Aufheizrate von 5 K/min durchgeführt. Die ZrO2-Partikel bzw. die so daraus hergestellten Formkörper wiesen einen Sinterbeginn (thermodynamischer Fixpunkt, bei dem die Schrumpfung des Prüfkörpers durch einsetzende Sinterung beginnt; Der Nachweis erfolgt durch die dilatometrische Untersuchung.) von weniger als 1100 °C, bevorzugt von weniger als 1000°C auf, besonders bevorzugt weniger als 900°C auf. Die Temperatur für das Sinterende (Schrumpf des Prüfkörpers ist abgeschlossen, die Keramikkörper sind weitestgehend dicht gesintert) ist kleiner als 1500 °C, bevorzugt kleiner als 1450 °C, besonders bevorzugt kleiner als 1400 °C. The ZrO 2 particles after dispersion, in the present case in the form of a slip, bound in the granules or bonded as presintered shaped bodies, have a particularly high sintering activity. The sintering activity is measured in a dilatometer on defined test specimens, the linear thermal expansion of a test specimen being determined as a function of the temperature. The thermal expansion is a measure of how the entropy of a body reacts to changes in volume. For this purpose, first test specimens are produced. The preparation of the test specimens with dimensions of 25 mm by 9 mm by 5 mm takes place here by definition by uniaxial compression of the granules at 100 MPa and subsequent isostatic recompression at 330 MPa. The debindering (= dissolving out of the organic additives that were required for dispersion or shaping of the workpiece) takes place at a heating rate of 1 K / min to 1000 ° C. The dilatometric examination of the moldings is then carried out to 1500 ° C at a heating rate of 5 K / min. The ZrO 2 particles or the molded articles produced therefrom had a sintering beginning (thermodynamic fixed point at which the shrinkage of the test specimen starts due to incipient sintering, the detection is carried out by dilatometric examination) of less than 1100 ° C., preferably less than 1000 ° C to, more preferably less than 900 ° C on. The temperature for the sintering end (shrinkage of the test specimen is completed, the ceramic bodies are largely densely sintered) is less than 1500 ° C, preferably less than 1450 ° C, more preferably less than 1400 ° C.
Ein ungezügeltes Kristallwachstum beim Sintervorgang kann durch Zusatzstoffe wie beispielsweise MgO, CaO, TiO2 im Konzentrationsbereich von 0,05 % bis 1 % unterbunden bzw. reduziert werden, die entsprechend zu einem einheitlichen, dicht gesinterten Keramikkörper mit kleiner Korngröße führen. Des Weiteren können 0,05 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Al2O3 vorgesehen sein, um beispielsweise die hydrothermale Alterung zu vermindern. Damit kann der Alterungsprozess deutlich verlangsamt werden. Es können auch Sinterhilfsstoffe zugegeben werden. Diese Zusatzstoffe können dem Schlicker vor, während oder nach der Dispergierung/Vermahlung zugeführt werden. Alternativ können derartige Zusätze auch bereits in den ZrO2-Pulvern enthalten sein und/oder zugesetzt werden. An unbridled crystal growth in the sintering process can be prevented or reduced by additives such as MgO, CaO, TiO 2 in the concentration range of 0.05% to 1%, which result in a uniform, densely sintered ceramic body with small grain size. Furthermore, 0.05% by weight to 1.5% by weight of Al 2 O 3 may be provided in order, for example, to reduce the hydrothermal aging. This can significantly slow down the aging process. It is also possible to add sintering aids. These additives may be added to the slurry before, during or after dispersion / milling. Alternatively, such additives may already be present in the ZrO 2 powders and / or added.
Die erfindungsgemäßen Schlicker und/oder Granulate eignen sich zur Herstellung von Hochleistungskeramiken, also zu Keramiken mit beispielsweise besonders hohen Festigkeiten. Dazu werden beispielsweise die Granulate zu Formkörpern gepresst (so genannte Grünkörper oder Grünpresslinge), beispielsweise durch uniaxiale und/oder isostatische Pressverfahren, anschließend gegebenenfalls entbindert und dann gesintert. The slip and / or granules according to the invention are suitable for the production of high-performance ceramics, ie ceramics with, for example, particularly high strengths. For this example, the granules are pressed into shaped bodies (so-called green body or green compacts), for example by uniaxial and / or isostatic pressing method, then optionally debinded and then sintered.
Erfolgt die Sinterung unter Vorhandensein von ausreichend Sauerstoff in der Sinteratmosphäre, zum Beispiel durch Luft-Sinteratmosphäre, weisen die Keramiken weiße bzw. leicht cremige Farbe (weiße ZrO2-Keramik) auf. If the sintering takes place in the presence of sufficient oxygen in the sintering atmosphere, for example by air-sintering atmosphere, the ceramics have white or slightly creamy color (white ZrO 2 ceramic).
Bei einem Verfahren zur Herstellung von schwarzen Keramiken werden Schlicker und/oder Granulate in Formkörper überführt, entbindert und diese Formkörper unter reduzierender Atmosphäre gesintert, wobei ein Keramikgefüge mit einer mittleren Korngröße von kleiner 500 nm erzeugt wird. Die so hergestellte Keramik umfasst stabilisiertes und/oder teilstabilisiertes ZrO2, hergestellt aus Schlicker und/oder aus Granulat, wobei eine schwarze Farbgebung der Keramik durch die im Verfahren verwendete Sinteratmosphäre bewirkt ist und keine zusätzlichen schwarzfärbenden Komponenten enthalten sind, wobei die Keramik eine mittlere Korngröße von weniger als 500 nm aufweist. In a process for the production of black ceramics, slip and / or granules are transferred into shaped bodies, subjected to binder removal, and these shaped bodies are sintered under a reducing atmosphere to produce a ceramic structure with an average particle size of less than 500 nm. The ceramic produced in this way comprises stabilized and / or partially stabilized ZrO 2 , prepared from slip and / or granules, wherein a black coloring of the ceramic is effected by the sintering atmosphere used in the process and no additional black-coloring components are contained, wherein the ceramic has a mean grain size of less than 500 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Grünkörper unter oxidierender Atmosphäre entbindert und danach erfolgt die Sinterung unter nichtoxidierender Atmosphäre, bevorzugt unter reduzierender Atmosphäre, besonders bevorzugt unter H2-Atmosphäre. Dabei werden die schwarzen ZrO2-Keramiken erhalten. Durch geeignetes Polieren dieser schwarzen Keramik kann eine Oberfläche geschaffen werden, die stark glänzend ist und einer dunklen Stahloberfläche sehr ähnelt. Gegenüber auf herkömmliche Weise schwarz gefärbten ZrO2-Keramiken besteht der Vorteil hier, dass keine färbenden Komponenten (z.B. Pigmente) in die Keramik eingearbeitet werden müssen, sondern allein über die Zusammensetzung der Sinteratmosphäre entschieden werden kann, ob eine weiße oder schwarze ZrO2-Keramik gebildet werden soll. So hergestellte schwarze Keramiken enthalten neben dem stabilisierten bzw. teilstabilisierten ZrO2 keine weiteren Komponenten, insbesondere keine farbgebenden. Ausnahme bilden hier lediglich die oben aufgeführten möglichen Verunreinigungen und/oder Komponenten, die durch die Mineralparagenes durch die Rohstoffe eingetragen werden und/oder Al2O3. Jedoch erzeugen auch diese Komponenten nicht die Schwarzfärbung. Schwarze Keramiken sind insbesondere für ästhetische Anwendungen, zum Beispiel für Designer-Applikationen wie Teile von Uhren oder Uhrengehäuse interessant. In a preferred embodiment, the green bodies are debinded under an oxidizing atmosphere and then the sintering takes place under a non-oxidizing atmosphere, preferably under a reducing atmosphere, more preferably under an H 2 atmosphere. The black ZrO 2 ceramics are obtained. By properly polishing this black ceramic, a surface can be created that is highly lustrous and very similar to a dark steel surface. Compared to conventionally black-colored ZrO 2 ceramics there is the advantage here that no coloring components (eg pigments) must be incorporated into the ceramic, but can be decided solely on the composition of the sintering atmosphere, whether a white or black ZrO 2 ceramic should be formed. Black ceramics produced in this way contain, in addition to the stabilized or partially stabilized ZrO 2, no further components, in particular no colorants. Exceptions here are only the above-listed possible impurities and / or components that are registered by the mineral paragenes through the raw materials and / or Al 2 O 3 . However, these components also do not produce blackening. Black ceramics are particularly interesting for aesthetic applications, for example for designer applications such as parts of watches or watch cases.
Nach dem Sintern (weiße oder schwarze ZrO2-Keramik) wird ein keramisches Gefüge erhalten, welches eine Sinterdichte von größer 90 %, bevorzugt größer 95 %, besonders bevorzugt größer 98 % und ganz besonders bevorzugt größer 99 % im Bezug zur theoretischen Dichte aufweist. Das Keramikgefüge weist eine mittlere Korngröße von kleiner 500 nm, bevorzugt kleiner 300 nm, besonders bevorzugt kleiner 250 nm auf. Die Korngrößenverteilung ist eng, so dass der d99-Wert kleiner als das Dreifache des d50-Wertes (mittlere Partikelgröße) ist. Dieses ZrO2-Gefüge weist eine hohe Festigkeit auf. Die Biegezugfestigkeit nach
Die so erhaltene Keramik kann durch anschließende Verfahrensschritte weiter verdichtet werden, beispielsweise durch heißisostatisches Pressen (HIP), wobei bevorzugt Sinterdichten von 99%, besonders bevorzugt von mehr als 99,5% und insbesondere bevorzugt von mehr als 99,8% der theoretischen Dichte des Materials erreicht werden. Durch höhere Dichten und damit einen geringen Porenanteil werden erfahrungsgemäß höhere Festigkeiten erreicht. The ceramic thus obtained can be further densified by subsequent process steps, for example by hot isostatic pressing (HIP), preferably sintering densities of 99%, particularly preferably more than 99.5% and particularly preferably more than 99.8% of the theoretical density of Materials are achieved. Higher densities and thus a lower percentage of pores are known to result in higher strengths.
Die Schlicker, Granulate, vorgesinterten Formkörper und/oder die Keramik können zur Herstellung oder Beschichtung von a) medizinischen Implantaten, insbesondere in der Dental- oder Gelenkprothetik oder von b) technischen Maschinenbauteilen, insbesondere von Lagerteilen, Motoren- oder Turbinenteilen, Dichtungsteilen, Düsenteilen oder Sondenteilen verwendet werden. The slip, granules, presintered moldings and / or the ceramics can be used to produce or coat a) medical implants, in particular in dental or joint prosthetics or b) technical machine components, in particular bearing parts, engine or turbine parts, sealing parts, nozzle parts or Probe parts are used.
Besonders geeignet ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Keramiken in der Medizin, hier insbesondere als Biokeramik, beispielsweise zur Herstellung oder Beschichtung von Implantaten für die Knochen- oder Gelenkprothetik bzw. im Dentalbereich (Zahnprothetik). Weitere typische Anwendungen dieser Keramiken liegen im technischen Bereich für die Herstellung oder Beschichtung unterschiedlichster Bauteile, die besonders hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, so beispielsweise als Strangpressdüsen, verschleißbeständige Maschinenteile (Ziehsteine, Dichtringe, Dichtscheiben Lagerteile), Gleit- und Gegenringe für Gleitringdichtungen, Motorenteile, wie beispielsweise Kipphebelbelege, Zylinderauskleidungen, Kolbenböden. Auch für Beschichtungen von anderen Materialien, zum Beispiel zur Turbinenbeschichtung oder -auskleidung kann die Keramik angewendet werden. Ebenfalls geeignet ist die Keramik im Bereich von Funktionsbauteile, wie beispielsweise als Sauerstoffsonden (Lambda-Sonde). Particularly suitable is the use of the ceramics according to the invention in medicine, in particular as bioceramics, for example for the production or coating of implants for bone or joint prosthetics or in the dental field (dental prosthetics). Other typical applications of these ceramics are in the technical field for the production or coating of various components that are exposed to particularly high mechanical and / or thermal loads, such as extrusion dies, wear-resistant machine parts (dies, seals, gaskets bearing parts), sliding and counter rings for Mechanical seals, engine parts, such as rocker arms, cylinder liners, piston crowns. The ceramic can also be used for coatings of other materials, for example for turbine coating or lining. Also suitable is the ceramic in the range of functional components, such as oxygen probes (lambda probe).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen: Show:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Für alle nachfolgenden Angaben gelten die folgenden Messbedingungen und Präparationsbedingungen zur Ermittlung der Peakintensität:
Eine Phasenzusammensetzung des ZrO2-Werkstoffs wird mittels röntgenographischer Pulverdiffraktometrie ermittelt, beispielsweise mit dem Diffraktometer Bruker-AXS (Siemens) D5000. Basis dafür ist, dass jede kristallographische Phase ein einmalige Muster des Beugungsdiagrammes (Röntgendiffraktogramme) aufweist; einmalig in Bezug auf die Lage der Reflexe, bestimmt durch die Gittermetrik und in Bezug auf die Intensitätsverteilung, die wesentlich durch den Zellinhalt der Kristallstruktur bestimmt wird. Im Röntgendiffraktogramm ergeben sich dabei typische Maxima, so genannte peaks. Deren Amplituden, die Peakintensitäten I werden in counts per second (cps) angegeben und im Diffraktogramm über einem Braggwinkel 2θ abgebildet. A phase composition of the ZrO 2 material is determined by means of X-ray powder diffractometry, for example with the diffractometer Bruker-AXS (Siemens) D5000. The basis for this is that each crystallographic phase has a unique pattern of the diffraction pattern (X-ray diffractograms); unique in terms of the position of the reflections, determined by the grating metric and with respect to the intensity distribution, which is essentially determined by the cell content of the crystal structure. The X-ray diffractogram shows typical maxima, so-called peaks. Their amplitudes, the peak intensities I are given in counts per second (cps) and mapped in the diffractogram over a Bragg angle 2θ.
Eine Peakintensität Itetra_A, Itetra_B, Itetra_C, Itetra_D bei einem Braggwinkel 2θtetra von 30,2° ist dabei einer tetragonalen Modifikation von ZrO2 zugeordnet. Eine Peakintensität Imono_A, Imono_B, Imono_C, Imono_D, bei einem Braggwinkel 2θmono von 28,2° ist dabei einer monoklinalen Modifikation von ZrO2 zugeordnet. A peak intensity I tetra_A , I tetra_B , I tetra_C , I tetra_D at a Bragg angle 2θ tetra of 30.2 ° is assigned to a tetragonal modification of ZrO 2 . A peak intensity I mono_A , I mono_B , I mono_C , I mono_D , at a Bragg angle 2θ mono of 28.2 ° is assigned to a monoclinic modification of ZrO 2 .
Dabei stehen die Peakintensitäten Itetra_A und Imono_A für Intensitäten von ZrO2-Partikeln vor einer Dispergierung. The peak intensities I tetra_A and I mono_A for intensities of ZrO 2 particles are in front of a dispersion.
Die Peakintensitäten Itetra_B und Imono_B stehen für die Intensitäten der ZrO2-Partikel nach zwei Stunden Vermahlung in einer Perlmühle. The peak intensities I tetra_B and I mono_B represent the intensities of the ZrO 2 particles after two hours of milling in a bead mill.
Die Peakintensitäten Itetra_C und Imono_C stehen für die Intensitäten der ZrO2-Partikel nach sechs Stunden Vermahlung in der Perlmühle. The peak intensities I tetra_C and I mono_C represent the intensities of the ZrO 2 particles after six hours of milling in the bead mill.
Die Peakintensitäten Itetra_D und Imono_D stehen für die Intensitäten der ZrO2-Partikel nach zehn Stunden Vermahlung in der Perlmühle. The peak intensities I tetra_D and I mono_D represent the intensities of the ZrO 2 particles after ten hours of milling in the bead mill.
Mit steigendem Energieeintrag durch die Vermahlung wird die Kristallstruktur zunehmend geschädigt bzw. erfährt eine Umwandlung (Phasentransformation). Die ZrO2-Partikel wurden in einer Perlmühle (Netzsch Labstar, 0,2 mm Mahlkugelgröße, 2000 U/min, 0,7 kW Leistungsaufnahme) intensiv dispergiert bzw. vermahlen. Die Untersuchung der Phasenzusammensetzung mittels röntgenographischer Phasenanalyse belegt, dass mit fortschreitender Dispergier- bzw. Vermahldauer die Peakintensität der tetragonalen ZrO2-Modifikation abnimmt. Die monokline Phase steigt an. With increasing energy input through the grinding, the crystal structure is increasingly damaged or undergoes a transformation (phase transformation). The ZrO 2 particles were intensively dispersed or ground in a bead mill (Netzsch Labstar, 0.2 mm grinding ball size, 2000 rpm, 0.7 kW power input). The investigation of the phase composition by means of X-ray phase analysis shows that as the dispersing or grinding time progresses, the peak intensity of the tetragonal ZrO 2 modification decreases. The monoclinic phase increases.
Durch eine anschließende thermische Behandlung, beispielsweise bei der Sinterung, erfolgt eine Rekristallisation bzw. Rückumwandlung in die tetragonale Modifikation.
Eine Peakintensität Itetra_A, Itetra_C, Itetra_E bei einem Braggwinkel 2θtetra von 30,2° ist dabei einer tetragonalen Modifikation von ZrO2 zugeordnet. Eine Peakintensität Imono_A, Imono_C, Imono_E, bei einem Braggwinkel 2θmono von 28,2° ist dabei einer monoklinen Modifikation von ZrO2 zugeordnet. A peak intensity I tetra_A , I tetra_C , I tetra_E at a Bragg angle 2θ tetra of 30.2 ° is assigned to a tetragonal modification of ZrO 2 . A peak intensity I mono_A , I mono_C , I mono_E , at a Bragg angle 2θ mono of 28.2 ° is assigned to a monoclinic modification of ZrO 2 .
Dabei stehen die Peakintensitäten Itetra_A und Imono_A für Intensitäten der ZrO2-Partikel vor der Dispergierung. The peak intensities I tetra_A and I mono_A represent intensities of the ZrO 2 particles before the dispersion.
Die Peakintensitäten Itetra_C und Imono_C stehen für die Intensitäten der ZrO2-Partikel nach sechs Stunden Vermahlung in der Perlmühle. The peak intensities I tetra_C and I mono_C represent the intensities of the ZrO 2 particles after six hours of milling in the bead mill.
Die Peakintensitäten Itetra_E und Imono_E stehen für die Intensitäten der ZrO2-Partikel in der gesinterten Keramik. The peak intensities I tetra_E and I mono_E represent the intensities of the ZrO 2 particles in the sintered ceramic.
Beispiel 1) Example 1)
Zunächst wird eine Lösung aus 48,2 kg sechzigprozentiger Essigsäure und 48,2 kg Zr-Carbonat unter Erwärmen hergestellt. Dazu werden 3,4 kg Y-Acetat (YC6H9O6 × 4H2O) gelöst und 0,11 kg Al2O3 zugegeben. Diese so gebildete Rohstoffmischung wird bei einem Durchsatz von 40 kg/h mit Hilfe einer Schlauchpumpe in einen pulsierenden Heißgasstrom eines Pulsationsreaktors (bekannt aus
Vor Eintritt in die Abscheideeinrichtung wird der die gebildeten Partikel enthaltende Heißgasstrom durch Zufuhr von Kühlluft auf ca. 160 °C abgekühlt. Als Abscheideeinrichtung zum Abtrennen der feinteiligen Partikel aus dem Heißgasstrom wird ein Schlauchfilter verwendet. Das so erhaltene ZrO2-Pulver wird anschließend in einem Drehrohrofen bei 900°C thermisch nachbehandelt. Der so hergestellte Pulverwerkstoff weist mit Yttrium dotierte ZrO2-Partikel auf. Die Dotierung der ZrO2-Partikel beträgt 3 mol-% bezogen auf den ZrO2 – Anteil. Mit der röntgenographischen Phasenanalyse konnte neben Spuren (an der Nachweisgrenze, < 2 Gew.-%) von monoklinen ZrO2 als kristalline Phase die tetragonale ZrO2-Modifikation und geringere Anteile kubischen ZrO2 ermittelt werden. Die Peakintensität für die tetragonale Phase (Beugungsreflex bei 2θ-Wert = 30,2°) betrug 2321 cps. Die spezifische Oberfläche beträgt 6 m2/g. Der Kohlenstoffanteil (Cges) ist 0,06 Gew.-%. Der ermittelte Chlor-Gehalt ist 187 ppm, der S-Gehalt ist 85 ppm. Bei der quantitativen Phasenanalyse mittels Rietveld-Verfeinerung (Software AutoQuant der Fa. GE-Seifert) wurden 84,5 Gew.-% tetragonales ZrO2, 0,1 Gew.-% monoklines ZrO2 und 13,5 Gew.-% kubisches ZrO2 sowie 1,9 % weitere Phasen ermittelt. Before entering the separation device, the hot gas stream containing the particles formed is cooled to approximately 160 ° C. by supplying cooling air. As a separator for separating the finely divided particles from the hot gas stream, a bag filter is used. The resulting ZrO 2 powder is then thermally treated in a rotary kiln at 900 ° C thermally. The powder material produced in this way has yttrium-doped ZrO 2 particles. The doping of the ZrO 2 particles is 3 mol% based on the ZrO 2 - share. With the X-ray phase analysis, in addition to traces (at the detection limit, <2% by weight) of monoclinic ZrO 2 as a crystalline phase, the tetragonal ZrO 2 modification and smaller amounts of cubic ZrO 2 could be determined. The peak intensity for the tetragonal phase (diffraction reflection at 2θ value = 30.2 °) was 2321 cps. The specific surface area is 6 m 2 / g. The carbon content (C ges ) is 0.06 wt .-%. The determined chlorine content is 187 ppm, the S content is 85 ppm. In the quantitative phase analysis by means of Rietveld refinement (Software AutoQuant from GE-Seifert), 84.5% by weight of tetragonal ZrO 2 , 0.1% by weight of monoclinic ZrO 2 and 13.5% by weight of cubic ZrO were used 2 and 1.9% further phases.
Aus dem hergestellten ZrO2-Pulverwerkstoff wird ein wässriger Schlicker mit der Zusammensetzung 40 Gew.-% ZrO2-Pulverwerkstoff, 58,5 Gew.-% Wasser, 1,5 Gew.-% Dispergier- und Verflüssigungsmittel (Dolapix CE 64, Zschimmer & Schwarz GmbH & Co.KG) hergestellt. Die Dispergierung /Vermahlung dieses Schlickers erfolgt in einer Perlmühle (LMZ ZETA RS System, NETZSCH-Feinmahltechnik GmbH). Als Mahlkugeln wurden ZrO2-Mahlkugeln mit der Größe 0,2–0,3 mm und einem Füllungsgrad von 85 % eingesetzt und eine Rotordrehzahl von 1000 U/min sowie eine Durchflussmenge durch den Mahlraum von 380 kg/h eingestellt. From the produced ZrO 2 powder material is an aqueous slurry having the composition 40 wt .-% ZrO 2 powder material, 58.5 wt .-% water, 1.5 wt .-% dispersing and liquefying agent (Dolapix CE 64, Zschimmer & Schwarz GmbH & Co.KG). The dispersion / grinding of this slip takes place in a bead mill (LMZ ZETA RS System, NETZSCH-Feinmahltechnik GmbH). As grinding balls ZrO 2 grinding balls were used with the size 0.2-0.3 mm and a degree of filling of 85% and set a rotor speed of 1000 U / min and a flow rate through the grinding chamber of 380 kg / h.
Nach der Dispergierung/Vermahlung weist der Schlicker eine mittlere Agglomeratgröße von 169 nm auf. Mit der röntgenographischen Phasenanalyse wird an dem eingetrockneten Schlicker (100° C getrocknet) monoklines, tetragonales und kubisches ZrO2 ermittelt. Der Hauptpeak der tetragonalen Phase (2θ-Wert = 30,2°) beträgt 525 cps, der Hauptpeak der monoklinen Phase (2θ-Wert = 28,2°) 186 cps. Entsprechend ergibt sich ein Intensitätsverhältnis zwischen tetragonaler und monokliner Phase von 2,82. Bei der quantitativen Phasenanalyse mittels Rietveld-Verfeinerung wurden 21,7 Gew.-% tetragonales ZrO2, 49,3 Gew.-% monoklines ZrO2 und 25,6 Gew.-% kubisches ZrO2 sowie 3,4 % weitere Phasen ermittelt. Die ZrO2-Partikel weisen einen Wasserstoffanteil, gebunden in den wasserstoffhaltigen Phasen und angelagert an die ZrO2-Partikel von 0,1 Gew.-% (entspricht ca. 0,91 Gew.-% H2O+) auf. After dispersion / milling, the slurry has a mean agglomerate size of 169 nm. The X-ray phase analysis is used to determine monoclinic, tetragonal and cubic ZrO 2 on the dried slurry (dried at 100 ° C.). The main peak of the tetragonal phase (2θ value = 30.2 °) is 525 cps, the main peak of the monoclinic phase (2θ value = 28.2 °) is 186 cps. Accordingly, there is an intensity ratio between tetragonal and monoclinic phase of 2.82. In the quantitative phase analysis by means of Rietveld refinement, 21.7% by weight of tetragonal ZrO 2 , 49.3% by weight of monoclinic ZrO 2 and 25.6% by weight of cubic ZrO 2 and also 3.4% further phases were determined. The ZrO 2 particles have a hydrogen content, bound in the hydrogen-containing phases and attached to the ZrO 2 particles of 0.1 wt .-% (corresponding to about 0.91 wt .-% H 2 O + ) on.
Diesem Schlicker wird 1,5 Gew.-% Polyethylenglykol (PEG 4000) als Gleitmittel und 0,5 Gew.-% Optapix PAF II (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co.KG) zugegeben, wobei die Konzentration jeweils bezogen auf die ZrO2-Partikel ist. Dieser Schlicker wird in einer Sprühgranulation bei 105°C zu einem Granulat umgewandelt. Die resultierenden Granalien weisen eine nahezu sphärische Form auf, Hohlkugelstruktur und Schalenbildung ist nicht signifikant nachweisbar, die mittlere Granaliengröße beträgt 50 µm. Die Phasenzusammensetzung der anorganischen Komponenten entspricht dem des eingetrockneten Schlickers oben. Das so hergestellte ZrO2-Granulat eignet sich zu Herstellung von keramischen Körpern. 1.5% by weight of polyethylene glycol (PEG 4000) as lubricant and 0.5% by weight of Optapix PAF II (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co. KG) are added to this slurry, the concentration being based in each case on the ZrO 2 - Particle is. This slip is converted to granules in a spray granulation at 105 ° C. The resulting granules have a nearly spherical shape, hollow sphere structure and shell formation is not significantly detectable, the average granule size is 50 microns. The phase composition of the inorganic components corresponds to that of the dried-up slurry above. The ZrO 2 granules produced in this way are suitable for the production of ceramic bodies.
Durch dilatometrische Untersuchung an separat aus diesem Granulat hergestellten Presskörpern (25 mm × 7 mm × 5 mm) wurde ein Sinterende von 1425 °C ermittelt. By dilatometric investigation on separately produced from this granules compacts (25 mm × 7 mm × 5 mm), a sintering end of 1425 ° C was determined.
Das so hergestellte Granulat weist ein besonders gutes Pressverhalten auf. Aus dem Granulat werden quadratische Grünpresslinge (Größe ca. 2,7 cm × 1,2 cm × 0,6 cm) durch uniaxiales Verpressen bei 100 MPa und anschließendem isostatischen Nachverdichten bei 330 MPa. Die Grünpresslinge weisen eine Dichte von 52,34 % auf. An den Grünpresslingen wurden visuell keine signifikanten Risse ermittelt. The granules produced in this way have a particularly good pressing behavior. From the granules are square green compacts (size about 2.7 cm × 1.2 cm × 0.6 cm) by uniaxial compression at 100 MPa and subsequent isostatic recompression at 330 MPa. The green compacts have a density of 52.34%. No significant cracks were visually detected on the green compacts.
Die Entbinderung an diesen Grünpresslingen erfolgt mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis 1000 °C. Für die anschließende Sinterung wurden eine Aufheizrate von 5 K/min und eine maximale Sintertemperatur von 1450 °C gewählt. Erhalten wurden eine rissfreie Keramik mit einer Sinterdichte von 99,25 % und einer offenen Porosität von kleiner 0,1 %. An dem Keramikgefüge wurde mittels Linienschnittverfahren eine mittlere Korngröße von 240 nm ermittelt. Die Biegezugfestigkeit nach
Beispiel 2) Example 2)
Es werden Keramiken hergestellt wie im Beispiel 1. Hier werden jedoch die so erhaltenen Keramiken durch heißisostatisches Pressen (HIP) mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 K/min bis 1450 °C und einer dortigen Haltezeit von einer Stunde nachverdichtet. An den abgekühlten Keramiken werden ein Dichtemittelwert von 99,81 % der theoretischen Dichte und eine Biegezugfestigkeit nach
Beispiele 3) Examples 3)
Analog Beispiel 1 wird eine Rohstoffmischung hergestellt. Diese so gebildete Rohstoffmischung in Form einer Rohstoffsuspension wird bei einem Durchsatz von 20 kg/h mit Hilfe einer Schlauchpumpe in einen nicht – pulsierenden Heißgasstrom eines Sprühgranulierers über eine 1,8 mm Titandüse eingebracht und thermisch behandelt, wobei die Temperatur am Aufgabeort 105 °C beträgt. Das so erhaltene Pulver wird anschließend in einem Drehrohrofen bei 900 °C thermisch behandelt. Dabei bilden sich ZrO2-Partikel. Der so hergestellte Pulverwerkstoff weist mit Yttrium dotierte ZrO2-Partikel auf. Die Dotierung der ZrO2-Partikel beträgt 3 mol-% bezogen auf den ZrO2 – Anteil. Mit der röntgenographischen Phasenanalyse konnten neben Spuren (an der Nachweisgrenze, < 2 Gew.-%) von monoklinem ZrO2 als kristalline Phase nur die tetragonale ZrO2-Modifikation ermittelt werden. Die Peakintensität für die tetragonale Phase (Beugungsreflex bei 2θ-Wert = 30,1°) betrug 3089 cps. Die spezifische Oberfläche beträgt 5 m2/g. Der Kohlenstoffanteil (Cges) ist 0,09 Gew. %. Der ermittelte Chlor-Gehalt ist 175 ppm, der S-Gehalt ist 97 ppm. Bei der quantitativer Phasenanalyse mittels Rietveld-Verfeinerung (Software AutoQuant der Fa. GE-Seifert) wurden 86,7 Gew.-% tetragonales ZrO2, 0,5 Gew.-% monoklines ZrO2 und 12,1 Gew.-% kubisches ZrO2 sowie 0,7 % weitere Phasen ermittelt. Analogously to Example 1, a raw material mixture is produced. This raw material mixture in the form of a raw material suspension thus formed is introduced at a throughput of 20 kg / h by means of a peristaltic pump in a non - pulsating hot gas stream of a Sprühgranulierers over a 1.8 mm titanium die and thermally treated, the temperature at the job site is 105 ° C. , The powder thus obtained is then thermally treated in a rotary kiln at 900 ° C. This forms ZrO 2 particles. The powder material produced in this way has yttrium-doped ZrO 2 particles. The doping of the ZrO 2 particles is 3 mol% based on the ZrO 2 - share. With the X-ray phase analysis, in addition to traces (at the detection limit, <2% by weight) of monoclinic ZrO 2 as the crystalline phase, only the tetragonal ZrO 2 modification could be determined. The peak intensity for the tetragonal phase (diffraction reflection at 2θ value = 30.1 °) was 3089 cps. The specific surface area is 5 m 2 / g. The carbon content (C ges ) is 0.09 wt.%. The determined chlorine content is 175 ppm, the S content is 97 ppm. In quantitative phase analysis by Rietveld refinement (Software AutoQuant from GE-Seifert), 86.7% by weight of tetragonal ZrO 2 , 0.5% by weight of monoclinic ZrO 2 and 12.1% by weight of cubic ZrO were used 2 and 0.7% further phases determined.
Die Schlickerherstellung sowie Dispergierung/Vermahlung dieses Schlickers erfolgt analog des Beispiels 1. Nach der Dispergierung/Vermahlung weist der Schlicker eine mittlere Agglomeratgröße von 165 nm auf. Mit der röntgenographischen Phasenanalyse wird an dem eingetrockneten Schlicker (100 °C getrocknet) monoklines, tetragonales und kubisches ZrO2 ermittelt. Der Hauptpeak der tetragonalen Phase (2θ-Wert = 30,2°) beträgt 367 cps, der Hauptpeak der monoklinen Phase (2θ-Wert = 28,2°) 189 cps. Entsprechend ergibt sich ein Intensitätsverhältnis zwischen tetragonaler und monokliner Phase von 1,94. Bei der quantitativen Phasenanalyse mittels Rietveld-Verfeinerung wurde 11,1 Gew.-% tetragonales ZrO2, 55,2 Gew.-% monoklines ZrO2 und 32,5 Gew.-% kubisches ZrO2 sowie 1,2 % weitere Phasen ermittelt. The slip production and dispersion / grinding of this slurry is carried out analogously to Example 1. After dispersing / grinding, the slurry has an average agglomerate size of 165 nm. The X-ray phase analysis is used to determine monoclinic, tetragonal and cubic ZrO 2 on the dried slurry (dried at 100 ° C.). The main peak of the tetragonal phase (2θ value = 30.2 °) is 367 cps, the main peak of the monoclinic phase (2θ value = 28.2 °) is 189 cps. Accordingly, there is an intensity ratio between tetragonal and monoclinic phase of 1.94. In the quantitative phase analysis by means of Rietveld refinement, 11.1% by weight of tetragonal ZrO 2 , 55.2% by weight of monoclinic ZrO 2 and 32.5% by weight of cubic ZrO 2 and 1.2% further phases were determined.
Die Granulierung dieses Schlickers erfolgt analog Beispiel 1. Die resultierenden Granalien weisen eine nahezu sphärische Form auf, Hohlkugelstruktur und Schalenbildung ist nicht signifikant nachweisbar, die mittlere Granaliengröße beträgt 57 µm. Das so hergestellte ZrO2-Granulat eignet sich zu Herstellung von keramischen Körpern. The granulation of this slurry is carried out analogously to Example 1. The resulting granules have a nearly spherical shape, hollow sphere structure and shell formation is not significantly detectable, the average granule size is 57 microns. The ZrO 2 granules produced in this way are suitable for the production of ceramic bodies.
Dieses Granulat weist ein besonders gutes Pressverhalten auf. Aus dem Granulat wurden quadratische Grünpresslinge (Größe ca. 2,7 cm × 1,2 cm × 0,6 cm) durch uniaxiales Verpressen bei 100 MPa und anschließendem isostatischen Nachverdichten bei 330 MPa. Die Grünpresslinge weisen eine Dichte von 51,87 % auf. An den Grünpresslingen wurden keine Risse ermittelt. This granulate has a particularly good pressing behavior. From the granules were squared green compacts (size about 2.7 cm × 1.2 cm × 0.6 cm) by uniaxial compression at 100 MPa and subsequent isostatic recompression at 330 MPa. The green compacts have a density of 51.87%. No cracks were detected on the green compacts.
Die Entbinderung und Sinterung erfolgte analog Beispiel 1. Erhalten wurde eine rissfreie Keramik mit einer Sinterdichte von 99,09 % und einer offenen Porosität von kleiner 0,1 %. An dem Keramikgefüge wurde mittels Linienschnittverfahren eine mittlere Korngröße von 245 nm ermittelt. Die Biegezugfestigkeit betrug nach
- 2θ
- Braggwinkel
- 2θ mono
- Braggwinkel der monoklinen Modifikation
- 2θ tetra
- Braggwinkel der tetragonalen Modifikation
- I
- Peakintensität
- Imono_A, Imono_B, Imono_C, Imono_D
- Peakintensität der monoklinen Modifikation
- Itetra_A, Itetra_B, Itetra_C, Itetra_D
- Peakintensität der tetragonalen Modifikation
- 2θ
- Bragg angle
- 2θ mono
- Bragg angle of the monoclinic modification
- 2θ tetra
- Bragg angle of the tetragonal modification
- I
- peak intensity
- Imono_A, Imono_B, Imono_C, Imono_D
- Peak intensity of the monoclinic modification
- Itetra_A, Itetra_B, Itetra_C, Itetra_D
- Peak intensity of the tetragonal modification
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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