DE102017104166A1 - METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-DENSITY AND DEFECT-ARMED SINTERED COMPONENTS, TRANSPARENT CERAMIC COMPONENT AND USE OF SUCH A - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen. Das Verfahren umfasst das Dispergieren (10, 11) eines Pulvers eines sinterfähigen anorganischen Materials mit einer wachshaltigen Emulsion zu einer Suspension, das Trocknen (12) der Suspension zu Trockengut, das Aufschmelzen und Homogenisieren (14) des Trockenguts zu einer homogenen Masse, das Einbringen (15) der homogenen Masse zum Formen von Formlingen in eine Form und das Wärmebehandeln (17, 18, 19) der Formlinge zu den hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein transparentes Keramikbauteil und eine Verwendung eines transparenten Keramikbauteils. The invention relates to a method for producing high-density and low-defect sintered components, in particular of transparent ceramic components. The process comprises dispersing (10, 11) a powder of a sinterable inorganic material with a wax-containing emulsion into a suspension, drying (12) the suspension to dryness, melting and homogenizing (14) the dry matter to a homogeneous mass, introducing (15) the homogeneous mass for molding moldings into a mold and heat-treating (17, 18, 19) the moldings to the high-density and low-defect sintered components. Furthermore, the invention relates to a transparent ceramic component and a use of a transparent ceramic component.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, unter Einsatz eines Pulvers eines sinterfähigen anorganischen Materials, insbesondere eines sinterfähigen anorganischen nichtmetallischen Materials, und einer wachshaltigen Emulsion. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein hochdichtes und defektarmes gesintertes Bauteil, insbesondere ein transparentes Keramikbauteil, das entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt ist, und eine Verwendung eines solchen hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteils, insbesondere eines solchen transparenten Keramikbauteils.The present invention relates to a method for producing high-density and low-defect sintered components, in particular transparent ceramic components, using a powder of a sinterable inorganic material, in particular a sinterable inorganic non-metallic material, and a wax-containing emulsion. Furthermore, the present invention relates to a high-density and low-defect sintered component, in particular a transparent ceramic component, which is made according to the inventive method, and a use of such a high-density and low-defect sintered component, in particular of such a transparent ceramic component.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Es ist allgemein bekannt, aus sinterfähigen anorganischen Materialien wie beispielsweise Zirkoniumoxid (ZrO2) für sichtbares Licht transluzente und auch transparente Keramikelemente zu fertigen. Zum Fertigen solcher Keramikelemente wird das sinterfähige anorganische Material mit unterschiedlichen Additiven vermischt und anschließend einer Formgebung unterzogen. Die Formgebung kann dabei zum Beispiel durch Pressen, Gießen oder Spritzgießen erfolgen.It is generally known to produce translucent and also transparent ceramic elements from sinterable inorganic materials such as zirconium oxide (ZrO 2 ) for visible light. To produce such ceramic elements, the sinterable inorganic material is mixed with various additives and then subjected to shaping. The shaping can be done for example by pressing, casting or injection molding.
Die
Allerdings sind optische Eigenschaften von Keramikbauteilen, die entsprechend den bekannten Verfahren hergestellt sind, durch mangelnde Homogenität der Bauteile beeinträchtigt. In vielen Fällen kann lediglich eine Transluzenz oder geringe Transparenz erreicht werden.However, optical properties of ceramic components manufactured in accordance with the known methods are impaired by lack of homogeneity of the components. In many cases, only a translucency or low transparency can be achieved.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen wie transparenten Keramikbauteilen zur Verfügung zu stellen. Ebenso soll ein hochdichtes und defektarmes gesintertes Bauteil wie ein transparentes Keramikbauteil mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere verbesserten optischen Eigenschaften, bereitgestellt werden.The object of the present invention is therefore to provide an improved process for producing high-density and low-defect sintered components, such as transparent ceramic components. Likewise, a high-density and low-defect sintered component, such as a transparent ceramic component with improved properties, in particular improved optical properties, is to be provided.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen nach Anspruch 1, das transparente Keramikbauteil nach Anspruch 11 und die Verwendung des transparenten Keramikbauteils nach Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by the method according to the invention for producing high-density and low-defect sintered components according to
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Nach einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, umfassend:
- Dispergieren eines Pulvers eines sinterfähigen anorganischen Materials mit einer wachshaltigen Emulsion zu einer Suspension;
- Trocknen der Suspension zu Trockengut;
- Aufschmelzen und Homogenisieren des Trockenguts zu einer homogenen Masse;
- Einbringen der homogenen Masse zum Formen von Formlingen in eine Form; und Wärmebehandeln der Formlinge zu den hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen.
- Dispersing a powder of a sinterable inorganic material with a wax-containing emulsion into a suspension;
- Drying the suspension to dryness;
- Melting and homogenizing the dry matter to a homogeneous mass;
- Introducing the homogeneous mass for molding moldings into a mold; and heat treating the moldings to the high density and low defect sintered components.
Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein transparentes Keramikbauteil, das ein sinterfähiges anorganisches Material umfasst, wobei das transparente Keramikbauteil mittels eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt gefertigt ist.According to a second aspect, the invention relates to a transparent ceramic component comprising a sinterable inorganic material, wherein the transparent ceramic component is manufactured by means of a method according to the first aspect.
Nach einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des transparenten Keramikbauteils nach dem zweiten Aspekt als Bauteil in der Optik, in der Lichttechnik, in der Zahnmedizin, in der Medizin, in der Medizintechnik, als Fensterelement, als Komponente eines Schmuckstücks und/oder als Komponente einer Uhr.According to a third aspect, the present invention relates to a use of the transparent ceramic component according to the second aspect as a component in optics, in lighting technology, in dentistry, in medicine, in medical technology, as a window element, as a component of a piece of jewelry and / or as Component of a clock.
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Further aspects and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the accompanying drawings and the following description of preferred embodiments.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen. Die transparenten Keramikbauteile können lichtdurchlässige Bauteile aus einem sinterfähigen Material sein, die insbesondere in einem bestimmten Welllängenbereich eine Transmission von 25 % oder mehr aufweisen können.The present invention relates to a method for producing high-density and low-defect sintered components, in particular of transparent ceramic components. The transparent ceramic components may be translucent components of a sinterable material, which may have a transmission of 25% or more, in particular in a certain wavelength range.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Pulver eines sinterfähigen anorganischen Materials, beispielsweise eines sinterfähigen anorganischen nichtmetallischen oder metallischen Materials, mit einer wachshaltigen Emulsion zu einer Suspension dispergiert. Beispielsweise kann das Pulver des sinterfähigen anorganischen Materials durch Rühren beispielsweise in einer Kugelmühle, insbesondere einer Rührwerkskugelmühle, mit der wachshaltigen Emulsion dispergiert werden. Durch das Dispergieren des sinterfähigen anorganischen Materials kann eine Hydrophobierung verbessert und eine Oberflächenglätte der gesinterten Bauteile gesteigert werden.According to the method of the invention, first a powder of a sinterable inorganic material, for example a sinterable inorganic non-metallic or metallic material, is dispersed with a wax-containing emulsion into a suspension. For example, the powder of the sinterable inorganic material can be prepared by stirring, for example in a Ball mill, in particular a stirred ball mill, are dispersed with the wax-containing emulsion. By dispersing the sinterable inorganic material, hydrophobization can be improved and surface smoothness of the sintered components can be increased.
Das sinterfähige anorganische Material kann ein anorganisches Material sein, das bei Einwirkung von Hitze und gegebenenfalls Druck versintert. Beim Sintern kann das anorganische Pulver einem durch Temperatur und gegebenenfalls Druck hervorgerufenen Festphasen-Sinterprozess, beispielsweise Volumen-und Oberflächendiffusionsprozesse gegebenenfalls mit Gastransport, unterzogen werden. Das sinterfähige anorganische Material kann eine hohe chemische Reinheit aufweisen, insbesondere eine Reinheit von mehr als 99 %, insbesondere von mehr als 99,9 %, insbesondere von mehr als 99,99 %. Das anorganische Material kann ein kubisches oder nichtkubisches Kristallsystem aufweisen und vorzugsweise optisch isotrope Eigenschaften besitzen.The sinterable inorganic material may be an inorganic material which sinters upon exposure to heat and optionally pressure. During sintering, the inorganic powder may be subjected to a solid phase sintering process caused by temperature and optionally pressure, for example volume and surface diffusion processes optionally with gas transport. The sinterable inorganic material may have a high chemical purity, in particular a purity of more than 99%, in particular more than 99.9%, in particular more than 99.99%. The inorganic material may have a cubic or non-cubic crystal system and preferably possess optically isotropic properties.
Die wachshaltige Emulsion kann Wachskügelchen bzw. Wachspartikel enthalten. Die Wachskügelchen können eine Größe von einigen Mikrometern aufweisen. Die Wachskügelchen können eine Wachsverbindung umfassen oder aus einer Wachsverbindung bestehen, deren Schmelzpunkt in einem Bereich von 45 °C bis 75 °C, insbesondere in einem Bereich von 55 °C bis 65 °C, insbesondere bei 60 °C, liegt. Beispielsweise können die Wachskügelchen ein Paraffin-Wachs enthalten. Die Wachskügelchen können eine hohe Reinheit, beispielsweise von 99 % oder mehr, insbesondere von mehr als 99,9 %, aufweisen. Die wachshaltige Emulsion kann beispielsweise einen Anteil an Wachskügelchen in einem Bereich von 50 Massenprozent bis 60 Massenprozent, insbesondere von 55 Massenprozent, enthalten.The waxy emulsion may contain wax beads or wax particles. The wax beads may be a few micrometers in size. The wax beads may comprise a wax compound or consist of a wax compound whose melting point is in a range of 45 ° C to 75 ° C, in particular in a range of 55 ° C to 65 ° C, especially at 60 ° C. For example, the wax beads may contain a paraffin wax. The wax beads may have a high purity, for example of 99% or more, in particular more than 99.9%. The waxy emulsion may, for example, contain a proportion of wax beads in a range of 50% by mass to 60% by mass, especially 55% by mass.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Suspension mit dem Pulver des sinterfähigen anorganischen Materials zu Trockengut getrocknet. Das Trocknen kann beispielsweise durch Wärmetrocknung beispielsweise in einem Trockenschrank erfolgen. Vorzugsweise kann die Wärmetrocknung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 120 °C, insbesondere bei 110 °C, durchgeführt werden. Die Wärmetrocknung kann solange fortgesetzt werden, bis ein Feuchtegehalt des Trockenguts geringer als 0,1 %, insbesondere geringer als 0,05 %, ist.According to the method of the invention, the suspension is dried to dryness with the powder of the sinterable inorganic material. The drying can be done for example by heat drying, for example in a drying oven. Preferably, the heat-drying at a temperature in the range of 100 ° C to 120 ° C, in particular at 110 ° C, are performed. The heat-drying can be continued until a moisture content of the dry matter is less than 0.1%, in particular less than 0.05%.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Trockengut aufgeschmolzen und zu einer homogenen Masse homogenisiert. Die homogene Masse ist insbesondere eine homogene Schmelzmasse. Das Aufschmelzen und Homogenisieren kann vorzugsweise gleichzeitig erfolgen. Beispielsweise kann das Trockengut in einem beheizten Rührwerk bei einer Temperatur im Bereich von 110 °C bis 130 °C, insbesondere bei 120 °C, geschmolzen und homogenisiert werden. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Homogenisierung der geschmolzenen Masse in einer Walzvorrichtung, beispielsweise einem Dreiwalzwerk, erfolgen.According to the method of the invention, the dry material is melted and homogenized to a homogeneous mass. The homogeneous mass is in particular a homogeneous melt. The melting and homogenization can preferably take place simultaneously. For example, the dry material in a heated stirrer at a temperature in the range of 110 ° C to 130 ° C, especially at 120 ° C, melted and homogenized. Optionally, an additional homogenization of the molten mass in a rolling apparatus, such as a three-roll mill, take place.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die homogene Masse zum Formen von Formlingen in eine Form eingebracht, vorzugsweise mittels eines thermoplastischen Formgebungsverfahrens. Die Form kann eine formstabile Form, beispielsweise aus Metall, sein. Alternativ kann die Form eine flexible Form, beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Silikon, sein. Die Form kann so ausgebildet sein, dass Formlinge in Form von Tabletten, Plättchen, optischen Bauteilen wie beispielsweise Linsen, Prismen oder anderen optischen Bauteilen, Fensterscheiben und anderen Formen erzeugt werden können.According to the method of the invention, the homogeneous mass for molding moldings is introduced into a mold, preferably by means of a thermoplastic molding process. The shape may be a dimensionally stable shape, for example of metal. Alternatively, the mold may be a flexible mold, for example made of plastic, in particular of silicone. The mold may be formed so that molded articles in the form of tablets, platelets, optical components such as lenses, prisms or other optical components, window panes and other shapes can be produced.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Formlinge zu den hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere den transparenten Keramikbauteilen, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung kann ein Entbindern, ein Sintern, eine heißisostatische Nachverdichtung (heißisostatisches Pressen - HIP) und/oder eine andere Wärmebehandlung umfassen.According to the inventive method, the moldings are heat-treated to the high-density and low-defect sintered components, in particular the transparent ceramic components. The heat treatment may include debinding, sintering, hot isostatic densification (hot isostatic pressing - HIP) and / or other heat treatment.
Durch das Dispergieren des Pulvers des sinterfähigen anorganischen Materials (sinterfähiges Pulver) mit der wachshaltigen Emulsion kann eine homogene Suspension zur Verfügung gestellt werden, aus der sich transparente Keramikbauteile mit einem hohen Füllgrad sowie einer hohen Dichte und damit einer gesteigerten Transparenz herstellen lassen.By dispersing the powder of the sinterable inorganic material (sinterable powder) with the wax-containing emulsion, a homogeneous suspension can be provided, from which transparent ceramic components with a high degree of filling and a high density and thus increased transparency can be produced.
Durch eine thermoplastische Formgebung lassen sich zudem insbesondere ohne eine Trocknung der in der Form befindlichen Masse komplex geformte Bauteile verwirklichen.By means of a thermoplastic shaping, moreover, complex components can be realized, in particular without drying the mass in the mold.
In manchen Ausführungsbeispielen können die Keramikbauteile Oxidkeramikbauteile, Nichtoxidkeramikbauteile und/oder Bauteile aus einem anderen keramischen Material sein.In some embodiments, the ceramic components may be oxide ceramic components, non-oxide ceramic components, and / or components of another ceramic material.
Das sinterfähige Material ein Oxid oder mehrere Oxide umfassen oder aus einem oder mehreren Oxiden bestehen. Zum Beispiel kann das sinterfähige Material Zirkoniumoxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Galliumoxid (Ga2O3), Scandiumoxid (Sc2O3), Yttriumoxid (Y2O3), ein oder mehrere Oxide der Seltenen Erden (beispielsweise SE2O3 und/oder SEO2), Zinkoxid (ZnO) und/oder andere Oxide enthalten oder aus einem oder mehreren dieser Oxide bestehen. Das sinterfähige Material kann auch Verbindungen mit kristalliner „Perovskit-Struktur“, beispielsweise Bleizirkonattitanat (Pb[Zr1-xTix]O3 mit 0≤x≤1), Barium-/Strontiumtitanat (Ba1-xSrxTiO3 mit 0≤x≤1) und/oder Kalium-/Natrium-Niobat- /Tantalat ((K1-x,Nax)(Ta1-yNby)O3 mit 0≤x≤1; 0≤y≤1), Yttriumvanadat YVO4, welches undotiert oder mit Elementen der Gruppe der Seltenen Erden dotiert (YVO4:SE) sein kann, Verbindungen mit kristalliner Granatstruktur, wobei der Term „Granat-Struktur“ insbesondere ein kubisches Material bedeutet und/oder umfasst, insbesondere der allgemeinen Struktur A3B2[XO4]3, wobei A ein zweiwertiges, B ein dreiwertiges sowie X ein vierwertiges Kation darstellen kann und/oder der allgemeinen Struktur A3B2[RO4]3, wobei A, B, R dreiwertige Kationen darstellen und wobei B und R auch identisch sein können bzw. Mischungen dieser Strukturen enthalten oder aus einer oder mehreren dieser Verbindungen bestehen. Beispielhaft hierfür stehen undotierte oder mit Elementen der Seltenen Erden, insbesondere Cer dotierte Vertreter wie (Y1-x Gdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce, (Y1-xTbx)3(Al1-yGay)5O12:Ce, (Y1-xDyx)3(Al1-xGay)5O12:Ce, (Lu1-x)3(Al1-y Gay)5O12:Ce, Lu3(Al1-xScx)5O12:Ce, (Y1-xGdx)3(Al1-yScy)5O12:Ce, (Y1-xTbx)3(Al1-yScy)5O12:Ce oder Mischungen daraus.The sinterable material comprises one or more oxides or consist of one or more oxides. For example, the sinterable material may include zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), one or more oxides of the rare Contain (for example, SE 2 O 3 and / or SEO 2 ), zinc oxide (ZnO) and / or other oxides or consist of one or more of these oxides. The sinterable material may also contain compounds having crystalline "perovskite structure", for example lead zirconate titanate (Pb [Zr 1-x Ti x ] O 3 where 0≤x≤1), barium / strontium titanate (Ba 1-x Sr x TiO 3 with 0≤x≤1) and / or potassium / sodium niobate / tantalate ((K 1-x , Na x ) (Ta 1-y Nb y ) O 3 where 0≤x≤1; 0≤y≤1 ), Yttrium vanadate YVO 4 , which may be undoped or doped with elements of the rare earth group (YVO 4 : SE), compounds with crystalline garnet structure, wherein the term "garnet structure" in particular means a cubic material and / or comprises, in particular of the general structure A 3 B 2 [XO 4 ] 3 , where A is a bivalent, B is a trivalent and X is a tetravalent cation and / or the general structure A 3 B 2 [RO 4 ] 3 , where A, B, R represent trivalent cations and wherein B and R may also be identical or contain mixtures of these structures or consist of one or more of these compounds. Exemplary of these are undoped or rare-earth elements, in particular cerium-doped, representatives such as (Y 1-x Gd x ) 3 (Al 1-y Ga y ) 5 O 12 : Ce, (Y 1-x Tb x ) 3 (Al 1-y Ga y ) 5 O 12 : Ce, (Y 1-x D y x ) 3 (Al 1-x Ga y ) 5 O 12 : Ce, (Lu 1-x ) 3 (Al 1-y Ga y ) 5 O 12 : Ce, Lu 3 (Al 1-x Sc x ) 5 O 12 : Ce, (Y 1-x Gd x ) 3 (Al 1-y Sc y ) 5 O 12 : Ce, (Y 1-x Tb x ) 3 (Al 1-y Sc y ) 5 O 12 : Ce or mixtures thereof.
Das sinterfähige anorganische Material kann einen oder mehrere Stabilisatoren, insbesondere in Form von Oxiden, enthalten. Beispielsweise kann Zirkoniumoxid (ZrO2) einen Stabilisator wie Yttriumoxid (Y2O3) enthalten und Aluminiumoxid (Al2O3) einen Stabilisator wie Magnesiumoxid (MgO) enthalten. Vorzugsweise kann das sinterfähige anorganische Material mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid sein. Beispielsweise ist das Zirkoniumoxid mit 6 mol% bis 10 mol% Yttriumoxid, insbesondere mit 8 mol% Yttriumoxid, stabilisiert.The sinterable inorganic material may contain one or more stabilizers, in particular in the form of oxides. For example, zirconia (ZrO 2 ) may contain a stabilizer such as yttria (Y 2 O 3 ) and alumina (Al 2 O 3 ) may contain a stabilizer such as magnesium oxide (MgO). Preferably, the sinterable inorganic material may be yttria-stabilized zirconia. For example, the zirconia is stabilized with 6 mol% to 10 mol% of yttrium oxide, in particular with 8 mol% of yttrium oxide.
Das sinterfähige Material kann auch Verbindungen mit kristalliner Pyrochlor-Struktur der allgemeinen Zusammensetzung A2+xByDzE7 enthalten oder aus einer oder mehreren dieser Verbindungen bestehen, wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 2 und 0 ≤ z ≤ 1,6 sowie 3x + 4y + 5z = 8 gilt und wobei A mindestens ein dreiwertiges Kation aus der Gruppe der Selten-Erd-Oxide, bevorzugt Y, Gd, Yb, Lu, La und/oder Sc, B mindestens ein vierwertiges Kation, insbesondere Ti, Zr, Hf, Sn und/oder Ge, D mindestens ein fünfwertiges Kation, insbesondere Nb und/oder Ta, und E mindestens ein Anion ist, das im Wesentlichen zweiwertig ist.The sinterable material may also contain compounds of crystalline pyrochlore structure of the general composition A 2 + x B y D z E 7 or consist of one or more of these compounds, where 0 ≤ x ≤ 1 and 0 ≤ y ≤ 2 and 0 ≤ z ≤ 1.6 and 3x + 4y + 5z = 8 and wherein A is at least one trivalent cation from the group of rare earth oxides, preferably Y, Gd, Yb, Lu, La and / or Sc, B at least one tetravalent cation , in particular Ti, Zr, Hf, Sn and / or Ge, D is at least one pentavalent cation, in particular Nb and / or Ta, and E is at least one anion which is essentially divalent.
Das sinterfähige Material kann auch einen oder mehrere anorganische Leuchtstoffe enthalten oder daraus bestehen.The sinterable material may also contain or consist of one or more inorganic phosphors.
Alternativ kann das sinterfähige Material ein oder mehrere Silikate, Nitride, Oxinitride, insbesondere Aluminiumoxinitrid (AlON), (Sr1-xCax)Si2N2O2:Eu und/oder BaSi2O2N2:Eu, und/oder Carbide enthalten oder aus einem oder mehreren dieser Stoff bestehen.Alternatively, the sinterable material may comprise one or more silicates, nitrides, oxynitrides, in particular aluminum oxynitride (AlON), (Sr 1-x Ca x ) Si 2 N 2 O 2 : Eu and / or BaSi 2 O 2 N 2 : Eu, and / or contain carbides or consist of one or more of these substance.
Alternativ können die hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteile auch metallische Bauteile oder Bauteile aus einer Legierung sein. Das sinterfähige anorganische Material kann in diesem Fall ein Metall und/oder eine Legierung enthalten oder daraus bestehen.Alternatively, the high-density and low-defect sintered components may also be metallic components or components made of an alloy. The sinterable inorganic material may in this case contain or consist of a metal and / or an alloy.
In manchen Ausführungsbeispielen können Pulverpartikel des Pulvers des sinterfähigen anorganischen Materials eine Größe von wenigen Mikrometern oder kleiner, insbesondere eine Größe im Nanometerbereich, aufweisen. Vorzugsweise kann das sinterfähige Pulver ein Nanopulver sein, das beispielsweise eine mittlere Partikelgröße von 0,1 µm bis 1 µm, insbesondere von 0,4 µm bis 0,6 µm, insbesondere von 0,5 µm, aufweist.In some embodiments, powder particles of the powder of the sinterable inorganic material may have a size of a few micrometers or smaller, in particular a size in the nanometer range. Preferably, the sinterable powder may be a nanopowder having, for example, an average particle size of 0.1 .mu.m to 1 .mu.m, in particular from 0.4 .mu.m to 0.6 .mu.m, in particular of 0.5 .mu.m.
In manchen Ausführungsformen kann die wachshaltige Emulsion eine wässrige Wachsemulsion sein. Die wässrige Wachsemulsion kann Wachskügelchen einer oder mehrerer Wachsverbindungen und Wasser, insbesondere entsalztes oder einfach oder mehrfach destilliertes Wasser, enthalten. Die Wachsverbindung kann dabei einen Schmelzpunkt in einem Bereich von 45 °C bis 75 °C, insbesondere in einem Bereich von 55 °C bis 65 °C, insbesondere von 60 °C, aufweisen. Vorzugsweise ist die wachshaltige Emulsion eine nicht-ionische wässrige Emulsion eines Paraffinwachses.In some embodiments, the waxy emulsion may be an aqueous wax emulsion. The aqueous wax emulsion may contain wax beads of one or more wax compounds and water, in particular desalted or mono- or multi-distilled water. The wax compound may have a melting point in a range of 45 ° C to 75 ° C, in particular in a range of 55 ° C to 65 ° C, in particular of 60 ° C. Preferably, the waxy emulsion is a nonionic aqueous emulsion of a paraffin wax.
In manchen Ausführungsformen kann beim Dispergieren des Pulvers des sinterfähigen anorganischen Materials mit der wachshaltigen Emulsion das Pulver des sinterfähigen anorganischen Materials mit einem Dispergiermittel und/oder mit Wasser zu einer Vorsuspension vordispergiert werden und die Vorsuspension mit der wachshaltigen Emulsion dispergiert werden. Das Dispergiermittel kann einen Ester insbesondere von langkettigen Alkoholen, vorzugsweise einen polaren sauren Ester von langkettigen Alkoholen, enthalten oder daraus bestehen. Das Dispergiermittel kann auch ein anderes organisches Dispergiermittel, beispielsweise ein Polyacrylat-, Zitrat-, Tatrat- und/oder Polysulfonat-basiertes Dispergiermittel sein. Beim Dispergieren von anorganischen Füllstoffen wie dem sinterfähigen Pulver können beispielsweise maximal 5 %, insbesondere von 1 % bis 3 %, an Dispergiermittel zum Einsatz kommen. Das Dispergiermittel kann an Partikeloberflächen von anorganischen Füllpartikeln adsorbieren, wodurch eine verbesserte Verarbeitung und Dispergierung der Partikel erreicht werden kann. Insbesondere kann durch das Dispergiermittel die Viskosität reduziert werden. Das Wasser kann ein entsalztes oder einfach bis mehrfach destilliertes Wasser sein.In some embodiments, when dispersing the powder of sinterable inorganic material with the wax-containing emulsion, the powder of the sinterable inorganic material may be predispersed with a dispersant and / or water to a pre-suspension and the pre-suspension dispersed with the wax-containing emulsion. The dispersant may contain or consist of an ester, especially long chain alcohols, preferably a polar acid ester of long chain alcohols. The dispersant may also be another organic dispersant, for example a polyacrylate, citrate, titrate and / or polysulfonate based dispersant. When dispersing inorganic fillers such as the sinterable powder, for example, at most 5%, in particular from 1% to 3%, of dispersant can be used. The dispersant can adsorb to particle surfaces of inorganic filler particles, whereby improved processing and dispersion of the particles can be achieved. In particular, the viscosity can be reduced by the dispersant. The water can be a desalted or simply distilled water.
Vorzugsweise kann ein Anteil der Suspension an sinterfähigem Pulver zwischen 60 Massenprozent und 70 Massenprozent variieren. Ein Verhältnis zwischen einem Anteil an Wasser und Dispergiermittel einerseits und einem Anteil an wachshaltiger Emulsion andererseits kann zwischen 4/3 und 2/1, insbesondere bei 5/3, liegen.Preferably, a proportion of the sinterable powder suspension may vary between 60% and 70% by mass. A ratio between a share of water and Dispersant on the one hand and a content of wax-containing emulsion on the other hand can be between 4/3 and 2/1, in particular at 5/3.
In manchen Ausführungsformen kann gemäß dem Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, weiterhin ein Netzmittel mit dem Trockengut gemischt werden. Vorzugsweise wird das Netzmittel vor Beginn des Aufschmelzens und Homogenisierens des Trockenmittels mit dem Trockengut gemischt oder zu Beginn des Aufschmelzens und Homogenisierens des Trockenmittels zu dem Trockengut zugegeben und mit diesem gemischt, insbesondere verrührt. Das Netzmittel kann einer Herabsetzung von Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen dienen und die Bildung einer homogenen Masse unterstützen. Außerdem kann das Netzmittel die Transparenz des transparenten Keramikbauteils erhöhen und die Viskosität der Masse verringern. Das Netzmittel kann ein Copolymer enthalten oder daraus bestehen. Das Copolymer kann beispielsweise Gruppen aufweisen, die mit den Partikeln des sinterfähigen Pulvers Wechselwirkungen eingehen. Beim Vermischen von anorganischen Füllstoffen können beispielsweise maximal 15 %, insbesondere von 5 % bis 10 %, an Netzmittel zum Einsatze kommen.In some embodiments, in accordance with the method of manufacturing high density and low defect sintered components, particularly transparent ceramic components, a wetting agent may further be mixed with the dry matter. Preferably, the wetting agent is mixed before starting melting and homogenizing the desiccant with the dry material or added at the beginning of melting and homogenizing the desiccant to the dry material and mixed with this, in particular stirred. The wetting agent can serve to reduce interfacial tension between two phases and aid in the formation of a homogeneous mass. In addition, the wetting agent can increase the transparency of the transparent ceramic component and reduce the viscosity of the mass. The wetting agent may contain or consist of a copolymer. The copolymer may, for example, have groups which interact with the particles of the sinterable powder. When mixing inorganic fillers, for example, a maximum of 15%, in particular from 5% to 10%, of wetting agents can be used.
In manchen Ausführungsbeispielen kann gemäß dem Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, weiterhin vor dem Einbringen der homogenen Masse in die Form ein Leuchtstoff zugegeben werden. Der Leuchtstoff kann beispielsweise unter das sinterfähige Pulver gemischt werden, beim Dispergieren des sinterfähigen Pulvers mit der wachshaltigen Emulsion zugegeben und untergemischt werden, unter das Trockengut gemischt werden oder während des Aufschmelzens und Homogenisierens des Trockenguts zu der homogenen Masse zugegeben und untergemischt werden. Alternativ dazu kann das Pulver selbst der anorganische Leuchtstoff sein und so eine transparente Leuchtstoffkeramik hergestellt werden.In some embodiments, according to the method for manufacturing high-density and low-defect sintered components, in particular of transparent ceramic components, it is furthermore possible to add a phosphor before introducing the homogeneous mass into the mold. For example, the phosphor may be mixed below the sinterable powder, added and mixed in dispersing the sinterable powder with the wax-containing emulsion, mixed under the dry material, or added to the homogeneous mass during mixing and homogenization of the dry matter. Alternatively, the powder itself may be the inorganic phosphor, thus producing a transparent phosphor ceramic.
Der Leuchtstoff kann ein Material aufweisen, das durch Zufuhr von Energie durch Strahlung in einen angeregten, energiereichen Zustand versetzt wird. Der Leuchtstoff kann anorganische, kristalline Feststoffteilchen in mikro- oder nanoskaliger Größenordnung enthalten. Zum Beispiel kann der Leuchtstoff auf Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG) basieren. Vorzugsweise kann der Leuchtstoff YAG:Ce, das beispielsweise für die Erzeugung von weißem Licht in LEDs eingesetzt wird, oder LuAG:Ce aufweisen, wobei einem aus YAG bzw. LuAG bestehenden Wirtsgitter Ce3+-Ionen hinzudotiert wurden. Der Leuchtstoff weist vorzugsweise eine hohe chemische Reinheit auf, insbesondere eine Reinheit von 99,9% oder mehr.The phosphor may comprise a material which is energized by the application of energy by radiation in an excited, high-energy state. The phosphor may contain inorganic, crystalline particulate matter of micro- or nanoscale order. For example, the phosphor may be based on Yttrium Aluminum Garnet (YAG) or Lutetium Aluminum Garnet (LuAG). Preferably, the phosphor YAG: Ce, which is used, for example, for the production of white light in LEDs, or LuAG: Ce, wherein an existing of YAG or LuAG host lattice Ce 3+ ions were added. The phosphor preferably has a high chemical purity, in particular a purity of 99.9% or more.
Beispiele für anorganische Leuchtstoffe sind (Ba1-xSrx)MgAl10O17:Eu, (Ba1-xSrx)Mg3Al14O25:Eu, (Sr,Ca,Mg)2Si2O6:Eu, CaAl2O4:Eu, (Ba1-xSrx)Al2Si2O8:Eu, (Ba1-xSrx)6BP5O20:Eu, (Ca1-x-y SrxBay)5(PO4)3(F1-aCly):Eu, (Y,Gd)(Nb1-x)O4, (Ba,Sr,Ca)2MgSi2O7:Eu, (Ba1-xSrx)ZrSi3O9:Eu und/oder andere anorganische Leuchtstoffe. Weitere Beispiele für anorganische Leuchtstoffe sind Li3Ba2(Tb1-x-y EuxLny)3(Mo1-zWz)8O32, A3AE2(Tb1-x-yEuxLny)3(Mo1-zWz)8O32, A(Tb1-x-yEuxLny) (Mo1-zWz)2O8, (Tb1-x-y EuxLny)2(Mo1-zWz)O6, (Tb1-x-yEuxLny)2(Mo1-zWz)2O9, (Tb1-x-yEuxLny)2(Mo1-zWz)4O15, (Tb1-x-y EuxLny)2SiO5, (Tb1-x-yEuxLny)2Si2O7, A(Tb1-x-yEuxLny)SiO4, Ba2(Tb1-x-yEuxLny)2Si4O13, AE2(Tb1-x-y EuxLny)2Si4O13, Sr2(Tb1-x-yEuxLny)2Si6O18, AE3(Tb1-x-yEuxLny)2Si6O18, (Tb1-x-yEuxLny)2GeO5, (Tb1-x-y EuxLny)2Ge2O7, A(Tb1-x-yEuxLny)2Si2O7, Ba2(Tb1-x-yEuxLny)2Ge4O13, AE2(Tb1-x-yEuxLny)2Ge4O13, Sr3(Tb1-x-yEuxLny)2Ge6O18, AE3(Tb1-x-yEuxLny)2Ge6O18, (Tb1-x-yEuxLny)2(Ge1-a-bZraHfb)O5, (Tb1-x-y EuxLny)2(Ge1-a-bZraHfb)2O7, A(Tb1-x-yEuxLny)(Ge1-a-bZraHfb)O4, Ba2(Tb1-x-yEuxLny)2(Ge1-a-bZraHfb)4O13, Sr3(Tb1-x-yEuxLny)2(Ge1-a-bZraHfb)6O18 mit (jeweils unabhängig für jedes Material) Ln = La, Gd, Lu, Y oder Mischungen daraus, A = Li, Na, K, Rb, Cs oder Mischungen daraus, bevorzugt Li, AE = Sr, Ca, Br oder Mischungen daraus, bevorzugt Ba und/oder Sr, x > 0 und < 1 sowie y ≥ 0 und < 1 sowie 1-x-y > 0 sowie a, b ≥ 0 und < 0.2 sowie z ≥ 0 und ≤ 1 oder Mischungen dieser Materialien.Examples of inorganic phosphors are (Ba 1-x Sr x ) MgAl 10 O 17 : Eu, (Ba 1-x Sr x ) Mg 3 Al 14 O 25 : Eu, (Sr, Ca, Mg) 2 Si 2 O 6 : Eu, CaAl 2 O 4 : Eu, (Ba 1-x Sr x ) Al 2 Si 2 O 8 : Eu, (Ba 1-x Sr x ) 6 B P 5 O 20 : Eu, (Ca 1-xy Sr x Ba y ) 5 (PO 4 ) 3 (F 1-a Cl y ): Eu, (Y, Gd) (Nb 1-x ) O 4 , (Ba, Sr, Ca) 2 MgSi 2 O 7 : Eu, ( Ba 1-x Sr x ) ZrSi 3 O 9 : Eu and / or other inorganic phosphors. Further examples of inorganic phosphors are Li 3 Ba 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 3 (Mo 1-z W z ) 8 O 32 , A 3 AE 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 3 (Mo 1-z W z ) 8 O 32 , A (Tb 1-xy Eu x Ln y ) (Mo 1-z W z ) 2 O 8 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (Mo 1-z W z ) O 6 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (Mo 1-z W z ) 2 O 9 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (Mo 1-z W z ) 4 O 15 (Tb 1-xy Eu x Ln y) 2 SiO 5, (Tb 1-xy Eu x Ln y) 2 Si 2 O 7, A (Tb 1-xy Eu x Ln y) SiO 4, Ba 2 (Tb 1 -xy Eu x Ln y ) 2 Si 4 O 13 , AE 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Si 4 O 13 , Sr 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Si 6 O 18 , AE 3 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Si 6 O 18 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 G e O 5 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Ge 2 O 7 , A (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Si 2 O 7 , Ba 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Ge 4 O 13 , AE 2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Ge 4 O 13 , Sr 3 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Ge 6 O 18 , AE 3 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 Ge 6 O 18 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 ( Ge 1-ab Zr a Hf b ) O 5 , (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (G e1-ab Zr a Hf b ) 2 O 7 , A (Tb 1-xy Eu x Ln y ) (Ge 1-ab Zr a Hf b ) O 4 , B a2 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (G e1-ab Zr a Hf b ) 4 O 13 , Sr 3 (Tb 1-xy Eu x Ln y ) 2 (Ge 1-ab Zr a Hf b ) 6 O 18 with (each independently for each material) Ln = La, Gd, Lu, Y or mixtures thereof, A = Li, Na, K, Rb, Cs or mixtures thereof, preferably Li, AE = Sr, Ca , Br or mixtures thereof, preferably Ba and / or Sr, x> 0 and <1 and y ≥ 0 and <1 and 1-xy> 0 and a, b ≥ 0 and <0.2 and z ≥ 0 and ≤ 1 or mixtures of these materials.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das Einbringen der homogenen Masse in die Form mittels Spritzgießens, insbesondere mittels Niederdruckspritzgießens, erfolgen. Das Niederdruckspritzgießen kann beispielsweise bei einer Temperatur der homogenen Masse in einem Bereich von 100 °C bis 140 °C, insbesondere in einem Bereich von 115 °C bis 125 °C, und einem Spritzdruck in einem Bereich von 0,5 bar bis 10 bar, insbesondere in einem Bereich von 3 bar bis 7 bar, erfolgen. Alternativ kann die homogene Schmelzmasse auch auf andere Weise in die Form eingebracht werden, beispielsweise durch Eingießen oder Einstreichen der Masse in die Form.In some embodiments, the introduction of the homogeneous mass in the mold by means of injection molding, in particular by means of low-pressure injection molding, take place. The low pressure injection molding may, for example, at a temperature of the homogeneous mass in a range of 100 ° C to 140 ° C, in particular in a range of 115 ° C to 125 ° C, and an injection pressure in a range of 0.5 bar to 10 bar, in particular in a range of 3 bar to 7 bar, take place. Alternatively, the homogeneous melt can also be introduced into the mold in other ways, for example by pouring or pouring the mass into the mold.
Nach dem Einbringen der homogenen Masse in die Form kann die Form mit der homogenen Masse beispielsweise mittels eines Rütteltischs gerüttelt werden, um Lufteinschlüsse zu beseitigen.After introduction of the homogeneous mass into the mold, the mold can be shaken with the homogeneous mass, for example by means of a vibrating table, in order to eliminate air pockets.
Nachdem die homogene Masse in der Form erstarrt ist, beispielsweise abgekühlt und erstarrt ist, können die Formlinge aus der Form entnommen werden.After the homogeneous mass has solidified in the mold, for example cooled and solidified, The moldings can be removed from the mold.
In manchen Ausführungsbeispielen können die Formlinge beim Wärmebehandeln der Formlinge entbindert werden. Beim Entbindern der Formlinge werden Wachsbestandteile der Formlinge zumindest teilweise aufgeschmolzen und den Formlingen aufgrund einer kapillaren Saugwirkung eines Einbettmaterials in einem Entbinderungsbett, beispielsweise einem Pulverbett, einem Granulatbett oder einem Kugelbett, oder auf einer (zum Beispiel keramischen) porösen und damit über Kapillarkräfte verfügenden Unterlage entzogen. Das Einbettmaterial oder die temperaturbeständige (zum Beispiel keramische) Unterlage kann eine hohe Porosität aufweisen, um die kapillare Saugwirkung zur Aufnahme des Wachses beim Entbindern zu begünstigen. Das Einbettmaterial oder die Unterlage sind vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht mit den hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen chemisch reagieren. Beispielsweise kann das Einbettmaterial Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder ein anderes Oxidkeramikmaterial sein. Vorzugsweise beträgt eine Größe der Pulver- bzw. Granulatpartikel bzw. der Kügelchen einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 µm bis 5 mm.In some embodiments, the moldings may be debinded during heat treatment of the moldings. When debindering the moldings wax components of the moldings are at least partially melted and withdrawn to the moldings due to a capillary suction of an embedding in a debindering bed, such as a powder bed, a granule bed or a ball bed, or on a (for example ceramic) porous and thus have capillary forces underlay , The embedding material or the temperature-resistant (for example ceramic) pad can have a high porosity, in order to promote the capillary suction for receiving the wax during debindering. The potting material or pad is preferably selected so that it does not chemically react with the high density and low defect sintered components. For example, the potting material may be alumina, zirconia, or other oxide ceramic material. Preferably, a size of the powder or granule particles or the beads has an average diameter in the range of 0.1 μm to 5 mm.
Das Entbindern kann zum Beispiel zwei Entbinder-Phasen aufweisen, wobei eine Aufheizrate in einer ersten Entbinder-Phase geringer als in einer zweiten Entbinder-Phase ist. Beispielsweise können die Formlinge in einer ersten Entbinder-Phase mit einer ersten Aufheizrate, beispielsweise einer Aufheizrate von 0,1 K/min bis 1 K/min, auf eine erste Temperatur, beispielsweise eine Temperatur von 200 °C bis 300 °C, erwärmt werden und anschließend für eine erste Zeitspanne, beispielsweise eine Zeitspanne von 100 min bis 200 min, auf der ersten Temperatur gehalten werden. Anschließend können die Formlinge in einer zweiten Entbinder-Phase mit einer zweiten Aufheizrate, beispielsweise einer Aufheizrate von 0,5 K/min bis 1 K/min, auf eine zweite Temperatur, beispielsweise eine Temperatur von 450 °C bis 550 °C, erwärmt werden und anschließend für eine zweite Zeitspanne, beispielsweise eine Zeitspanne von 15 min bis 30 min, auf der zweite Temperatur gehalten werden.The debinding may, for example, have two binder removal phases, wherein a heating rate in a first binder removal phase is lower than in a second binder removal phase. For example, in a first debindering phase, the shaped articles can be heated to a first temperature, for example a temperature of 200 ° C. to 300 ° C., at a first heating rate, for example a heating rate of 0.1 K / min to 1 K / min and then maintained at the first temperature for a first period of time, for example, a period of from 100 minutes to 200 minutes. Subsequently, the moldings in a second binder removal phase with a second heating rate, for example a heating rate of 0.5 K / min to 1 K / min, to a second temperature, for example a temperature of 450 ° C to 550 ° C, heated and then maintained at the second temperature for a second period of time, such as a period of 15 minutes to 30 minutes.
Bei Bedarf können noch weitere Entbinder-Phasen ergänzt werden. Beispielsweise können die Formlinge in einer dritten Entbinder-Phase, die vor der ersten Entbinder-Phase durchgeführt wird, mit einer dritten Aufheizrate, beispielsweise einer Aufheizrate von 0,1 K/min bis 1 K/min, auf eine dritte Temperatur, beispielsweise eine Temperatur von 100 °C bis 200 °C, erwärmt werden und anschließend für eine dritte Zeitspanne, beispielsweise eine Zeitspanne von 100 min bis 200 min, auf der dritten Temperatur gehalten werden.If necessary, further binder removal phases can be added. For example, in a third debinding phase, which is carried out before the first debindering phase, the shaped articles can be heated to a third temperature, for example a temperature, at a third heating rate, for example a heating rate of 0.1 K / min to 1 K / min from 100 ° C to 200 ° C, and then maintained at the third temperature for a third period of time, for example, a period of 100 minutes to 200 minutes.
In manchen Ausführungsbeispielen können die Formlinge, vorzugsweise die entbinderten Formlinge (Braunlinge), beim Wärmebehandeln der Formlinge gesintert und/oder nachverdichtet, insbesondere heißisostatisch nachverdichtet, und/oder getempert werden. Beim Sintern können Reste der Wachsbestandteile in den entbinderten Formlingen verbrannt werden.In some embodiments, the blanks, preferably the debindered blanks (brown pieces), may be sintered and / or post-compacted, in particular hot isostatically recompressed, and / or tempered during the heat-treatment of the blanks. During sintering, residues of the wax constituents can be burned in the debindered moldings.
Das Sintern kann beispielsweise in einem Hochtemperaturofen unter Luftatmosphäre stattfinden. Dabei können die entbinderten Formlinge (Braunlinge) auf eine Aluminiumoxidplatte gelegt sein und mit einer Aufheizrate von 1,5 K/min bis 2 K/min auf eine Temperatur in einem Bereich von 1200 °C bis 2000 °C mit anschließender Haltezeit von 1,5 Stunden bis 2,5 Stunden zu Weißlingen oder Keramiken mit einer Dichte > 95 % der theoretischen Dichte gesintert werden.The sintering can take place, for example, in a high-temperature furnace under air atmosphere. The debindered briquettes (brownlings) can be placed on an alumina plate and at a heating rate of 1.5 K / min to 2 K / min to a temperature in a range of 1200 ° C to 2000 ° C with subsequent holding time of 1.5 Sintered for hours to 2.5 hours to Whites or ceramics with a density> 95% of the theoretical density.
Beim heißisostatischen Nachverdichten können die Weißlinge oder Keramiken mit einer Dichte > 95 % der theoretischen Dichte bei einer Temperatur von 1300 °C bis 2000 °C unter einem Druck von 150 MPa bis 200 MPa und mit einer Haltezeit von 1,5 Stunden bis 2,5 Stunden beispielsweise unter einer Argon-Atmosphäre heißisostatisch nachverdichtet werden. Vorzugsweise werden die nachverdichteten Formlinge einem Annealingbrand bei einer Temperatur von 900 °C bis 1200 °C mit einer Haltezeit von 0,5 Stunden bis 1,5 Stunden unterzogen, da die Proben nach dem heißisostatischen Nachverdichten eine dunkle Farbe aufweisen.In hot isostatic densification, the whitenesses or ceramics having a density> 95% of the theoretical density at a temperature of 1300 ° C to 2000 ° C under a pressure of 150 MPa to 200 MPa and with a holding time of 1.5 hours to 2.5 Hours, for example, under an argon atmosphere hot isostatically recompressed. Preferably, the densified moldings are subjected to an annealing firing at a temperature of 900 ° C to 1200 ° C with a holding time of 0.5 hours to 1.5 hours, since the samples after hot isostatic recompression have a dark color.
Die wärmebehandelten Formlinge bzw. die hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteile, insbesondere die transparenten Keramikbauteile, können anschließend nachbearbeitet werden. Beispielsweise können die gesinterten Bauteile zugeschnitten, geschliffen und/oder poliert werden. Auch ein dem Trowalisieren ähnlicher Bearbeitungsprozess zur Reduzierung der Oberflächenrauheit und Verbesserung der Oberflächengüte kann Anwendung finden.The heat-treated blanks or the high-density and low-defect sintered components, in particular the transparent ceramic components, can subsequently be reworked. For example, the sintered components can be cut, ground and / or polished. Also, a trowalizing similar machining process to reduce the surface roughness and improve the surface quality can be applied.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, können qualitativ hochwertige insbesondere transparente Keramikbauteile bereitgestellt werden, die sich durch eine hohe Homogenität und Dichte und damit eine hohe Transparenz auszeichnen und zudem robust gegenüber Umwelteinflüssen sind.The inventive method for producing high-density and low-defect sintered components, in particular of transparent ceramic components, high-quality, especially transparent ceramic components can be provided, which are characterized by high homogeneity and density and thus high transparency and are also robust against environmental influences.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein hochdichtes und defektarmes gesintertes Bauteil, insbesondere ein transparentes Keramikbauteil, das ein sinterfähiges anorganisches Material, beispielsweise ein anorganisches nichtmetallisches oder metallisches Material, umfasst wie sie oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren aufgelistet sind. Das Keramikbauteil kann beispielsweise ein Oxidkeramikbauteil, ein Nichtoxidkeramikbauteil und/oder ein Bauteil aus einem anderen keramischen Material sein. Das hochdichte und defektarme gesinterte Bauteil, insbesondere das transparente Keramikbauteil, ist mittels des oben ausführlich beschriebenen Verfahrens zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen gefertigt. Das transparente Keramikbauteil zeichnet sich durch eine hohe Transparenz bei gleichzeitig hoher Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aus.The present invention further relates to a high-density and low-defect sintered component, in particular a transparent ceramic component comprising a sinterable inorganic material, for example an inorganic non-metallic or metallic material as listed above with reference to the process of the invention. The ceramic component can be, for example, an oxide ceramic component, a non-oxide ceramic component and / or a component made from another ceramic material. The high-density and low-defect sintered component, in particular the transparent ceramic component, is manufactured by means of the method described in detail above for the production of high-density and low-defect sintered components. The transparent ceramic component is characterized by a high transparency and at the same time high robustness against environmental influences.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteils, insbesondere eines transparenten Keramikbauteils, das ein sinterfähiges anorganisches Material umfasst und mittels des oben ausführlich beschriebenen Verfahrens zum Fertigen von hochdichten und defektarmen gesinterten Bauteilen, insbesondere von transparenten Keramikbauteilen, gefertigt ist, als Bauteil in der Optik, in der Lichttechnik und/oder in der Zahnmedizin, der Medizin, der Medizintechnik, als Fensterelement, als Komponente eines Schmuckstücks und/oder als Komponente einer Uhr. Beispielsweise kann das transparente Keramikbauteil als Linse oder als Prisma in der Optik oder als Laserbauteil oder als LED-Bauteil, beispielsweise als Filter, in der Lichttechnik verwendet werden. Alternativ kann das transparente Keramikbauteil als Fenster in einem Rohrleitungssystem beispielsweise zur optischen Überwachung von Strömen oder in thermisch und/oder chemisch beanspruchten Reaktoren und/oder als Fenster bei einem Ballistikschutz verwendet werden.The present invention further relates to a use of a high-density and low-defect sintered component, in particular a transparent ceramic component, which comprises a sinterable inorganic material and by means of the method described in detail above for producing high-density and low-defect sintered components, in particular of transparent ceramic components, as Component in optics, in lighting technology and / or in dentistry, medicine, medical technology, as a window element, as a component of a piece of jewelry and / or as a component of a clock. For example, the transparent ceramic component can be used as a lens or as a prism in optics or as a laser component or as an LED component, for example as a filter, in lighting technology. Alternatively, the transparent ceramic component can be used as a window in a piping system, for example for the optical monitoring of currents or in thermally and / or chemically stressed reactors and / or as a window in a ballistic protection.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben. Es zeigen:
-
1 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Fertigen von transparenten Keramikbauteilen; -
2 eine schematische Darstellung einer Negativform und eines tablettenförmigen Grünlings; -
3 eine Darstellung eines Programms zum Entbindern von Grünlingen; -
4 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Fertigen von transparenten Keramikbauteilen; und -
5 eine schematische Darstellung der Entstehung von weißem Licht in der LED-Technik.
-
1 a flowchart of a first embodiment of a method for manufacturing transparent ceramic components; -
2 a schematic representation of a negative mold and a tablet-shaped green compact; -
3 a representation of a program for the removal of greenlings; -
4 a flowchart of a second embodiment of a method for manufacturing transparent ceramic components; and -
5 a schematic representation of the formation of white light in LED technology.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Bei
Das Zirkoniumoxidpulver besteht aus einem mit 8 mol-% Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid-Rohstoff, der eine kleine spezifische Oberfläche aufweist und damit ein sehr gutes Fließverhalten beim keramischen Spritzgießen ermöglicht. Das Zirkoniumoxidpulver besitzt eine runde Partikelform mit einem d50-Wert von 0,6 µm und einer Primärkorngröße von 0,06 µm. Die spezifische Oberfläche beträgt 7 ± 2 m2/g. Die Reindichte des Materials beträgt 5,90 g/cm2.The zirconia powder consists of a zirconia raw material stabilized with 8 mol% yttrium, which has a small specific surface area and thus allows a very good flow behavior in ceramic injection molding. The zirconium oxide powder has a round particle shape with a d 50 value of 0.6 μm and a primary particle size of 0.06 μm. The specific surface area is 7 ± 2 m 2 / g. The true density of the material is 5.90 g / cm 2 .
Bei
Die Wachsemulsion ist eine nicht-ionische wässrige Emulsion eines Paraffinwachses. Sie ist bei Zimmertemperatur flüssig und weist eine weiße Farbe auf. Sie hat eine wässrige Basis und ein Feststoffgehalt beträgt 55 Massenprozent. Eine Dichte beträgt 0.95 g/cm3. Der Schmelzpunkt der Wachskomponente liegt bei 65 °C und der Siedepunkt bei 100 °C.The wax emulsion is a nonionic aqueous emulsion of a paraffin wax. It is liquid at room temperature and has a white color. It has an aqueous base and a solids content is 55 percent by mass. A density is 0.95 g / cm 3 . The melting point of the wax component is 65 ° C and the boiling point at 100 ° C.
Die wässrige Suspension umfasst 100 Gewichtsteile Zirkoniumoxidpulver, 0,5 Gewichtsteile Dispergiermittel, 24,6 Gewichtsteile entsalztes Wasser und 15,52 Gewichtsteile Wachsemulsion.The aqueous suspension comprises 100 parts by weight of zirconia powder, 0.5 part by weight of dispersant, 24.6 parts by weight of desalted water and 15.52 parts by weight of wax emulsion.
Bei
Bei
Bei
Bei
Bei
Bei
Das Entbindern kann einem Entbinderungsprogramm, wie es nachfolgend mit Bezug auf
Bei
Bei
Bei
Ein zweites Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Art und Weise des Einbringens der homogenen Schmelzmasse in die Form bei 15. Die übrigen Verfahrensschritte sind unverändert.A second embodiment differs from the first embodiment in the manner of introducing the homogeneous melt into the mold at 15. The remaining process steps are unchanged.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die homogene Masse in geschmolzener Form in eine Silikonform eingebracht. Dazu werden die homogene Masse und die Silikonform in einem Trockenschrank bei 110 °C vortemperiert und die homogene Masse wird dann auf einem Rütteltisch manuell in die Silikonform eingegossen, wodurch eine gute Verdichtung der Masse erreicht wird.According to the second embodiment, the homogeneous mass is introduced in molten form into a silicone mold. For this purpose, the homogeneous mass and the silicone mold are pre-heated in a drying oven at 110 ° C and the homogeneous mass is then poured into a vibrating table manually in the silicone mold, whereby a good compaction of the mass is achieved.
Die Silikonform kann beispielsweise hergestellt sein, indem eine Formtablette mit einem Durchmesser von 24,80 mm und einer Höhe von 3,45 mm in einer Kunststoffschale platziert und mit Silikon vergossen wird. Nach dem Aushärten des Silikons wird die entstandene Silikonform zur Formgebung verwendet.For example, the silicone mold can be made by placing a 24.50 mm diameter, 3.45 mm height molded tablet in a plastic cup and potting it with silicone. After curing of the silicone, the resulting silicone mold is used for shaping.
Zusätzlich zu den Verfahrensschritten
Bei
YAG:Ce wird für die Erzeugung von weißem Licht in LEDs eingesetzt. Das Prinzip beruht auf dem der Lumineszenz. Der Leuchtstoff wird mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt, so dass Elektronen aus dem Valenzband auf das höhere Leitungsband angehoben werden, innerhalb dem sich die Elektronen frei durch den Kristall bewegen können. Dadurch geben die Elektronen Energie ab und fallen aus dem Leitungsband zurück in das Valenzband.YAG: Ce is used for the production of white light in LEDs. The principle is based on that of luminescence. The phosphor is excited with light of a particular wavelength so that electrons are raised from the valence band to the higher conduction band within which the electrons are free to move through the crystal. As a result, the electrons release energy and fall back from the conduction band into the valence band.
Die transparenten, einen Leuchtstoff aufweisenden Keramikbauteile eignen sich dazu, auf einen Halbleiterchip, der z. B. blaues Licht emittiert, aufgebracht zu werden. Die Mischung aus dem durch das Keramikbauteil transmittierten blauen Licht und des durch das YAG:Ce-Pulver emittierten gelben Lichts ergibt weißes Licht, wie in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2017-02-28 DE DE102017104166.4A patent/DE102017104166A1/en active Pending
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