DE1207851B

DE1207851B - Verfahren zur Herstellung eines aus einem Stueck bestehenden keramischen Koerpers

Info

Publication number: DE1207851B
Application number: DEG35310A
Authority: DE
Inventors: Robert Cooper Folweiler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-06-28
Filing date: 1962-06-26
Publication date: 1965-12-23
Also published as: BE619512A; GB995285A; LU41961A1; US3239323A

Description

Verfahren zur Herstellung eines aus einem Stück bestehenden keramischen Körpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Stück bestehenden keramischen Körpers aus zwei oder mehreren geeignet geformten Teilen, deren entsprechende Paßfiächen aneinanderstoßend zusammengefügt werden.
Es ist bereits ein Verfahren zum Zusammenzementieren von gesinterten Bariumtitanatkörpern bekannt, bei welchem zwischen den zu verbindenden Bariumtitanatkörpern eine dünne Schicht eines aus 88 bis 98'°/o Bariumtitanat und 2 bis 12% Aluminiumsilikat bestehenden Materials angeordnet wird. Anschließend werden die durch diese dünne Materialschicht getrennten Körper auf eine Temperatur von 1300 bis 1400° C gebracht. Weiterhin ist bereits ein Verfahren zum Verbinden von gesinterten Formkörpern aus Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Thoriumoxid, Magnesiumoxid bekanntgeworden, bei dem die miteinander zu verbindenden Formkörper unter Anwendung eines mäßigen Druckes gegeneinandergepreßt und auf eine Temperatur von 1400 bis 2000°C erwärmt werden. Darüber hinaus ist auch bereits ein Verfahren zur Befestigung hoch erhitzter Laufschaufeln in einem Laufschaufelring von Wärmekraftmaschinen bekannt, bei welchem die hocherhitzten Laufschaufeln einzeln unter Verwendung eines mineralischen Pulvers in entsprechende Aussparungen eingesetzt und unter Verwendung eines mineralischen Pulvers, das vorzugsweise in die Aussparungen gleichmäßig eingepreßt wird, nachfolgend unter Hitze und hydraulischer Zusammenpressung zusammengesintert werden. Die mineralische Sinterpulvermasse wird dabei so ausgewählt, daß sie gleichzeitig zur Schwingungsdämpfung und Gewichtseinsparung, beispielsweise durch Porosität, dient. Es ist auch bereits ein Verfahren zum Verschweißen von starkwandigen Röhren und sonstigen Formstücken aus Quarz und anderen schwer schmelzbaren Stoffen bekannt, bei welchem an den Verbindungsstellen eine Fuge ausgespart wird, die auf hohe Temperatur erhitzt wird, worauf in die Fuge Stoff der gleichen Art eingebracht und unter weiterem Erhitzen mit den zu verbindenden Teilen verschmolzen wird.
Mit keinem der bekannten Verfahren konnten jedoch bisher aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Berrylliumoxyd bestehende Teile zu einem einheitlichen Körper zusammengefügt werden, der bei schnellen Temperaturänderungen an den Stoßstellen der einzelnen Teile nicht undicht wird. Man verwendete daher bisher an den Stoßstellen abgestufte Dichtungen oder besonders gestaltete metallische Dichtungskörper.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Stück bestehenden keramischen Körpers aus zwei oder mehreren geeignet geformten Teilen, deren entsprechende Paßfläche aneinanderstoßend zusammengefügt werden, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß man im wesentlichen aus reinen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Berylliumoxid bestehende Teile verwendet, zwischen den Paßflächen eine lückenlose Pulversicht mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie die Teile anordnet, auf die zusammengefügten Teile zum Zusammenpressen der Pulverschicht einen Druck ausübt und dann das Ganze unter Aufrechterhaltung des Druckes brennt, worauf gegebenenfalls das Brennen bis zur Erzielung einer vakuumdichten Verbindung fortgesetzt wird, vorzugsweise in einer neutralen Atmosphäre.
Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Oxidkörper zeichnen sich dadurch aus, daß die Verbindungsstellen auch bei schwachen Temperaturänderungen keinen Schaden erleiden, da ja das an den Verbindungsstellen vorhandene Material mit dem Material, aus welchem die einzelnen Teile hergestellt sind, identisch ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesonders zum Herstellen von dichten Hüllen für Vakuumröhren und Lampen aus rohrförmigen Körpern, deren COffnung durch eine Abschlußscheibe abgedichtet wird.
Im allgemeinen geht man bei der Ausf'ü'hrung des Verfahrens nach der Erfindung also so vor, daß man zwei oder mehrere entsprechend geformte keramische Teile, die aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Berylliumoxid bestehen, je mit Paßflächen versieht, mit deren Hilfe sich die einzelnen Teile zu einem Ganzen zusammensetzen lassen. Die Teile sind dann im zusammengesetzten -Zustand so angeordnet, daß die Paßflächen der benachbarten Teile aneinanderstoßen, wobei sich zwischen jedem Paar zusammenstoßender Paßflächen eine lückenlose Schicht aus dem keramischen Pulver befindet, das im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung hat wie die keramischen Teile. Dann werden die zusammengefügten Teile derart unter Druck gesetzt, daß die Pulverschicht zusammengedrückt wird. Dieser Druck wird während des Brennens aufrechterhalten, wobei das Brennen so lange währt und bei einer so hohen Temperatur ausgeführt wird, daß die Teile paarweise einstückig aneinanderhaften. Das Bindemittel an den Fugen, das beim Brennen aus dem Pulver entsteht, hat im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die einzelnen keramischen Teile, so daß der gebildete einstückige Körper in allen seinen Bereichen im wesentlichen denselben Ausdehnungskoeffizienten hat.
Wie bereits erwähnt, kann man das Brennen der Teile so lange und bei einer so hohen Temperatur fortsetzen, daß die Teile paarweise zu einem einstückigen Körper aneinanderhaften. Es hat sich gezeigt, daß sich dieses Mindestziel dadurch erreichen läßt, daß man das Ganze 10 Minuten lang bei mindestens 1600° C brennt.
Gewünschtenfalls kann man jedoch das Brennen der zusammengesetzten Teile so lange und bei einer so hohen Temperatur fortsetzen, daß die Teile nicht nur zur Bildung eines einzigen Körpers aneinanderhaften, sondern daß die Fugen auch unporös oder vakuumdicht werden. Dieses etwas weiter gesteckte Ziel läßt sich dadurch erreichen, daß man das Brennen mindestens 100 Minuten lang bei einer Temperatur von mindestens 1700°C währen läßt.
Am besten erfolgt das Brennen in einer Atmosphäre, die mit den keramischen Teilen nicht reagiert. Bewährt hierfür hat sich Wasserstoff mit einem Taupunkt, der nicht höher liegt als -40°C.
Praktisch ist es im allgemeinen vorzuziehen, daß das Brennen in mindestens zwei getrennten Stufen erfolgt, wenn man einen einstückigen Körper zu erhalten wünscht, dessen Fugen zwischen den einzelnen keramischen Teilen vakuumdicht sind. Das erste Brennen dient grundsätzlich dem Zweck, die lückenlose Pulverschicht zu schmelzen, die zwischen den Paßflächen der Teile eingebracht ist. Dadurch wird erreicht, daß die keramischen Teile zur Bildung eines einstückigen Körpers aneinanderhaften. Dieses erste Brennen währt mindestens 10 Minuten lang bei einer Temperatur von mindestens 1600° C.
Es führt also zur Bildung eines einstückigen Körpers, der aus den einzelnen keramischen Teilen besteht. Das zweite Brennen wird bei einer höheren Temperatur und für eine längere Zeit durchgeführt. Es dient dem Zweck, die Fugen zwischen den einzelnen Teilen vakuumdicht oder unporös zu gestalten. Zu diesem Zweck erfolgt das zweite Brennen des Körpers bei mindestens 1700° C mindestens 100 Minuten lang. Dabei werden die Fugen vakuumdicht. Vorzugsweise indessen erfolgt das zweite Brennen bei einer Temperatur von 1800 bis 1900° C 100 bis 1000 Minuten lang. Es ist zur Erzielung des cinstückigen Körpers von entscheidender Bedeutung, daß die Teile nach dem Zusammensetzen aufeinandergedrückt werden und daß dieser Druck mindestens während des ersten Brennens aufrechterhalten -wird. Zwar könnte man den Druck auch beim zweiten Brennen weiter aufrechterhalten, doch ist das nicht nötig und bietet keine besonderen Vorteile.
Wie bereits -erwähnt, ist es im allgemeinen erwünscht, das Brennen in einer Atmosphäre durchzuführen, die mit den zusammenzufügenden keramischen Teilen nicht reagiert. Wird das oben beschriebene Verfahren jedoch zweistufig durchgeführt, dann erübrigt sich die Verwendung einer solchen nichtreagierenden Atmosphäre beim ersten Brennen. Man verwendet daher im allgemeinen diese Atmosphäre nur beim zweiten Brennen, das dem Zweck dient, die Fugen vakuumdicht zu gestalten.
Die ununterbrochene Schicht aus keramischem Pulver, die zwischen den Paaren von Paßflächen eingefügt ist, muß möglichst dünn bemessen werden, damit der Körper beim ersten, dem Aneinanderhaften der keramischen Teile dienenden Brennen in radialer Richtung nur wenig schwindet. Es hat sich herausgestellt, daß die Pulverschicht nach diesem ersten Brennen höchstens 0,25 mm dick sein soll. Um das zu erreichen, muß die Pulverschicht vor dem Brennen eine Stärke von höchstens 2,5 mm, vorzugsweise 1,25 bis 2,5 mm, haben.
Die Erfindung eignet sich beispielsweise dazu, ein Röhr mit auf seine Enden aufgesetzten Deckeln zu einem einstückigen Körper zu verbinden. Diese Teile bestehen aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder Berylliumoxid oder aus Mischungen dieser Oxide. Sie können in der Weise hergestellt werden, daß man die Oxidpulver durch Schlickerguß oder durch Zusammenpressen des Pulvers oder im Strangpreßverfahren formt. Das Röhr kann man z. B. aus dem Pulver im Strangpreßverfahren herstellen und die Deckel durch Zusammenpressen des Pulvers in einer gewöhnlichen doppeltwirkenden Gesenkpresse anfertigen. Die Stirnflächen der Rohres müssen natürlich eben sein, damit sie zu den ebenen Flächen der Deckel gut passen. Entweder die Stirnfläche an jedem Ende des Rohres oder jeden Deckel überzieht man dann mit einer dünnen ununterbrochenen Pulverschicht, wobei dieses Pulver etwa aus derselben keramischen Masse besteht wie die Deckel und das Rohr. Hat man die einzelnen Teile hergestellt, dann setzt man sie so zusammen, daß die Paßflächen aufeinanderliegen.
Das Ganze wird dann unter Druck gesetzt, um die Pulverschicht zusammenzudrücken. Wie hoch der Druck bemessen wird, ist nicht von entscheidender Bedeutung, sofern er nur ausreicht, um die Pulverschicht beim Brennen zu verdichten. Vorzugsweise führt man den ersten Brand bei einer Temperatur von mindestens 1600° C durch und erstreckt ihn über 10 Minuten. Dabei wird die Pulverschicht geschmolzen, so daß sie eine Haftung der keramischen Teile aneinander herbeiführt. Der weitere Brand wird dann vorzugsweise bei einer höheren Temperatur von mindestens 1700° C durchgeführt. Dabei werden die Fugen vakuumdicht gestaltet. Bei diesem weiteren Brand verwendet man vorzugsweise eine Atmosphäre, die mit den Teilen nicht reagiert.
Das folgende Beispiel mag die Einzelheiten erläutern: Aus Ton mit einem Zusatz von '/40/0, Magnesia wird ein Rohr hergestellt, dessen Außendurchmesser 6 mm und dessen Wandstärke 0,8 mm beträgt. Zu diesem Zweck verpreßt man die Mischung der beiden Metalloxide im Strangpreßverfahren. Der auf diese Weise gewonnene ungebrannte Preßling wird dann in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von -50° C bei 1900° C 100 Minuten lang gebrannt, um ihn zu verdichten. Unabhängig davon stellt man eine flache Scheibe von 6 mm Durchmesser aus einem Pulver derselben Zusammensetzung her. Zu diesem Zweck verpreßt man das lose Pulver in einer doppeltwirkenden Gesenkpresse mit einem Druck von 700 kg/cm2. Der Preßling wird dann unter den gleichen Bedingungen gebrannt wie das Rohr. Man bringt dann einen überzug losen Pulvers der grundsätzlich gleichen Zusammensetzung entweder auf die Randzone der Scheibe oder auf die Stirnfläche des Rohres und setzt diese beiden Teile dann zusammen. Alsdann übt man einen Druck von 70 kg/cm2 auf die Scheibe aus und preßt sie dadurch fest auf die Paßfläche des Rohres. Unter Aufrechterhaltung des Druckes wird das Ganze dann in Luft bei 1600° C 10 Minuten lang gebrannt. Nach dem Abkühlen erfolgt der zweite Brand bei 1900° C 1000 Minuten lang in Wasserstoff mit einem Taupunkt von -50°C. Dann läßt man den Körper sich im Ofen abkühlen. Nach Herausnahme aus dem Ofen ergibt sich, daß der keramische Körper aus einem Stück besteht und durch und durch im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung hat, wobei die Fuge zwischen den beiden vereinigten Teilen keine Sprünge oder Poren enthält.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines aus einem Stück bestehenden keramischen Körpers aus zwei oder mehreren geeignet geformten Teilen, deren entsprechende Paßflächen aneinanderstoßend zusammengefügt werden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß man im wesentlichen aus reinem Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Berylliumoxid bestehende Teile verwendet, zwischen den Paßflächen eine lückenlose Pulverschicht mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie die Teile anordnet, auf die zusammengefügtenTeile zum Zusammenpressen der Pulversicht einen Druck ausübt und dann das Ganze unter Aufrechterhaltung des Druckes gebrannt wird, worauf gegebenenfalls das Brennen bis zur Erzielung einer vakuumdichten Verbindung fortgesetzt wird, vorzugsweise in einer neutralen Atmosphäre.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen der zusammengefügten Teile mindestens 10 Minuten lang bei einer Temperatur von mindestens 1600° C währt, um eine einstückige Vereinigung der Teile zu erzielen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Teile mindestens 100 Minuten lang bei mindestens l700° C gebrannt werden, um eine vakuumdichte Beschaffenheit der Fugen zwischen den Teilen zu erzielen. `
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Teile in einer mit ihnen nichtreagierenden Atmosphäre gebrannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß die zusammengefügten Teile zunächst mindestens 10 Minuten lang bei einer Temperatur von mindestens 1600°C gebrannt werden, um sie zu einem einzigen Stück zu vereinigen, und daß das Ganze dann weiter 100 Minuten lang bei mindestens 1700°C gebrannt wird, um eine vakuumdichte Beschaffenheit der Fugen zu erzielen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den ersten Brand vereinigten Teile 100 bis 1000 Minuten lang bei einer Temperatur von 1800 bis 1900°C weitergebrannt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem einzigen Stück zusammengefügten Teile vor dem zweiten Brennen von dem Druck entlastet werden. B.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den ersten Brand vereinigten Teile in einer Atmosphäre weitergebrannt werden, die mit ihnen nicht reagiert.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Atmosphäre, die mit den Teilen nicht reagiert, Wasserstoff mit einem sich höchstens auf -40°C belaufenden Taupunkt verwendet wird.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverschicht als dünne lückenlose Schicht auf mindestens eine der Passflächen eines jeden Paares der zusammenzufügenden Flächen aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lückenlose Pulverschicht in einer Stärke von höchstens 2.5 mm aufgebracht wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 939 016, 639 258; britische Patentschriften Nr. 719 611, 695 856.