DE1571295B1

DE1571295B1 - Aluminiumosydgemische und geformte keramische gegenstände daraus

Info

Publication number: DE1571295B1
Application number: DE1965A0050516
Authority: DE
Inventors: Walter Henry Gitzen; George Maczura
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1964-10-22
Filing date: 1965-10-15
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3432313A; GB1129365A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft Aluminiumoxydgemische und mußte dieses Aluminiumoxydgemisch mittels einer

daraus gefertigte, geformte keramische Gegenstände. Elektronenmikroskop-Teilchengrößenbestimmungsme-

Ein Ziel der Erfindung besteht in einer verbesserten thode vermessen werden. Die Ergebnisse wurden in Form von Aluminiumoxyd mit hoher keramischer der weiter unten folgenden Tabelle I zusammengefaßt. Reaktionsfähigkeit zur Verwendung bei der Herstel- 5 Die Größen der Teilchen der erfindungsgemäß beanlung keramischer Gegenstände. Ein weiteres Ziel der spruchten Aluminiumoxydgemische waren zu groß, Erfindung besteht in verbesserten geformten Körpern um in entsprechender Weise durch ein Elektronenaus Aluminiumoxyd, die bei relativ niedrigen Tempe- mikroskop bestimmt werden zu können. Die Teilchenraturen unter Bildung dichter, nichtporöser kerami- größenverteilung der erfindungsgemäßen Gemische scher Gegenstände gebrannt werden können. io wurde nach der »Mine Safety Appliance centrifuge

Es ist bekannt, keramische Gegenstände, beispiels- (MSA)«-Methode ermittelt. Diese Methode eignete weise Isolatoren, gegen Funkenschlag u.dgl. nach sich nicht zur Bestimmung der Teilchengröße von bekannten Verfahren herzustellen, die darin bestehen, Teilchen, deren Durchmesser unterhalb 1 μ lag. Man daß eine Formhöhlung mit einem feinverteilten Mate- mußte daher auf zwei verschiedene Methoden zur Berial, wie Aluminiumoxyd, gefüllt, das feinverteilte 15 Stimmung der Größe der Teilchen der einzelnen GeMaterial in der Form unter hohem Druck zusammen- mische zurückgreifen.

gepreßt und der geformte Körper bei hoher Tempe- Die jeweiligen Gemische wurden verpreßt und ge-

ratur gebrannt wird. Derartige Verfahren sind z. B. in brannt, worauf die Schrumpfungseigenschaften sowie

den USA.-Patentschriften 2 091 569, 2152 738 und die Dichten ermittelt wurden. Das Verpressen erfolgte

2 618 567 beschrieben. Wenn Aluminiumoxyd als 20 unter einem Druck von 352 kg/cm², wobei runde

feinverteiltes Material verwendet wird, ist es günstig, Stäbe mit einem Durchmesser von 25 mm und einer

wenn das angewandte Aluminiumoxyd einen dichten, Höhe von 6,3 mm erhalten wurden, während bei einer

nichtporösen, zusammengepreßten Körper von niede- " Temperatur von 1700⁰G gebrannt wurde. Dabei wur-

rer Schrumpfung oder Verformung beim Brennen er- den keramische Körper erhalten, deren Eigenschaften

gibt und eine hohe keramische Reaktionsfähigkeit hat, 25 nachstehend tabellarisch zusammengefaßt wurden:

d.h. daß es zu einem praktisch nichtporösen, ohne

Schrumpfung gebrannten Körper bei relativ niedriger ~

Feuerungstemperatur bzw. Brenntemperatur überführ- Aluminiumoxydtyp

bar ist. Es ist bekannt, daß verschiedene Flußmittel __ :

zur Erniedrigung der Brenntemperatur derartiger

Dichte, g/ml
verpreßt I gebrannt

21,6

3,916.

Schrumpfung

_UJ. __Λ_1_Χ_< —-JLXgUJLLg _L_/_ J_»_. VJUUUIVJ-IJLjJ^lCIkUJ. \J-VJ-fcVJL ULg,VJL Q^ JU -_. + "UAI

formier Körper verwendet werden können, jedoch C¹Jf₁ mn ml

werden durch derartige Flußmittel Verunreinigungen ^scnriIt \ ^{υ /υ} ^^m ·■
eingeschleppt.

Darüber hinaus wird in der deutschen Auslege- Der Körper, der aus dem Gemisch der deutschen

schrift 1070 984 ein Verfahren zur Herstellung von 35 Auslegeschrift 1 070 984 hergestellt worden war, besaß

keramischen Körpern beschrieben, welches dadurch in gebranntem Zustand eine gute Dichte, jedoch nicht

gekennzeichnet ist, daß zur Herstellung der Form- in verpreßtem Zustand, so daß die Schrumpfung mehr

stücke öc-Korundpulver verwendet wird, das einen als ungefähr 18 °/o betrug. Hohe Schrumpfungen sind

Al₂O₃-Gehalt von mindestens 99,99 Gewichtsprozent jedoch von Nachteil, da sie ein Auf werfen und eine

hat und dessen Korngröße kleiner als 3 μ ist, wobei 40 Wärmeverformung der keramischen Stücke beim

die durchschnittliche Korngröße etwa 1 μ nicht über- Brennen zur Folge hatten, so "daß- derartige Körper

steigt, die Sinterung bei 1450 bis 1500° C, vorzugsweise nicht dimensionsstabil waren. Wärmeverf ormte Stücke

bei 1480⁰C, und während so kurzer Zeit durchgeführt mußten verworfen werden, es sei denn, daß sie sich

wird, daß in den gesinterten Formstücken mindestens durch ein teures Diamantschleifen korrigieren ließen.

90% des Sintergefüges eine 10 μ nicht übersteigende 45 Aluminiumoxydkörper, die nach einem Brennen nur

Korngröße haben. in geringem Ausmaße geschrumpft waren, besaßen

Gegenüber dem in dieser deutschen Auslegeschrift natürlich eine viel größere Dimensionsstabilität und beschriebenen Verfahren unterscheidet sich das erfin- erforderten keine kostspielige Nachbehandlung durch dungsgemäße Verfahren vor allem dadurch, daß die Schleifen. Außerdem konnten sie in größeren Dimenerfindungsgemäße Aluminiumoxydmischung eine hö- 50 sionen hergestellt werden, da bei der Herstellung größere durchschnittliche Teilchengröße besitzen kann. ßerer Stücke das Problem des Aufwerfens noch stärker Die erfindungsgemäße Mischung weist einen Gehalt an ins Gewicht fiel.

der Ι-μ-Komponente von maximal 80% auf, während Zum Vergleich zu dieser Mischung gemäß der er-

in der erwähnten deutschen Auslegeschrift der Gehalt wähnten deutschen Auslegeschrift wurde die Mischung 4 an der Ι-μ-Komponente bis zu 90% betragen-kann. 55-auf Spalte-6-der* Beschreibung herangezogen. Diese

Außerdem besitzt die erfindungsgemäße zweite Korn- bestand aus 40% Aluminiumoxydteilchen mit einer

ponente eine größere durchschnittliche Teilchengröße Größe von 1 μ und 60% Aluminiumoxydteilchen mit

und liegt in einer, größeren Menge vor. . . . einer Größe zwischen 2,5 und 6 μ (im Mittel 3 μ). Die

Es wurden Versuche durchgeführt, welche die Über- unter Verwendung dieser Mischung hergestellten Kör-

legenheit des erfindungsgemäßen-Verfahrens gegen- 60 per wiesen eine Dichte in gepreßtem Zustand von

über dem in der deutschen Auslegeschrift 1 070 984 2,58 g/ml auf, während die Schrumpfung nur 12,72%

beschriebenen Verfahren zeigen: betrug. Die Dichte in gebranntem Zustand betrug

Entsprechend den Lehren der deutschen Auslege- 3,879 g/ml.

!schrift 1070 984 wurde ein Gemisch verwendet, in Ein bedeutsamer Vorteil der erfindungsgemäß her-

Tvelehem 90% der Teilchen einen Durchmesser von 65 gestellten Aluminiumoxydkörper bestand in den

weniger als ungefähr 1 μ besaßen und 10 % der Teil- gleichmäßigen keramischen Eigenschaften, die durch

chen einen Durchmesser von mehr als 1 μ und weniger entsprechende Einstellung der Mischungskomponenten

als 3 μ aufwiesen. Wegen seiner extremen Feinheit erhalten werden konnte. In der folgenden Tabelle II

wurden die Veränderungen der keramischen Eigenschaften zusammengefaßt, die bei Verwendung von l-μ- und 3^-Aluminiumoxyden, die verschiedenen Calcinierungen entstammten, erhalten wurden, und zwar bei Verwendung von Mischungen aus diesen zwei Aluminiumoxydtypen.

Die vier nichtporösen keramischen Körper, die aus den 40% l-μ- und den 60% 3^-Mischungen hergestellt wurden, besaßen in gebranntem Zustand Dichten von nur 0,03 g/ml. Diese Dichten waren beträchtlich niedriger als die Dichten von 0,06 bzw. 0,08 g/ml, die dann ermittelt wurden, wenn das l-μ- sowie das 3-μ-Aluminiumoxyd getrennt getestet wurde. Die Mischungen hatten ferner eine bemerkenswerte Herabsetzung der Veränderung der Dichte in gepreßtem Zustand sowie der Schrumpfung zur Folge, und zwar im Vergleich zu- Körpern, die unter Verwendung des Ι-μ-Aluminiumoxyds hergestellt worden waren.

Zwei der 3^-Aluminiumoxyde vermochten keinen dichten und nichtporösen keramischen Körper nach 1 Stunde bei 1700°C zu bilden. Nichtporöse Aluminiumoxydkörper wurden auch dann nicht erhalten, solange nicht die Dichte in gebranntem Zustand ungefähr 3,80 bis 3,82 g/ml betrug. Dichte Aluminiumoxyd-Keramikkörper sollten, um den an sie gestellten Anforderungen zu genügen, undurchlässig sein. Die aus den Mischungen hergestellten Körper waren nicht porös.

ίο Wenn auch die Veränderung .der Schrumpfung bei Verwendung der 40% l-μ- zu 60% 3^-Mischungen nur 0,82% betrug, so konnte dennoch eine weitere Herabsetzung in der Weise erhalten werden, daß die Mischungszusammensetzungen noch etwas variiert wurden. Bei entsprechender Auswahl erhielt man erfindungsgemäß keramische Körper, die eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität besaßen, und zwar von plus oder minus 0,1% oder sogar von plus oder minus 0,05 %.

Tabelle I

Elektronenmikroskop-Teilchengrößenanalyse von vermahlenem Aluminiumoxyd gemäß deutscher Auslegeschrift 1 070 984

Teilchendurchmesser,	Teilchenverteilung, %	Kumulativ
	Gewichtsbasis	0,00
	Frequenz	0,06
0,059	0,00	0,28
0,081	0,05	1,04
0,103	0,21	2,53
0,125	0,76	5,30
0,147	1,48	8,44
0,169	2,76	12,27
0,191	3,14	17,17
0,214	3,83	22,16
0,236	4,89	26,54
0,258	4,98	31,15
0,280	4,37	35,92
0,302	4,61	40,32
0,324	4,76	43,82
0,346	4,40	48,23
0,369	3,49	51,50
0,390	4,41	53,76
0,412	3,27	57,19
0,434	2,26	59,29
0,456	3,43
0,479	2,09

Teilchendurchmesser,	Teilchenverteilung, %	Kumulativ
	Gewichtsbasis	61,15
μ·	Frequenz	62,66
0,501	1,86	64,38
0,523	1,51	66,31
0,545	1,71	68,04
0,567	1,93	69,98
0,589	1,73	73,74
0,611	1,93	74,34
0,633	3,76	75,79
0,655	0,59	77,38
0,699	1,44	78,33
0,721	1,59	81,44
0,766	0,95	82,56
0,788	3,10	83,78
0,810	1,12	86,63
0,832	1,21	88,28
0,876	2,84	90,75
0,920	1,65	94,91
1,053	2,47	100,00
1,252	4,15
1,339	5,08

Durchschnittlicher Durchmesser = 0,53 μ.
Mittlerer Durchmesser = 0,41 μ.

Bemerkungen:

1. 90% der Teilchen waren kleiner als 1 μ.

2. 10% der Teilchen fielen in den Bereich zwischen 1 und 3 μ.

3. Die Ergebnisse basierten auf einer Zählung von 2000 Teilchen.

Tabellen

Herabsetzung von Veränderungen der keramischen Eigenschaften durch Vermischen von Aluminiumoxydkomponenten

Test-Nr.

Calcinierte
Aluminiumoxydkomponente, 100%

Durchmesser
Schrumpfung

Dichte	,g/ml
verpreßt	gebrannt
2,21	3,94
2,12	3,90
2,12	3,90
2,08	3,88
0,13	0,06

1μ (im Durchschnitt) gemischte
Aluminiumoxydzusammensetzung,

40%1μ, 60% 3 μ
Dichte, g/ml Durchmesser

verpreßt I gebrannt

Schrumpfung

Calcinierte Aluminiumoxydkomponente, 100% 3 μ
(im Durchschnitt)

Durchmesser
Schrumpfung

Dichte	g/ml
verpreßt	gebrannt
2,40	3,85
2,33	3,80
2,31	3,78
2,34	3,86
0,09	0,08

1
2
3
4
Bereich:

17,50
18,41
18,41
18,74
1,24

2,56
2,51
2,49
2,58
0,09

3,89
3,87
3,86
3,88
0,03

13,00
13,45
13,54
12,72
0,82

14,59
15,04
15,16
15,32
0,73

Gemäß der Erfindung ergibt sich ein Aluminiumoxydgemisch, das zur Verwendung bei der Herstellung geformter keramischer Gegenstände geeignet ist, welches aus einem ersten Bestandteil aus Aluminiumoxydteilchen mit einer mittleren Größe von etwa 2,5 bis 6 Mikron und einem zweiten Bestandteil aus Aluminiumoxydteilchen mit einer mittleren Größe von etwa 1 Mikron besteht, wobei der erste Bestandteil etwa 20 bis 80% und vorzugsweise etwa 40 bis 60% des Gewichtes der Mischung und der zweite Bestandteil etwa 80 bis 20% und vorzugsweise 60 bis 40% des Gewichtes der Mischung ausmacht. Das Verfahren zur Herstellung geformter keramischer Gegenstände entsprechend der Erfindung besteht darin, daß ein derartiges Aluminiumoxydgemisch in einer Form zu einem geformten Körper zusammengepreßt und dann dieser zu einem geformten keramischen Gegenstand gebrannt wird.

Die hier gebrachten Angaben hinsichtlich der mittleren Größe der Teilchen beziehen sich auf Größenbestimmungen auf der Basis einer Größenverteilung von acht bis zehn Siebintervallen (]/2 - Reihe) (8—10 sieve intervals; ]/2 series).

Das nach dem üblichen sogenannten Bayer-Verfahren hergestellte. Aluminiumhydrat besteht aus kleinen Teilchen, die aus Agglomeraten von kleinen Kristalliten zusammengesetzt sind. Kristalline Aluminiumoxydteilchen der vorstehend aufgeführten gewünschten Größen lassen sich in bequemer Weise durch Erhitzen derartiger Aluminiumhydratteilchen gemäß an sich bekannter Verfahren zur Überführung derselben in Aluminiumoxyd herstellen, welches aus Agglomeraten von Kristalliten der gewünschten Größe besteht, worauf .diese Agglomerate in ihre schließlichen Kristallite aufgebrochen werden, beispielsweise durch Vermählen der Aluminrumoxydteilchen gemäß üblichen Verfahren. Die beiden Bestandteile können in den vorstehend aufgeführten gewünschten Verhältnissen vor oder nach einer derartigen Vermahlung vermischt werden; üblicherweise ist es bequemer, das Vermischen vor dem Mahlen vorzunehmen.

Mit, den hier beschriebenen Aluminiumoxydgemischen können nichtporöse geformte Körper von hoher Dichte, die beim Feuern eine niedere Schrumpfungzeigen, einfach durch Preßformen erzeugt werden. Darüber hinaus können die preßgeformten Körper zufriedenstellend bei Temperaturen bis herab zu 1700⁰C oder sogar etwas niedriger ohne Anwendung eines Flußmittels in der Mischung gebrannt werden.

Die Vorteile bei der Verwendung von Aluminiumoxyd in der erfindungsgemäßen Teilchengrößenverteilung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben, die die Eigenschaften, die mit sechs unterschiedlichen Mischungen der beiden Bestandteäe erhalten wurden, aufzeigt, wobei ein Bestandteil aus Aluminiumoxydteilchen einer mittleren Größe von etwa Mikron und der andere aus Aluminiumoxydteilchen von einer mittleren Größe von etwa 3 Mikron bestand. Jeder Bestandteil war in den in Gewichtsprozent in der Tabelle angegebenen Mengen vorhanden. Jedes Gemisch wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² (5000 psi) in einer Form gepreßt, so daß sich runde Stäbe von 2,54 cm Durchmesser und 6,3 mm Höhe ergaben, worauf die Stäbe zu keramischen Körpern durch Erhitzen während einer Stunde bei 1700° C überführt wurden.

	Zusammensetzung der Mischung	/0	gepreßt	Dichte g/ml	%
	7o	3 Mikron			Schrump
	1 Mikron	(mittel)	2,08	gebrannt	fung
	(mittel)	0	2,30		18,74
1.	100	20	2,44	3,877	16,1
2.	80	40	2,58	3,889	14,34
3.	60	60	2,61	3,880	12,72
4.	40	80	2,34	3,879	12,25
5.	20	100	3,858	15,32
6..	0		3,855

Aus der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß die Massen 2, 3, 4 und 5 mit 20 bis 80% von. Teilchen von etwa 4 Mikron Größe, wobei der Rest aus etwa Mikron Größe bestand, signifikant verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu den Massen 1 und 6 ergeben.

Ähnliche Vorteile wurden in gleicher Weise bei einem weiteren Versuch erhalten, bei dem die Zusammensetzung dieselbe wie vorstehend unter Nr. 1 bis 6 in der Tabelle angegeben waren, mit der Ausnahme, daß jede Masse auch 0,5% Talk als Flußmittel, vermischt mit dem Aluminiumoxyd, enthielt.

Claims

Patentansprüche: ;

1. Zur Verwendung bei der Herstellung geformter keramischer Gegenstände geeignetes Aluminiumoxydgemisch, bestehend als ersten Bestandteil aus Aluminiumoxydteilchen mit einer mittleren Größe von etwa 2,5 bis 6 Mikron und als zweiten Bestandteil aus Aluminiumoxydteilchen mit einer mittleren Größe von etwa 1 Mikron, wobei der erste Bestandteil etwa 20 bis 80% und vorzugsweise etwa 40 bis 60% des Gewichtes des Gemisches und der zweite Bestandteil etwa 80 bis 20% und vorzugsweise 60 bis 40% des Gewichtes des Gemisches bildet.

2. Verfahren zur Herstellung geformter keramischer Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumoxydgemiseh nach Anspruch 1 in einer Form geformt und dann dieser Formkörper zu einem keramischen Gegenstand gebrannt wird.

3. Geformter keramischer Gegenstand, hergestellt aus einer Masse nach Anspruch 1 oder nach dem Verfahren nach Anspruch 2.