DE1671028C - Process for the production of firing pads or pads for use in the sintering of thin, flat-shaped blanks made of oxide ceramic materials - Google Patents
Process for the production of firing pads or pads for use in the sintering of thin, flat-shaped blanks made of oxide ceramic materialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennunterlagen oder -auflagen für die Verwendung bei der Sinterung von dünnen (unter 1 mm, vorzugsweise um 50 bis 500 (im), plüttchenförmigen Rohlingen aus oxidkeramischen Werkstoffen, die neben dem Perowskitstruktur besitzenden Hauptbestandteil Zusätze enthalten, welche die elektrischen lind die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen, für die Herstellung von elektrischen Bauelementen, indem die zu sinternden Teile auf diese vorgesinterten, Zirkondioxid und/oder Aluminiumoxid enthaltenden Brennunterlagen aufgelegt und zur Erzielung gleichmäßiger ebener Stücke die Rohlinge einer Belastung ausgesetzt sind, wobei die Brennunterlage und die Belastungsauflage ebenfalls den die Eigenschaften beeinflussenden Zusatz enthalten.The invention relates to a method for producing burning pads or pads for use when sintering thin (less than 1 mm, preferably around 50 to 500 (im), flake-shaped Blanks made of oxide-ceramic materials, which are the main component in addition to the perovskite structure Contain additives that affect the electrical and dielectric properties for the production of electrical components by pre-sintering the parts to be sintered on them, Firing pads containing zirconium dioxide and / or aluminum oxide are placed on top and in order to achieve more uniformity flat pieces the blanks are exposed to a load, with the firing base and the Load layer also contain the additive that influences the properties.
Plüttchenförmige Rohlinge aus oxidkeramischen Werkstoffen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise die keramischen Körper für das Dielektrikum elektrischer Kondensatoren, für piezoelektrische Wandler, für Trägerkörper für elektrische Widerstände und auch elekKache Massewiderstände selbst. Auch dünne Schienten aus ferromagnetischem Material für die Herstellung beispielweise von Speicherelementen können mit den Brennunterlagen oder -auflagen gemäß der Erfindung dem Sinterprozeß unterworfen werden.Platelet-shaped blanks made of oxide-ceramic materials within the meaning of the present invention are for example the ceramic bodies for the dielectric of electrical capacitors, for piezoelectric capacitors Converter, for carrier bodies for electrical resistors and also elekKache ground resistors itself. Also thin rails made of ferromagnetic material for the production of storage elements, for example can with the firing pads or pads according to the invention the sintering process be subjected.
Oxidkeramische Werkstoffe für die obengenannten elektrischen Bauelemente sind sogenannte HDK-Massen. das sind keramische Massen mit einem .•-Wert über 1000. die im wesentlichen aus ferroelektrischen Materialien mit Perowskitstruktur auf der Basis von Erdalkalititanaten aufgebaut sind. Ferner gehören hierzu sogenannte NDK-Massen, das sind solche keramische Massen, die zum Teil beispielsweise Titandioxid, Zirkondioxid und Erdalkalioxid. z. B. Bariumoxid, enthalten und einen f-Wert in der Größenordnung zwischen 20 und 200 aufweisen. Für die Herstellung von piezoelektrischen Wandlerelcmenten werden Massen verwendet, die auf der Basis von F.rdalkalititanatcn und -zirkonaten aufgebaut sind und im Kationenteil einen mehr oder weniger hohen Anteil von Blei enthalten; mitunter sind es reine Bleititiinat/irkonate. Für keramische Massewiderstand werden sogenannte Kaltleitcrmasscn verwendet, die auf der Basis von Bariumtitanat aufgebaut sind und in der Nähe der Curictempenilur einen sehr -.teilen Anstieg des Widerstandswertes in Abhiingigkeit von der Temperatur aufweisen. Als Trägerkörper für elektrische Widerstände werden Massen mit sehr guten Isolationscigenschaftcn verwendet, unter anderem auch reine Porzellane. Für ferromagnetische Speicherelemente werden die sogenannten Ferrit massen verwende!, die auf der Basis von Eisenoxide!) mit Anteilen anderer Schwer· und l.ficlitmctalloxidc aufgebaut sind.Oxide-ceramic materials for the above-mentioned electrical components are so-called HDK compounds. these are ceramic masses with a. • value over 1000. which essentially consist of ferroelectric Materials with perovskite structure are built up on the basis of alkaline earth titanates. Further this includes so-called NDK masses, these are ceramic masses, some of which are, for example Titanium dioxide, zirconium dioxide and alkaline earth oxide. z. B. barium oxide, and an f-value on the order of between 20 and 200. For the production of piezoelectric transducer elements compounds are used which are based on alkaline earth titanates and zirconates are and in the cation part one more or less contain high proportion of lead; sometimes they are pure lead initiates. For ceramic ground resistance so-called PTC thermistors are used, which are built on the basis of barium titanate and near the Curictempenilur one very -.Share increase in resistance value in dependence on the temperature. Masses are used as carrier bodies for electrical resistors with very good insulation properties, including pure porcelain. For ferromagnetic Storage elements will use the so-called ferrite masses !, which are based on Iron oxides!) Are built up with proportions of other heavy and metallic oxides.
Zur Sinterung von sehr grollen keramischen Werk-Miicken. uie z.B. Freileiüiiigsisolalorcn. ist es bekannt. Breniuinlerlagcn, sogenannte Bomse. zu verwenden, die ims dem gleichen Material bestehen wie die zu sinternden Teile; dies jedoch nur. wenn ein best 11111111 es B rc π lisch wind tings verhalten gefordert wird, wobei dann die Bomsc nur vorgeformt sind und crsl während der eigentlichen Sinterung der Teile ebenfalls sintern.For sintering very large ceramic works. uie e.g. Freilichtisolalorcn. it is known. Breniuinlerlagcn, so-called bombs. to use, which are made of the same material as the parts to be sintered; but only this. when a best 11111111 es B rc π lisch wind tings behavior required is, in which case the Bomsc are only preformed and crsl during the actual sintering of the parts also sinter.
\ür die Herstellung von Körpern aus keramischen Sondermassen, beispielsweise auf der Basis von 'TiO1, I rdalkalilitanatcn. -stannaten und -zirkonaten, hari- und weichmagnetischen Ferriten, oxidischen Halbleitern usw. ist es bekannt, als Brennunterlage Grundplatten zu verwenden, die mit einer dünnen Schicht eines Materials versehen sind, das in seiner Zusammensetzung nicht wesentlich von der zu sinternden Masse, mit der sie in Berührung kommt, abweicht, um DifTusionserscheinungen von StörstotTen vorzubeugen. For the production of bodies made of special ceramic materials, for example on the basis of TiO 1 , I rdalkalilitanatcn. -stannates and zirconates, hard and soft magnetic ferrites, oxide semiconductors, etc., it is known to use base plates as firing base, which are provided with a thin layer of a material that is not significantly different in its composition from the mass to be sintered with it comes into contact deviates in order to prevent diffusion phenomena of interfering dead ends.
Es ist auch bekannt, beim Sintern keramischer, insbesondere bleititanat-zirkonat-haltiger Körper in geschlossenen Brennbehältern unter bleioxidhaltiger Atmosphäre zu arbeiten und Brennkapseln oder Brennunterlagen aus titanat- oder zirkonathaltigen Massen, die als Kationen zweiwertig. Metalle, insbesondere Barium enthalten, zu verwenden (Patentschrift Nr. 43 403 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen).It is also known that when sintering ceramic bodies, in particular those containing lead titanate-zirconate, in closed combustion containers to work in an atmosphere containing lead oxide and saggars or Firing pads made from masses containing titanate or zirconate, which are divalent as cations. Metals, in particular Contain barium, to use (patent specification No. 43 403 of the Office for Invention and Patent system).
Für die Herstellung ferromagnetischer Sinterkörper werden Umhüllungen aus Ferrit verwendet, die bei der Sinterung keine Verbindung mit den zu sinternden Formkörpern eingehen und nach der Sinterung entfernt werden (deutsche Patentschrift 1 031 444 und USA.-Patentschrift 3 038 860).For the production of ferromagnetic sintered bodies, ferrite casings are used which no connection with the molded bodies to be sintered during sintering and after sintering can be removed (German patent specification 1 031 444 and USA patent specification 3 038 860).
Für die Herstellung von sehr dünnen Teilen, wie sie eingangs erläutert sind, ist es erforderlich, vorgebrannte Brennunterlagen und -auflagen (Brennhilfsmittel) zu verwenden. Diese Teile müssen eine besonders ebene und glatte Oberfläche aufweisen, d. h. die Brennunterlagen und Belastungsauflagen, die dazu dienen, möglichst ebene, planparallele Plättchen nach der Sinterung zu erhalten, sollen notfalls durch Schleifoperationen oberflächlich eingeebnet werden können. Solchen Behandlungen sind die Brennunterlagen, die eine Auflageschicht aus einer Masse erhalten haben, die in ihrer Zusammensetzung dem Rohling entspricht, nur unter besonders schwierigen Bedingungen zugänglich. Darüber hinaus wird durch eine dünne Auflageschicht die Diffusion zwischen den Brenrihilfskörpern und den Rohlingen während der Sinterung nicht vollends vermieden. Vor allen Dingen wird durch die Verwendung einer dünnen Auflageschicht auf den Brennunterlagen nicht vermieden, daß die zu sinternden Teile an die Brcnnunterlagen nach der Sinterung angeklebt bzw. angesintert sind, so daß eine Abtrennung ohne Beschädigung der gewünschten Teile nicht möglich ist.For the production of very thin parts, as explained at the beginning, it is necessary to pre-burned To use firing documents and conditions (kiln furniture). These parts must have a have a particularly flat and smooth surface, d. H. the firing documents and load requirements, which serve to obtain as flat, plane-parallel plates as possible after sintering, should if necessary can be leveled superficially by grinding operations. Such treatments are the firing pads, which have received a layer of a mass that is different in its composition corresponds to the blank, accessible only under particularly difficult conditions. Furthermore diffusion between the auxiliary burner bodies and the blanks is achieved through a thin layer not completely avoided during sintering. Above all else, by using a thin layer on the firing base does not prevent the parts to be sintered from sticking to the firing base are glued or sintered after sintering, so that a separation without damage the desired parts is not possible.
Zwischen den Brennunterlagen und Belastungsauflagen einerseits und dem zu sinternden Gut andererseits darf während der Sinterung keine chemische Reaktion stattfinden. Fs soll auch keine Änderung der chemischen Zusammensetzung des Sintergutes durch Abgabe und oder Aufnahme aus den oder an die Brtnnhilfskörp'er eintreten, weil dadurch die elektrischen Eigenschaften, /. B. der »-Wert oder die Curietemperatur geändert werden. Besondere Schwierigkeiten bereiten hierbei schwach verdichtete, mit einem größeren Anteil organischer Binder versetzte Teile mit großen Oberflächen, wie sie für die Herstellung von keramischen Dünnschichtbauclemcn'.en notwendig sind.Between the firing bases and load requirements on the one hand and the material to be sintered on the other no chemical reaction may take place during sintering. Fs shouldn't change either the chemical composition of the sintered material through delivery and / or absorption from or to the auxiliary bodies enter, because thereby the electrical properties, /. B. the »value or the Curie temperature can be changed. Weakly condensed, with cause particular difficulties here parts with large surfaces, such as those used for production, are mixed with a larger proportion of organic binders of ceramic thin-film construction clemcn'.en are necessary.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung von Brcniumterlagcn oder -auflagen anzugeben, die gewährleisten, daß die zu sinternden Teile nicht an den Brenn!:ilfskörpcrn ankleben, daß während des Sinterns und Schrumpfcns die Bildung von Rissen vermieden wird und bei dem ferner ein Stoffaustausch mit den Brennhilfskörpern und damit einer Veränderung in der chemischen Zu-The invention is based on the object of a method for the production of Brcniumterlagcn or conditions to ensure that the parts to be sintered do not adhere to the burning body stick on that the formation of cracks is avoided during sintering and shrinkage and in the also an exchange of substances with the auxiliary kiln and thus a change in the chemical supply
lammenseizung der zu sinternden Teile nicht auftritt. Nicht zuletzt soll eine Änderung der mechanischen Festigkeit sowohl der zu brennenden Körper als »uch der Brennhilfsmittel nicht eintreten.Lamb heating of the parts to be sintered does not occur. Last but not least, a change in the mechanical strength of both the body to be burned as »Even the kiln furniture does not enter.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist, daß den als Brennunterlagen und/ oder Belastungsauflagen dienenden Körpern aus Zirkondioxid und'oder Aluminiumoxid der Zusatzstoff unter Temperaturbehandlung durch Diffusion einverleibt wird.This object is achieved by a method of the type described at the outset, which according to the invention is characterized in that the bodies used as firing bases and / or loading pads are made of zirconium dioxide and'or aluminum oxide is incorporated into the additive with temperature treatment by diffusion will.
Vorzugsweise wird für die der Diffusion dienenden Temperaturbehandlung der zuzusetzende Stoff als Pulver auf die später als Brennunterlagen und/oder -auflagen dienenden Sinterkörper aufgestreut oder es werden die Körper in einem Pulver des betreffenden Materials eingehüllt, wonach die Temperaturbehandlung folgt.The substance to be added is preferably used as the temperature treatment used for diffusion Powder sprinkled onto the sintered bodies that will later serve as firing bases and / or supports, or it the bodies are enveloped in a powder of the material in question, after which the temperature treatment follows.
Es hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt, daß auf die guten Eigenschaften der Sinterhilfiikörper aus Zirkondioxid und/oder Aluminiumoxid nicht verzichtet zu werden braucht (z. B. gute Maßhaltigkeit, vielfache Verwendbarkeit), wenn die Brennhilfskörper (Unterlage und Belastungsauflage) durch einen gewissen Anteil solcher Stoffe chemisch inaktiviert werden, die normalerweise im Zusammenhang mit i..ier Diffusion vom einen in den anderen Körper zu einer chemischen Reaktion und damit zum Festkleben führen. Es wird dadurch nicht nur das Festkleben vermieden sond rn es wird, und das ist ebenfalls überraschend, eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften vermieden, weil einer Änderung der chemischen Zusammensetzung vorgebeugt ist. Außerdem ist es möglich, solche Brennunterlagen, solange es die Stärke erlaubt, stets erneut abzuschleifen und für weitere Sinterprozesse zu verwenden. Die Schwierigkeit, auf die Grundplatte eine Schicht aus einem Material aufzubringen, das in seiner Zusammensetzung dem zu brennenden Körper entspricht, wobei stets noch eine ebene Oberfläche erhalten bleiben soll, ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung von Brennhilfsmitteln mit Anteilen an Stoffen der zu brennenden Teile vermieden. Surprisingly, it has been found that the good properties of the auxiliary sintering bodies made of zirconium dioxide and / or aluminum oxide need not be dispensed with (e.g. good Dimensional accuracy, multiple uses), if the auxiliary kiln furniture (base and load support) are chemically inactivated by a certain proportion of such substances, which are normally related with i..ier diffusion from one body to the other to a chemical reaction and thus to the Lead to sticking. It not only avoids sticking, but it becomes, and that is also surprisingly, a change in the electrical properties avoided because of a change the chemical composition is prevented. It is also possible to use such firing documents, as long as the strength allows it to be ground again and used for further sintering processes. the Difficulty in applying a layer of a material that is different in its composition to the base plate corresponds to the body to be burned, while still maintaining a flat surface is to remain is due to the proposed use of kiln furniture with Avoided proportions of substances in the parts to be burned.
Bei den Versuchen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, wurde festgestellt, daß nicht nur die Komponenten der Hauptbestandteile der zu sintern den Massen in die Unterlage diffundieren (z. B. BaO oder TiOJ oder daß Bestandteile der Unterlage in die zu sinternden Körper wandern (z. B. ZrC),), sondern daß auch solche Anteile der zu brennenden Korper einer Diffusion unterliegen, die nur in sehr geringen Mengen dem Hauptmaterial zur Beeinflussung der elektrischen und dielektrischen Eigenschaften zugesetzt sind. Beispielsweise gehört hierher, daß für keramische Massen auf der Basis von Stoffen mit Perowskitslruktur Zusätze an Mangandioxid, Eisenoxid, Bleioxid ii. ä. verwendet werden.In the experiments that have led to the present invention, it was found that not only Components of the main constituents of the masses to be sintered diffuse into the substrate (e.g. BaO or TiOJ or that constituents of the substrate migrate into the body to be sintered (e.g. ZrC),), but that even those parts of the bodies to be burned are subject to diffusion, which are only very slight Amounts added to the main material to influence the electrical and dielectric properties are. For example, this subheading includes that for ceramic masses on the basis of substances Perovskite structure Additions of manganese dioxide, iron oxide, lead oxide ii. Ä. Be used.
Für die Sinterung von Körpern, die f'rdalkalitit;.-nati: im wesentlichen enthalten, wird vorgeschlagen, Brennimtcrlagcn zu verwenden, die einen gewissen Anteil an Titanaten und'oder an Titandioxid und oder an Erdalkalioxidcn enthalten.For the sintering of bodies, the earth alkalinity; .- nati: essentially contain, it is proposed to use fuel plates which have a certain Contains a proportion of titanates and / or titanium dioxide and / or alkaline earth oxides.
Enthalten die zu brennenden Körper neben den Hauptbestandteilen kleine Mengen an (.'ic elektrischen und die dielektrischen Eigenschaften beeinflussenden Zusätze, so sind gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung Brennunterlagen zu verwenden, die ebenfalls mit einem solchen Zusatz versehen sind.Do the bodies to be burned contain small amounts of (.'ic electric and influencing the dielectric properties Additions, according to a further embodiment of the invention, firing pads are to be used, which are also provided with such an addition.
Die Herstellung der Brennhilfskörper erfolgt in der Weise, daß fertiggesinterte, aus Zirkondioxid und/oder Aluminiumoxid bestehende Brennhilfskörper einer Temperaturbehandlung unterzogen werden, bei der für ein Eindiffundieren der gewünschten Zusatzstoffe gesorgt ist.The auxiliary kiln bodies are produced in such a way that they are completely sintered, made of zirconium dioxide and / or aluminum oxide existing auxiliary kiln furniture are subjected to a temperature treatment, in which a diffusion of the desired additives is ensured.
Dieser Weg ist besonders dann zu empfehlen, ίο wenn die zu sin'.ernden Bauelementekörper bestimmte Anteile an Blei aufweisen und den Brennhilfskörpern ein Bleianteil zugefügt werden muß.This method is particularly recommended, ίο when the component bodies to be sin'.ernden determined Have proportions of lead and the auxiliary kiln furniture a lead portion must be added.
Die Mengen der zuzusetzenden Stoffe sind überraschenderweise nicht besonders gioß. Für die Sinterung von Körpern aus Titanaten enthalten die Brennhilfskörper Zusatzoxide (TiO,, Erdalkalioxid) in der Größenordnung von bis zu 10%.The amounts of the substances to be added are surprisingly not particularly great. For sintering of bodies made of titanates the auxiliary kiln bodies contain additional oxides (TiO ,, alkaline earth oxide) on the order of up to 10%.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen folgende bevorzugte Ausführungsbeispiele:The following preferred exemplary embodiments serve to further explain the invention:
1. Für die Sinterung von Erdalkalimischtitanaten der Zusammensetzung1. For sintering alkaline earth mixed titanates of the composition
570,0 BaO,
4% CaO,570.0 BaO,
4% CaO,
a5 31% TiO,, a5 31% TiO ,,
5% ZrO,,
2% SnOj und5% ZrO ,,
2% SnOj and
1% an Flußmitteln (Kaolin, Speckstein, Mangandioxid)1% flux (kaolin, soapstone, manganese dioxide)
weisen die Brennhilfskörper folgende Zusammensetzung auf:the auxiliary firing bodies have the following composition:
95% ZrO,.
2% CaO',95% ZrO ,.
2% CaO ',
2,8% der obigen Masse,
0,2% MnO,.2.8% of the above mass,
0.2% MnO ,.
Das zusätzlich hinzugefügte Mangandioxid erwies sich als wertvoll, da hier vor allem der zur Erzielung bestimmter elektrischer Eigenschaften wichtige MnO2-Anteil im gewünschten Körper konstant gehalten wird.The additionally added manganese dioxide turned out to be valuable, since the MnO 2 content in the desired body, which is important for achieving certain electrical properties, is kept constant here.
2. Für die Sinterung eines Calcium-Strontium-Mischtitanats wird die Verwendung von Brennhilfskörpern aus Zirkondioxid vorgeschlagen, das etwa 1O0O Calciumtitanat enthält.2. For the sintering a calcium strontium Mischtitanats the use is proposed of internal auxiliary bodies made of zirconia containing about 1O 0 O calcium titanate.
3. Für die Sinterung von Forsterit (Magnesium-Aluminium-Silikat) wird die Verwendung von Brennhilfskörpern vorgeschlagen, die aus Zirkondioxid mit Zusätzen von Forsterit und Kaolin in Mengen bis zu je 10° π bestehen.3. For sintering forsterite (magnesium-aluminum-silicate) the use of auxiliary kiln bodies is proposed, which are made of zirconium dioxide with additions of forsterite and kaolin in amounts of up to 10 ° π each.
4. Für die Sinterung von Blei-Zirkon-Titanat wird die Verwendung von Brennhilfskörpern vorgeschlagen, die aus AI1O1 bestehen und mit Blei-Zirkonat-Titanat angereichert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Zusatz zum Brennhilfskörper durch Diffusion oberhalb tier Sintertemperatur in das bereits dicht gesinterte ΛΙ,Ο. eingebracht.4. For the sintering of lead zirconate titanate, the use of auxiliary kiln bodies is proposed which consist of Al 1 O 1 and are enriched with lead zirconate titanate. In this embodiment, the addition to the auxiliary kiln was made by diffusion above the sintering temperature in the already densely sintered ΛΙ, Ο. brought in.
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Die Bedeutung der vorliegenden Erfindung wird deutlich, wenn man bedenkt, daß bei den bisher hergestellten keramischen Körpern für elektrische Bauelemente die Stärke so groß war, daß eine Beeinflussung tier Eigenschaften in der oberflächlichen Randschicht (Stärke etwa 50 u) praktisch keinen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften des Gesamtkörpers ausgeübt hat.The importance of the present invention becomes clear when one considers that in the previously made ceramic bodies for electrical components the strength was so great that it was influenced animal properties in the superficial edge layer (thickness about 50 u) practically no influence exerted on the electrical properties of the entire body.
Bei den nach der Erfindung zu sinternden, sehr dünnen Plättchen spielen aber diese Vorgänge eine erhebliche Rolle, und es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß hiermit ein Verfahren angegeben wurde, bei dem jegliche Beeinflussung der elekirischen Eigenschaften bei den sehr dünnen Plättchen ausgeschaltet ist.In the case of the sintered according to the invention, very However, these processes play a significant role in thin platelets, and it is an advantage of the present invention Invention that hereby a method has been specified in which any influencing of the electrical Properties is turned off in the case of the very thin platelets.
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