DE19518408A1 - Selektierte keramische Formteile und Verfahren zur Selektion fehlerfreier keramischer Formteile - Google Patents

Description

Keramische Formteile weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, wie Tempera­ turbeständigkeit, Härte, geringe Dichte, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, geringe thermische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit usw., die sie für eine Vielzahl von Anwendungen im Hochtemperaturbereich, bei Temperaturwechsel­ beanspruchung, auch in korrosiver Umgebung usw. prädestinieren. Nachteilig ist die hohe Sprödigkeit von Keramik-Formteilen. Aufgrund der hohen Sprödigkeit führen kleinste Materialfehler, insbesondere bei bewegten keramischen Bauteilen, z. B. als Bauteile von Verbrennungsmaschinen, zu deren Zerstörung.

Aufgrund des Herstellungsprozesses für keramische Bauteile, ausgehend von gegebenenfalls granulierten Pulvern, Formgebung durch Trockenpressen oder Spritzgießen, Ausheizen bzw. Ausbrennen des Formgebungshilfsmittels und Sintern sowie gegebenenfalls Nachbearbeitung der Oberfläche, lassen sich Materialfehler im fertigen Formteil nicht sicher vermeiden.

Für kritische Einsatzgebiete ist es daher erforderlich, fehlerhafte Bauteile nach der Herstellung auszusondern.

Hierzu wurden Verfahren der akustischen Klanganalyse, der Ultraschallanalyse sowie mechanische und thermische Schock-Tests entwickelt, die zerstörungsfrei Hinweise auf gegebenenfalls vorliegende Defekte im Bauteil liefern. Obwohl auf diese Weise ein großer Teil der defekt-behafteten Formteile aussortiert werden können, ist die Sicherheit der Identifizierung eines defekt-behafteten Bauteils für viele wünschenswerte Einsatzgebiete nicht ausreichend. So scheitert der breite Einsatz eines keramischen Ventilschaftes im Kraftfahrzeugmotor an der noch unzureichenden Defektfreiheit derartiger Formteile. Für den Ventilschaft im Kraftfährzeugmotor ist zu fordern, daß auf 1 Million derartiger Bauteile weniger als ein defekt-behaftetes kommt. Es besteht daher Bedarf nach einem "Prooftest", der es erlaubt, defekte Formteile mit nahezu absoluter Sicherheit zu erkennen und auszusortieren. Die Verbesserung der Herstellungsverfahren für keramische Formteile zur Vermeidung von Defekten ist im Vergleich hierzu eine lediglich die Wirtschaftlichkeit verbessernde Maßnahme, mit der die prinzipielle Einsetzbarkeit derartiger Bauteile nicht gewährleistet werden kann.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, keramische Formteile nach dem Sintern mit einer fokussierten Unterwasserstoßwelle zu beaufschlagen, derart, daß defekt- behaftete Formteile durch die hierdurch erzeugten Druck- und Zugspannungen zerstört und aussortiert werden.

Die Technik der fokussierten Unterwasserstoßwellen ist insbesondere für das Gebiet der Zerstörung von Nierensteinen entwickelt worden und hat große Anwendung gefunden. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von fokussierten Unterwasserstoßwellen besteht darin, in dem einen Brennpunkt eines Rotations­ ellipsoids mittels einer sich entladenden Funkenstrecke eine Plasmaexplosion herbeizuführen, wobei sich die Druckwelle der Plasmaexplosion in Form einer Stoßwelle ausbreitet, an den Wänden des Ellipsoids reflektiert wird und im anderen Brennpunkt fokussiert wird. Die für die Nierensteinzerstörung zulässigen Funkenentladungsenergien liegen allerdings im Bereich von lediglich bis maximal 100 Joule, wogegen die für den Prooftets keramischer Bauteile erforderlichen Funkenentladungsenergien im Bereich von einigen Kilojoule liegen. Eine Erhöhung der Funkenentladungsenergie in den geforderten Bereich ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Einerseits führt eine Erhöhung der Entladungsenergie zu einem verstärkten Abbrand der Elektroden der Funkenstrecke, ferner sind erhöhte Anforderungen an die Impedanzfreiheit der elektrischen Versorgung der Funkenstrecke zu stellen, um eine ausreichende Energiedichte zu gewährleisten (kurze Entladungsdauer). Eine Erhöhung der Funkenentladungsenergie erfordert demgemäß eine Verlängerung des Abstandes der Elektroden, so daß die Entladung bei höherer Spannung ausgelöst wird. Eine Vergrößerung des Abstandes der Elektroden der Funkenstrecke führt aber zu einer Verbreiterung des Fokus, so daß die Energiedichte im Fokus nicht entsprechend ansteigt. Eine für den Prooftest keramischer Bauteile geeignete Fokussierung der Stoßwelle wird noch mit Unter­ wasserfunkenstrecken erreicht, mit denen eine Energie von 400 bis 800 Joule freigesetzt wird. Die Halbwertsoberfläche des Fokus liegt bei solchen Entladungs­ energien im Bereich von 3 bis 5 cm². Unter Halbwertsoberfläche des Fokus soll dabei diejenige geschlossene Fläche (angenähert ein Ellipsoid) verstanden werden, innerhalb derer der Druck der fokussierten Stoßwelle größer ist, als die Hälfte des maximalen Druckes.

Erfindungsgemaß wird daher vorgeschlagen, mehrere gleichzeitige Funkenent­ ladungen in dem einen Fokus jeweils eines Hohlellipsoides durchzuführen, wobei die mehreren Ellipsoide so angeordnet sind, daß sie einen gemeinsamen zweiten Fokus aufweisen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Ver­ fahren zur Erzeugung einer fokussierten Unterwasserstoßwelle mittels Unterwasserfunkenentladung in einem Fokus eines Hohlellipsoides, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt-Funkenentladungsenergie durch mindestens zwei gleichzeitige Funkenentladungen in dem einen Fokus je eines Fokussierellipsoides freigesetzt wird, wobei die mindestens zwei Ellipsoide einen gemeinsamen zweiten Fokus aufweisen.

Da die fokussierten Stoßwellen im gemeinsamen Fokus der Ellipsoide aufeinander­ treffen, gelingt es, die Energiestoßdichte im Fokus zu erhöhen, ohne den Fokus zu verbreitern.

Bevorzugt werden mindestens drei Unterwasserfunkenentladungen gleichzeitig ausgelöst. Nach oben ist die Zahl der gleichzeitig auszulösenden Funkenent­ ladungen nur durch die Geometrie, d. h. durch die Ausdehnung der Fokussier­ ellipsoide begrenzt. Erfindungsgemäß ist es nicht ausgeschlossen, bis zu 12 Stoßwellen in einem Fokus zu fokussieren. Das erfindungsgemäß erzielbare Druckmaximum im Fokus kann zwischen 0,5 und 2,5 GPa betragen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer fokussierten Unterwasserstoßwelle hoher Energiedichte enthaltend mindestens zwei konfokale Teilellipsoide, in deren anderem Fokus je eine Funkenstrecke vorgesehen ist, sowie Mittel zur Erzeugung zeitgleicher Funkenentladungen in den Teilellipsoiden.

Erfindungsgemäße Teilellipsoide sind Teil-Hohl-Rotationsellipsoide, wobei sich die Funkenstrecke im Fokus innerhalb des Teilellipsoids befindet und der zweite Fokus außerhalb des Teilellipsoides. Zumindest soll sich der Teilellipsoid bis zu einer Ebene senkrecht zur großen Achse des Ellipsoids erstrecken, die den doppelten Abstand vom Durchstoßpunkt der großen Achse durch den Ellipsoid hat, wie der Fokus. Aufgrund des Ausbreitungsverhaltens der durch die parallel zu und in der großen Achse des Ellipsoids angeordnete Funkenstrecke erzeugten Stoßwelle kann die Energiebündelung im allgemeinen nicht verbessert werden, wenn der Teilellipsoid größer ist als 1/2 Ellipsoid.

Die Erzeugung von Funkenentladungen erfolgt üblicherweise dadurch, daß eine Kondensatorbatterie mittels einer Kondensatorladeeinheit auf Spannungen von 10 bis 50 Kilovolt aufgeladen wird, und die Entladung über eine Schaltfunkenstrecke mittels Triggergenerator, der in der Schaltfunkenstrecke eine Spannungsspitze erzeugt, gezündet wird.

Das Mittel zur Erzeugung zeitgleicher Funkenentladungen kann darin bestehen, daß die mehreren Funkenstrecken hintereinandergeschaltet sind.

Bin weiteres Mittel zur Erzeugung zeitgleicher Funkenentladungen besteht darin, daß die Triggergeneratoren für die Funkenentladungen zeitgleich angesteuert werden.

Bevorzugt sind erfindungsgemäße Vorrichtungen, die mittels Unterwasserfunken­ entladungen eine Gesamtenergie von 1 bis 5 Kilojoule freisetzen, wobei die Halb­ wertsoberfläche des Fokus weniger als 5 cm², besonders bevorzugt weniger als 3 cm² beträgt. Dies entspricht etwa einem Fokusdurchmesser von 7 bis 12 mm.

Die Halbwertsoberfläche ist dabei diejenige den Ort des Druckstoßmaximums umschließende elipsoidförmige Oberfläche, auf der der mittlere Druck die Hälfte des Druckmaximums beträgt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung fehlerfreier keramischer Bauteile durch Sintern geformter Grünkörper, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Bauteil nicht vor Durchführung des Sinterns mit einer fokussierten Unterwasserstoßwelle beaufschlagt wird, die mittels Unterwasserfunkenentladung einer Energie von 1 bis 5 Kilojoule erzeugt wurde und wobei die Halbwertsoberfläche des Fokus weniger als 5 cm² beträgt, wobei fehlerhafte Bauteile durch Zerstörung ausgesondert werden.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein durch Beaufschlagung mit mindestens einer fokussierten Unterwasserstoßwelle selektiertes keramisches Formteil, wobei die Unterwasserstoßwellen mittels Unterwasserfunkenentladung einer Energie von 1 bis 5 Kilojoule erzeugt wurde und die Halbwertsoberfläche des Fokus weniger als 5 cm² beträgt.

Vorzugsweise werden die keramischen Formteile nach dem Sintern und vor der Bearbeitung durch mechanischen Abtrag dem Prooftest unterzogen, so daß die aufwendige mechanische Nachbearbeitung für die defekthaltigen Formteile unter­ bleibt. Ferner ist es vorteilhaft, eventuelle mechanisch anzubringende Kerbungen, Gravuren oder andere querschnittsverengende mechanische Bearbeitungen erst nach dem Prooftest durchzuführen, da solche Querschnittsverengungen zu einer zu hohen Belastung durch den Prooftest führen können. Vorzugsweise weisen die keramischen Bauteile Abmessungen in mindestens einer Dimension von 5 bis 30 mm auf. Formteile, die in mindestens zwei Dimensionen größere Abmessungen aufweisen, müssen mehrfach an unterschiedlichen Stellen mit der fokussierten Stoßwelle beaufschlagt werden, da sonst ihre Fehlerfreiheit nicht mit Sicherheit gewährleistet werden kann. In größeren Formteilen breitet sich die Schockwelle unter Abschwächung aus, so daß vom auftreffenden Fokus weiter entfernte Stellen nicht mehr mit ausreichender Energie beaufschlagt werden.

Vorzugsweise werden Teilellipsoide eingesetzt, wobei die große Elipsoidachse zwischen 15 und 25 cm mißt und das Achsenverhältnis 1,1 bis 1,5, vorzugsweise bis 1,3 beträgt.

Die Auswahl der Funkenentladungsenergie im Bereich von 1 bis 5 kJ erfolgt in Abhängigkeit von dem keramischen Material und der Form und Größe des Formteils.

Als Keramikmaterialien geeignet sind Si₃N₄, AlN, BN, SiC, B₄C, die Übergangs­ metallcarbide, -nitride, -silicide, -boride, die Oxide Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, La₂O₃, Seltenerdoxide, Cr₂O₃, TiO₂, Titanate, Ferrite sowie beliebige Mischungen dieser Verbindungen oder Mischphasen aus diesen Verbindungen, insbesondere wenn die entsprechenden Formkörper durch Sintern hergestellt wurden. Insbesondere bevorzugt sind Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid und Mischungen davon.

Die erfindungsgemäß selektierten Formteile können als anfänglich zu 100% fehlerfrei charakterisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der drei Unterwasserfunken­ entladungen in einem gemeinsamen Fokus fokussiert werden.

Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt AA durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt das Prinzip der elektrischen Funkenentladung zur zeitgleichen Auslösung zweier Funkenentladungen.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der elektrischen Schaltung zur zeit­ gleichen Zündung zweier Funkenentladungen.

Fig. 5 erläutert beispielhaft den Prooftest für einen Ventilschaft aus Siliciumnitrid.

Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung mit 6 konfokal fokussierten Funkenentladungen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einem nach oben offenen Wassertank 1 mit angedeuteter Wasseroberfläche 2 der in einer Ecke drei bezüglich ihrer Längsachse a rechtwinklig zueinander angeordnete kreisrunde Öffnungen 3 aufweist, an die von außerhalb des Behälters zum Behälter hin offene Halbellipsoide 4 angeflanscht sind. In dem Fokus F₁ jedes Halbellipsoides wird eine nicht gezeichnete Funkenstrecke durch eine auf der Rückseite des Ellipsoids vorgesehene Einführungsöffnung angeordnet. Der zweite Fokus jedes der Ellipsoide 4 ist der gemeinsame Fokus F_c. Das zu testende keramische Formteil wird in dem Fokus mit einer Fläche derart angeordnet, daß die gleichzeitig ausgelösten fokussierten Stoßwellen möglichst gleichmäßig in das Formteil eintreten können.

Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt AA durch Fig. 1, die die beiden horizontalen Achsen der Ellipsoide enthält. In diesen Ellipsoiden ist die Funkenstrecke 6 zusätzlich angedeutet.

Fig. 3 zeigt prinzipiell die Schaltanordnung zur Erzeugung der Funkenentladung. Hierzu ist eine Kondensatorbatterie 10 vorgesehen, die mittels einer Kondensator­ ladeeinheit über den Ladewiderstand 12 z. B. auf eine Spannung von 40 kV aufgeladen wird. Zur Auslösung der Funkenentladung wird mit dem Trigger­ generator 13 in der Schaltfunkenstrecke mittels einer Elektrode 15 ein Hochspannungsimpuls erzeugt, durch den die Schaltfunkenstrecke ionisiert wird, so daß der Gesamtwiderstand in dem Stromkreis aus Kondensatorbatterie 10, Schaltfunkenstrecke 14 und den beiden Funkenstrecken 6 derart herabgesetzt wird, daß die Funkenstrecken zünden. Dadurch das die beiden Funkenstrecken 6 hintereinander geschaltet sind, ist gewährleistet, daß diese gleichzeitig zünden.

In der Darstellung gemäß Fig. 4 weisen die beiden Funkenstrecken 6a und 6b getrennte identische Versorgungs- und Schalteinheiten wie in Fig. 3 dargestellt, auf. Zur gleichzeitigen Zündung der Funkenentladung sind die beiden Trigger­ generatoren 13 über eine Synchronisationsleitung 16 verbunden.

Fig. 5 zeigt als keramisches Bauteil einen Ventilschaft 20 mit dem Ventilteller 21 und der angeformten Achse 22. Der Ventilschaft wird mit geeigneten Halte­ einrichtungen so in der Vorrichtung gemaß Fig. 1 angeordnet, daß sich der gemeinsame Fokus F_c im Bereich des Übergangs vom Ventilteller zur Ventilachse befindet. Die drei Pfeile I, II und III deuten die relative Anordnung der großen Ellipsenachsen aus Fig. 1 an.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit 6 kreissymmetrischen der Ebene angeordneten Funkenstrecken 6 und den entsprechenden Teilellipsoiden 4, die auf den gemeinsamen Fokus F_c fokussieren. Beispielhaft eingezeichnet ist ein zylinderförmiges Formteil 31 mit zur Zeichnungsebene senkrechter Achse.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer fokussierten Unterwasserstoßwelle hoher Energiedichte, enthaltend mindestens zwei konfokale Teilellipsoide, in deren anderen Fokus je eine Funkenstrecke vorgesehen ist, sowie Mittel zur Erzeugung zeitgleicher Funkenentladungen in den Teilellipsoiden.

2. Verfahren zur Erzeugung einer fokussierten Unterwasserstoßwelle mittels Unterwasserfunkenentladung in einem Fokus eines Teilellipsoides, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenentladungsenergie durch mindestens zwei gleichzeitige Funkenentladungen in einem Fokus je eines Teilellipsoides freigesetzt wird und die Teilellipsoide einen gemeinsamen zweiten Fokus aufweisen.

3. Verfahren zur Herstellung fehlerfreier keramischer Bauteile durch Sintern geformter Grünkörper, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bauteil nicht vor Durchführung des Sinterns mit einer fokussierten Unterwasserstoßwelle beaufschlagt wird, die mittels Unterwasserfunkenentladung einer Energie von 1 bis 5 kJ erzeugt wurde, und wobei die Halbwertsoberfläche des Fokus weniger als 5 cm² beträgt, wobei fehlerhafte Bauteile durch Zerstörung aussortiert werden.

4. Durch Beaufschlagung mit einer fokussierten Unterwasserstoßwelle selektiertes keramisches Formteil, wobei die Unterwasserstoßwelle mittels Unterwasserfunkenentladung einer Energie von 1 bis 5 kJ erzeugt wurde und die Halbwertsoberfläche des Fokus weniger als 5 cm² beträgt.