DE19628965C2 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus Kohlenstoff hoher Dichte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Form­ teils aus Kohlenstoff hoher Dichte, bei dem aus einem Pulver ein Grünling gepreßt, der Grünling carbonisiert und anschließend graphitiert wird.

Aus der JP 5-221719 A ist ein Verfahren bekannt, mit dem en­ dabmessungsnahe und zumindest eine Höhlung aufweisende Formteile aus Kohlenstoff hoher Dichte gefertigt werden können, die insbe­ sondere zur späteren Herstellung von Kolben für Verbrennungs­ kraftmaschinen vorgesehen sind.

Zur Herstellung eines Formteils wird ein Grünling aus einem sin­ terfähigen Pulver gepreßt, wobei zum Pressen ein Pulver hoher Dichte und einer Korngröße von durchschnittlich 15 µm verwendet wird. Der Grünling wird durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 800°C und 1200°C carbonisiert und anschließend durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 2600°C und 3200°C graphitiert.

Zur Bildung des Grünlings wird das Pulver in eine Preßform eines Preßwerkzeuges eingefüllt, das einen domartigen Stempel auf­ weist. Das zur Ausbildung der Höhlung vorgesehene Formteil ist aus einem starren Material, insbesondere aus Metall gefertigt. Dem Preßwerkzeug wird der gepreßte Grünling entnommen. Zur Bil­ dung des fertigen Formteils wird der Grünling anschließend car­ bonisiert und danach graphitiert. Zur erleichterten Entnahme des Grünlings aus dem Preßwerkzeug weist der Stempel einen leichten Konus auf, der sich in Entnahmerichtung öffnet.

Die auf diese Weise hergestellten Formteile weisen allerdings gemäß dieser Schrift immer noch Risse in den Kantenbereichen auf. Daher müssen die Formteile an den Kanten ein hohes Übermaß von dem späteren Endmaß des aus ihnen zu fertigten Werkstück aufweisen, was bei der späteren Herstellung eines Werkstückes mit einem erhöhten Bearbeitungs- sowie Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein kann. Des weiteren ist die Ausschußrate bei der­ artigen Formteilen aufgrund eines Auseineinanderbrechens trotz des Übermaßes sehr hoch.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles wird in der zugrundegelegten Schrift vorgeschlagen, zur Herstellung des Grünlings einen Stem­ pel aus gummieleastischem Material und/oder einem nicht sinter­ fähigen Pulver zu verwenden. Die weiteren Arbeitsschritte wie Pressen, Carbonisieren und Graphitieren bleiben gleich. Die mit diesem nach dieser Schrift vorteilhaften Verfahren erhaltenen Formteile sind zumindest weitgehend frei von Rissen. Allerdings ist der Zeit- und Energiebedarf zur Carbonisierung des Grünlings mit ca. 20 Tagen bis einem Monat sehr hoch.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem aus Kohlenstoff hoher Dichte und Festigkeit gefertigte Formteile hergestellt werden können, deren Herstellung und End­ bearbeitung kostengünstiger ist.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahrens mit den Verfahrensschrit­ ten des Anspruchs 1 gelöst. Obwohl es aus der zugrundegelegten Schrift bekannt ist, daß die Verwendung eines homogenen, starren und insbesondere außenseitig polierten Stempels aus Stahl zur Ausbildung der gewünschten Innenkontur des Grünlings mit einer erheblichen Bildung von Rissen einhergeht, weist ein mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren hergestelltes Formteil überraschender Weise allenfalls vernachlässigbare, insbesondere keine Risse und ebenso allenfalls vernachlässigbare, insbesondere keine Lunker auf. Daher können die Abmessungen der Formteile insbesondere an den Kanten noch näher an das spätere Endmaß angenähert werden. Aus der geringeren Abweichung des Formteils gegenüber dem daraus zu fertigenden Werkstück resultiert eine geringere Bearbeitungs­ zeit und damit geringere Kosten. Ferner ist auch überraschend, daß durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise die Zeit zum Car­ bonisieren des gepreßten Grünlings auf ca. 5 Tage reduziert wer­ den konnte, wodurch wiederum der Energieverbrauch und damit auch die Kosten zur Herstellung des Formteils weiter gesenkt sind.

Mit der Erfindung wird durch endformnahes Pressen von binderlo­ sen Feinkornkohlenstoff-Pulvern auf einen starren, allenfalls geringfügig nachgebenden Stempel, bspw. aus Stahl oder Keramik, und anschließender Temperaturbehandlung ein isotropes Formteil als Graphitkörper mit hoher Festigkeit endformnah her­ gestellt, so daß auf eine Zeit- und kostenintensive Nacharbeit verzichtet werden kann. Die geeignete Pulverauswahl, die Formge­ bung und Prozeßführung erlauben die Herstellung von homogenen, riß- und lunkerfreien Bauteilen aus Graphit.

Als Ausgangsmaterial dienen binderlose Feinkornkohlenstoff- Pulver, insbesondere Kohlenstoff-Mesophasen mit einer Pulver­ dichte von größer als 1,4 g/cm³. Das Pulver ist selbstsinternd und wird ohne zusätzliche Additive oder Bindemittel verarbeitet. Die durchschnittliche Korngrößen der verwendeten Pulver liegen zwischen 5 und 20 µm. Darüberhinaus eignen sich Pulver mit hohen Kohlenstoffgehalten von etwa 90 Gew.-%, da sie eine hohe Kohlen­ stoffausbeute nach dem Carbonisieren ergeben.

Das Pressen des endformah herzustellenden Grünlings kann entwe­ der in einer Kaltisostatpresse oder in einer Uniaxialpresse er­ folgen.

Das verwendete kaltisostatische Formwerkzeug, in welches das Pulver eingefüllt wird, besteht aus einem gummiartigen Kau­ tschukmaterial z. B. Siliconkautschuk oder PU-Schaumstoff mit ei­ ner Wandstärke zwischen 5 und 15 mm. In das Zentrum dieser zy­ lindrischen Formen wird der Stempel eingebracht, daß dieser et­ was in den Boden der Kautschukform eingesenkt ist und beim Fül­ len des Formwerkzeugs mit Pulver und beim Pressen nicht verrut­ schen kann. Damit die Wandstärke des zu pressenden Grünlings al­ lenorts etwa gleich ist, ist die Form des Formwerkzeuges etwa äquidistant zu den Wandungen des Stempels ausgeführt.

Es erweist sich als vorteilhaft, den Stempel leicht konisch zu gestalten, da das Pulver durch den Preßvorgang auf den Stempel gepreßt wird und etwas anhaftet. Durch eine leichte Entformungs­ schräge des Stempels wird die Entnahme des Grünlings nach dem Pressen wesentlich vereinfacht. Dies gilt insbesondere bei Stem­ peln, die keine Rotationssymmetrie aufweisen.

Das Pulver wird in den verbleibenden Hohlraum zwischen Stempel und Kautschukform gefüllt und manuell oder durch Rütteln leicht verdichtet, um einen guten Füllgrad zu erzielen. Das gefüllte Formwerkzeug wird mit einem Deckel verschlossen, der ebenfalls aus Kautschuk besteht und eine gleiche Wandstärke wie das übrige Formwerkzeug hat.

Beim Kaltisostatpressen liegt der verwendete Druck, in Abhängig­ keit von der Korngröße und der Dichte des eingesetzten Pulvers, zwischen 50 und 150 MPa. Der Maximaldruck wird bis zu 10 Minuten gehalten.

Günstig bei dem Preßprozeß ist die Regelung des Druckabbaus von etwa 8 MPa bis zum Normaldruck, um Preßspannungen im Bauteil zu vermeiden. Beim Pressen verbleibt der Stempel im Zentrum der mit Pulver gefüllten Kautschukform und wird mitgepreßt und liefert eine formgetreue Innenkontur der Höhlung. Durch diesen Vorgang erhält man eine saubere und glatte Kontur und Innenoberfläche des gepreßten Grünlings. Die Außenwände des gepreßten Grünlings sind beim Kalisostatpressen hingegen etwas gewölbt, da das Pul­ ver beim Pressen auf den nicht verformbaren Kern plastisch in die Ecken der Kautschukform fließt, wo nicht so starke Preßkräf­ te auf die Form einwirken.

Um auch die Außenkontur endformnah abzubilden und für Großse­ rienanwendungen ist es günstig, den Grünling uniaxial zu pres­ sen. Bei einer uniaxialen Pressung in einem starren Zylinder und bei Verwendung eines starren Kerns kann nicht nur die Innenkon­ tur, sondern auch die Außenkontur endformnah hergestellt werden. Die erzeugten Wandflächen sind glatt, wodurch auf eine Außenbe­ arbeitung des Bauteils ganz verzichtet werden kann.

Der Preßdruck ist stark bauteilabhängig und größer 1 MPa. Die Preßform besteht aus einem Metall, bspw. aus Aluminium, dessen Oberfläche hartstoffbeschichtet und/oder eloxiert ist. Eventuell ist es erforderlich, die uniaxialen Preßkörper bspw. durch Ein­ schweißen und Evakuieren in einer Kunststofffolie isostatisch nachzuverdichten. Die Außen- und die Innenkontur verändert sich dadurch allenfalls geringfügig.

Die nach diesem Verfahren bislang hergestellten Grünlinge haben Boden- und Wandstärken größer 5 mm.

Für die Carbonisierung ist es von Vorteil, wenn der Grünling in einen Tiegel eingebracht wird, der ein gut wärmeleitendes Pul­ ver, z. B. Bornitrid, enthält. Der Grünling wird in die lose Pulverschüttung vollständig eingebettet. Das das Formteil umge­ bende Pulver darf während der Temperaturbehandlung nicht mit dem Erzeugnis reagieren, nicht anhaften und auch selbst nicht sin­ terfähig sein. Es muß sich nach dem Carbonisieren leicht entfer­ nen lassen.

Die Temperaturbehandlung wird in inerter Gasatmosphäre, z. B. un­ ter Stickstoff, durchgeführt. Bis zu einer Temperatur von etwa 200°C kann eine schnelle Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 K/min verwendet werden. Ab 200°C setzt der erste Verdichtungs­ schritt und Schrumpfungsprozess im gepreßten Grünling ein. Hier wird zweckmäßigerweise eine langsame Heizrate von etwa 0,1 K/min gewählt. Im Temperaturbereich zwischen 500 und 700°C wird sinn­ vollerweise eine Haltezeit eingelegt, damit das Material Zeit für den Ablauf der stattfindenden chemischen Reaktionen hat und die dabei freiwerdende Pyrolysegase an die Bauteiloberfläche diffundieren können. Anschließend wird bis zur Endtemperatur von 1000°C mit einer schnelleren Heizrate von etwa 0,2 K/min gefah­ ren. Die gesamte Prozeßzeit beträgt z. B. etwa 4 Tage.

Nach dem Carbonisieren erhält man einen kompakten, rißfreien Körper, der gegenüber dem Grünzustand um etwa 30 Vol.-% ge­ schrumpft ist. Der Kohlenstoffkörper besteht aus teilkristalli­ nem, teilgraphitierten Kohlenstoffmaterial und ist in diesem Zu­ stand sehr hart und spröde. Das Gefüge des Kohlenstoffkörpers ist homogen. Die Innenkonturen, die durch den Preßvorgang auf den Kern hervorgerufen werden, sind formgetreu erhalten.

Für den Graphitierprozeß ist es nicht zwingend notwendig den carbonisierten Tiegel in einem Pulverbett zu brennen. Die Gra­ phitierung der Kohlenstoffkörper erfolgt unter inerter Atmo­ sphäre, z. B. unter Argon und ist bei Temperaturen von 2000-3000 °C, insbesondere oberhalb 2500°C abgeschlossen. Der Kohlen­ stoffkörper wird dem Carbonisierungs-Ofen entnommen, und in ab­ gekühltem Zustand in einen Graphitierungs-Ofen eingebracht. Da­ durch werden beim anschließenden Graphitieren Verunreinigungen vermieden, da die beim Carbonisieren aus dem Grünling entgasen­ den Verunreinigungen im Carbonisierungs-Ofen verbleiben. Der Graphitierungs-Ofen wird bis ca. 1000°C mit einer Temperatur­ rampe von etwa 10 K/min angeheizt. Bei Temperaturen zwischen 1000°C und etwa 1600°C wird eine Heizrate von etwa 0,2 °K/min gewählt. Bis zur angestrebten Graphitierungs-Temperatur kann mit Heizraten von bis zu 5 K/min gefahren werden. Vorteilhafterweise werden bei Temperaturen von 1600, 1900 und 2500°C Pausen einge­ legt, die zur Verbesserung von zeitabhängigen Diffusionsprozes­ sen im Inneren des Bauteil dienen, was für das Erzielen von gu­ ten Materialeigenschaften des als Endprodukts anfallenden Form­ teils von Vorteil ist.

Während der Graphitierung finden im Körpervolumen vor allem Ver­ dichtungsprozesse statt. Zudem steigt die Kristallinität des Kohlenstoffs stark an, und er wird in seinen Eigenschaften zuneh­ mend graphitisch.

Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Formteil ist rißfrei und homogen. Das Formteil weist ein homogenes Fein­ korngefüge und damit hervorragende physikalische und mechani­ schen Eigenschaften für einen Graphit auf. Die Oberflächen, wel­ che beim Pressen dem Kern zugewandt waren, sind glatt. Die Volu­ menschrumpfung gegenüber dem Grünling liegt bei 40-50 Vol.-%.

Weitere sinnvolle Verfahrensschritte sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles nähers erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Formteil zur späteren Herstellung eines Kolbens aus Graphit für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Schnitt durch ein Preßwerkzeug zur Herstellung eines innenseitig angeordneten und einen gestuften Querschnitt aufweisenden Grünlings,

Fig. 3 eine zeitabhängigen Druckverlauf zum Pressen eines Grün­ lings für ein Formteil gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen zeitlichen Temperaturverlauf zum Carbonisieren des Grünlings für ein Formteil gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 einen zeitlichen Temperaturverlauf zum Graphitieren des Grünlings zur Herstellung eines Formteils nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist als mögliches Endprodukt des beanspruchten erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ein im Querschnitt tiegelförmiges Form­ teil 1 insbesondere für einen späteren Kolben aus Graphit für eine Brennkraftmaschine dargestellt. Damit die Endbearbeitung des aus dem Formteil 1 herzustellenden Kolbens mit einen relativ geringen Zeitaufwand vorgenommen werden kann, ist das Formteil 1 hinsichtlich seinen Bemaßungen endformnah hergestellt. End­ formnah bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Innenform des Formteils 1 gegenüber der späteren Endform des Kolbens Toleran­ zen unterhalb eines Zentimeters, insbesondere mit Toleranzen un­ terhalb eines halben bis eines Viertel Zentimeters aufweist.

Im Falle eines Formlings 1 für Werkstücke, die unterschiedliche Wändstärken aufweisen, wird der Grünling 2 sinnvollerweise mit gleichbleibender Wandstärke gepreßt, wobei sich hier die angege­ benen Toleranzen auf die größte Wandstärke beziehen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Preßwerkzeug 4 zur Herstel­ lung eines Grünlings 2 für einen weiteres Formteil dargestellt. Der Grünling 2 gemäß Fig. 2 weist im Gegensatz zu einem Grün­ ling für ein Formteil 1 nach Fig. 1 im Längsschnitt keine ge­ radlinigen Wandverlauf, sondern einen gestuften Wandverlauf auf.

Damit ein Grünling 2 mit einer geringen Ausschußrate carboni­ siert und graphitiert werden kann, weisen dessen Wandungen, trotz gestufter Ausführung, immer eine zumindest nahezu gleich­ mäßige Wandstärke auf. Dies ist von Vorteil, da dadurch - wie später beschrieben, beim Carbonisieren und beim Graphitieren je­ der Bereich der Wandung nahezu gleichartige Entgasungs- bzw. Diffusionswege aufweist.

Das Preßwerkzeug 4 weist einen Preßtopf 5 mit einer Außenkontur und einen Boden 6 aus elastischem Material auf. Am Boden 6 des Preßtopfes 5 ist zur Ausbildung der Höhlung des Grünlings 2 ein Stempel 3 aus einem starren Material definiert ortsfest angeord­ net.

Der Stempel 3 weist zur Ausbildung eines gestuften Wandverlaufes des zu pressenden Grünlings 2 einen entsprechend gestuften Wand­ verlauf auf, wobei die Kanten angefast sind und/oder Verrundun­ gen aufweisen (nicht dargestellt). Zur vereinfachten Entnahme des Stempels 3 bzw. des gepreßten Grünling 2 weist der Stempel 3 entlang seiner Wandungen zusätzlich noch eine Entformschräge auf.

Damit die Wanddicke der Wandung des gepreßten Grünlings 3 in vorteilhafter Weise etwa gleichbleibt, weist die Außenkontur des Preßtopfes 5 zur Wandung des Stempels 3 günstigerweise einen et­ wa gleichbleibenden Abstand auf.

Nach dem Füllen des Preßtopfes 5 mit dem Pulver wird dieser mit einem Preßdeckel 7 verschlossen, der ebenfalls aus einem elasti­ schen Material gefertigt ist. Gegebenenfalls kann der Stempel 3 anstelle am Boden 6 des Preßtopfes 5 auch am Preßdeckel 7 ange­ ordnet sein, was bei dem Grünling 2 nach Fig. 2 ggf. günstiger sein könnte.

Der mit dem Preßdeckel 7 verschlossene Preßtopf 5 - also das Preßwerkzeug 4, wird in eine flexible und vorzugsweise elasti­ sche Hülle 8 dichtend eingeschlossen und in ein Flüssigkeitsbec­ ken 9 eingebracht, dessen Druck erhöht wird. Hierbei wird in ei­ nem Quasi-isostatischen-Preßvorgang das Pulver auf die freien starren Wandungen des Stempels 3 gepreßt, wodurch der Grünling 2 mit etwa gleichbleibenden Wanddicke hergestellt wird. Quasi­ isostatisch daher, da nur der Preßdruck von außen isostatisch ist.

Im nachfolgenden wird die Herstellung eines tiegelartigen Form­ teils 1 gemäß Fig. 1 beschrieben.

Als Ausgangssubstanz für die Herstellung eines tiegelförmigen Grünlings wird ein Kohlenstoff-Mesophasenpulver mit einem C/H- Verhältnis von 2,3, einer Pulverdichte von 1,43 g/cm³ und einer mittleren Korngröße von 9 µm (maximale Korngröße 25 µm) verwen­ det.

Zunächst wird das Pulver in einen diesmal zylindrischen Preßtopf 5 eines Preßwerkzeuges 4 gefüllt, das in seinem Zentrum einen zylindrischen Stempel 3 aus Stahl aufweist, der am Boden 6 des Preßtopfes 5 fixiert ist. Der Innendurchmesser des Preßtopfes 5 beträgt 150 mm, die Füllhöhe 80 mm, bei einer Wandstärke von 8 mm. Der Stempel 3 hat einen Durchmesser von 89 mm und ist 53 mm hoch. Das zwischen Stempel 3 und Innenwand des Preßtopfes 5 ver­ bleibende Volumen von 1084 cm³ wird mit 680 g Pulver gefüllt. Beim Füllen und beim späteren Pressen ist darauf zu achten, daß der Stempel 3 nicht verrutscht. Der Preßtopf 5 wird nach dem Füllen durch Rütteln vorverdichtet. Nach dem Vorverdichten wird der Preßtopf 5 mit einem Preßdeckel 7 aus Kautschuk verschlossen und in eine dichte, die Hülle 8 bildende Gummifolie eingeschlos­ sen.

Das auf diese Weise in das Preßwerkzeug 4 eingebrachte Pulver wird kaltisostatisch mit für eine Dauer von 10 Minuten einem Preßdruck von 15 MPa ausgesetzt und zu einem festen Grünling verdichtet, wobei der Druck innerhalb von 3 min angelegt wird. Anschließend wird der Preßdruck auf 10 MPa gesenkt und dieser Druck 5 min gehalten. Danach wird der Preßdruck wieder gesenkt, wobei zwischen 8 MPa und 2 MPa eine Druckrampe von 6 MPa/5 Minu­ ten gefahren wird. Von 2 Mpa bis Normaldruck dauert die Druc­ kentlastung 10 Minuten. Die Gründichte des Grünlings liegt bei 1,24 g/cm³. Nach dem Pressen des Grünlings wird der Preßdruck zumindest ab einem Druck von 8 MPa langsam gesenkt, wobei diese Druckentlastung bei einem Preßdruck von 2 MPa nochmals verlang­ samt wird. Der gesamte Druckverlauf beim Pressen des Grünlings ist maßstabsgetreu in Fig. 3 dargestellt.

Zur Vorbereitung des Carbonisierprozesses wird der Grünling in einem verschlossenen Tiegel aus Graphit gestellt. Der Tiegel enthält eine feinkörnige, lockere Schüttung aus Bornitrid (Pulverbett), in welches der Grünling eingebettet wird.

Die Carbonisierung wird unter Stickstoffatmosphäre in einem wi­ derstandsbeheizten Ofen bis zu einer Endtemperatur von 1000°C durchgeführt. Der Prozeß wird in einer inerten Atmosphäre mit einer Durchflußrate des Gases von 1 l/min bei einem Ofeninhalt von 75 Liter durchgeführt. Der aufgezeigt Prozeß läuft in 9 Schritten ab und dauert 4 Tage 18 Stunden und 18 Minuten. Die Temperaturführung des Prozesses ist aus Tabelle 1 und dem sche­ matischen Diagramm der zugehörigen Fig. 4 ersichtlich.

Tab. 1: Temperaturführung für den Carbonisierprozeß

Nach dem Carbonisieren erhält man einen homogenen und rißfreien Festkörper aus Kohlenstoff (Kohlenstoffkörper) mit den ungefäh­ ren Abmessungen: Innendurchmesser 78 mm, Außendurchmesser 112 mm, Höhe außen 55 mm und Höhe innen 42 mm. Die Dichte des Koh­ lenstoffkörpers beträgt 1,71 g/cm³.

Der Graphitierprozeß wird in einem Graphitierofen von 15 Liter Ofeninhalt unter Argon-Atmosphäre bis zu einer Endtemperatur von 2500°C durchgeführt. Die Durchflußrate des Inertgases ist wie beim Carbonisieren 1 l/min. Die Gesamtzeit des Graphitierprozes­ ses beträgt 3 Tage 10 Stunden und 36 Minuten. Die beim Graphi­ tieren vorzulegende Endtemperatur ist u. a. von dem verwendeten Pulver abhängig.

Die Führung der Temperatur verläuft in 9 Abschnitten und ist schematisch in Tabelle 2 und der zugehörigen Fig. 5 wiedergege­ ben. Nach dem Graphitieren erhält man ein homogenes, rißfreies Formteil mit den ungefähren Abmessungen Durchmesser innen 75 mm, Außendurchmesser 106 mm, Höhe außen 52 mm und Höhe innen 40 mm.

Tab. 2: Temperaturführung für den Graphitierprozeß

Der graphitierte Festkörper ist durch folgende mechanisch- physikalischen Eigenschaften gekennzeichnet:

Die Dichte, welche nach der Archimedes-Methode durch Auftrieb in Wasser bestimmt wurde beträgt 1,94 +/- 0,01 g/cm³. Sie ent­ spricht 86% der theoretischen Dichte von Graphit.

Die offene Porosität, welche mit einem Helium-Pyknometer be­ stimmt wurde, beträgt 11 Volumen-%.

Zur Bestimmung der Biegefestigkeit (4-Punkt-Methode) wurde aus dem Boden und der Wand des zylindrischen Körpers jeweils 20 Pro­ ben entnommen, welche eine Abmessung von 45 × 4 × 3 mm aufwie­ sen.

Die aus dem Boden entnommenen Proben zeigen einen Spitzenwert der Biegefestigkeit von 116 MPa und einen Minimalwert von 91 MPa. Der arithmetische Mittelwert liegt bei 107 MPa. Die Wand zeigt einen Spitzenwert der Biegefestigkeit von 105 MPa und ei­ nen Minimalwert von 90 MPa. Der arithmetische Mittelwert liegt bei 96 MPa.

Der Wert für den Netzebenenabstand c/2, der durch Röntgendif­ fraktometrie bestimmt wurde, liegt bei 0,336 +/- 0.001 nm.

Die Wärmeleitfähigkeit wurde an einer zylindrischen (Wand-)Probe mit den Abmessungen, Länge 20 mm und einem Durchmesser von 8 mm, nach der Laser-Flash-Methode zu 105 W/(m . K) bestimmt; die einer Bodenprobe mit 109 W/(m . K).

Der Härtewert, der nach der Rockwell-Methode (HR) bestimmt wurde liegt bei 76.

Tabelle 3: Abmessungen und Schwindungen des Grünlings, des carbonisierten und des graphitierten Körpers.

Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konturnah hergestelltes Formteil besitzt vergleichbare Eigenschaften, wie die bereits auf dem Markt erhältlichen, kommerziellen hochfesten Graphite. Durch die Kombination von typischen, graphitischen Eigenschaf­ ten, wie hohe Festigkeit, geringes spezifisches Gewicht und hohe Wärmeleitfähigkeit ist ein breites Spektrum in der Anwendung möglich. Der hergestellte Graphit ist unlöslich in H₂O und nichtoxidierenden Säuren und Laugen, er ist nicht schmelzbar und chemisch inert gegen nahezu alle Medien der organischen Chemie, wie Lacke, Farben, Frostschutzmittel, Kältemittel oder Kunst­ stoffe und technischen Harze. Auch gegen anorganische Medien, wie Laugen, die meisten Säuren, zeichnet sich der hergestellte Graphit durch höchste Beständigkeit aus. So kann der hergestell­ te Werkstoff als Tiegelmaterial zum Beispiel in der Kristall­ züchtung eingesetzt werden. Ausgenommen vom Einsatzgebiet sind Temperaturen < 500°C in oxidierender Atmosphäre sowie stark oxidierende Medien.

Insbesondere hat der in der Erfindung hergestellte Graphit auf Grund seiner hohen Biegefestigkeit von etwa < 90 MPa den Vorteil, daß er für den Einsatz als mechanisch beanspruchtes Bauteil ge­ eignet ist.

Die Höhe der gemessenen Werte, deren Homogenität über den gesam­ ten Formling 1 und deren geringe Streuung ist vor allem bei der Verwendung als Kolben aus Graphit im Verbrennungsmotor günstig.

Eine Anwendung kommt für Bauteile in Betracht, wo enge Toleran­ zen und Einbauspiele unter Normalbedingungen als auch bei höhe­ ren Temperaturen gefordert werden. Für diesen Anwendungsfall, bei dem sich der Werkstoff, z. B. durch Reibbeanspruchung er­ wärmt, wirkt sich auch die hohe Wärmeleitfähigkeit von ca. 100 W/(m . K) (Stahl 30 (W/m . K)) sehr positiv aus. Sie sorgt für eine ausreichende Wärmeabfuhr und schützt den Graphit vor Oxidation.

Aufgrund seiner, im Vergleich zu Metallen, niedrigen Dichte von etwa 1,94 g/cm³ ist ein Einsatz als Leichtbauwerkstoff möglich.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines eine Hohlform aufweisenden Formteils (1) aus Kohlenstoff hoher Dichte, hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit, bei dem ein Grünling (2) gepreßt, der Grünling (2) carbonisiert und anschließend graphitiert wird, wobei
ein binderloses und selbstsinterndes Feinkornkohlenstoff- Pulver, insbesondere Kohlenstoff-Mesophasen, mit einer Pulver­ dichte gemäß DIN 51 913 größer 1 g/cm³ und einer durchschnitt­ lichen Korngröße zwischen 5 und 20 µm vorverdichtet wird,
das vorverdichtete Pulver mit einem Druck zwischen 50 und 150 MPa um einen starren, die Hohlform ausbildenden Stempel (3) zu dem Grünling (2) gepreßt wird,
nach dem Pressen des Grünlings (2) der Druck mit einer Druck­ rampe zwischen 0.19 und 6 MPa/min gesenkt wird,
zum Carbonisieren der Grünling (2) in einer inerten Umgebung zunächst mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 5 und 20 K/min erwärmt wird,
anschließend bis zu der Halte-Temperatur zwischen 500 und 700 °C eine Aufheizgeschwindigkeit mit 0,05 bis 0,5 K/min gewählt wird,
nach Erreichen der Halte-Temperatur diese für eine definierte Haltezeit beibehalten wird,
anschließend die Temperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 0.05 und 1 K/min auf eine Carbonisierungs-Temperatur zwischen 800 und 1200°C erhöht, und diese Carbonisierungs- Temperatur gehalten wird, und
der Kohlenstoffkörper (2) auf eine Graphitierungs-Temperatur zwischen 2000 und 3000°C in einer inerten Atmosphäre erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feinkornkohlenstoff-Pulver mit einer Pulverdichte größer 1,4 g/cm³ verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinkornkohlenstoff-Pulver durch Rütteln vorverdichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorverdichtete Pulver mit einem Druck von etwa 100 MPa gepreßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb 2500°C graphitiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Pressen des Grünlings (2) der Preßdruck spätestens ab einem Wert kleiner 8 MPa langsam gesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünling (2) in einer Pulverschüttung aus wärmeleitendem Material, insbesondere Bornitrid, eingebettet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt des Pulvers größer als 90 Massen-% ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Halte-Temperatur die Haltezeit kleiner als zwei Stunden gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Haltezeit eine Aufheizgeschwindigkeit von etwa 0,2 K/min gewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Carbonisieren des Grünlings (2) bis zu einer Verdich­ tungs-Temperatur eine Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 K/min gewählt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufheizen auf die Graphitierungs-Temperatur wenigstens ein Zwischenhalt, insbesondere bei ca. 1600 und/oder 1900 und/oder 2500°C, eingelegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufheizen auf die Graphitierungs-Temperatur bis zu ei­ ner Temperatur zwischen 1400 und 1800°C eine Aufheizgeschwin­ digkeit zwischen 0.05 und 1 K/min. insbesondere ca. 0.2 K/min. gewählt wird, und daß anschließend eine Aufheizgeschwindigkeit zwischen 2 und 20 K/min. insbesondere ca. 5 K/min gewählt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper vor dem Graphitieren abgekühlt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsfester Stempel (3) verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver uniaxial um den starren Stempel (3) vorgepreßt und anschließend isostatisch, insbesondere kaltisostatisch nach­ gepreßt wird.