DE19733698C1 - Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen, wie sie z. B. als Komponenten im Maschinenbau, im Motorenbau, in der Textilindustrie oder chemischen Verfahrenstechnik angewendet werden können.

Keramische Bauteile werden auf pulvertechnologischem Weg hergestellt, indem zunächst aus dem Ausgangspulver Formkörper gefertigt werden, die anschließend einer Wärmebehandlung (Sinterung) unterworfen . werden. Die endgültigen Bauteileigenschaften bilden sich erst im Ergebnis dieser Wärmebehandlung aus, indem die einzelnen Pulverpartikel durch Stofftransportprozesse miteinander versintern, so daß Werkstoffgefüge gebildet werden. Die Gefügeausbildung und die damit verbundenen Werkstoffeigenschaften werden durch die Eigenschaften der verwendeten Ausgangspulver bestimmt. Technische keramische Werkstoffe mit hoher Festigkeit bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen, hoher Härte und guter chemischer Beständigkeit werden meist aus sehr feinen Pulvern (mittlere Korngröße < 1 µm), die aufgrund des großen Oberflächen/Volumenverhältnisses eine hohe Sinteraktivität besitzen und zur Ausbildung feinkörniger, homogener Gefüge führen, hergestellt.

Das Versintern erfolgt durch Stofftransportprozesse, die oft über eine bei der Sintertemperatur sich bildende Flüssigphase ablaufen (sogenanntes Flüssigphasensintern). Viele keramische Stoffsysteme benötigen diese Flüssigphase zur Ausbildung eines dichten Gefüges und der weiteren angestrebten physikalischen und chemischen Eigenschaften des keramischen Werkstoffes. Die Flüssigphase behält ihren amorphen Zustand nach der Abkühlung bei oder kristallisiert ganz oder teilweise aus. Weiterhin ist es möglich, daß Bestandteile der Flüssigphase mit dem keramischen Pulver z. B. zu Mischkristallen reagieren, bzw. in dessen Gitter eingesetzt werden. Die nach dem Sintern neben dem keramischen Pulver bzw. dessen Reaktionsprodukten vorliegenden Phasen werden meist als Sekundärphasen bezeichnet.

Der Flüssigphasenanteil und seine Verteilung bestimmen in hohem Maße die Werkstoffeigenschaften der gesinterten Keramik. Z. B. kann die nach dem Sintern vorliegende Sekundärphase feinverteilt an den Korngrenzen zur Erhöhung der Bruchzähigkeit beitragen, durch zu hohen Anteil aber auch die Festigkeit, insbesondere die Hochtemperaturfestigkeit, drastisch verschlechtern. Weiterhin ist es möglich, daß nach dem Sintern eine Sekundärphase in den Tripelpunkten der keramischen Pulverteilchen vorliegt. In jedem Fall ist eine äußerst gleichmäßige Verteilung der Flüssigphase und der daraus entstehenden Sekundärphasen die Voraussetzung für einen qualitativ hochwertigen keramischen Werkstoff. Eine ungleichmäßige Verteilung der Sekundärphasen führt z. B. zu breiten Festigkeitsverteilungen und damit zur Verringerung der Zuverlässigkeit.

Zur Ausbildung der Flüssigphase werden dem keramischen Ausgangspulver, das den Werkstoff hauptsächlich bildet, geringe Mengen (kleiner 20 Ma.-%, vorzugsweise kleiner 10 Ma.-%) an Additiven, sogenannten Sinteradditiven, zugemischt. Diese Pulver zeichnen sich ebenfalls durch eine hohe Feinheit (mittlere Korngröße kleiner 2 µm) aus und müssen mit dem übrigen keramischen Pulver sehr homogen vermischt werden, damit sich während des Sinterprozesses eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigphase ergibt und daraus resultierend bessere Werkstoffeigenschaften erreicht werden, bzw. damit der Volumenanteil der Flüssigphase, der für das Sintern zu hohen Werkstoffdichten erforderlich ist, möglichst gering ist, und daraus resultierend bessere Werkstoffeigenschaften erreicht werden.

Da sich keramische Pulver mit mittleren Korngrößen kleiner 1 µm ohne flüssiges Dispersionsmittel nicht bis auf das Primärkorn dispergieren lassen, erfolgt die Homogenisierung des Pulvers und der Sinteradditive in Wasser oder in einem Lösungsmittel (Ethanol, Aceton u. a.) mit Feststoffgehalten < 70 Ma.-%, und anschließender Trocknung des Pulvers durch Sprühtrocknung, Wirbelschichttrocknung oder Mischtrocknung. Das getrocknete, homogenisierte Pulver wird anschließend, wenn es im weiteren Prozeß durch thermoplastische Formgebung verarbeitet werden soll, in einem separaten Mischaggregat mit dem thermoplastischen Binder vermischt (Roetenberg, K. S. et al. Powder injection molding symp. 1992, p. 119-130).

Durch die WO 96/02480 ist ein Verfahren bekannt, durch das sinterfähige Grünkörper unter Verwendung von nanoskaligen nichtoxidischen Pulvern hergestellt werden. Diese Pulver werden in einem organischen Lösungsmittel mit mindestens einem höhermolekularen Dispergierhilfsmittel zu sinterfähigen Grünkörpern verarbeitet.

Dieses Verfahren wird eingesetzt, um den Einsatz von organischen Hilfsmitteln im Sinterkörper zu verringern.

Es ist weiterhin aus der EP 0 473 022 A2 eine vergießbare Formmasse bekannt, bei der versinterbare Pulver mit einer Korngröße von 0,1 bis 50 µm, ein organisches Lösungsmittelgemisch und grenzflächenaktive Stoffe enthalten sind. Diese Massen können geformt werden, da sie eine Verfestigungstemperatur im Bereich von -20°C bis 35°C aufweisen. Nach der Formgebung müssen das Lösungsmittelgemisch durch Trocknung und die grenzflächenaktiven Stoffe z. B. durch Pyrolyse entfernt werden.

Die beschriebenen Technologien sind sehr aufwendig und sehr energie- und materialintensiv. Für die Homogenisierung von Pulver und Sinteradditiv werden große Mengen Lösungsmittel oder Wasser benötigt, deren Entfernung während des folgenden Trocknungsprozesses viel Energie erfordert. Der Energiebedarf für die Herstellung der thermoplastischen Formmassen setzt sich aus dem der Thermoplastifizierung und dem der Homogenisierung von Pulver und Sinteradditiv zusammen.

Es ist weiterhin bekannt, daß für ein drucklos gesintertes Siliciumcarbid ein Heißgießen möglich ist (Sprechsaal, Ceramics & Materials, Vol. 128, No. 1 (1995). Dazu werden zu einem thermoplastischen SiC-Schlicker als Sinterhilfsmittel für das Festphasensintern Kanalruß und Bor zugegeben. Da sich insbesondere Kanalruß sehr schlecht dispergieren läßt, wurde vorgeschlagen, diesen Ruß mit einer Oberflächenmodifizierung zu versehen. Die Oberflächenmodifizierung erfolgte durch öllösliche, wasserlösliche anionische und wasserlösliche kationische grenzflächenaktive Stoffe, die für das Dispergierverhalten von Bor und Ruß ausgewählt wurden.

Es wurde vorgeschlagen, alle pulverförmigen Bestandteile gemeinsam mit dem thermoplastischen Binder in einem Lösungsmittel zu homogenisieren und anschließend das Lösungsmittel zu verdampfen.

Nachteilig ist dabei, daß große Mengen Lösungsmittel erforderlich sind, um die für den Homogenisierungsprozeß erforderliche niedrige Viskosität der Suspension einzustellen.

Eine weitere beschriebene Möglichkeit beinhaltet die Oberflächenmodifizierung der Sinteradditive in wäßriger Lösung von anionischen oder kationischen grenzflächenaktiven Stoffen. In diesem Fall ist es erforderlich, das hergestellte Pulvergemisch zu trocknen, wobei zu gewährleisten ist, daß auch keine geringen Mengen Feuchtigkeit an der Pulveroberfläche verbleiben, da sie die Wechselwirkung mit dem thermoplastischen Binder negativ beeinflussen.

Schließlich wurde vorgeschlagen, die Sinteradditive als Suspension in Lösungsmitteln dem vorab hergestellten thermoplastischen Schlicker aus dem Pulver, welches die Hauptkomponente des Werkstoffes bildet, zuzugeben, und im erwärmten Zustand das Lösungsmittel aus dem Gemisch zu verdampfen. Diese Variante erfordert allerdings entschiedene Maßnahmen hinsichtlich Explosions- und Arbeitsschutz. Die verwendeten grenzflächenaktiven Substanzen sind nicht so ausgewählt worden, daß sie gleichzeitig Bestandteil des thermoplastischen Binders sein müssen.

Schließlich führten alle Varianten zu einer deutlichen Erhöhung der Viskosität des Heißgießschlickers. Die Eigenschaften der daraus hergestellten Keramik waren etwas schlechter, als die von gepreßten oder spritzgegossenen SSiC-Keramiken.

Dazu wurde nach der DE 195 46 901 vorgeschlagen, Hartmetallpulver mit einer mittleren Korngröße von < 20 µm mit einem verflüssigten thermoplastischen Binder zu mischen und zu einem Formkörper zu verarbeiten, wobei während der Herstellung und Verarbeitung die Viskosität der Mischung auf einen Wert von 100 bis 2000 mPa . s eingestellt wurde.

Oft werden für eine erfolgreiche Naßhomogenisierung dem Dispersionsmittel (Wasser oder organisches Lösungsmittel) zusätzlich Dispergierhilfsmittel zugegeben, die anschließend, da sie nicht Bestandteil des thermoplastischen Binders sind und den Thermoplastifizierungsprozeß durch Reaktion mit einzelnen Binderbestandteilen stören, ausgeheizt werden müssen, was zusätzlichen Aufwand bedeutet. Neben den Energiekosten sind für die beschriebene herkömmliche Technologie auch sehr hohe Investitions- und Betriebskosten für aufwendige Anlagen zu berücksichtigen.

Aus der EP 0 418 729 ist ein Verfahren von mit keramischen Pulvern und oxidischen Sinteradditiven gefüllten Massen aus thermoplastischen Kunststoffen bekannt. Dabei werden die thermoplastischen Kunststoffe in einer aus mehreren hintereinanderliegenden Zonen bestehenden Mischstrecke in einer ersten Zone aufgeschmolzen, in einer daran anschließenden zweiten Zone dem Kunststoff eine Suspension von keramischen Pulvern in einem organischen Lösungsmittel, das hydrolisierbare Vorläuferverbindungen der oxidischen Sinteradditive gelöst enthält, zudosiert und mit dem geschmolzenen Kunststoff vermischt. In einer dritten Zone der Mischung wird die für die Hydrolyse der Vorläuferverbindungen erforderliche Menge Wasser zugesetzt, in einer vierten Zone die das Lösungsmittel und das keramische Pulver enthaltende Schmelze komprimiert und extrudiert. Das beschriebene Verfahren ist geeignet, um Pulver, die sinteraktivierende Zusätze enthalten, mit Spritzgießen zu verarbeiten. Als Bindemittel können nur Kunststoffe oder Kunststoff-Wachs-Gemische verwendet werden, die in Schnecken-Zylinder- Systemen verarbeitet werden können. Die daraus hergestellten Spritzgießmassen zeichnen sich durch relativ hohe Viskositäten aus und können nicht durch eine thermoplastische Formgebung mit Drücken kleiner 10 MPa verarbeitet werden. Die Herstellung der Massen erfordert eine kompliziere Anlagentechnik und aufgrund der Vielzahl an chemischen und physikalischen Einzelprozessen eine anspruchsvolle und gut zu überwachende Prozeßtechnik.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen anzugeben, das unter Verwendung von thermoplastischen Bindern bei Drücken < 10 MPa einsetzbar ist, das bei Gewährleistung der nach dem Flüssigphasen-Sintern vorliegenden Werkstoffeigenschaften einfacher handhabbar und weniger energie- und materialintensiv ist und das hinsichtlich erforderlicher Maßnahmen für den Explosions- und Arbeitsschutz weniger aufwendig ist.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Lösung der Aufgabe war ausgesprochen schwierig, da in den für die Thermoplastifizierung üblicherweise eingesetzten Mischaggregaten (Kneter, Extruder, beheizte Kugelmühlen) keine solch hohen Scherkräfte erreichbar sind, wie in den für die Naßhomogenisierung eines Pulvers mit einem Sinteradditiv verwendeten Aggregaten (Ringspaltkugelmühle, Rührwerkskugelmühle). Deshalb sind bei allen bisherigen Versuchen nach dem Stand der Technik, Pulver und Sinteradditiv gemeinsam mit dem thermoplastischen Binder zu vermischen, schlechte Homogenisierungsgrade erreicht worden, die in schlechteren Werkstoffeigenschaften des gesinterten Bauteils gegenüber der herkömmlichen Technologie (Naßhomogenisierung, Trocknung und anschließende Thermoplastifizierung des homogenisierten Pulvers) resultierten.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß es auch bei Gewährleistung der nach dem Sintern zu erhaltenden Werkstoffeigenschaften möglich ist, die Thermoplastifizierung des keramischen Pulvers gemeinsam mit dem Sinteradditiv durchzuführen und damit eine vorangestellte Naßhomogenisierung des Pulvers mit dem Sinteradditiv und Trocknung der Suspension zu umgehen.

Dies war nur möglich durch den Einsatz eines niedrigviskosen thermoplastischen Binders und durch den Einsatz eines pulverförmigen Sinteradditives, welches eine Oberflächenmodifizierung mit einem oder mehreren grenzflächenaktiven Substanzen aufweist, wobei die grenzflächenaktiven Substanzen vorteilhafterweise gleichzeitig Bestandteile des thermoplastischen Binders sind. Die Oberflächenmodifizierung wird erreicht, indem sedimentationsstabile Suspensionen aus dem als Sinteradditiv eingesetzten keramischen Pulver mit einer vorteilhaften mittleren Teilchengröße von ≦ 2 µm in einem organischen Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch mit darin enthaltenden grenzflächenaktiven Substanzen hergestellt werden. Die Sedimentationsstabilität ist dabei das Maß für die Dispergierung der feinen Pulverteilchen. In diesem dispergierten Zustand können die Moleküle der grenzflächenaktiven Substanz aus dem Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch an die gesamte Oberfläche der Pulverteilchen adsorbieren und die Oberflächeneigenschaften so modifizieren, daß eine homogene Vermischung dieser Pulverteilchen mit den Pulverteilchen des oder der anderen keramischen Pulver und dem niedrigviskosen thermoplastischen Bindemittel in üblicherweise für die Thermoplastifizierung geeigneten Mischaggregaten bei Ausbildung hierfür ausreichender Scherkräfte möglich wird.

Das Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch kann entfernt werden. Die Suspension oder das modifizierte Pulver werden mit dem oder den anderen keramischen Pulvern und dem thermoplastischen Bindemittel und möglicherweise noch weiteren grenzflächenaktiven Substanzen gemischt. Sofern noch Lösungsmittel/Lösungsmittelgemische in der Masse enthalten sind, werden diese dann entfernt und die Pulvermischung wird zu einem Formkörper geformt, der anschließend zu dem gewünschten keramischen Bauteil gesintert wird.

Der Mechanismus der Adsorption der grenzflächenaktiven Substanzen kann folgendermaßen erklärt werden.

In jedem Falle sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei unterschiedliche Feststoffoberflächen, das als Sinteradditiv eingesetzte keramische Pulver und mindestens noch ein weiteres keramisches Pulver, vorhanden. Weiterhin ist mindestens eine grenzflächenaktive Substanz vorhanden, vorteilhafterweise jedoch mehrere. Unter diesen Bedingungen kommt es zur konkurrierenden Adsorption, d. h. die grenzflächenaktive Substanz wird sich an die Feststoffoberfläche anlagern, mit deren Oberflächengruppen die eigenen funktionellen Gruppen in eine stärkere Wechselwirkung treten können. Bei ähnlichem Charakter der Wechselwirkung spielt für eine bessere Beweglichkeit der Moleküle im Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch auch die Kettenlänge der grenzflächenaktiven Substanzen eine Rolle. Wenn durch Zugabe des einen Pulvers in das thermoplastische Bindemittel mit grenzflächenaktiver Substanz eine Anlagerung dieser grenzflächenaktiven Substanz an die Pulveroberfläche bereits erfolgte und dem System weiteres Pulver zugegeben wird, so kann die grenzflächenaktive Substanz von der ersten Pulveroberfläche aufgrund der höheren Affinität zur zweiten Pulveroberfläche wechseln. Durch Aufhebung der stabilisierenden Oberflächenmodifizierung bilden die Teilchen des ersten Pulvers nun Agglomerate. Liegen im System Pulver-Lösungsmittel zwei unterschiedliche grenzflächenaktive Substanzen vor, so wandern die Moleküle der beiden Substanzen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zur Pulveroberfläche und adsorbieren mit unterschiedlicher Wechselwirkung. Günstig ist deshalb die Modifizierung des ersten Pulvers mit einer grenzflächenaktiven Substanz, die mit starker Wechselwirkung an die Pulveroberfläche adsorbiert, nach Zugabe dieses Pulvers in das System mit dem zweiten Pulver aber keine zu große Beweglichkeit und keine zu hohe Affinität zu diesem zweiten Pulver aufweist. Liegen in dem System mit dem zweites Pulver weitere grenzflächenaktive Substanzen mit guter Wechselwirkung zu dem zweiten Pulver vor, so kann erwartet werden, daß es keine Abwanderung der grenzflächenaktiven Substanzen von den jeweiligen Pulveroberflächen gibt und eine Agglomeratbildung damit nicht stattfindet.

Zu beachten ist auch, daß ein einfacher Überschuß an grenzflächenaktiven Substanzen nicht erwünscht ist, da sonst die Moleküle und ihre Kohlenwasserstoffketten untereinander Wechselwirkungen eingehen, für die Oberflächenmodifizierung also nicht mehr zur Verfügung stehen.

Die erforderliche Menge an grenzflächenaktiver Substanz wird vom Belegungsplatz der funktionellen Gruppen der grenzflächenaktiven Substanz auf der Pulveroberfläche, der ca. 0,1-1,0 nm² beträgt, bestimmt und kann über die Anzahl der Moleküle in einer Mengeneinheit (g) und der spezifischen Pulveroberfläche berechnet werden.

Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Erfindungsgemäß sind 72 g Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,35 µm und 40 g Yttriumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm mit 12 g Ölsäure und 220 ml Hexan gemischt und in einer Planetenkugelmühle 30 min mit Mahlkugeln aus Aluminiumoxid homogenisiert worden. Die erhaltene stabildisperse Suspension wird getrocknet und das erhaltene Pulver wird gemeinsam mit 1400 g Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm mit 300 g Paraffin und 80 g Stearinsäure gemischt. Dadurch wird der thermoplastische Schlicker A für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumcarbidkeramik erhalten.

Zum Vergleich dazu sind nach dem Stand der Technik 72 g Aluminiumoxid, 40 g Yttriumoxid und 400 g Siliciumcarbid mit 1000 g Wasser und 300 g Mahlkugeln aus Siliciumcarbid mit einem Durchmesser von 2 mm in einer Rührwerkskugelmühle 30 min homogenisiert und anschließend in einem Sprühtrockner wasserfrei getrocknet worden. Das erhaltene homogenisierte Pulver wird mit 300 g Paraffin und 92 g Stearinsäure gemischt. Dadurch wird der thermoplastische Schlicker B für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumcarbidkeramik erhalten.

Zum weiteren Vergleich sind ebenfalls nach dem Stand der Technik 1400 g Siliciumcarbidpulver gemeinsam mit 72 g Aluminiumoxid und 40 Yttriumoxid mit 300 g Paraffin und 92 g Stearinsäure gemischt worden, wobei ein thermoplastischer Schlicker C für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumcarbidkeramik erhalten wird.

Die thermoplastischen Schlicker A, B und C werden auf einer Heißgießanlage bei 95 °C unter Drücken von 0,3 MPa zu Prüfstäben der Abmessung 6 mm × 7 mm × 70 mm geformt, bis zu einer Temperatur von 270°C entbindert, bei 1950°C unter Argonatmosphäre gesintert, vierseitig geschliffen und anschließend die Sinterdichte und die Biegebruchfestigkeit bestimmt. Die Dichten betragen für die Versätze A, B und C jeweils 97,5%, 97,5% und 96,0% der theoretischen Dichte. Die 4-Punkt- Biegebruchfestigkeiten betragen für die Versätze A, B und C jeweils 470 MPa, 480 MPa und 360 MPa.

Aus diesen Angaben ist zu erkennen, daß die erreichten Werkstoffeigenschaften der keramischen Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, vergleichbar sind zu den Werkstoffeigenschaften der keramischen Bauteile, die nach Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden sind. Beim Verfahren nach Variante C werden sogar deutlich schlechtere Werkstoffeigenschaften erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Vorteile hinsichtlich des materiellen, technischen und energetischen Aufwandes erkennbar.

Beispiel 2

72 g Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,35 µm und 40 g Yttriumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm werden mit 12 g Ölsäure und 220 ml Hexan gemischt und in einer Planetenkugelmühle 30 min mit Mahlkugeln aus Aluminiumoxid homogenisiert. Die erhaltene stabildisperse Suspension wird mit 1400 g Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm mit 300 g Paraffin und 80 g Stearinsäure gemischt und anschließend das Hexan über eine Kühlfalle aus dem Mischaggregat abgeschieden. Dadurch wird der thermoplastische Schlicker für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumcarbidkeramik erhalten.

Aus dem thermoplastischen Schlicker wird auf einer Heißgießanlage bei 95°C unter Drücken von 0,3 MPa Formkörper hergestellt. Nach dem Entbindern und Sintern wird eine flüssigphasengesinterte Siliciumcarbidkeramik (LPSSiC-Keramik) mit 97,5 % der theoretischen Dichte und einer 4-Punkt-Biegebruchfestigkeit von 470 MPa erhalten.

Beispiel 3

72 g Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,35 µm und 40 g Lanthanoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,8 µm werden mit 12 g Stearinsäure und 250 ml Isopropanol gemischt und in einer Planetenkugelmühle 30 min mit Mahlkugeln aus Aluminiumoxid homogenisiert. Die erhaltene stabildisperse Suspension wird getrocknet und das erhaltene Pulver wird gemeinsam mit 1400 g Siliciumnitridpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm mit 300 g Paraffin und 75 g Stearinsäure gemischt. Dadurch wird der thermoplastische Schlicker für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumnitridkeramik erhalten.

Aus dem thermoplastischen Schlicker wird auf einer Heißgießanlage bei 95°C unter Drücken von 0,3 MPa Formkörper hergestellt. Nach dem Entbindern und Sintern wird eine gesinterte Siliciumnitridkeramik (SSN-Keramik) mit einer Dichte von 3,25 g/cm³ und einer 4-Punkt-Biegebruchfestigkeit von 700 MPa erhalten.

Beispiel 4

72 g Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,35 µm und 40 g Lanthanoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,8 µm werden mit 6 g Ölsäure und 250 ml Isopropanol gemischt und in einer Planetenkugelmühle 30 min mit Mahlkugeln aus Aluminiumoxid homogenisiert. Ölsäure geht mit Aluminiumoxid und Yttriumoxid eine stärkere Wechselwirkung ein, als mit Siliciumcarbid. Die Ölsäuremenge wurde so berechnet, daß nach Belegung der Oxidoberfläche im wesentlichen keine überschüssigen Moleküle im Lösungsmittel verbleiben. Nach dem Trocknen der Suspension wird das oberflächenmodifizierte Pulver mit 1400 g SiC-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm mit 300 g Paraffin und 80 g Fettamin gemischt. Ein Abwandern der Ölsäuremoleküle von der Oxidoberfläche wird aufgrund der starken Wechselwirkung mit der Oxidoberfläche vermieden und die SiC-Oberfläche kann vollständig mit Fettaminmolekülen belegt werden. Dadurch wird der thermoplastische Schlicker für die Herstellung von Bauteilen aus Siliciumnitridkeramik erhalten.

Aus dem thermoplastischen Schlicker wird auf einer Heißgießanlage bei 95°C unter Drücken von 0,3 MPa Formkörper hergestellt. Nach dem Entbindern und Sintern wird eine flüssigphasengesinterte Siliciumcarbidkeramik (LPSSiC-Keramik) mit 97,0 % der theoretischen Dichte und einer 4-Punkt-Biegebruchfestigkeit von 460 MPa erhalten.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen, bei dem aus einem als Sinteradditiv eingesetzten keramischen Pulver und einem organischen Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch mit einer Kohlenwasserstoffkettenlänge von ≦ C 12 eine sedimentationsstabile Suspension hergestellt wird, wobei das organische Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch mindestens eine grenzflächenaktive Substanz enthält, anschließend die Suspension mit mindestens einem weiteren keramischen Pulver gemischt wird, wobei das Verhältnis von Feststoff in der Suspension zu dem/den weiteren keramischen Pulver(n) maximal 1 : 5 ist, und weiterhin mit mindestens einem niedrigviskosen thermoplastischen Bindemittel gemischt werden, vorhandene Lösungsmittel/Lösungsmittelgemische entfernt und aus dieser Masse mit bekannten Methoden Formkörper hergestellt und diese gesintert werden.

2. Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen, bei dem aus einem als Sinteradditiv eingesetzten keramischen Pulver und einem organischen Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch mit einer Kohlenwasserstoffkettenlänge von ≦ C 12 eine sedimentationsstabile Suspension hergestellt wird, wobei das organische Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch mindestens eine grenzflächenaktive Substanz enthält, danach das Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch entfernt werden, anschließend das modifizierte Pulver im Verhältnis von maximal 1 : 5 mit mindestens einem weiteren keramischen Pulver gemischt werden und weiterhin mit mindestens einem niedrigviskosen thermoplastischen Bindemittel gemischt werden und aus dieser Pulvermischung mit bekannten Methoden Formkörper hergestellt und diese gesintert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als organische Lösungsmittel/Lösungsmittelgemische Alkane, Alkene, Ketone und/oder Alkohole eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Sinteradditive keramische Pulver der Gruppe der Me-Oxide eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Sinteradditive Aluminiumoxid und/oder Yttriumoxid eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Suspension oder der Pulvermischung eine oder mehrere grenzflächenaktive Substanzen zugegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als grenzflächenaktive Substanz solche mit Kohlenwasserstoffkettenlängen von ≧ C 12 eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als grenzflächenaktive Substanz Fettsäuren, Fettamine, Fettamide und/oder Fettaminalkohole eingesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als grenzflächenaktive Substanz Imid(e) einer gesättigten oder ungesättigten Dicarbonsäure mit einem oder mehreren Alkyl- oder Alkenylrest(en) einer Kettenlänge von mehr als 35 C-Atomen eingesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die Herstellung einer stabildispersen Suspension von Aluminiumoxid als grenzflächenaktive Substanz eine Fettsäure und bei dem für die Herstellung eines thermoplastischen Schlickers aus Siliciumcarbid als grenzflächenaktive Substanz ein Fettamin eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die grenzflächenaktive Substanz im Lösungsmittel/Lösungsmittelgemisch gleichzeitig als Bestandteil des thermoplastischen Bindemittels eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Sinteradditiv zu keramischen Pulver im Verhältnis von 1 : 10 eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zumischung der grenzflächenaktiven Substanz(en) zum keramischen Pulver vor dem Mischen mit dem als Sinteradditiv eingesetzten keramischen Pulver und dem thermoplastischen Pulver durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Sinteradditiv keramische Pulver mit einer Korngröße ≦ 2 µm eingesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als thermoplastische Bindemittel Paraffin(e) und/oder andere wachsartige Stoffe eingesetzt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem beim Einsatz von mindestens zwei unterschiedlichen grenzflächenaktiven Substanzen mindestens eine ausgewählt wird, die mit einem der eingesetzten Pulver eine starke Wechselwirkung eingeht.