DE2045402A1 - High temperature gas pressing ceramics and - metals - Google Patents

Description

• Isostatisches Heisressverfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Flor körper sehr grosser Dichte durch isostatischos Heisspressen.
• Es wird seit längeren die Herstellung von gesinterten Poren körpern nit wegen der damit verbundenen günstigen physikalischen Eigenschaften nahezu theoretischer Dichte angestrebt.
• Neben grösserer Festigkeit sind z. B. polykristalline Aluminiumoxidkörper mit theoretischer Dichte durchsichtiger als Körper mit verbleibenden geschlossenen Poren. Oft werden auch die dielektrischen Eigenschaften besser. Es erschien aber fast unmöglich, im wesentlichen die theoretische Dichte zu erreichen, da immer ein Rest geschlossener Poren verblieb.
• Zur Vermeidung oder Hemmung geschlossener Porösität in Sinterkörpern sind bereits bestimmte, das Kornwachstum hemmende Zusätze bekannt, wie z. B. geringe Zusätze von Magnesiuaocid zu Aluminiumoxid, oder von Thoriumoxid zu Yttriumoxid.
• Die Zusätze können aber unerwünshte Nebenwirkungen haben, zu'al wenn grosse Reinheit des Endprodukts angestrebt wird.
• Auch sind die Zusätze spezifisch, d. h. es muss durch z. T.
• recht umständliche empirische Untersuchung das im Einzelfall wirksame Zusatzmittel geeucht werden.
• Sinterkörper einfacherer Form mit grosser, aber ziemlich ungleichmässiger Dichte erhält man durch Heisspressen des Sinterlings.
• Bekannt ist ferner das isostatische Verpressen von Keramik- oder Metallpulver. A1s Form dient hierbei ein flexibles, und für das meist flüssige Druckmittel undurchlässiges Material, z. B eine Gummiform, die in der Presse durch das flüssige, u. U. auch gasförmige Arbeistmittel von allen Seiten gleichmässig unter sehr hohen Druck gesetzt wird. Der Pressling wird dann aus der Form genommen und gebrannt. Die Gummiform kann meist erneut verwendet werden.
• Seit kürzerem werden auch beide Verfahren als "isostatisches Heisspressen" kombiniert. Wegen der zur Anwenung gelangenden hohen Temperatur ist eine Gummiform nicht einsetzbar0 Die Form muss vielmehr aus einem dünnwandigen Metall gefertigt werden, deren Herstellung besonders bei komplizierteren Formen schwierig ist. Die Metallform wird über einen Einfüllstutzen lit dem Pressmaterial gefüllt und über diesen Stutzen zur Enfernung von Lufteinschlüssen ausgepumpt; anschliessend wird der Rohrstutzen abgekrdpft und verschweisst.
• Da die Metallform nicht mehrmals verwendet werden kann und für jeden Pressvorgang eine neue Form hergestellt werden muss, ist das Verfahren sehr kostspielig.
• Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Binterkörpern nahezu theoretischer Dichte, das weniger aufwendig ist und insbesondere die erneute Verwendung der verwendeten Form gestattet.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Formkörper im Vakuum oder in einem durch ihm diffundierbaren Gas getrennt und anschliessend unter isostatischen Druck in ein trägen, nicht durch ihn hindurchtretenden Gas bei einem Druck von wenigstens 700 kg/cm² nochmals bzw. weiter gebrannt wird.
• Zunächst wird in beliebiger, bekannter Weise ein grüner Formkörper hergestellt, z. B. bei komplexen Formen durch isostatisches Pressen in einer Guniform, durch Schlämmguss, durch Extrudieren oder nach den Formverfahren der USA Patente 3,330,892 und 3,346,680.
• Der grüne Formling wird dann im Vakuum oder in einem Gas gebrannt, das beim etwaigen Einschluss im Körper leicht durch diesen hindurch diffundieren kann oder in diesem leicht löslich ist, so dass keine Poren zuräckbleiben.
• Brennen im Vakuum wird meist der Vorzug zu geben sein.
• Beim Aufstellen des Brennfahrplans ist zu beachten, dass die Verdichtungsgeschwindigkeit zeit- und temperaturabhängig ist, wobei die Temperaturkennlinie aber nicht linear verläuft, und die Verdichtungsgeschwindigkeit zu Beginn des Brennprogramms am grössten und am geringsten gegen Abschluss des Brennens bei Annäherung an die theoretische Dichte ist. Nun ist bekanntlich die Zunahme der Korngrösse einiger Oxidkeramiken wie Al2O3, MgO oder BeO bei gegebener Temperatur zunächst sehr gering, bis eine Dichte nahe der theoretischen erreicht ist und nur noch geschlossene Poren vorhanden, alle offenen oder miteinander verbundenen Poren dagegen verschwunden sind. Bei weiterer Erhitzung über dieses Stadium hinaus nimmt die Korngrösse plötzlich sehr rasch zu, es erfolgt eine sekundäre Rekristallisierung.
• fn diesem grossen Korn eingeschlossene Gase sind bekanntlich praktisch nicht mehr entfernbar, so dass weiteres Brennen die Dichte praktisch nicht mehr verbessern kann, und die theoretische Dichte nicht erreicht wird. Erfindungsgemäss wird daher das Brennprogramm unterbrochen, bevor eine sekundäre Rekristallisierung einsetzt.
• Im einzelnen richtet sich der Zeitpunkt des Abbruchs des Brennvorgangs nach der Materialzusammensetzung, der Brenntemperatur, dem Vorhandensein und der Art von Verunreinigungen, und dergleichen mehr und liegt im Bereich des fachmännischen Könnens. Masagebend ist, dass nur geschlossene Porösität verbleibt und eine sekundäre Rekristallisierung vermieden wird.
• Den gebrannten Formling lässt man im Ofen abkühlen, Wenn ein Wärmeschock nicht zu befürchten oder unschädlich ist, kann er auch sofort entnommen werden.
• Anschliessend wird der Formkörper in die Heizkammer einer heissen, isostatischen Presse gelegt, gegebenenfalls auf die Sintertesperatur gebracht und gleichzeitig über ein träges Gas einem isostatischen Druck ausgesetzt. Meist wird der isostatische Druck erst ausgeübt, wenn die Höchsttemperatur erreicht ist. Die in Prage kommende Temperatur entspricht meist der ersten Sintertemperatur des grünen Formlings, kann aber u. U. auch günstig etwas darüber liegen.
• Der isostatische Pressdruck beträgt meist etwa 700 kg/cm2, kann aber auch erheblich höher sein. Die obere Druckgrenze richtet sich nach Sicherheitsgesichtspunkten und hängt von der Konstruktion und Auslegung des Druckgefässes ab.
• Das gasförmige Arbeitsmittel soll den Formkörper nicht durchdringen bzw. nicht durch ihn diffundieren. Man wählt daher zweckmässig Helium oder ein anderes träges Gas wie z. B.
• Argon oder Stickstoff.
• Der grüne Formling kann grundsätzlich auch in der isostatischen Presse zurächst gesintert und anschliessend verpresst werden. Der Vorteil einer rationelleren Nutzung der teuren Pressapparatur geht dann allerdings verloren; günstiger ist daher die Durchführung des zeitraubenden Sintervorgangs in einem getrennten Ofen.
• Als Ausgangsmaterial für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignen sich alle körnigen Stoffe, die zu einem zusammenhaltenden grünen Formling formbar sind und für die isostatische Presse bis zu einen gasundurchlässigen Zustand gesintert werden können, wie z. B. feuerfeste Metalle oder Metalloxide, Graphite, Karbide, Metallkeramiken (Cermets) und dergleichen. In Jedem Fall erhält man Forikörper nit ii Vergleich zu gewöhnlichen Sinterlingen ganz erheblich verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften.
• Zur weiteren Erläuterung diene ein nicht beschränkendes Beispiel.
• Aluminiumoxidpulver mit 99,9+% Reinheit und einer durchschnittlichen Korngrösse von 0,3 1u wurde bei 1400 kg/cm² zu einem Zylinder trocken gepresst und dann ii Vakuumofen unter einem Druck von 5 /u Quecksilbersäule eine Stunde bei einer Temperatur von 16500 gepresst. Der gesinterte Formling besass eine Porösität von 3 Vol.%, die im wesentlichen ganz von der Oberfläche isoliert war. Die durchschnittliche Korngrösse betrug etwa 5 Das Probestück wurde nun in eine geheizte isostatische Presse gegeben und auf etwa 1650° erhitzt, wobei in die erhitzte Presskammer Heliumgas unter einem Druck von etwa 1050 kg/cm2 eingelassen wurde. Nach einer Stunde wurde der Druck abgelassen und der Pressling auf Umgebungstemperatur gekühlt. Der Sinterpressling besass im wesentlichen theoretische Dichte ohne wesentliche Änderung der durchschnittlichen Korngrösse.

Claims (3)

1. Patent an sräche

   Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Gegenstands grosser Dichte, in dem ein polykristalliner, grüner Formkörper soweit gebrannt wird, dass er im wesentlichen frei von miteinander und mit der Oberfläche verbundenen Poren ist, aber an der Oberfläche noch geschlossene Poren aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper im Vakuum oder in einem durch ihn diffundierbaren Gas gebrannt und anschliessend unter isostatischem Druck in einem trägen, nicht durch ihn hindurchtretenden Gas bei einem Druck von wenigstens 700 kg/cm2 nochmals bzw. weiter gebrannt wird.
2. 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diffundierbare Gas Wasserstoff oder Helium ist.
3. 3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Formkörper aus keramischem Material besteht.