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Verfahren zur Herstellung von aus Pulver gepreßten Formteilen Für
diese Anmeldung wird die Priorität aus der amerikanischen Patentanmeldung Serial
No. 135,642 vom 20.April 1971 beansprucht.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Pulver
gepreßten Formteilen, insbesondere aus hochohmelzendem, feuerfestem Material zu
beinahe theoretischer Dichte durch Vorformen eines gepreßten Teiles aus Pulvermaterial,
das Lunker aufweist, durch Einschiießen des Formteiles in eine lose Masse eines
Druckübertragungspulvers, das sich in einer Form befindet,' durch Anwendung eines
einseitig gerichteten Druckes auf das Druekübertragungspulver in der Form, um das
Formteil noch fester zusßmmenzudrücken und beim gleichzeitigen Erhitzen des Körpers
auf wenigstens die Verdichtungstemperatur des Körpers, vorzugsweise in einer gesteuerten
Atmosphäre, wobei die Temperatur und/oder der Druck bis zur Verdichtungstemperatur
des feuerfesten Materials erhöht wird, wodurch im wesentlichen alle Lunker in dem
gepreßten Form teil beseitigt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten eines
Pormteiles aus gepreßtem Pulver, insbesondere.eines feuerfesten Materials in einem
festen Körper, welcher im wesentlichen frei ton Lunker ist und nahezu die theoretische
Dichte aufweist.
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Es sind Techniken für das isostatische Verdichten von Gegenständen,
hergestellt aus Pulvern von verschiedenen Materialien, incl. Metall und Keramik
entwickelt worden. Diese Techniken sind variiert worden sowohl unter Beachtung der
Eigenschaften des Materials als auch anderer Faktoren. Unter isostatischem
Pressen
versteht man die Anwendung von gleichmäßigem Druck auf allen Seiten eines Gegenstandes,
um gleichmäßig dichte Komponenten zu erhalten. So hat sich z.B. die isostatische
Verdichtung bei der Herstellung von vielen Arten von Komponenten in der Pulvermetallurgie
nützlich erwlesen. Gewöhnlich werden für die Kaltverdichtung die Pulver, die verdichtet
werden sollen, in einen flexiblen Behälter gegeben, welcher in eine Flüssigkeit
getaucht wird, Dann wird Druck auf die Flüssigkeit angewendet, um die isostatische
Verdichtung des Pulverkörpers zu erreichen.
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Mit Hilfe einer neuen isostatischen Warmpreßtechnik wird ein zu verdichtendes
Metallpulver in einen verformbaren Metallmantel gegeben. Das eingekapselte Metallpulver
wird dann durch Anwendung von heißen Hochdruckgasen warmgepreßt. Diese Drücke erfordern
große Hochdruckzylinder und benötigen beacht-.
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liche Zeit zum Öffnen, Schließen und für den Betrieb.
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Der Hauptnachteil der bisher üblichen Technik mit Kolbenverdichtung
der Pulver ist seine Beßchränkung auf die Herstellung von gepreßtem Pulvermaterial
mit einfacher konstanter oder symmetrisoher Querschnittsfläche gewesen, wie z.B.
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Kugeln, Stäben, Scheiben und Platten.
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Damit war gleichzeitig verbunden die Schwierigkeit der Herstellung
von hochverdichtet'en Formen aus keramischen Materialien von gewitnschter komplexer
Form. Die'Überlegenheit von verdichteten keramischen Materialien ist so beachtlich,
daß wenn solche Materialien verfügbar wären, sie vielfach angewendet werden könnten,
wo andere Materialien, wie z.B. Metall sich unbefriedigend erwiesen haben oder eine
kurze Lebenszeit aufweisen. Demgemäß besteht ein 3bedürfnis für ein Verfahren zum
Warmpressen von feuerfesten gepulverten Materialien zu Körpern komplexer Form und
hoher Dichte. Z.B. ist das keramisohe Material Siliciumnitrid (Si3N4), wenn es geeignet
hergestellt ist, brauchbar für Hochtemperaturturbinenflügel.
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Wenn also geeignete Verfahren verfügbar wären, könnten andere Materialien,
wie z.B. Siliciumcarbid (SiC) und viele gepulverte
hochschmelzende
Metalle wie z ß. Wolfram aus, einem handelsüblichen kompakten Pulver in.hoher Dichte
lunkerfrei mit komplexen oder asymmetrischen Formen bei vernünftigen Kosten hergestellt
werden.
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Der. Ausdruck komplexe Form11, der gemäß der Erfindung auf einen Sormteil
angewandt wird, bezeichnet einen Körper, dessen Querschnitte beachtlich variieren
und/oder als aufeinanderfolgende horizontale Ebenen'durch den Körper gehen, senkrecht
zu der Anwendung des einseitig gerichteten Druckes in einer Presse, in welcher das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Gewöhnlich werden solche komplex
geformte Körper in einer Dimension länger sein als in einer anderen, und die Körper
werden in das den Druck übertragende Pulver in einer Richtung parallel zu der Anwendung
des gleichgerichteten Druckes gegeben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung,
das bei komplex geformten Körpern unerwartete und überraschende Erfolge bringt,
kann selbstverständlich auch bei einfachen und symmetrischen Körpern mit Erfolg
angewendet werden.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Durchführung des Warmpressens in
festen Medium entwickelt worden. Das Verfahren verwendet übliche Graphitformen,
die mit Graphitpulver gefüllt sind.
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Das Teil, das gepreßt wird, wird in das Pulver eingegraben und gepreßt.
Da der Druck auf die Probe mittels eines Pulvers ausgeübt wird, ist er gleichmäßiger
als wenn er direkt von einem Kolben ausgeübt wird. Die Kraft der Druckerzeugung
in der radialen Richtung ist nicht studiert worden. Der verfügbare Druck von oben
ist ungefähr 211 kg/cm2.
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Es sind aber nur einige wenige Tests bekannt geworden und nur ein
einziges Verfahren. Es sagt nichts über die Höhe von anzuwendendem Druck und Temperatur
aus.
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Das Verdichten eines Gegenstandes aus einem Pulver durch Anwendung
von einseitigem Druck auf den Körper ist begrenzt auf Verdichten in starren Metallformen.
Das Endprodukt ist ein axial verformter Körper.
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Es wurde gefunden, daß die. erwähnten Nachteile überwunden werden
können, in dem zunächst ein vorgeformter Körper aus gepreßtem Pulver beliebiger
Gestalt, aber mit Poren oder Lunkern oder Hohlräumen hergestellt wird, dessen Dichte
geringer ist als die des gewünschten Endproduktes, daß der vorgeformte Körper mit
einem pulverförmigen Ubertragungsmittel ummantelt wird, wobei der Körper und das
pulverförmige tbertragungsmittel zusammen in eine Form eingebracht werden, daß das
pulverförmige tbertragungsmittel und der Körper auf die Verdichtungstemperatur des
Materials des Körpers erhitzt werden, daß ein einseitig gerichteter Druck für isostatisches
Zusammenpressen angewandt wird um das pulverförmige Ubertragungsmittel in der Form
an dem erhitzten Körper bei einem genügenden Druck, um den Körper zu verdichten,
wobei die Temperatur und der Druck nach und nach erhöht werden, was gleichzeitig
oder nacheinander erfolgen kann und wobei der Körper bis zu einer Dichte von ungefähr
90-100 % zusammengepreßt wird, üblicherweise 99 ffi oder höher der theor. Dichte
und die genaue endgültige Form erzeugt wird.
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Der Vorteil des Verfahrens liegt insbesondere darin, daß ein hochverdichteter
Körper komplizierter Form durch einfaches einseitiges Warmpressen erzeugt werden
kann und Körper aus keramischen oder anderen feuerfesten Materialien von komplexer
Form so verdichtet werden können, wie es bisher noch nicht möglich war.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen,
in welcher ein Beispiel eines Warmpreßformteiles gemäß der Erfindung dargestellt
ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das
Verfahren zum Verdichten von Formteilen auf beinahe theoretischer Dichte in folgenden
Schritten: 1. Aus einem Pulver mit einer bestimmten Verdichtungstemperatur wird
ein vorgeformter Körper oder ein Gegenstand mit einer Gestalt ähnlich der der gewünschten
Form, aber mit
Lunkern hergestellt, so daß die Dichte im wesentlichen
geringer ist als die des gewünschten Endkörpers.
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2. Der vorgeformte Gegenstand wird in eine Masse gegeben, welche zusammengesetzt
ist aus Teilchen eines'Pulvers oder eines pulverförmigen obertragungsmittel3 mit
einem Schmelzpunkt oberhalb der Verdichtungstemperatur. Das Pulver umgibt vollständig
den vorgeformten Gegenstand und diese Masse wird in einer Form in einer einseitigen
Presse begrenzt. Das gepulverte obertragungsmittel soll nicht mit dem Körper reagieren.
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3. Der Körper und das ihn umgebende Pulver werden einem anfänglichten
Druck unterworfen, der durch den einseitigen Stempel oder Kolben der Presse ausgeübt
wird, um das Pulver fest rund um den Körper zu pressen. Ein Druck von ca. 70 g/cm2
ist angemessen, wobei der Körper und-das Pulver in dieser Anfangszeit bis auf eine
Temperatur von 300-700°C unter der Verdichtungs temperatur erhitzt werden.
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4. Es wird ein Druck von anfangs ungefähr 3,5 kg/cm2 steigend auf
ungefähr 70 kg/cm2 auf das begrenzte' pulverförmige tbertragungsmitbel angewendet,
während das pulverfUrmige tbertragungamaterial und das vorgeformte Teil von ungefähr
50°C ansteigend auf ungefähr 300°C, nämlich auf seine Verdichtungstemperatur erhitzt
wird, wodurch das pulverförmige tbertragungsmaterial während des vorausgehenden
Zusammenpressens eine zusammenpreßbare Form um das Teil herum bildet. Das Ansteigen
von Druck und Temperatur können gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden,
wobei ein Körper von gewünschter Porm bei nahezu vollständiger Dichte erzeugt wird.
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Im Sinne der -vorliegenden Erfindung ist die "Verdichtungstemperatur"
jene Temperatur, bei welcher ein pulverförmiges Material, das einem mäßigen Druck
von 70-281 kg/cm2 unterworfen wird, im wesentlichen ihre theoretische Dichte erreicht.
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Ein eindrucksvolles Beispiel eines Testes, um die ttVerdi¢htungstemperatur
"
zu veranschaulichen, besteht darin, daß eine Menge des pulverförmigen Materials
in eine Form gegeben, durch einen Druckkolben im wesentlichen ein Druck von 141
kg/cm2 ausgeübt wird und dann allmählich das zusammengepreßte Material erhitzt wird
durch anteilweise Temperaturerhöhung von beispielsweise 25 0C, wobei das Material
nach jeder Temperaturerhöhung 5-10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wird.
Ein empfindliches Mikrometer ist mit dem Kolben verbunden, um seine Bewegung aufzuzeigen.
Geringfügige Veränderungen in der Kolbenbewegung infolge der thermischen Ausdehnung
usw. ignorierend, kann man bei einigen Temperaturen eine ziemlich große Bewegung
des Kolbens feststellen.
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Ungeachtet weiterer Druck- und Temperatursteigerungen ereignet sich
dann keine bedeutsame Bewegung des Kolbens mehr. Bei einer größeren Kolbenbewegung
hat das pulverförmige Material einen homogenen festen Körper von nahezu theoretischer
Dichte gebildet und alle Lücken und Poren sind verschwunden. Für viele Materialien
ist die Verdichtungstemperatur annähernd die Hälfte vom Schmelzpunkt des Materials
auf der absoluten Temperaturskala. Die Versichtungstemperatur ist leicht druckabhängig
und höher bei geringen Drücken.
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Der erste Schritt zur Herstellung eines vorgeformten Gegenstandes
kann durch eine Reihe von Verfahren ausgeführt werden.
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Nach einem Verfahren werden die Pulver, beispielsweise Siliciumnitrid,
Si3N4, mit Wasser oder Alkohol in einer solchen Menge vermischt, daß eine Paste
oder ein trei entsteht. Die Paste wird dann in eine poröse Form von der gewünschten
Gestalt gegossen, die etwas größer ist als die gewünschte Endfcrm und die das Trocknen
erlaubt. Um zufriedenstellendere heißpressende Fähigkeiten in dem folgenden Heißpreßschritt
zu erreichen, kann eine kleine Menge eines Additivs wie z.B. MgO oder l2O3-Pulver
mit dem Si 3N4 vermischt werden. Das bevorzugte Additiv für Si3N4 ist MgO, weil
es eine größere Dichte in dem Endprodukt erzeugt. Darüber hinaus kann ein organischer
Binder, wie s.B. Polyvinylalkohol auch mit dem Si3N4 vermischt werden,
um
einen anfangs leichter härtbaren vorgeformten Körper zu erzeugen. Solch ein vorgeformter
Körper ist porös und kann einen Porengehalt von 30-60 , haben. Gepreßte Metallpulver-Formstücke
können einen Porengehalt von 10-25 96 haben.
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Der vorgeformte Körper kann auch durch ein anderes Verfahren hergestellt
werden, beispielsweise durch Vermischen von gepulvertem Silicium (wobei Si3N4 das
Endprodukt ist) mit einem organischen Binder und Extrudieren oder Pressen in einer
Form der gewünschten Gestalt. Er wird dann in einer Stickstoffatmosphäre bei einer
geeigneten Temperatur erhitzt, beispielsweise bei 15500C, wobei sich ein poröses
Reaktionasinterprodukt von Si 3N4 bildet. Ein Additiv kann dann in den Körper eingearbeitet
werden, indem man ihn in eine heiße Lösung einer Verbindung eintaucht, welche thermisch
zersetzbar ist in ein Oxid, wie z.B. Magnesiumnitrat rXg(O )2.6H202 bei ungefähr
1500C. Nach dem Verdampfen des Losungsmittels werden'die Poren in dem Gegenstand
aus Pulver mit Eg(NO3)2.6E20 gefüllt. In dem darauffolgenden Warmpreßschritt zersetzt
sich das Mg(N03)2.6H20 in MgO, welches als Additiv beim Warmpreßschritt verbleibt.
Der nach diesem zweiten Verfahren hergestellte vorgeformte Körper hat einen Porengehalt
von ungefähr 15-30 %.
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Geeignete feuerfeste Metalle und Keramikteile, aus denen die Formteile
zu wesentlicher Dichte gepreßt werden, sind z.B.
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die Carbide, Oxide und Nitride von Wolfram, Zirkon, Silicium, Aluminium
und Chrom und geeignete hochschmelzende Metalle sind Wolfram, Niob, Tantal, Molybdän,
Vanadin, Zirkon und Hafnium.
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Mischungen von zwei oder mehreren feuerfesten Keramiken oder Metall
können verwendet werden. So können Thoriumoxid und Wolframpulver miteinander vermischt
und zu einem porösen Gegenstand geformt werden und gemäß der Erfindung -weiter verarbeitet
werden. Der Ausdruck "Pulver" ist hier sehr weit gebraucht. Man versteht darunter
nicht nur feine Pulver solche von 50-200 Maschen feine Pulver, sondern auch Mischungen,
welche feine Pulver und faserige Metalle oder Oxide, wie z.B. faserförmige Silicate
oder Tantalfasern vermischt
mit Pulvern des gleichen Materials enthalten.
Sie werden zu den porösen Gegenständen geformt.
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Wenn der vorgeformte Körper aus einem Metall besteht, beispiesweise
Wolframpulver, ist es vorteilhaft, die Metallteilchen mit einer kleinen Menge eines
organischen Binders, beispielsweise Styrol pder Polyvinylalkohol zusammenzupressen,
um das vorgeformte Teil vor dem Warmpreßschritt zusammenzuhalten.
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In all diesen Fällen muß während der anfänglichen Bildung auf den
Porengehalt geachtet werden. Der vorgeformte Gegenstand ist durch den Porenanteil
größer als die Endform, obgleich der vorgeformte Gegenstand in anderer Weise proportional
geformt ist als das gewünschte Endformstück.
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Im Warmpreßschritt wird,um den Körper zu verdichten, dieser in einer
Warmpreßform oder dem Formteil 1, wie in der Zeichnung dargestellt, vorgeformt.
Im wesentlichen besteht das Teil 1 aus einer erhitzten Form 2 mit einer Preßkammer
3, in welcher unter Druck ein Kolben 4 in geeigneter Weise in Richtung auf den Pfeil
5 bewegt werden kann, beispielsweise eine hydraulische Presse. Das untere Ende der
Kammer 3 kann mit einem Teil 6 verschlossen sein, welches entweder ein relativ feststehender
Block zum Verschließen des unteren Endes ist oder ein wesentlicher Teil der Form
2 oder ein zweiter in der entgegengesetzten Richtung durch den Pfeil 7 bewegbarer
Kolben.
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Die Form 2 hat vorzugsweise die Form eines Zylinders und sie kann
aus Graphit oder einem feuerfesten Material bestehen.
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Sie ist so gestaltet und konstruiert, daß sie Drücken von über 281
kg/cm2 bei den auftretenden Temperaturen widerstehen kann. Sie befindet sich in
einer Isolierflüssigkeit 8, die sich in einem Behälter 9 aus Silicium oder einem
anderen hochschmelzenden Metall befindet. Die gesamte Anordnung wird in geeigneter
Weise erhitzt, beispielsweise durch die Induktionsepule 10. Ein Tubus 11 geht durch
die thermische
Isolatipn 8 und in den Körper der Form 2, um die
Temperatur durch ein Pyrometer während des Heißpreßschrittes zu messen.
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Ein vorgeformter Gegenstand oder Körper 12 wird in die Klammer 3 gegeben,
wo er im wesentlichen zentral gehalten wird, durch eine Umgebungsmasse 13 aus Teilchen
von Druckübertragungspulver oder pulverförmigen tbertragungsmitteln. Der vorgeformte
Körper 12 hat eine komplexe äußere Form, wie es beispielsweise für Gasturbinenflügel
gewünscht wird. Wenn ein Gegenstand eine Symmetrieachse hat, sollte diese Achse
längs der Achse der Form 2 gelegt werden.
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Die Pulvermasse 13 ist zusammengesetzt ans einem oder mehreren geeigneten
Materialien, welche mit dem Material, das den Körper 12 bildet, nicht reaktionsfähig
sind. Weiterhin muß das Pulver 13 praktisch nicht verdichtbar sein zu einer festen
kohärenten Masse beim Erhitzen und Pressen, und es sollte dadurch gekennzeichnet
sein, daß es härtbar ist bis zu wenigstens der Maximumtemperatur und dem Druck,
dem die Form und der Körper 12 unterworfen werden. Ein geeignetes Material, welches
diese Eigenschaften aufweist, ist entweder pulverförmiges Bornitrid (BN) oder Graphit.
Es wurde gefunden, daß bei und über 1400 oder 15000C BN und Graphit besonders geeignet
sind, da sie keinen festen Oder starren Körper bei diesen Temperaturen bilden und
leicht entfernbar sind und nach dem Warmpreßverfahren zerkleinert wieder verwendbar
Sind. Es wurde gefunden, daß das Druckübertragungspulver Druck insbesondere isostatischen
auf den Gegenstand überträgt. Auch andere Pulver, wie zB. SiC und BC sind geeignete
pulverförmige tbertragungsmittel unter 14000C. Das bevorzugte pulverförmige Ubertragungsmittel
bei diesen Temperaturen ist BN. Eine kontrollierte inerte Atmosphäre wird während
der Warmpressung bevorzugt. Wenn eine Graphitform benutzt wird, sollte eine Sticketoff-
oder ArgonatmoUKäre verwendet werden, um eine übermäßige Oxidation der Form zu verhindern.
Eine Vorbehandlung der zusammengesetzten Form 2 mit dem Gegenstand 12, der von der
Masse 13 umgeben ist, erfolgt durch Evakuieren, um Gase und auch restliche Lunker
in dem vorgeformten Körper zu entfernen.
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Der vorgeformte Körper 12 kann überzogen werden, um eine dichte Schicht
eines Druckübertragungspulvers zu erzeugen und dann wird er in eine größere des
gleichen oder eines anderen Pulvers eingebettet. So kann eine Schicht BN zuerst
angewendet werden.
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Sie kann 0,5-2,5 mm dick sein, und dann wird der überzogene Körper
in Graphitpulver eingebettet. Die Anfangsschicht kann aus einer Suspension in einer
flüchtigen Flüssigkeit, in welche der Körper ein oder mehrere male eingetaucht wird
und die Flüssigkeit verdampft wird unter Zurücklassen einer Schicht von Bornitridpulver
auf den Körper aufgebracht werden. Demgemäß dürfte Graphit den Hauptanteil des Druckübertragungspulvers
bilden unter Bildung einer Schicht von Bornitrid, die zuerst auf einen Körper aufgebracht
wird, welcher mit Graphit reaktiv sein kann.
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Zunächst wird der Körper 12 in die Kammer 3 eingeführt. Eine kleine
Menge des Pulvers 13 wird in die Kammer gegeben, so daß das obere Ende des Teiles
6 bedeckt ist. Der Körper 12 wird dann im wesentlichen symmetrisch oder zentral
eingebracht im Hinblick auf die Achse der Kammer 3 in die Kammer 3 auf die Basis
des Pulvers 13. Der Behalter der Kammer wird dann gefüllt mit dem Pulver 13, welches
dann hier vibriert wird, um eine gute und dichte Füllung mit Pulver zu erreichen,
was tunlich ist, um ein kompaktes Gefüge des Körpers 12 mit dem Pulver 13 in einem
engeren und innigeren Kontakt zu erzeugen, damit, wenn es zweckmäßig ist, früher
die Endpreßsohritte möglich sind.
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Während bei größeren Dicken von Pulver 13 dieses zwischen die Oberfläche
des Körpers 12 und den Kolben 4 gegeben wird, wie dies unten angegeben ist für einen
Gegenstand, der 150 mm lang ist, sind 25 bis 50 mm Pulver am Körper oben und unten
vorhanden.
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Während des Anfangsstadiums des EndwarmpreBschrittes wird ein Druck
von ungefähr 70 kg/cm2 bei Raumtemperatur auf die Pulvermasse 13 angewendet, welche
dabei effektiv zusammengepreßt wird und eine feste Form um den Körper 12 vildet.
Das Pulver 13 wird um den Körper herum dicht gepreßt. Das ganze wird dann durch
die Spule erhitzt gemäß einem Temperatutschema, so daß
der Körper
12 und das Pulver 13 endlich anteilweise auf eine Temperatur von ungefähr 1700-1750°C
erhitzt werden, und sie werden einem nach und nach ansteigenden Druck von ungefähr
281 kg/cm2 unterworfen. Bei der Maximaltemperatur werden sie ungefähr 1 Stunde gehalten.
Es können weiterhin beide Druck und Temperatur in obereinstimmung mit mehreren Schemen
erhöht werden. Danach wird der Druck vermindert und das ganze läßt han auf Raumtemperatur
abkühlen, worauf der verdichtete Körper 12 aus der Kammer 3 entfernt wird. Das Pulver
13 kann zu einer festen Masse verpreßt werden,und Bunker können durch mäßig wirkungsvolle
Mittel entfernt werden. Ein beliebiges Haftpulver 13 auf der Oberfläche des Körpers
12 ist leicht von Hand zu entfernen oder durch Vibrieren oder durch Abschaben des
Pulvers mit einem Werkzeug oder einer Klinge.
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Die Masse 13 wird gewöhnlich leicht abgetrennt und in ein Pulver zerkleinert.
In einigen Fällen kann ein hoher Wasserdruckstrahl erforderlich sein, um die Pulvermasse
13 zu entfernen.
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Im einzelnen wird während der einleitenden Stadien des Preßschrittes
von 3 3N4 die Temperatur in ungefähr 1/2 Stunden von ca. 100000 auf 130000 erhöht
und der Druck wird dementsprechend von dem Ausgangsdruck 70 kg/cm2 auf ungefähr
141 kg/cm2 erhöht, aber es wird im wesentlichen keine höhere Dichte in dem Körper
12 ereicht. Während dieser Zeit ist der Druck isostatisch auf die gesamte Oberfläche
des Gegenstandes durch das Pulver 13 verteilt. Um den besten isostatischen Druck
zu sichern, ist es wünschenswert, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der
Kammer 3 und dem des Gegenstandes so groß wie möglich ist, um im wesentlichen ideale
isostatische Druckbedingungen zu erreichen. Dieses ist eine gleichmäßige Verteilung
des Druckes über die gesamte Oberfläche des Körpers 12. Für einen Gegenstand von
25 mm Durchmesser ist eine Aussparung 3 von 76 mm Durchmesser mit 25-50 mm oberhalb
und unterhalb des Gegenstandes 12 zufriedenstellend.
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Während des Vorerhitzens beispielsweise bis auf 13000C wird das zusammengepreßte
Pulver 13 rund um den Körper dicht gepackt. Es fungiert als eine halbstarre Form
während des wirksamen Verdichtens des Körpers. Die Form ist das Ergebnis der Kohäsiv-Bindungen
oder Kohäsion zwischen den Pulverteilchen, das für einige Materialien besonders
bezeichnend ist, wie z.B. BNS weildudieaen Preßeffekt die wesentliche Form des Körpers
während des folgenden Verdichtungsstadiums erhalten bleibt und unerwünschte Zerstörung
der äußeren Gestalt vermindert wird. Wenn die Temperatur auf über 130000 erhöht
wird, startet der Körper 12 zum wahren Verdichten der Kombination bei hoher Temperatur
und dem begleitenden hohen Druck. Irgendwelche Lunker oder Poren beginnen sich zu
schließen und ein leichter Fluß zwischen der Pulvermasse 13 und der Oberfläche des
Körpers wird leicht angepaßt. Danach verschwinden bei einer Temperatur von 1500-17500C,
der Verdichtungstemperatur und einem Druck von 281 kg/cm2 eventuell verbliebene
Lunker und Poren meist vollständig, bis der Gegenstand eineNDichte von praktisch
99 % der theor. Dichte hat.
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Von dem Anfangs druck und der Temperatur kann der Druck langsam und
kontinuierlich erhöht werden in Ubereinstimmung mit dem gleichzeitigen Ansteigen
der Temperatur von 1330 auf 17500C.
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Infolgedessen kann der Druck anteilweise erhöht werden von 70 auf
141 kg/cm2, während die Temperatur auf 16000C erhöht wird, von 141 auf211 kg/cm2
entsprechend auf 16500C und endlich von 211 auf 281 kg/cm2, wobei die Temperatur
auf ungefähr 17500C erhöht wird.
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Für die Herstellung geformter Teile aus feuerfester Keramik und Metall
können der Druck und die Temperatur oder beide anteilweise erhöht werden. Geeignete
Anteile sind 500C bis 300°C für die Temperatur und 3,5-70 kg/cm² für den Druck.
Ein kurzes Anhalten z.B. für einige Minuten nach jeder anteilweisen Erhöhung wird
angewendet. Es ermöglicht den isostatischen Druckausgleich der Masse 13 mit dem
Gegenstand 12.
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Die Anteile für die Erhöhung von Druck und Temperatur brauchen
nicht
stoßweise zu sein. Es können langsame progressive Erhöhungen stattfinden mit einem
kurzen Verweil vor der nächsten Erhöhung. Einige der anteilweiseln Druck- und Temperaturerhöhungen
können getrennt durchgeführt werden. Während Erhitzen im allgemeinen eine kleine
Temperaturerhöhung verursacht, kann der Druck ziemlich rasch inFAnteilen von 35-70
kg/cm2 erhöht werden.
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Erhitzen über 10000C kann bei einer nahezu kontinuierlichen langsamen
Rate während 30 Minuten bis 2 Stunden bei Fortschreiten des Verfahrens von 1000-1700°C
erfolgen, während der Druck in 35 oder 70.kg/cm2 Sprüngen alle 10 bis 30 Minuten
erhöht werden kann.
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Das oben angegebene Temperatur- und Druckschema gilt zunächst für
Sinn4 und es versteht sich, daß für andere Materialien andera proportionierte Warmpreßschemen
noch geeigneter sein können. In Tabelle I ist eine Liste von einigen anderen Materialien
zusammen mit dem Temperaturbereich der Verdichtung, der sich ergeben hat, zusammengestellt.
Die angewandten Drücke wurden von 70 bis zu 700 kg/cm2 variiert, wobei die niedrigen
Drücke mit den höheren Temperaturbereichen zusammengefaßt sind.
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Teilchen'größe und Additivs beeinflussen mäßig die Verdichtungstemperatur.
In der Tabelle ist ein Temperaturbereich angeführt.
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Tabelle I MgO 90000 - 140000 Al203 1300 - 1600 Sio 2100 - 2350 UO
1200 - 1600 Pb 200 Sn 23 Blei und Zinn werden normalerweise nicht heiß gepreßt,
aber es hat sich herausgestellt, daß sie die angegebenen Temperaturen 2000C und
230C als niedrigere Ausgangsverdichtungstemperaturen haben.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1 Tabletten von Si3N4 wurden für Verdichtungsteste hergestellt,
indem zunächst Si3N4-Pulver mit 5 % seines Gewichtes MgO-Pulver vermischt wurde.
Kein Binder wurde hinzugefügt.
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Die Mischung von Si3N4 und MgO wurde zu vier Tabletten verpreßt mit
einem Durchmesser von 12,5 mm und einer Höhe von 12,5 mm. Je eine Tablette wurde
für äe eines der vier in Tabelle II aufgeführten Verfahren eingesetzt.
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Zwei vorgeformte Muster von Lüfterflügein wurden hergestellt durch
Vermischen von Siliciummetallpulver mit 2 % MgO-Pulver und keinem Binder und dann
durch Erhitzen unter Stickstoff bei 1350 0C zur Reaktion gebracht unter Bildung
von Si3N4. Zwei Vorformlinge in der Form von Lüfterflügeln aus gesintertem Si3N4
(70 % Dichte) wurden in eine Lösung von Mg(N05)2.6H2Q bei 150°C (Siedetemperatur)
getaucht, um MgO an Si 3N4 zu addieren. Der vom Lüfterflügel-Vorformling addierte
Prozentgehalt an MgO ist 2 Gew.-%.
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Die einzelnen Muster, nämlich die vier Tabletten und die zwei Vorformlinge
eines Lüfterflügels wurden dann für sich warmgepreßt in einer Form und einem Ofenaggregat
ähnlich dem oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten. Für die Versuche
wurde das tbertragung3mittel pulverförmiges Bornitrid rund um Jedes Muster in einS
Braphitzylinderform vibriert, welche auf der Innenseite eine Aussparung mit einem
Durchmesser von 51 mm hat. Jedes Muster wurde dann warmgepreßt izn Ubereinstimmung
mit den Bedingungen zu I, II, III und IV gemäß der unten angeführten Tabelle II.
Die Pulver und Muster wurden evakuiert nach dem Einbetten und vor dem Zusammendrücken
und Erhitzen.
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Tabelle II Dichte von Si3N4-Mustern vor und nach dem Heißpressen
Bedingungen Art d. Musters der theor. Dichte vorher nachher I Tablette 50 85 II
Tablette 50 94 III Tablette 50 80 IV Tablette 50 99 IV Flügel 70 99 IV Flügel 70
99 Bedingung I: Die Tablette wurde bei einem Druck von 281 kg/cm2 warm gepreßt.
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Wenn die Temperatur 17000C erreicht hatte, wurde diese Temperatur
eine halbe Stunden gehalten. Dann wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. Aus der Tabelle
ist klar ersichtlich, daß die Tablette eine Enddichte von 85 % der theor. Dichte
hat.
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Bedingung II: Es wurde ein Druck von 281 kg/cm2 angewandt. Wenn die
Tablette die Temperatur von 1750°C erreicht hatte, wurde sie eine halbe Stunde auf
dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch diese Behandlung
erreichte die getestete Tablette eine Dichte von 94 ffi der theor. Dichte.
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Bedingung III: Es wurde eine komplexere Drucktemperaturbehandlung
durchgeführt.
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Es wurde ein Druck von 281 kg/cm2 bei Raumtemperatur angewandt und
dann aufgehoben. Anschließend wurden beide, Temperatur und Druck erhöht, so daß
ein Druck von 70 kg/cm2 bei 130000 angewandt wurde; 141 kg/cm2 bei 14000C; 211 kg/cm2
bei 15500C und 281 kg/cm2 bei 160000. Bei diesem Druck wurde die Temperatur auf
17500C erhöht. Die ablette-wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Hierbei wurde
eine Dichte von nur
80 % der theor. Dichte erreicht, was beträchtlich
weniger ißt als die erreichten Dichtewerte bei den anderen Bedingungen.
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Die ungeeignete Druckbehandlung ist schuld. insbesondee die Anwendung
des vollen Druckes am Anfang und über den Bereich der Verdichtungstemperatur, d.h.
keine Veränderung des Druckes bei Anstieg der Temperatur auf 160000 und darüber.
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Bedingung IV: Es wurde ein Druck von 70 kg/cm2 bei 160000; 141 kg/cm2
bei 6500C; 211 kg/cm2 bei 17000C und 281 kg/cm2 bei 1 7500C angewandt und es wurde
eine halbe Stunde hierauf gehalten, und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Das bei
diesem Verfahren getestete Anfangsmuster war eine Tablette von 12,5 mm ähnlich der
den Bedingungen I, II und III getesteten Tabletten. Wenn die Dichte von 99 % der
theor. Dichte verwirklicht war, wurden Muster, die Lüfterflügel nachahmten, ähnlich
getestet, wobei ihre Dichten von 70 auf 99 ffi erhöht wurden. Die letzten davon
entsprachen der anfangs getesteten Tablette.
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Beispiel 2 Reines feines Al2O3-Pulver wurde gleitend in einen Turbinenflügel
gegossen und getrocknet. Der getrocknete Gießling wurde in eine Form gegeben und
in feines Graphitpulver eingebettet und auf 100000 bei einem Druck von 70 kg/cm2
erhitzt.
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Wenn die Temperatur i3000C erreicht hatte, wurde der Druck auf 141
kg/cm2 erhöht. Dann wurde auf 135009 bei einem Druck von 211 kg/cm2 gegangen und
dann auf 140000 erhitzt und der Druck auf 281 kg/cm2 erhöht. Auf dieser Temperatur
wurde er eine halbe Stunde gehalten. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde
ein Lüfterflügel guter Dichte, größer als 97 ffi der theor. Dichte erhalten.
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Bei Beispiel 2 und den letzten drei Mustern von Tabelle II wurde gefunden,
daß alle Dimensionen, nämlich die vertikalen und seitlichen Dimensionen angemessen
zu reduzieren waren, um das Endprodukt zu erzeugen.
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Für einige Druckübertragungspulver wurde gefunden, daß sie dazu neigen,
bei erhöhten Temperaturen zu versteifen, wenn ein stationärer Druck angewendet wird,
mit anderen Worten, sie streben einem Fließen zu. Um isostatische Druckübertragung
auf dem Körper zu sichern, wird erfindungsgemäß, wenn solche Bedingungen eintreten,
der Druck anteilweise um 70 kg/cm2 erhöht, wobei üblicherweise die Versteifung des
Pulvers behoben wird, so daß es den vollen Druck auf den Körper überträgt.
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Im Hinblick auf den vorangegangenen Versuch gemäß Bedingung III in
Beispiel 1 wurde anfangs angenommen, daß das pulverförmige Ubertragungsmittel den
vollen Druck kontinuierlich auf den darin befindlichen Gegenstand während des vollständi-gen
Warmpreßversuches übertragen würde. Dies war in der Praxis nicht der Fall. Es wurde
gefunden, daß das pulverf-örmige Ubertragungsmittel verdichtet, wenn Druck bei Raumtemperatur
angewendet wurde. Wenn die Temperatur erhöht wurde, verdichtete auch das kompaktierte
pulverförmige tbertragungsmittel weiter, aber mit einer sehr langsamen Rate. Bei
der Demperatur, bei welcher der Si N -Gegenstand zu verdichten begann (zwischen
1600 und 1750°C) hatte das pulverförmige tbertr3gungsmit-tel -Bornitrid fast seine
Enddichte erreicht oder war ziemlich nahe daran und -es war bei dem angewandten
Druck und der -2emperatur-erhärtet.
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Weil das pulverförmige -ffbertragungsmittel in eine starre Masse überging
und nicht fließen konnte, konnte es nicht länger den Druck zur Verdichtung des Si3N4-Gegenstandes
übertragen.
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Da der Temperaturbereich für die Verdichtung der Si3-N4-Teile höher
war als der Bereich für das pulverförmige tbe-r-tragungsmittel, war die isostatische
Warmpreßtecnik nach III nicht wirksam. Dieses Problem wurde gelöst durch Anwendung
der Technik gemäß IV durch anteilweises Erhöhen des Druckes auf das Bornitridübertragungspulver
in dem Temperaturbereich, in welchem sich Si 3N4 verdichtet. Auf diese Weise konnte
der Druck durch das pulverförmige Druckübertragungsmittel ohne Versteifung desselben
weitergegeben werden und es wurde der Druck auf den im Innern befindlichen Si3N4-Gegenstand
übetragen.
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Gemäß der Erfindung wird somit eine Technik dr isostatischen Warmpressung
erzeugt, die verwendet werden kann, um Pulververbände beliebiger komplexer Form
zu verdichten. Für diesen Zweck ist es wünschenswert, ein nicht reaktionsfähiges,
nicht verdichtbares, pulverförmiges Übertragungsmittel als Medium für die tfbertragung
gleichaxialen Druckes auf isostatischem Druck zu verwenden, welches bei höherer
Temperatur zu einem kompakten Pulver verdichtet. Mit dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung wurden die Nachteile der früheren Verfahren der Warmpressung überwunden,
welches auf Formstücke von konstanter Querschnittsfläche begrenzt war.
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6 Patentansprüche 1 Figur