DE2806784C2 - Sinterverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sintern keramischer Formteile.

Das Sintern keramischer Formteile geschieht heute überwiegend in Tunnelöfen, wobei das Brenngut durch die öfen auf Wagen hindurchbewegt wird. Dabei ruhen die zu sinternden Formteile auf Brennhilfsmitteln, die auf diesen Wagen aufgebaut sind. Bei diesem Brennverfahren sind die Aufheizgeschwindigkeit, die Verweilzeit der Formteile auf der Sintertemperatur und die Abkühldauer für alle Formteile im wesentlichen gleich. Eine Umstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufes ist in einem Tunnelofen nur sehr schwierig zu erreichen. Die möglichen Variationen sind verhältnismäßig eng begrenzt. — Ein etwas höherer Grad an Wahlfreiheit in der Temperatur-Zeit-Führung gestatten die seit einiger Zeit verfügbaren Kammerofen mit Zwangsumwälzung der Ofenatmosphäre. Auch hier werden die keramischen Formteile auf Brennhilfsmitteln aufgestellt und dann auf einem wagenähnlichen Untersatz in den eigentlichen Ofen gefahren oder gehoben. Dieses Brennverfahren gestattet es, steilere und unterschiedlichere Temperatur-Zeit-Kurven zu realisieren, wodurch eine bessere Anpassung an die für die jeweils zu brennenden Teile optimalen Bedingungen erreicht werden kann. — Für Laborzwecke waren natürlich schon immer auch kleinste Ofeneinheiten bekannt, z, B. Rohröfen nach »Tamman«, in die die keramischen Formteile eingesetzt oder auch durch die sie hindurchgeschoben werden konnten. Derartige Brennaggregate lassen sich jedoch für Fertigungszwecke nicht einsetzen, da, insbesondere bei Sinterung an Luft und bei den für hochwertigere Keramiken notwenigen Temperaturen die beteiligten Brennhilfsmittel, insbesondere die Feuerfestrohre, aber auch der eigentliche Kohleheizkörper wegen der begrenzten Temperaturwechselbeständigkeit und des nicht auszuschließenden Lufteinflusses viel zu schnell brechen bzw. verschleißen.

Allen bisherigen Verfahren ist gemein, daß die zu sinternden Formteile auf Brennhilfsmitteln aus feuerfestem Material aufgestellt werden müssen. Daher ist es notwendig, bei jedem Sinterzyklus die Brennhiifsmittel aufzuheizen und wieder abzukühlen. Die begrenzte Temperaturwechselbeständigkeit selbst hochwertiger Feuerfestmaterialien verursacht z. T. recht hohe Kosten.

Hinzu kommt noch etwas anderes: Es gibt Fälle, in

denen die zu sinternden Formteile mit den meisten gängigen Feuerfestmaterialien bei niedrigeren als den für das Sintern dieser Formteile notwendigen Temperatüren bereits reagieren. In solchen Fällen müssen noch zusätzliche Zwischeulagen zwischen den eigentlichen Brennhilfsmitteln und den Formteilen vorgesehen werden, die das Zustandekommen solcher, meist eutektischer Reaktionen ausschließen. Dies trifft z. B.

jo für das Sintern mancher Zirkonoxid-Qualitäten zu. Es gibt auch Keramiken, die bei der Sintertemperatur und z. T. auch schon merklich unterhalb der Sintertemperatur Bestandteile an die umliegende Atmosphäre abgeben. Diese verdampfenden Bestandteile reagieren sodann mit den umgebenden Brennhilfsmitteln und verändern diese. Damit wird die Temperaturwechselbeständigkeit dieser Brennhilfsmittel meist erheblich herabgesetzt, so daß sie nur noch venige Ofenreisen aushalten. Dies trifft z. B. zu bei der Sinterung des natriumhaltigen /J-Aluminiumoxids. In diesem Fall verdampft Natrium bzw. Natriumoxid, das dann mit den Brennhilfsmitteln in der Umgebung reagiert, so daß diese meist nicht mehr als zwei Ofenreisen aushalten.

Die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe war zunächst, ein Verfahren zum Sintern keramischer Formteile zu finden, bei denen der Brennhilfsmittelverbrauch eingeschränkt werden kann. Falls möglich, sollte natürlich der Einsatz von Brennhilfsmitteln vollständig vermieden werden.

Überraschenderweise ließ sich diese Aufgabe erfindiingsgemäß dadurch lösen, daß die Formteile brennhilfsmittelfrei erhitzt werden, die Wärmezufuhr durch im wesentlichen ringförmig die Formteile einzeln umgebende Wärmequellen erfolgt und das Aufheizen sowie das Abkühlen durch eine Relativbewegung zwischen den Formteilen und den Wärmequellen bewirkt wird. Im einzelnen läßt sich dies durch folgende Maßnahmen, die z.T. alternativ sind, erreichen: Die zu sinternden Formteile werden einzeln aufeinandergesta-

bo pelt und durch die Wärmequelle bewegt. Es ist auch möglich, die Formteile einzeln übereinander zu stapeln und die Wärmequelle parallel zur Achse dieses Stapels zu bewegen. Dabei hat es sich in manchen Fällen als günstig erwiesen, daß die Abmessung der Wärmequelle

hi in Richtung der Relativbewegung kleiner ist als die Abmessung der Formteile in der gleichen Richtung. Dabei hat es sich bewährt, die Wärmequelle als einen durch eine Induktionsspule erhitzten Ring aus Metall

auszugestalten. In diesen Fällen erwies es sich als günstig, als Auflage für das jeweils unterste Formteil das gleiche Metall wie die Wärmequelle zu benutzen. Außerdem zeigte es sich, daß Formteile, deren Abmessung in Richtung der Relativbewegung ein mehrfaches der dazu senkrechten Abmessungen beträgt, ohne aufeinander zu stapeln, einzeln erhitzt werden konnten. Dies traf z. B. für Rohre zu, deren Länge erheblich größer als ihr Durchmesser ist, und auch für einseitig geschlossene Rohre. Das Verfahren eignet sich auch dazu, mehrfach nebeneinander simultan angewendet zu werden. Dabei werden z. B. rohrförmige Formteile kammartig nebeneinander gestellt, wobei dann über jedes der Formteile ein in einer Induktionsspule befindlicher Ring von oben nach unten geführt wird. Die Induktionsspulen können in diesem Falle alle vom gleichen Generator gespeist werden. Auch die umgekehrte Bewegung, das Anheben des gesamten aus den Rohren bestehenden Kammes gestattet eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit.

Die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen einmal in der erstrebten Reduktion des Brennhilfsmittelverbrauchs, ja sogar seiner völligen Vermeidung. Darüberhinaus zeigte sich, daß dieses Verfahren es gestattet, insbesondere bei verhältnismä-Big dünnwandigen Formkörpern, Materialqualitäten zu erreichen, die mit den konventionellen Sinterverfahren nicht erzielt werden können. Dadurch, daß kein Brennhilfsmittel mit erhitzt werden muß, können nämlich die Erhitzungs- und die Abkühlgeschwindigkei- jo ten so weit erhöht werden, daß sie für die jeweils erwünschte Gefügeausbildung optimal sind. Es ließen sich mit diesem Verfahren z. B. Feinkörnigkeiten an reiner Aluminiumoxidkeramik, an kalziumstabilisiertem Zirkondioxid und an Natrium-0-AIuminiumoxid erreichen, die bisher durch Sinterung an Luft und in einem Einschrittsinterverfahren nicht erzielt werden konnten.

Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. F i g. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. F i g. 2 zeigt eine Ausführung zur mehrfachen simultanen Anwendung des Verfahrens für Einzelteile.

In dem Schnittbild der Fig. 1 sind die keramischen Formteile mit 1 bezeichnet. Es handelt sich um einseitig geschlossene, verhältnismäßig dünnwandige Rohre aus AliOj-Keramik. Diese Rohre sind aufeinandergestapelt. Das unterste Formteil steht auf einer Auflage 2. Sie ist aus dem gleichen Metall gefertigt, wie die Wärmequelle 3. In einer Versuchsanlage mit Sinterung an Luft bestand die Wärmequelle (3) und die Auflage (2) aus Platin. Diese Wärmequelle 3 befindet sich im Inneren der Induktionsspule, die durch die Schnitte durch die wassergekühlten Kupferrohre 4 dargestellt wird.

Vor Beginn der Sinterung befindet sich die Spule mit der Wärmequelle oberhalb der aufeinander gestapelten Formteile. Durch einen nicht eingezeichneten Mechanismus werden dann die Wärmequelle und die Spule gemeinsam nach unten bewegt, bis sie die Auflage erreicht, jedoch nicht berührt hab\;. Dann wird die Energiezufuhr zur induktionsspule sbaeschaitet, die Induktionsspule nach oben gefahren und die gesinterten Formteile entnommen. Nach Aufstellen neuer Teile kann der Vorgang wiederholt werden. Natürlich ist auch die umgekehrte Bewegungsführung möglich, bei der die Induktionsspule mit der Wärmequelle am Ort verbleibt und die Auflage 2 durch einen nicht eingezeichneten Mechanismus allmählich nach oben bewegt wird und damit die zu sinternden Formteile durch die Wärmequelle hindurch bewegt.

In Fig. 2 sind zwei rohrförmige Formkörper (5) eingezeichnet. Sie stehen auf einer gemeinsamen Unterlage 6 und einzeln auf den beiden Unterlagen 7, die aus dem gleichen Material wie die Wärmequellen 8 bestehen. Diese Wärmequellen 8 sind von den Induktionsspulen 9 umgeben. Die beiden Induktionsspulen 9 zusammen mit den Wärmequellen 8 befinden sich in einer gemeinsamen Halterung, die nich' gezeichnet ist. Diese Halterung wird durch ein ebenfalls nicht eingezeichneten Mechanismus von oben nach unten beV'Cgt, bis sie oberhalb der Auflage 7 angelangt ist. Natürlich läßt sich diese Anordnung auch mehr als zweifach wiederholen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Sintern keramischer Formteile, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (1) brennhilfsmittelfrei erhitzt werden, wobei die Wärmezufuhr durch eine im wesentlichen ringförmig die Formteile einzeln umgebende Wärmequelle (3) erfolgt und das Aufheizen sowie das Abkühlen durch eine Relativbewegung zwischen den Formteilen und der Wärmequelle bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (1) einzeln aufeinander gestapelt durch die Wärmequelle (3) bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (1) einzeln übereinander gestapelt und die Wärmequelle (3) parallel zur Achse dieses Stapels bewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der Wärmequelle (3) in Richtung der Relativbewegung kleiner als die Abmessung der Formteile (1) in der gleichen Richtung gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (3) ein durch eine Induktionsspule (4) erhitzter Ring aus Metall verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Auflage (2) tür das jeweils unterste Formteil (1) ein aus dem gleichen Metall wie die Wärmequelle (3) bestehendes Material verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Formteile, deren Abmessung in Richtung der Relativbewegung ein Mehrfaches der dazu senkrechten Abmessungen beträgt, ohne Aufeinanderstapeln, einzeln erhitzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrfach nebeneinander simultan angewendet wird.