DE29909497U1 - Kiln furniture - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Brennhilfsmittel für den Porzellanbrand, zum Sintern von Metallen und Hartmetallen und zum Sintern von elektronischen Bauteilen.The invention relates to firing aids for porcelain firing, for sintering metals and hard metals and for sintering electronic components.
Als Brennhilfsmittel bezeichnet man diejenigen Vorrichtungen bzw. Teile von Vorrichtungen, die benötigt werden, um zu brennendes Porzellan oder zu sinterndes Metall bzw. Hartmetall oder auch zu sinternde elektronische Bauteile während des Brenn- bzw. Sintervorganges aufzunehmen. Hierunter sind u.a. die Platten zu verstehen, auf denen das Porzellan bzw. die Metall, Hartmetallteile oder elektronischen Bauteile während des Brennens aufgelegt werden. Es sind aber auch Träger, die diese Platten halten sollen sowie Rollen für Rollenöfen derartige Teile, die unter dem Begriff Brennhilfsmittel zusammengefaßt werden.Kiln furniture refers to those devices or parts of devices that are required to hold porcelain to be fired or metal or hard metal to be sintered or electronic components to be sintered during the firing or sintering process. This includes the plates on which the porcelain or metal, hard metal parts or electronic components are placed during firing. However, supports that are intended to hold these plates and rollers for roller kilns are also parts of this kind that are summarized under the term kiln furniture.
An die Werkstoffeigenschaften derartiger Brennhilfsmittel werden zunehmend größere Ansprüche gestellt. So erfolgt das Brennen von Porzellan nach moderner Technologie heute ausschließlich in sog. Schnellbrandöfen, wobei die Zykluszeiten kalt/kalt in der Größenordnung von 5 bis 8 Stunden liegen. Wegen der höherenThe material properties of such kiln furniture are increasingly subject to greater demands. For example, porcelain is now fired using modern technology exclusively in so-called fast-firing kilns, with cold/cold cycle times in the order of 5 to 8 hours. Due to the higher
thermischen Belastungen können die früher verwendeten Brennhilfsmittel aus Ton gebundenem Siliciumcarbid oder Cordierit in Verbindung mit der Schnellbrandtechnologie heute nicht mehr eingesetzt werden. Statt dessen kommen rekristallisiertes SiC (RSiC) oder feinkörniges, nitritgebundenes SiC (NSiC) zum Einsatz. Bekannte Vertreter dieser Materialien sind „Crystar" und Advancer der Firma St. Gobain/Norton. Neben Platten werden auch Träger und Säulen sowie Rollen für Rollenöfen aus diesem Materialien hergestellt.Due to the high thermal loads, the previously used kiln furniture made of clay-bonded silicon carbide or cordierite can no longer be used in conjunction with rapid firing technology. Instead, recrystallized SiC (RSiC) or fine-grained, nitrite-bonded SiC (NSiC) are used. Well-known examples of these materials are "Crystar" and Advancer from St. Gobain/Norton. In addition to plates, supports and columns as well as rollers for roller kilns are also made from these materials.
Als Hauptnachteile von RSiC und NSiC sind die Porosität (bis zum 20 Volumentprozent) und die grobkörnige Struktur anzusehen. Aufgrund der offenen Poren ist das Material anfällig gegen Oxidation, d.h. in den Porenräumen wächst mit zunehmender Gebrauchsdauer eine Quarzschicht, die letztendlich zur mechanischen Zerstörung des Bauteiles führt. Durch die grobe Struktur von Kristalliten und Poren ist die Festigkeit aufwerte von 100 bis 200 MPa limitiert. Deshalb können Plattenstärken von 4 bis 6 mm nicht unterschritten werden. Die geringe Festigkeit und die hohe Sprödigkeit sind verantwortlich für einen zu hohen Ausschuß durch Bruch beim Handling.The main disadvantages of RSiC and NSiC are the porosity (up to 20 percent by volume) and the coarse-grained structure. Due to the open pores, the material is susceptible to oxidation, i.e. a quartz layer grows in the pore spaces over time, which ultimately leads to mechanical destruction of the component. Due to the coarse structure of crystallites and pores, the strength is limited to 100 to 200 MPa. Therefore, plate thicknesses of 4 to 6 mm cannot be undercut. The low strength and high brittleness are responsible for too high a reject rate due to breakage during handling.
Die Brennhilfsmittelscheiben aus RSiC und NSiC sind einseitig mit einer sog. Engobe beschichtet, deren Zweck es ist, das Eindringen der Glasur in die Porenräume des Brennhilfsmittels zu verhindern. Dies würde in Verbindung mit der Oxidation des Siliciumcarbids zu einer frühzeitigen mechanischen Zerstörung des Teiles führen. Als Engobe werden oxid keramische Materialien verwendet, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eine starke Adhäsionsneigung zur Glasur zeigen. Aus diesem Grunde ist ein mehrmaliges Nacharbeiten der Brennhilfsmittelscheiben (Abschleifen und Neubeschichten) im laufe ihrer Lebensdauer durch den Hersteller erforderlich. Als durchschnittliche Lebensdauer für Brennhilfsmittelscheiben aus RSiC und NSiC werden 800 bis 1500 Schnellbrandzyklen erreicht.The kiln furniture discs made of RSiC and NSiC are coated on one side with a so-called engobe, the purpose of which is to prevent the glaze from penetrating the pores of the kiln furniture. In conjunction with the oxidation of the silicon carbide, this would lead to premature mechanical destruction of the part. Oxide ceramic materials are used as engobes, which, due to their chemical composition, have a strong tendency to adhere to the glaze. For this reason, the manufacturer must rework the kiln furniture discs several times over the course of their service life (grinding and recoating). The average service life for kiln furniture discs made of RSiC and NSiC is 800 to 1500 rapid firing cycles.
Neben den negativen Eigenschaften wie Oxidationsanfälligkeit und geringe Festigkeit führt die innere Oxidation zu weiteren Nachteilen in der Anwendung. Das Verwerfen der Scheiben bewirkt Unebenheiten in der Auflage des Brenngutes, so daßIn addition to the negative properties such as susceptibility to oxidation and low strength, the internal oxidation leads to further disadvantages in the application. The warping of the discs causes unevenness in the support of the firing material, so that
ggf. ein manuelles Schleifen des Porzellans erforderlich wird, um einen ebenen Stand zu erzielen. Durch das Verwerfen der Platten können zudem Siliciumcarbidpartikel aus der Unterseite der Scheibe herausbrechen und auf das darunter befindliche Brenngut fallen. Damit werden schwarze Punkte in der Glasur erzeugt, und das betroffene Porzellanteil wird zum Ausschuß. Aufgrund ihrer porösen Struktur haben RSiC und NSiC eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit, was im Hinblick auf eine möglichst schnelle und homogene Durchwärmung von Brennhilfsmittel und Brenngut als negativ anzusehen ist.Manual grinding of the porcelain may be necessary to achieve a level surface. Discarding the plates can also cause silicon carbide particles to break off from the underside of the disc and fall onto the fired item underneath. This creates black spots in the glaze and the affected porcelain piece is rejected. Due to their porous structure, RSiC and NSiC have a comparatively low thermal conductivity, which is seen as a disadvantage with regard to the fastest and most homogeneous heating of the firing aid and the fired item.
Das Sintern von Metallen und Hartmetallen (beispielsweise aus Wolframcarbid/Kobalt) erfolgt auf Brennhilfsmitteln, die aus Aluminiumoxyd bzw. Graphit bestehen. Die hohe Dichte der Hartmetalle von etwa 14 g/cm3 macht bei gleichzeitig geringer Festigkeit des Graphits sehr große Plattenstärken erforderlich. Dies führt zu einer schlechten Ausnutzung des Brennraumes, da der größte Teil des Ofenvoluments von Brennhilfsmitteln und nicht von Brenngut eingenommen wird. Daneben kann es zu unerwünschten Reaktionen zwischen dem Brenngut und dem Brennhilfsmittel (beispielsweise zur Aufkohlung der Hartmetalloberfläche) und zu Anbakkungen kommen.The sintering of metals and hard metals (for example tungsten carbide/cobalt) takes place on kiln furniture made of aluminum oxide or graphite. The high density of hard metals of around 14 g/cm 3 , coupled with the low strength of graphite, requires very thick plates. This leads to poor utilization of the combustion chamber, as the majority of the furnace volume is taken up by kiln furniture and not by the material to be fired. In addition, undesirable reactions can occur between the material to be fired and the kiln furniture (for example carburization of the hard metal surface) and caking.
Im Vergleich zu nichtoxydischen Hochleistungskeramiken wie Siliciumcarbid und nitrit erfährt Aluminiumoxid schon ab 7000C einen drastischen Abfall aller mechanischen Kennwerte. Schon bei 1000°C beträgt die Festigkeit weniger als 50% der Raumtemperaturfestigkeit. Selbst geringe Belastungen führen bei Arbeitstemperatur aufgrund von Kriechvorgängen zu Plattendeformationen, die das Material unbrauchbar machen. Im schlimmsten Fall kommt es zum Bruch der Brennunteriagen, so daß das gesamte Brenngut zum Ausschuß wird. Auch beim Sintern von elektronischen Bauteilen wird Aluminiumoxyd mit den zuvor genannten Nachteilen eingesetzt. In comparison to non-oxide high-performance ceramics such as silicon carbide and nitrite, aluminum oxide experiences a drastic drop in all mechanical properties at temperatures as low as 700 ° C. At 1000°C, the strength is less than 50% of the strength at room temperature. Even small loads at working temperatures lead to plate deformations due to creep processes, which render the material unusable. In the worst case, the firing substrates break, so that the entire firing material is rejected. Aluminum oxide is also used in the sintering of electronic components, with the disadvantages mentioned above.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennhilfsmittel an die Hand zu geben, das sich universal für den Porzellanbrand, zum Sintern von Metallen und Hartmetallen und zum Sintern von elektronischen Bauteilen eignet, wobei es bei der Arbeitstempe-The object of the invention is to provide a kiln furniture that is universally suitable for porcelain firing, for sintering metals and hard metals and for sintering electronic components, whereby it is suitable for the working temperature
■»■· lit* ·· **■»■· lit* ·· **
ratur eine hohe Festigkeit aufweist und andererseits eine höhere Standzeit als die bekannten Brennhilfsmittel hat.temperature, has a high level of strength and, on the other hand, has a longer service life than the known kiln furniture.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung der Materialien entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach findet zum einen dicht gesintertes solid state Siliciumcarbid (SSiC) Anwendung. Weiter kann auch dicht gesintertes liquid phase Siliciumcarbid (LPSiC) oder auch Siliciumnitrit (Si3N4) Anwendung finden. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by using the materials according to the characterizing part of claim 1. Accordingly, densely sintered solid state silicon carbide (SSiC) is used. Furthermore, densely sintered liquid phase silicon carbide (LPSiC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) can also be used. Preferred embodiments of the inventions arise from the subclaims following the main claim.
Betrachtet man den Porzellanbrand, so kann das dicht gesinterte Siliciumcarbid (SSiC) als ideales Material für diese Anwendung bezeichnet werden, da es für das Brennen von Porzellan, wo Temperaturen bis etwa 14000C auftreten können, einen Werkstoff bildet, der im wesentlichen keine Oberflächenporen hat und eine hohe Festigkeit aufweist. Aufgrund der glatten Oberfläche kann auf die sonst übliche Engobe verzichtet werden.When it comes to porcelain firing, densely sintered silicon carbide (SSiC) can be described as the ideal material for this application, as it forms a material that has essentially no surface pores and is very strong when firing porcelain, where temperatures of up to 1400 0 C can occur. Due to the smooth surface, the otherwise usual engobe is not required.
Aufgrund der wesentlich höheren Festigkeit im Vergleich zu dem nach dem Stand der Technik verwendeten RSiC kann die Plattenstärke auf ca. die Hälfte reduziert werden, was sich natürlich auf die Energiebilanz des Brennvorganges positiv auswirkt. Da die Oxidation im Inneren des Materials ausgeschlossen ist, kann von einer wesentlich höheren Lebensdauer ausgegangen werden, wobei hier zumindest von einer Verdoppelung der Lebensdauer auszugehen ist.Due to the significantly higher strength compared to the RSiC used in the state of the art, the thickness of the plate can be reduced by about half, which of course has a positive effect on the energy balance of the firing process. Since oxidation inside the material is excluded, a significantly longer service life can be expected, whereby in this case the service life can be at least doubled.
Das dicht gesinterte Siliciumcarbid kann durch thermoplastische Formgebung hergestellt werden, so daß Teile mit hoher Ebenheit und Maßhaltigkeit ohne Nachbearbeitung produzierbar sind. Insgesamt läßt sich beim Einsatz des erfindungsgemäßen Brennhilfsmittels der Ausschuß beim Porzellanbrand reduzieren bzw. eliminieren und die Qualität verbessern.The densely sintered silicon carbide can be produced by thermoplastic molding, so that parts with high flatness and dimensional stability can be produced without post-processing. Overall, when using the kiln furniture according to the invention, the waste during porcelain firing can be reduced or eliminated and the quality improved.
Für das Sintern von Metallen und Hartmetallen, welches bei etwa 1200°C in Inertatmosphäre abläuft, kommen vorteilhaft die drei Werkstoffe SSiC, LPSiC und Si3N4 For the sintering of metals and hard metals, which takes place at about 1200°C in an inert atmosphere, the three materials SSiC, LPSiC and Si 3 N 4 are advantageous.
in Frage. In diesem Falle entscheidet die Optimierung in Hinblick auf Plattenstärke, Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit und chemische Inertheit zum Metall bzw. Hartmetall über die Werkstoffauswahl. Je nach Werkstoff kann die Plattenstärke um den Faktor 7 bis 10 reduziert werden, was die Energieeffizienz und die Ausnutzung des Ofenraumes ganz erheblich steigert. Es ist gleichzeitig von einer Verbesserung der Lebensdauer der neuen Brennhilfsmittel im Vergleich zu Graphit und Aluminiumoxyd, wie sie im Stand der Technik verwendet wurden, auszugehen.in question. In this case, the optimization in terms of plate thickness, high-temperature creep resistance and chemical inertness to the metal or hard metal determines the material selection. Depending on the material, the plate thickness can be reduced by a factor of 7 to 10, which significantly increases energy efficiency and the utilization of the furnace space. At the same time, the service life of the new kiln furniture can be expected to be improved compared to graphite and aluminum oxide, as used in the prior art.
Auch beim Sintern von elektronischen Bauteilen mittels Brennhilfsmitteln aus dicht gesintertem SSiC, LPSiC und S13N4 anstelle von dem bislang verwendeten Aluminiumoxyd kann eine erhebliche Erhöhung der Lebensdauer der Brennhilfsmittelplatten erwartet werden. Gleichzeitig kann die Ausschußquote beim Brenngut reduziert werden und die Qualität der gebrannten Bauteile erhöht werden.When sintering electronic components using kiln furniture made of densely sintered SSiC, LPSiC and S13N4 instead of the aluminum oxide used previously, a significant increase in the service life of the kiln furniture plates can be expected. At the same time, the reject rate of the kiln material can be reduced and the quality of the fired components can be increased.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.Further details and advantages of the invention are explained with reference to an embodiment shown in the drawing.
In der einzigen Figur ist ein fahrbares Gestell zur Verwendung beim Porzellanbrand dargestellt.The only figure shows a mobile frame for use in porcelain firing.
Der in der Figur dargestellte Wagen 10 weist Auflageplatten 12 aus dicht gesintertem solid state Siliciumcarbid (SSiC) auf, das eine ebene Auflagefläche bildet. Diese Auflageflächen 12 sind von Trägern 14 gehalten, die vorteilhaft ebenfalls aus dicht gesintertem solid state Siliciumcarbid bestehen. Auf den ebenen Auflageflächen stehen als zu brennendes Gut Porzellanteller 16, die mittels des Wagens in den hier nicht mehr dargestellten Schnellbrandofen eingefahren werden.The carriage 10 shown in the figure has support plates 12 made of densely sintered solid state silicon carbide (SSiC), which forms a flat support surface. These support surfaces 12 are held by supports 14, which advantageously also consist of densely sintered solid state silicon carbide. Porcelain plates 16, which are to be fired, stand on the flat support surfaces and are fed into the fast-firing furnace (not shown here) by means of the carriage.
Neben den hier dargestellten Platten 12, die aus dem dicht gesinterten solid state Siliciumcarbid hergestellt werden, können auch Rollen für Rollenöfen aus diesem Material hergestellt werden, sowie die entsprechenden Platten, auf die das zu brennende Gut gestellt wird, und die über die Rollen der Rollenöfe transportiert werden.In addition to the plates 12 shown here, which are made of densely sintered solid state silicon carbide, rollers for roller furnaces can also be made of this material, as well as the corresponding plates on which the material to be fired is placed and which are transported over the rollers of the roller furnaces.
In der nachfolgenden Tabelle sind die erfindungsgemäßen Brennhilfsmittelmaterialien mit Brennhilfsmittelmaterialien nach dem Stand der Technik in ihren physikalischen Eigenschaften verglichen.In the following table, the kiln furniture materials according to the invention are compared with kiln furniture materials according to the state of the art in terms of their physical properties.
Vergleich von Brennhilfsmittelmaterialien:Comparison of kiln furniture materials:
Eigenschan----^^^""~~--^^^Materials
Properties----^^^
Kristalle in &mgr;&igr;&eegr;Size pores and
Crystals in &mgr;&igr;&eegr;
Iuntil 20
I
RT
1.2000CStrength in MPa at
RT
1,200 0 C
200100
200
200200
200
450400
450
420550
420
425800
425
<100 ; 350 :
<100 ;
keit*Oxidation resistant
ity*
* qualitative Wertung von 1 (ausgezeichnet) bis 6 (sehr schlecht)* qualitative rating from 1 (excellent) to 6 (very poor)
tete
Aus den in der Tabelle zusammengestellten Eigenschaften wird deutlich, daß die erfindungsgemäßen dicht gesinterten Materialien SSiC, LPSiC und Si3N4 für die hier zu lösende Aufgabe besonders gute physikalische Eigenschaften haben. Währen RSiC und NSiC bereits aufgrund ihrer Offenporigkeit die eingangs geschilderten Nachteile zeigen, ergibt sich bei AI2O3 insbesondere im Hochtemperaturbereich eine sehr geringe Festigkeit, die zu den ebenfalls zuvor ausgeführten Problemen in der Anwendung führen (große Plattendicken, Verformungs- und Bruchgefahr). Die erfindungsgemäßen Materialien SSiC, LPSiC und Si3N4 weisen hier jeweils physikalische Eigenschaften auf, die sie zum Einsatz von Brennhilfsmitteln gegenüber den Vergleichsmaterialien auszeichnen.From the properties listed in the table, it is clear that the densely sintered materials SSiC, LPSiC and Si 3 N 4 according to the invention have particularly good physical properties for the task to be solved here. While RSiC and NSiC already show the disadvantages described above due to their open pores, AI2O3 has very low strength, particularly in the high temperature range, which leads to the problems in use also mentioned above (large plate thicknesses, risk of deformation and breakage). The materials SSiC, LPSiC and Si 3 N 4 according to the invention each have physical properties that make them suitable for use as kiln furniture compared to the comparison materials.
Claims (5)
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-
1999
- 1999-05-31 DE DE29909497U patent/DE29909497U1/en not_active Expired - Lifetime
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