DE3122345A1

DE3122345A1 - Zusammengesetzter keramik-verbundhohlkoerper und verfahren zu seiner herstellung sowie seine verwendung

Info

Publication number: DE3122345A1
Application number: DE19813122345
Authority: DE
Inventors: Franz Ing.(grad.) 8505 Röthenbach Lenz
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1982-12-30

Description

Beschreibung
Zusammengesetzter Keramik-Verbundhohlkbrper und Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung Die Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten Eeramik-Verbundhohlkörper aus vorgefertigen keramischen Formteilen, die durch einen Sintervorgang dauerhaft miteinander verbunden sind und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei die Keramik-Verbundhohlkörper zur Verwendung bei Pumpenkolben, Gelenkkugeln, Fadenführern und Verschleißplatten mit Gewindeeinsätzen geeignet ist.
Keramik-Verbundhohlkörper sind an sich bekannt. Die Problematik der Verbindungstechnik solcher keramischen Formkörper geht aus der Literaturstelle von W.E. Hauth "Ceramic-to-Ceramic Sealing of Large Shapes" aus American Ceramic Bulletin, Vol. 58, Nr, 6 (1979), Seite 584 bis 586 hervor. Die hier beschriebenen üblichen Verfahren wie Kleben, Löten, Verglasen oder Garnieren sind aber für spezielle Anwendungen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht ausreichend. So lassen sich keramische Bauteile, die eine sehr komplizierte Innenkontur aufweisen, nach den bekannten Herstellungsverfahren zum Beispiel wie Pressen oder isostatisches Pressen gar nicht oder nicht wirtschaftlich herstellen. Obwohl bereits in der DE-OS 27 07 835 ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen keramischen Gegenständen mit einem Innen- und Außenteil beschrieben wird, die miteinander dauernd verbunden sind und deren wärme aus dehnungskoeffizienten unterschiedlich sind, zeigt ein solcher keramischer Gegenstand an der Verbindungsstelle nicht die gleichen Eigenschaften wie das gesamte Werkstück, was sich in dieser Hinsicht auf die Festigkeit nachteilig auswirkt.
Insbesondere bei dickwandigen Keramikkörpern treten dann entsprechende Spannungen auf bzw. die Struktur des Körpers ist zu unterschiedlich. Diese Nachteile könnte man zwar vermeiden, indem man zur Formgebung das Heißpressen heranzieht, wie es in der DE-OS 22 62 469 beschrieben wird, indem ein vorgesintertes Bauteil mit einem sinterfähigen Pulver heiß verpreßt wird, wobei gleichzeitig ein einstückiges Bauteil entsteht. Auch wird die gleiche Problematik in der DE-PS 28 39 335 angesprochen. Es handelt sich um ein Verfahren zur scherfesten Verbindung von keramischen flachen Formteilen. Vorgesinterte und geschliffene Teile werden durch einen zweiten Sinterprozeß miteinander verbunden. Dieses Verfahren kann jedoch nur für flache Teile verwendet werden wie Platten oder ähnliche Teile und nicht für runde Einsätze. Außerdem ist es während der zweiten Sinterung erforderlich, daß eine Druckbelastung auf die Verbindungsflächen ausgeübt wird, um eine Versinterung zu gewährleisten.
Hierzu ist eine Belastung des Körpers notwendig.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, daß man trotz getrennt gefertigte Einzelteile eine hochfeste Verbindung und einen einheitlichen gesinterten homogenen keramischen Körper erhält, ohne die üblichen Verfahren wie Kleben, Löten usw. anzuwenden müs seno Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen homogenen Keramikhohlkörper zu schaffen, der eine komplizierte Innenkontur aufweist, die insbesondere dazu geeignet ist, eine hochfeste mechanische Verbindung zu Metall teilen zu erbringen, Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Keramik-Verbundhohlkörpers gesucht, bei dem einzelne keramische Teile, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, zusammengesetzt werden können, aber trotzdem am Ende des Herstellungsprozesses ein einheitlicher keramischer Körper vorliegt, der insbesondere hohen Beanspruchungen gewachsen ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Keramik-Verbundhohlkörper an der Verbindungsstelle zwischen Innen- und Außenteil kein fremdes Material aufweist und das Innenteil ohne zusätzliche Hilfsmittel unter Durckspannung steht Die.besondere Ausgestaltung des keramischen Verbundhohlkörpers besteht darin, daß das gekrümmte, dünnwandige Innenteil eine komplizierte Ausnehmung zum Beispiel in Form eines Gewindes -aufweist und insbesondere zum Befestigen eines metallischen Anschlußteils geeignet ist. Solche keramischen Gewinde kann man zwar auch durch Bearbeitung der Keramikteile im Rohzustand erhalten, wodurch jedoch kein Gewinde mit hoher Geometriegenauigkeit und hoher Festigkeit erzielt wird.
Das gleiche gilt auch für den Spritzguß. Man könnte zwar auch das isostatische Preßverfahren nehmen, bei welchem Gewindebuchsen mit hoher Präzision und Festigkeit erzeugt werden, aber ein solches Verfahren ist für Massenprodukte nicht sehr wirtschaftlich. Als Werkstoffe kommen insbesondere oxidkeramische Materialien wie Aluminiumoxid, Titanoxid und Magnesiumoxid infrage, aber auch silikathaltige Werkstoffe wie Hartporzellan und Steatit. Bei keramischen Werksbifen mit sehr ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten kann sowohl das Innen-und das Außenteil aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen bestehen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Keramik-Verbundhohlkörpers ist ein besonderes Verfahren notwendig. Es besteht darin, daß das Innenteil mit seiner eventuellen komplizierten Innenkontur nach dem bekannten Verfahren wie Pressen hergestellt und gegebenfalls roh nachbearbeitet wird. Die Sinterung erfolgt nach den Bedingungen, welche durch das keramische Material vorgegeben sind. Dieses Innenteil, welches vorwiegend eine zylindrische Außenkontur aufweist, wird nach dem Sinterprozeß am Außendurchmesser geschliffen und durch übliche Reinigungsverfahren wie Ultraschallwaschen von den Schleifrückständen gesäubert. Das Außenteil des Verbundhohlkörpers wird ebenfalls nach dem bekannten Verfahren hergestellt, wobei der-Innendurchmesser dieses Bauteils so ausgelegt ist, daß er bei freier Schwindung .des Bauteils während des Sinterprozesses mindestens OS1 mm kleiner ist als der des geschliffenen Außendurchmessers des bereits gesinterten Forminnenteils. Das Zusammenfügen dieser beiden Einzelteile erfolgt derart, daß das innere Formteil zentrisch in die Bohrung des Außenteils eingelegt und gemeinsam gesintert wird. Da das Außenteil noch der gesamten Schwindung während des Sinterprozesses unterliegt, werden die Berührungsstellen zwischen dem Innen- und Außenteil auf Druck belastet, da der Außendurchmesser des Innenteils um mindestens OS1 mm größer ist. Durch diese Preßpassung während des Sinterprozesses erfolgt eine vollkommene Versinterung der Berührungsflächen.
Anhand von Schliffbildern konnte nachgewiesen werden, daß über die Kontaktstellen hinweg ein gleichmäßiges polykristallines Gefüge vorliegt. Bei Festigkeitsuntersuchungen ist keine Bruchorientierung'durch die Kontaktstellen nachweisbar.
Die Anwendungsgebiete für die keramischen Verbundhohlkorper,.
hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, sind außerordentlich vielseitig. So sollen im nachfolgenden nur einige mögliche Anwendungsgebiete für diese rohrartigen Gebilde bezeichnet werden, deren Durchmesser zwischen 10 bis 300 mm liegen. Solche keramischen Verbundhohlkörper, insbesondere mit Innengewinde finden ihre Anwendung bei Endoprothesen, Verschlüssen zu Gasentladungslampen, Hochfrequenzstützern und Verschleißplatten.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1a:. Querschnitt durch einen keramischen Verbundhohlkörper im Rohzustand; Fig. 1b: Querschnitt durch einen keramischen Verbundhohlkörper nach der Sinterung; Fig. 2 : Eüftgelenkkugel mit eingesinterter- Gewindebuchse; Fig. 3 : : Hochfrequenzstützer in welchem an beiden Enden eine Gewindebuchse eingesintert wurde; Fig. 4 : Verschleißplatte mit Gewindeeinsätzen für mehrere Befestigungen zu einem Metallteil.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Keramik-Verbundhohlkörper weist nachfolgende Eigenschaften auf. Er besteht nach dem Brand aus einem homogenen Teil, insbesondere weist er eine komplizierte Form auf. Weiterhin ist die mechanische Festigkeit sehr gut, so kann zum Beispiel an den Buchsen gemäß Fig. 1b Ausdruckkräfte von mehr als 70 kN;gemessen werden. Auch die Belastbarkeit der Gewindegänge ist höher als 20 kN. Außerdem wird zur Ausbildung der Verbindungen zwischen den beiden Keramikteilen kein weiterer Werkstoff wie zum Beispiel Klebemittel, Gläser etc. benötigt. Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße keramische Verbundhohlkörper, welcher eine hohe mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen soll, im wesentlichen aus oxidischen Materialien.
In Abhängigkeit vom Verwendungszweck am fertigen Verbundkörper können diese -aber auch aus- verschiedenen keramischen Werkstoffen gebildet seinS so zum Beispiel beim speziellen FadenführerS bei dem das Verschleißteil aus Aluminiumoxid gefertigt ist und aus einem Wächterteil, das aus Piezokeramik besteht. Wie bereits erwähnt, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Keramik-Verbundhohlkörpers zuerst erforderlich, die Einzelteile zu formen, wie strang- oder isostatisch zu pressen. Formkörper mit relativ komplizierter Form werden dagegen nach dem Spritzgießverfahren hergestellt und eventuell mit spanabhebender Nachbearbeitung behandelt. Das keramische Innenteil 1 wird dabei einer Vorsinterung unterworfen und anschließend der Außendurchmesser mit enger Toleranz geschliffen.
Auf jedem Fall wird angestrebt, daß der vorgesinterte Formkörper eine Dichte von mehr als 90 % der theoretischen Dichte aufweist.
Mit einer solch hohen Dichte kann das Innenteil 1 dem Druck standhalten, der sich dann beim Fertigsintern mit dem Außenteil 2 ergibts Das Innenteil 1 wird dann in das nichtgesinterte Außenteil 2 des kompakten Bauteils eingesetzt, wobei die Verbindungs-stelle 3 kein fremdes Material aufweist bzw. die beiden Teile in diesem Zustand noch leicht beweglich sind.und bei den entsprechenden Temperaturen zusammengesintert werden. Dabei ist zu beachten, daß die Innenbohrung 4 des Innenteils 1 so dimensioniert ist, daß die Verbindung beider Teile auf Preßpassung gebracht wird.
Durch diese Druckspannung erfolgt ein Zusammensintern der beiden Teile. Außerdem führt diese Druckspannung zu einer Steigerung der Festigkeit des Innenteils 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbund-Hohlkörpern aus Keramik bringt Vorteile, an dem die einzelnen Bestandteile sich gut miteinander verbinden,.selbst wenn das keramische Bauteil von erheblicher Größe ist. Sofern bei der Vorsinterung des Innenteils unerwünschte Fehler auftreten wie Risse, können diese Teile ausgesondert werden, ohne daß durch diese Fehler das spätere-Endprodukt unverkäuflich wird. Durch diese Maßnahme wird der Ausschuß erheblich vermindert. Da die Formgenauigkeit des Verbundkörpers in Zwischenstufen der Herstellung jeweils überprüft werden kann, weist das Endprodukt eine hohe Formgenauigkeit auf. Nachfolgend wird der erfindungsgemäße keramische Verbundhohlkörper nach dem beschriebenen Verfahren in bezug auf Beispiele näher beschrieben: Beispiel 1 In Fig. 2 ist eine Hüftgelenkkugel aus Aluminiumoxid abgebildet, die eine Buchse mit Innengewinde beinhaltet. Die Wandstärke der Buchse zum Durchmesser der Kugel verhält u sich wie 1 :. 3.bis 1 : 5.
Als Ausgangsmaterial wurde 99,7 ziege Al203 genommen. Das Innenteil wurde bei 1550 C vorgebrannt. Das Zusammensintern des Innen- und Außenteils erfolgte dann bei 1650 00. Eine Untersuchung der Körper hat ergeben, daß sie eine einheitliche Dichte aufweisen und daß die Verbundfläche nicht mehr zu erkennen ist.
Beispiel 2 In Fig. 3 ist ein Eochfrequenzstützer abgebildet, in welchem an beiden Enden eine Gewindebuchse eingesintert wurde. Solche komplizierten Formstücke sind aus einem Stück fast nicht mehr herstellbar, zumal wenn man Gewinde mit hoher Präzision erhalten will.
Beispiel 3 Aus Fig. 4 geht eine keramische Verschließplatte hervor, die entsprechende Buchsen aufweist, um eine metallische Verschraubung auf zunehmen.
Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p r ü. c h e 1' Zusammengesetzter Keramik-Verbundhohlkorper aus vorgefertigten keramischen Formteilen, die durch einen Sintervorgang dauerhaft miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (3) zum Innen- (i) und Außenteil (2) kein fremdes Material aufweist und das Innenteil (i) ohne zusätzliche Hilfsmittel unter Druckspannung steht.
2. Keramik-Verbundhohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte, dünnwandige Innenteil (1) eine komplizier.te Ausnehmung aufweist und insbesondere zum Befestigen eines metallischen Anschlußteils geeignet ist0
3. Keramik-Verbundhohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen- (i) und das Außenteil (2) aus gleichem keramischen Material besteht.
4. Keramik-Verbundhohlkorper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen- (i) und das Außenteil (2) aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen besteht..
5. Verfahren zum Verbinden eines zusammengesetzten Keramik-Verbundhohlkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) aus keramischen Massen werden ein Innen- und ein Außenteil mit vorgegebener Gestalt geformt, b) der vorzugsweise zylindrische Innenteil wird vorgesintert, c) das vorgesinterte Innenteil wird an der Kontaktstelle zum späteren ungesinterten Außenteil geschliffen, d) das Innenteil und das Außenteil wird zusammengesetzt, e) die zusammengesetzten Keramikteile werden gesintert, um die beiden Teile einstückig und dauerhaft miteinander zu verbinden.
6. Verwendung eines zusammengesetzten Keramik-Verbundhohlkörpers nach den Ansprüchen 1 - 5 für Gelenkkugelnbei Endoprothesen.
7. Verwendung eines zusammengesetzten-Eeramik-Verbundhohlkörpers nach den Ansprüchen 1 - 5 für Pumpenkolben.
8. Verwendung eines zusammengesetzten Keramik-Verbundkörpers nach den Ansprüchen 1 - 5 für Fadenführer bzw. Fadenwächter.
9. Verwendung eines zusammengesetzten Eeramik-Verbundhohlkörpers nach den Ansprüchen 1 - 5 für Verschleißplatten mit Gewindeeinsätzen.