DE3232523A1

DE3232523A1 - Verfahren zur isostatischen heisspressbehandlung

Info

Publication number: DE3232523A1
Application number: DE19823232523
Authority: DE
Inventors: Takao Fujikawa; Junichi Kobe Miyanaga; Masato Miki Hyogo Moritoki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1981-09-01
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1983-04-21
Also published as: DE3232523C2; US4478626A; JPS6241282B2; JPS5839708A

Description

_ 6 Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein sogenanntes isostatisches Heißpreßverfahren (das im folgenden zur Vereinfachung als "HIP" bezeichnet wird), bei dem Metall- oder Keramikpulver-Preßlinge in einer Gasatmosphäre von hohem Druck und hoher Temperatur gesintert, verfestigt oder diffusionsgebunden werden·

. Die HIP-Behandlung, bei der ein Werkstück unter Anwendung eines Inertgases als Druckmedium bei hohen Temperaturen isostatisch gepreßt wird, hat ein besonderes Interesse in mehrfacher Hinsicht als ausgezeichnete Technologie erweckt, die für die Zwecke der Entfernung von Rest-Poren

¹^ in Sintercarbiden (cemented carbides) durch Quetschen angewendet werden kann zur Herstellung von Sintermaterialien mit hoher Dichte aus Metallpulver oder Keramikpulver oder Gemischen davon, oder zur Diffusionsbindung von Metallmaterialien. Für die HIP-Behandlung wurden verschiedene Empfehlungen gemacht, einschließlich einer Methode zur Anwendung eines sekundären Druckmediums (JA-OS Nr. 47-30508), eines Verfahrens unter Verwendung einer Metallkapsel komplizierter ,Form, eines Verfahrens unter Anwendung einer Glaskapsel (JA-Patentveröffentlichung Nr. 46-2731), eines Verfahrens zur Einbettung eines vorausgehend geformten Werkstücks in Glaspulver und dessen Pressen durch ein Hochdruckgas nach dem Schmelzen des Glases (JA-OS Nr. 55-89405) usw. Von diesen Empfehlungen ist das Verfahren der vorstehend genannten JA-OS 55-89405 den anderen Methoden überlegen, da es weder ein sekundäres Druckmedium noch eine spezielle. Kapsel oder ein gasdichtes Gehäuse zur Abdichtung bei der Arbeit benötigt.

Jedoch ist es bei der eben erwähnten Verfahrensweise erforderlich, an erster Stelle das HIP-System zu erhitzen, um das Glaspulver zu schmelzen, in das das vorausgehend geformte Werkstück eingebettet ist. Es ist jedoch bekannt, daß die Zeit, die zur Erhöhung der Temperatur auf ein

Niveau, bei dem die Glasteilchen erweichen und schmelzen, erforderlich ist, unter Druckbedingungen und unter atmosphärischem oder verringertem Druck stark variiert, wobei unter atmosphärischem Druck eine sehr lange Zeit erforderlieh ist. Beispielsweise ist bei Argongas unter Hochdruck von etwa 1000 bar (1000 kg/cm ), dessen Dichte um einige hundert Mal größer ist als die von Argon unter Atmosphärendruck, dessen Viskosität so niedrig wie 1,1 bis 3 . , derart, daß starke Konvektionen auftreten, wodurch die Geschwindigkeit der Konvektions-Wärmeübertragung auf einen großen Wert erhöht wird. Dementsprechend wird die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Ofen-Atmosphäre auf das Werkstück zu einem beträchtlichen Ausmaß verbessert. Wenn das Ofen-Atmosphärengas bei einem hohen Druck unter Erwärmen gehalten wird, so tritt jedoch das Problem auf, daß das Hochdruckgas in das geschmolzene Glas und das vorausgehend geformte Werkstück eingeschlossen wird, wodurch sich Poren oder Defektstrukturen in dem Endprodukt, das nach der HIP-Behandlung erhalten wird, bilden. Es folgt, daß das Glaspulver durch Erwärmen im Vakuum oder in einer Inertgas-Atmosphäre höchstens bei Atmosphärendruck geschmolzen werden muß. Daher wird eine längere Zeit erforderlich für Spülungs- und Gasersatz-Arbeitsgänge, zusätzlich zu der langen Erwärmungszeit auf Grund des Absinkens der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, wodurch die Arbeitswirksamkeit des relativ kostspieligen HIP-Systems verringert wird und schließlich die Produktionskosten erhöht werden. Auf Grund der größeren Produktionen in der letzten Zeit besteht ein Bedürfnis

gQ nach größeren HIP-Systemen, die eine längere Zeit für jeden HIP-Zyklus benötigen. Um dieses Problem zu überwinden, wurden verschiedene Mittel zur Erhöhung der Wirksamkeit des HIP-Systems empfohlen, einschließlich der Bereitstellung eines Kompressors für eine höhere

gc Wirksamkeit und Kapazität und der Verbesserung der Heizvorrichtung. Die Verbesserung des HIP-Systems selbst unterliegt Einschränkungen und führt zu hohen Kosten.

-β-ι Durch die vorliegende Erfindung sollen die vorstehend erwähnten verschiedenen Probleme der Systeme des Stands der Technik gelöst werden; und Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für die HIP-Behandlung unter Verwendung von geschmolzenem Glas als sekundäres Druckmedium, wodurch ein Werkstück von dem primären Druckmedium abgeschirmt wird, bei dem die Zeit des HIP-Zyklus beträchtlich verkürzt wird durch Anwendung spezieller Bestandteil-Einheiten, die in organischer We.ise kombiniert werden zur Durchführung spezieller Stufen, um die Betriebswirksamkeit und Leistungsfähigkeit des kostspieligen HIP-Systems zu verbessern.

Insbesondere wird gemäß einem Merkmal der Erfindung ein Verfahren zum isostatischen Heißpressen bereitgestellt, bei dem ein vorgeformtes Werkstück in geschmolzenes Glas eingetaucht wird und einer isostatischen Heißpreßbehand— lung unterzogen wird, wobei diese Methode umfaßt: das Einbetten des Werkstücks in Glaspulver, das in einen Schmelztiegel gefüllt ist; das Beschicken des Werkstücks in einen beweglichen Ofen mit einer Heizvorrichtung und einer Wärmeisolierstruktur; das Beschicken des Ofens in eine Atmosphären-Kammer; das Einstellen der Atmosphäre in der Kammer auf vorbestimmte Bedingungen und das Er-2g wärmen des Schmelztiegels durch die Heizvorrichtung zur Erweichung und zum Schmelzen des Glases in dem Schmelztiegel ; die Entnahme des Ofens aus der Kammer und das Einbringen in einen Hochdruckbehälter, wobei die hohe Temperatur in dem Ofen beibehalten wird; das Einführen

_ΟΛ eines Druckgasmediums in den Hochdruckbehälter, während . du

die Temperatur in dem Ofen angehoben wird, um das Werkstück in dem Schmelztiegel einem isostatischen Heißpressen zu unterziehen; und bei Beendigung der Behandlung die Entnahme des Ofens aus dem Hochdruckbehälter, wobei sich das Werkstück weiterhin in dem Ofen befindet.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zum isostatischen Heißpressen bereitgestellt, bei

dem ein vorgeformtes Werkstück, das in geschmolzenes Glas getaucht ist, einer isostatischen Heißpreßbehandlung unterzogen wird, wobei dieses Verfahren in wiederholten Arbeitszyklen besteht, die folgende Stufen umfassen; die Bereitstellung mehrerer beweglicher Öfen, wobei jeder eine Heizvorrichtung und eine Wärmeisolierstruktur aufweist, die Bereitstellung mehr als einer Atmosphären-Kammer und eines Hochdruckbehälters; das Einbetten des Werkstücks in in einen Schmelztiegel gefülltes Glaspulver; das Beschicken des Schmelztiegels in einen ersten Ofen; das Beschicken des ersten Ofens in eine Atmosphären-Kammer und das Einstellen der Atmosphäre der Atmosphären-Kammer auf vorbestimmte Bedingungen unter Erwärmen des Schmelztiegels in dem Ofen, um das Glas in dem Schmelz-IS tiegel zu erweichen und zu schmelzen; das Überführen des Ofens aus der Kammer in den Hochdruckbehälter, wobei der Ofen bei einer hohen Temperatur gehalten wird; das Anlegen eines Druckgasmediums an den Hochdruckbehälter, wobei die Ofentemperatur angehoben wird, um das Werkstück in dem Schmelztiegel einer isostatischen Heißpreßbehandlung zu unterziehen; wobei, während der Durchführung der isostatischen Heißpreßbehandlung in die Atmosphären-Kammer ein zweiter Ofen eingeführt wird, der ein zweites Werkstück in gleicher Weise in Glaspulver in einem Schmeiztiegel eingebettet enthält, um das Glaspulver zu erweichen und zu schmelzen; die Entnahme des ersten Ofens aus dem Hochdruckbehälter bei Beendigung der isostatischen Heißpreßbehandlung; und das anschließende Beschicken des zweiten Ofens in den Hochdruckbehälter*

Die vorstehenden und andere Ziele bzw. Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen·

-ΙΟΙ In den beigefügten Zeichnungen stellt

die Fig. 1 eine schematischen senkrechten Schnitt

eines Ofens dar, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist; 5

die Fig, 2 und 3 sind schematische Schnitte des gleichen Ofens, aufgenommen in eine Atmosphären-Kammer bzw. einen Hochdruckbehälter; und

die Fig. 4 stellt eine schematische Veranschaulichung dar, die zur Erläuterung einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung dient.

Die Grün-Preßstücke oder ungebrannten Preßstücke bzw. geformten Werkstücke, die erfindungsgemäß verwendet werden können, liegen zweckmäßig in der Form von Formkörpern bzw. Preßlingen vor, die unter Anwendung von Keramikpulver oder feinem Metallpulver zu einer gewünschten Gestalt geform bzw. preßgeformt wurden. Derartige Formstücke können nach üblichen Verfahren erhalten werden, einschließlich Spritzen bzw. Spritzguß, Kautschukpressen, Strangpreßformen bzw. Extrusionsformen, Heißpressen, hydrostatisches Pressen und dergleichen, und sie weisen normalerweise eine relative Dichte von etwa 60 bis 95 %, bezogen auf die theoretische Dichte des betroffenen Materials auf. Falls ein Mittel zur Beibehaltung der Form, wie ein organisches Bindemittel, vor dem Vorformungsarbeitsgang zugesetzt wird,· ist es bevorzugt, dies vor der HIP-Behandlung durch eine Wärmebehandlung unter 1000 C zu entfernen, um dabei das Bindemittel zu zersetzen und zu verdampfen. In eini-

₃Q gen Fällen tritt die Notwendigkeit auf, die Gestalt und die Genauigkeit des vorgeformten Werkstücks einzustellen. Darüber hinaus ist es besonders günstig, auf die Oberflächen des vorgeformten Werkstücks ein Trennmittel aufzutragen, das beispielsweise aus Bornitrid besteht, um die

g₅ Entformung zu unterstützen und eine Ablagerung von geschmolzenem Glas in der folgenden Stufe zu verhindern.

Das Glaspulver, in welches das vorgeformte Werkstück eingegraben wird und das als ein zweites Druckmedium wirkt unter Bildung einer Gas-impermeablen Masse beim Schmelzen in der anschließenden Stufe, enthält vorzugsweise keine Komponente, die mit dem Material des Formstücks reagiert. Im allgemeinen können feine Pulver oder Körner von Pyrex-, Vycol-Glas V^ und Siliciumdioxidglas verwendet werden.

Der Schmelztiegel, der das Formstück und das Glaspulver in ausreichender Menge zur vollständigen Bedeckung des Werkstücks enthält, ist geeigneterweise aus einem wärme- und oxidationsbeständigen Material gebildet, wie Graphit, Bornitrid, Molybdän oder Siliciumcarbid und dergleichen, wovon ein Graphit-Schmelztiegel besonders vorteilhaft ist auf Grund seiner Wärmebeständigkeit imd Verfügbarkeit. Der Schmelztiegel weist vorzugsweise eine innen nach aufwärts gerichtet sich erweiternde Form auf, um die Entnahme des verfestigten Gases zu erleichtern, das an der In-

nenwandungsoberflache des Schmelztiegels nach der HIP-Behandlung verbleibt· Vorzugsweise wird ein Trennmittel, wie ein Pulver von Bornitrid, zumindest auf die Innenwandungsoberfläche des Schmelztiegels aufgetragen, um Schwierigkeiten bei der Entformung durch Benetzen mit Glas zu vermeiden.

Der Schmelztiegel, in dem das Formstück in Glaspulver eingebettet ist, wird in einen Ofen eingesetzt, der Heizvorrichtungen aufweist, wie eine elektrische Heizung, die im Inneren um seine Wärmeisolierungs-Umfangswandung eingearbeitet ist, und der durch übliche Übertragungseinrichtungen bewegbar ist. Ein Beispiel für einen Ofen, der für die Durchführung der Erfindung geeignet ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er)äutert.

Die Fig. 1 zeigt einen derartigen Heizofen im schematischen Längsschnitt, in dem der Ofen mit einem Heizelement, einer Heizplatte 2 in diesem speziellen Beispiel, auf einem unteren Pfropfen 1 versehen ist· Das Heizelement 2 befindet sich in dem Inneren einer Wärmeisolierstruktur 3 in elektrisch isoliertem Zustand. Energie wird an das Heizelement 2 durch eine Elektrode 4 zugeführt, die in dem unteren Pfropfenlin elektrisch und hermetisch isoliertem Zustand vorgesehen ist. Die Wärmeisolierstruktur, die eine Behandlungskammer 5 umschließt, schließt das Heizelement 2 ein und besteht aus umgekehrten gefäßartigen konzentrischen inneren und äußeren Hüllen 6 und 7 und einem faserförmigen Wärmeisolator 8, wie einer Keramikfaser, die dazwischen eingefüllt ist, und ist abnehmbarerweise an dem unteren Pfropfen 1 befestigt. Die obere Oberfläche des unteren Pfropfen 1 ist mit einem wärmeisolie— renden Material 9 bedeckt, und die Behandlungskammer 5 steht in Verbindung mit dem Äußeren durch eine Öffnung 10, die durch einen Teil der wärmeisolierenden Struktur 3 gebohrt ist. Darüber hinaus kann die Behandlungskamraer 5 eine Zufuhr von Atmosphärengas, wie einem Inertgas, durch die Leitung 12 aufnehmen, die durch einen EIN-AUS-Regler und durch eine Bohrung 13 in dem Wärmeisolierungsmaterial 9 gesteuert wird.

Bei dem Heizofen der vorstehenden Bauweise wird der Schmelztiegel auf den unteren Pfropfen 1 durch das Wärmeisoliermaterial 9 nach dem Öffnen der Behandlungskammer 5 durch Anheben der Wärmeisolierungsstruktur 3 von dem unte- »Q ren Pfropfen 1 aufgesetzt, und anschließend wird die Behandlungskammer 5 geschlossen durch Aufsetzen der Wärmeisolierstruktur 3 auf den unteren Pfropfen 1 zur Vorbereitung zur Beschickung in die Atmosphären-Kammer. Es muß nicht näher ausgeführt werden, daß mehrere Schmelztiegel _ in den Ofen eingesetzt werden können, je nach der Größe des Schmelistiegels und dem Passungsvermögen des Behandlungsraums 5, wodurch die Leistungsfähigkeit des Arbeitsgangs vergrößert wird.

In der nächsten Betriebsstufe wird der beschickte Heizofen in eine Atmosphären-Kammer eingebracht, und nach dem Einstellen der Atmosphäre der Kammer auf vorbestimmte Bedingungen werden der Schmelztiegel oder die Schmelztiegel in dem Ofen durch Energiezufuhr zu dem Heizelement 2 erhitzt,, um das Glaspulver in dem Schmelztiegel zu erweichen und zu schmelzen. Diese Stufe des Arbeitsgangs wird genauer unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben, die einen schematischen senkrechten Schnitt des Heizofens, beschickt in die Atmosphären-Kammer, zeigt. Die offenbödige zylindrische Atmosphären-Kammer 14 ist so bemessen, daß ihr unterer Teil hermetisch auf den unteren Pfropfen 1 des Ofens paßt, und steht in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe durch ihre obere Wandung und ein Abzugsrohr 15. Nach dem Verschließen der Atmosphären-Kammer 14 durch Einpassen und Befestigen des unteren Pfropfens 1 in den Bodenteil der Atmosphären-Kammer 14, wie in der Figur gezeigt, wird ihr Inneres durch Absaugen durch das Abgasrohr 15 gespült oder wird gleichzeitig damit ein Inertgas, wie Stickstoffgas, Argongas, Heliumgas oder dergleichen, das durch die Leitung 12 gespeist wird, ersetzt. Wenn der Regler bzw. das Ventil 11 zum Zeitpunkt des Saugspülens geschlossen wird, so kann das Innere des Behandlungsraums 5 auch durch ein Vakuum durch die Öffnung 10 ersetzt werden. Anschließend wird das Ventil 11 geöffnet, worauf Atmosphärengas durch die Leitung 12 beschickt wird und in den Behandlungsraum 5 und die Kammer 14 gefüllt wird. Wenn das Saugspülen wieder aufgenommen, so wird das Atmosphärengas, das durch die

QQ Leitung 12 eingespeist wird, durch das Abgasrohr 15 durch die Bohrung 13, den Behandlungsraum 5, die Öffnung 10 und den Raum zwischen der Atmosphären-Kammer 14 und dem Heizofen entleert, so daß der Schmelztiegel dem Atmosphärengas ausgesetzt werden kann, das unter einem vorbestimmten

gg Druck strömt durch geeignete Einstellung der Mengen von atmosphärischem Beschickungs- und Abgas. Auf jeden Fall ist es bevorzugt, wenn der Druck in der AttnoGphären-Kanimer 14 im wesentlichen niedriger als der Atmosphärendruck

ist, um das Werkstück daran zu hindern, eine große Gasmenge zu absorbieren. Während der Einstellung der Atmosphären-Kammer 14 auf vorbestimmte Bedingungen, wie vorstehend erwähnt, wird dem Heizelement 2 Energie zugeführt, um den Schmelztiegel 16 zu erwärmen und das Glaspulver in dem Schmelztiegel zu erweichen und zu schmelzen. In diesem Zusammenhang ist es günstig, eine hohe Schmelztemperatur anzuwenden, so daß das geschmolzene Glas eine Viskosität aufweist, die niedrig genug ist, die gesamten Oberflächen selbst eines Werkstücks komplizierter Form zu bedecken. Beispielsweise ist es bevorzugt, eine Temperatur von mindestens.1000 C für Pyrex-GlasK^ und eine Temperatur von mindestens 1500°C für Siliciumdioxidglas zu verwenden, je nach seiner Reinheit und Zusammensetzung.

Da ein Vakuum oder ein Inertgas in dem Behandlungsraum aufrechterhalten wird, wird der Schmelztiegel im wesentlichen frei von Zersetzung oder Brüchigkeit durch Oxidationsreaktionen sein.

Wenn das Werkstück völlig mit dem geschmolzenen Glas bedeckt und von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt ist, wird ein geeignetes Inertgas beschickt, um die Atmosphäre zu ersetzen, falls es sich um ein Vakuum handelt. Anschließend wird der untere Pfropfen 1 von der Atmosphären-

2g Kammer 14 losgelöst, und der Heizofen, der den Schmelztiegel 16 enthält, wird aus der Atmosphären-Kammer 14 entnommen und so, wie er ist, in den Hochdruckbehälter zur HIP-Behandlung gesandt. Im folgenden wird auf die Fig. 3 Bezug genommen, die diese Arbeitsstufe im schema-

„₀ tischen senkrechten Schnitt zeigt, wobei der Heizofen sich in der Hochdruckkammer befindet.

In der Fig. 3 besteht der Hochdruckbehälter aus einem druckbeständigen Zylinder 18 und einem oberen Pfropfen 19, der das obere Ende des Zylinders hermetisch abschließt.

OJ ■

Der untere Pfropfen 1 des Ofens kann hermetisch in das untere Endteil des Zylinders 18 unter Bildung einer Hochdruckkammer 20 darin eingesetzt werden. Durch den oberen

Pfropfen 19 ist eine Leitung 21 für die Zufuhr und die Entnahme des gasförmigen Druckmediums gebohrt. Darüber hinaus werden in dem speziell dargestellten Beispiel die oberen und unteren Pfropfen 19 und 1 in angepaßter Lage durch Druckmechanismen 22 und 22' gehalten, um ihre Loslösung während des Betriebs zu verhindern.

Bei der vorstehenden Anordnung wird der Ofen, der in seinem Inneren bei erhöhter Temperatur gehalten wird, in dem Hochdruckbehälter fixiert durch hermetisches Einpassen des unteren Pfropfens 1 des Ofens in das untere Endteil des druckbeständigen Zylinders 18. Anschließend wird das Ventil 11 geschlossen, und gasförmiges Druckmedium wird in die Hochdruckkammer 20 durch die Leitung 21 eingeführt, wobei kontinuierlich die Ofentemperatur durch Energiezufuhr zu dem Heizelement 2 erhöht wird, um die HIP-Behandlung durchzuführen. In diesem Falle wird der Druck angelegt unter Verwendung eines Inertgases, wie Stickstoffgas, Argongas oder Heliumgas, von mindestens etwa 500 bar (500 atms) als primäres Druckmedium, und die Temperatur wird in einem Bereich gewählt, der hoch genug ist, um eine plastischen Fluß des Werkstücks zu induzieren. Während der HIP-Behandlung bedeckt das geschmolzene Glas das Werkstück vollständig und dient da- her als eine Kapsel, die das Werkstück von dem primären Druckmedium abschirmt, und gleichzeitig wirkt es als sekundäres Druckmedium, ohne in das Werkstück einzudringen oder es zu imprägnieren, unter Bildung eines feinen Sintermaterials oder von Leerstellen-freien Formkörpern von fast theoretischer Dichte. Nach Beendigung der HIP-Behandlung wird das gasförmige Druckmedium durch das Abgasrohr 21 entleert, um Normaldruck in dem Ofen wieder herzustellen, und die Druckmechnismen 22 und 22' werden zurückgezogen, um den unteren Pfropfen 1 von dem

gg druckbeständigen Zylinder 18 loszulösen, wobei dieser aus dem Hochdruckbehälter zusammen mit dem Ofen entnommen wird. Wenn die Temperatur in dem Behandlungsraum 5 noch bei einem Niveau liegt, bei dem eine oxidative Ver-

3232523 -αεί brennung der Innenheizvorrichtung und des Schmelztiegels an der Atmosphäre auftritt, so wird der Ofen, so wie er ist, oder in einem Atmosphärengas abgekühlt, und anschließend werden die Masse von verfestigtem Glas und das Sinter-Werkstück hoher Dichte unter Atmosphärendruck gekühlt. Der Hauptanteil des Glases wird in einem A'tmosphärenofen abgeschmolzen, und das Glas, das noch an der Oberfläche des gesinterten Produkts verbleibt, wird durch Sandstrahlen oder andere geeignete Einrichtungen entfernt. Falls der Schmelztiegel mit einem Trennmittel an den sich nach oben erweiternden Innenwandungsoberflächen versehen wurde, kann das verfestigte Glas aus dem Schmelztiegel in erleichterter Weise abgetrennt werden.

Eine bevorzugte Verfahrensweise zur Abtrennung des Glases von dem Werkstück besteht in seiner Entfernung, während es sich noch im geschmolzenen Zustand befindet. Zu diesem Zweck kann man Einrichtungen verwenden zur Schrägstellung des Schmelztiegels, um das geschmolzene Glas auszugießen, oder Einrichtungen, die das Sinterwerkstück anheben. Die bevorzugteste Methode zur Abtrennung ist die Bereitstellung eines Trägersmit Öffnungen am Boden des Schmelztiegels, wie eines Gitters, Rostes, Drahtnetzes oder dergleichen, um das Werkstück darauf zu stützen. Nach der Durchführung der HIP-Behandlung an dem Werkstück, das völlig in das geschmolzene Glas eingetaucht ist, wird der Träger aus dem Schmelztiegel zusammen mit dem Werkstück angehoben, so daß der Hauptanteil des .geschmolzenen Glases abfließt.

go Das Glas, das auf diese Weise abgetrennt und gesammelt wurde, wird zu einem Pulver gebrochen und erneut für den erfindungsgemäßen Arbeitsgang verwendet. Es ist zwar relativ leicht, das Glas aus einem Werkstück zu entfernen, das vorher an seiner Oberfläche mit einem Trennmittel.ver-

gg sehen wurde, jedoch besteht die Möglichkeit, daß Glas in filmartiger Form an der Oberfläche des Werkstücks verbleibt, wo das Trennmittel entfernt wurde, wenn die Oberflächen des Glases und des Werkstücks aus Keramik oder dergleichen

benetzt werden, oder wenn eine Reaktion zwischen dem Glas und der Oberfläche des Werkstücks erfolgte. Derartiges Glas kann auf mechanische Weise entfernt werden, wie durch Sandstrahlen, oder durch eine chemische Behandlung mit Fluorwasserstoffsäure.

In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird ein beweglicher Ofen zuerst mit einer Atmosphären-Kammer zur Erweichung und zum Schmelzen des Glases kombiniert und anschließend mit einem Hochdruckbehälter für die HIP—Behandlung. Daher wird es möglich, die Zeit zum Betrieb des HlP-Systems, nämlich die Zeit des HIP-Zyklus, in einem beträchtlichen Ausmaß im Vergleich mit üblichen Verfahren zu verkürzen, bei denen HIP-Systerne sowohl für den Glasschmelz-Betrieb als auch die HIP-Behandlung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann weiter rationalisiert werden durch Betrieb der einzelnen Stufen unter Verwendung mehrerer Heizöfen und mehr als einer Atmosphären-Kammer, die nach einem vorbestimmten Programm gesteuert werden, um die Wirksamkeit der HIP-Behandlung zu erhöhen.

Die Fig. 4 veranschaulicht schematisch ein System unter Einbeziehung des erfindungsgemäßen Konzepts für eine derartige rationalisierte Arbeitsweise, bei dem ein Wagen 24 an und längs einer Schiene 23 beweglich ausgebildet ist und auf einer hängenden anhebbaren Trägerplatte 25 einen Heizofen trägt, der von der gleichen Bauweise wie in Fig. 1 dargestellt ist. Nacheinander

3Q über und längs der Schiene 23 sind mehrere Atmosphären-Kammern 14 und eine Hochdruckkammer 27 angeordnet. Die Atmosphären-Kammern 14, 14' und der Hochdruckbehälter 27 weisen die gleichen Bauweisen wie in den Fig. 2 und 3 auf. In dem gezeigten speziellen Beispiel sind drei Heizöfen

₃g vorgesehen einschließlich eines ersten (26) in nebenstehender Position zur Beschickung mit einem Schmelztiegel; des zweiten (26'), der in eine Atmosphären-Kammer 14 eingeführt ist, und des dritten (26"), der in den Hochdruck-

behälter 27 eingeführt ist, außerdem sind zwei Atmosphären-Kammern 14 und 14' und ein Hochdruckbehälter 27 vorgesehen. Der Druckmechanismus, der die oberen und unteren Pfropfen des Hochdruckbehälters 27 hält, ist an dem Wagen 28 befestigt und ist auf eine zurückgezogene Position durch Bewegung längs der Schiene 29 bewegbar.

Bei dieser System-Anordnung wird nach dem Beschicken des ersten Ofens 26 durch· einen Schmelztiegel, der ein Formstück in Glaspulver enthält, in der vorstehend beschriebenen Weise der Ofen 26 unmittelbar unter die Atmosphären-Kammer 14 geführt und in diese durch Anheben des Ofens durch einen Hebemechanismus eingeführt, bis der untere Pfropfen 1 hermetisch in den Boden der Atmosphären-Karnmer eingepaßt ist. In diesem Zustand werden das Konditionieren der Ofenatmosphäre und die Erhöhung der Temperatur in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben durchgeführt, um das Glaspulver zu erweichen und zu schmelzen.

In der Zwischenzeit wird eine HIP-Behandlung in dem Hochdruckbehälter 27 vollendet, und im wesentlichen zur gleichen Zeit gelangt der zweite Ofen 26· in der Atmosphären-Kammer 14' zum Ende des Glasschmelzvorgangs. Daher werden die Öfen 26" und 26' durch Betrieb des Wagens 24 ausgeladen. Unmittelbar anschließend nach dem Ausladen des dritten Heizofens 26" wird der zweite Heizofen 26' in die Hochdruckkammer 27 eingeführt, um den nächsten Zyklus der HIP-Behandlung einzuleiten. Der Schmelztiegel in dem dritten Ofen 26" wird durch einen frischen Schmelztiegel

QQ ersetzt, der dem Glasschmelzvorgang in der Atmosphären-Kammer 14· zugeleitet wird.

Bei der Durchführung einer Reihe der vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge kann der Zyklus der HIP-Begc handlung in den kürzesten Zeitintervallen durchgeführt werden durch Bestimmung der Arbeitsbedingungen derart, daß die Zeit der HTP-behandlung etwa die halbe Zeit der Schmolzbehandlung in den Atmosphären-Kammern ist, und

durch Durchführung der Heizung, Beschickung, Entladung und der Übertragung der Öfen nach einem zweckmäßigen Programm.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Verfahrensweise im Vergleich mit der üblichen Methode rationalisiert werden kann, bei der ein Werkstück, das in festes Glaspulver eingebettet ist, in einem HIP-System während eines langen Zeitraums unter Niederdruck erhitzt wird, vor dem Aufpressen von Stickstoffgas, Argongas oder Heliumgas, wodurch der HIP-Ofen während einer langen Zeit für die Niederdruckheizbehandlung besetzt wird, obwohl er eigentlich für eine Hochdruckbehandlung ausgestattet ist. Im Gegensatz hierzu

IQ wird bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise unter Verwendung eines beweglichen Heizofens oder beweglicher Heizöfen die Niederdruckheizung getrennt in einer Atmosphären-Kammer durchgeführt, und die Zeit, während der der HIP-Ofen durch jedes Werkstück besetzt ist, wird beträchtlich verkürzt. Der Heizofen erhöhter Temperatur kann in den Druckvorgang unmittelbar nach der Beschickung in den Hochdruckbehälter einbezogen werden, wodurch es nicht notwendig wird, den Hochdruckbehälter nach jeder HIP-Behandlung abzukühlen. So wird durch die Erfindung die Zeit des. HIP-Zyklus verkürzt und die Betriebswirksamkeit beträchtlich verbessert.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Siliciumnitridpulver von 1,5 pm durchschnittlicher Teilchengröße wurde durch eine hydrostatische Presse unter einem Druck von etwa 3000 bar (3000 kgf/cm ) unter Erzielung von Grün-Preßlingen von 60 % relativer Dichte geformt. Dann wurde Bornitridpulver auf die Oberfläche des Formstücks aufgebracht, das Werkstück wurde in einen Graphit-Schmelztiegel eingebracht, der mit Bornitridpulver über-

zogen war und Innenwandungsoberflächen aufwies, die sich aufwärts erweiterten. Das Werkstück in dem Schmelztiegel wurde in ein Pulver von Pyrex-Glas v-' der folgenden Zusammensetzung eingebettet.

SiO₂ 80,75 Gew.-%

B₃O₃ 12,00 Gew.-%

Na₂O 4,10 Gew.-%

K₂O 0,10 Gew.-%

_ CaO 0,30 Gew.-%

Al₂O₃ 2,20 Gew.-%

AS₂O₃ 0,40 Gew.-%

Der eingeführte Schmelztiegel wurde in einen Heizofen,

,_ wie in der Fig. 1 gezeigt, und anschließend in eine Atmo-15

sphären-Kammer, wie in der Fig. 2 gezeigt, eingebracht.

Nachdem die Atmosphären-Kammer auf ein Vakuum gespült war, wurde Stickstoffgas von im wesentlichen Atmosphärendruck eingeführt, während das Heizelement unter Energie gesetzt

wurde, um die Temperatur in etwa 6 Stunden auf 1200°C an-20

zuheben, und diese Temperatur wurde 30 Minuten beibehalten.

Anschließend wurde der Heizofen in einen Hochdruckbehälter, wie in der Fig. 3 gezeigt, eingesetzt, und es wurde ein Argongasdruck angelegt, wodurch der Druck bei 1800 C auf

etwa 1000 bar (1000 kgf/cm ) angehoben wurde. Der Ofen 25

wurde 1 Stunde in diesem Zustand gehalten, worauf der Druck abgelassen und der Heizofen entnommen wurden, an dem Punkt, wenn die Ofentemperatur auf 1200 C abgesunken war. Die

HIP-Behandlung erforderte 3,5 Stunden, und das resultierende Si-N.-Sintermaterial wies eine relative Dichte von 99 %, nahe seiner theoretischen Dichte, auf. In diesem speziellen Beispiel war es möglich, ein Si^N.-Sintermaterial hoher Qualität in einem Zyklus von 3,5 Stunden zu erhalten unter Verwendung von zwei Atmosphären-Kammern und drei Heizöfen für einen einzigen Hochdruckbehälter.

Leerseite

Claims

Case Sho 56-138013

KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO, Kobe/Japan

Verfahren zur isostatischen Heißpreßbehandlung 10

Patent an sprüche

Γ1.)Verfahren zum isostatischen Heißpressen, bei dem ein Formstück in geschmolzenes Glas eingetaucht und einer isostatischen Heißpreßbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man:

das Formstück in Glaspulver, das in einen Schmelztiegel gefüllt ist, einbettet;

den Schmelztiegel in einen beweglichen Heizofen mit einer Heizvorrichtung und einer Wärmeisolierstruktur beschickt;

den Ofen in eine Atmosphären-Kammer beschickt;

die Atmosphäre in der Kammer auf vorbestimmte Bedingungen einstellt und den Schmelztiegel durch die Heizvorrichtung zur Erweichung und zum.Schmelzen des Glases in dem Schmelztiegel erhitzt;

den Ofen aus der Atmosphären-Katr.mer in einen Hochdruckbehälter einführt, wobei eine hohe Temperatur in dem Ofen aufrechterhalten bleibt;

ein Druckgasmedium in den Hochdruckbehälter einführt, _gt- wobei die Temperatur des Ofens angehoben wird, um das Formstück in dem Schmelztiegel einer isostatischen Heißpreßbehandlung zu unterziehen; und

nach Beendigung der isostatischen Heißpreßbehandlung den Ofen aus dem Hochdruckbehälter entnimmt, wobei sich das Formstück weiterhin darin beschickt befindet.
2. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück ein Grün-Preßling bzw. ungebrannter Preßling aus Keramikpulver ist.
3. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück ein Grün-Preßling bzw. ungebrannter Preßling aus Metallpulver ist.
4. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenbzeichnet, daß der Schmelztiegel aus Graphit besteht und eine sich nach oben erweiternde Innenform aufweist.
5. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück an seinen Oberflächen vor dem Beschik-. ken in den Schmelztiegel mit einem Trennmittel versehen wird, um die Adhäsion des geschmolzenen Glases zu verhindern.
6. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel mit einem Trennmittel an seinen

QQ Innenoberflächen überzogen wird, um die Adhäsion des geschmolzenen Glases zu verhindern.
7. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

op- das Trennmittel bzw. Entformungsmittel Bornitridpulver ist.
8. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schmelztiegel in einen einzigen Heizofen beschickt werden«

.
9. Verfahren zum isostatischen Heißpressen, bei dem ein Formstück in geschmolzenes Glas getaucht wird und einer isostatischen Heißpreßbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen- wiederholten Arbeitszyklus folgender Stufen aufweist:

Bereitstellung mehrerer beweglicher Heizöfen, die jeweils mit einer Heizvorrichtung und einer Wärmeisolierstruktur versehen sind, von mehr als einer Atmpshären-Kammer und einem Hochdruckbehälter;

Einbetten des Werkstücks in Glaspulver, das in einen Schmelztiegel gefüllt ist;

Beschicken des Schmelztiegels in einen ersten Ofen;

Beschicken des ersten Ofens in eine Atmosphären-Kammer und Einstellen der Atmosphäre dieser Kammer auf vorbestimmte Bedingungen, während der Schmelztiegel in dem Ofen durch die Heizvorrichtung erhitzt wird, um das Glas in dem Schmelztiegel zu erweichen ²^ und zu schmelzen;

Überführen des ersten Ofens aus der Atmosphären-Kammer in den Hochdruckbehälter, während der Ofen bei einer hohen Temperatur gehalten wird;

Einführen von Druckgasmedium in den Hochdruckbehälter, während die Ofentemperatur angehoben wird, um das Werkstück in dem Schmelztiegel einer isostatischen Heißpreßbehandlung zu unterziehen;

Senden eines zweiten Heizofens mit einem zweiten Werkstück, das in gleicher Weise in Glaspulver in einem Schmelztiegel eingebettet ist, in die Atmosphären-Kammer, um das Glaspulver zu erweichen und zu schmelzen, während der vorstehenden Durchführung

der isostatischen Heißpreßbehandlung;

Entnahme des ersten Heizofens aus dem Hochdruckbehälter nach Beendigung der isostatischen Heißbehandlung; und
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aufeinanderfolgende Beschickung des zweiten Ofens in den Hochdruckbehälter.
10. Verfahren zum isostatischen Heißpressen.nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück ein geschmolzenes Keramikmaterial ist.
11. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Werkstück ein Grün-Preßling bzw. ungebrann-

ter Preßling aus Metallpulver ist.
12. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel aus Graphit besteht und eine nach aufwärts sich erweiternde Innenform aufweist.
13. Verfahren zum isostätischen Heißpressen nach einem Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das

Werkstück mit einem Trennmittel versehen wird, be-25

vor es in den Schmelztiegel beschickt wird, um die Adhäsion von geschmolzenem Glas zu verhindern.
14. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem

der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

der Schmelztiegel an seinen Innenoberflächen mit einem Trennmittel beschichtet wird, um die Adhäsion von geschmolzenem Glas zu verhindern.
15. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach An-Spruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel Bornitridpulver ist.

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16. Verfahren zum isostatischen Heißpressen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schmelztiegel gleichzeitig in einen einzigen Heizofen beschickt werden.