DE3507804C2

DE3507804C2 -

Info

Publication number: DE3507804C2
Application number: DE3507804A
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Kasugai Jp Matsuhisa; Shingo Kuwana Jp Sasaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1989-03-09
Also published as: DE3507804A1; JPS60195062A; US4713206A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung des Bindemittels aus durch Spritzguß geformten Körpern aus einem keramischen Material und einem wachsartigen Bindemittel mittels Erwärmen und die Verwendung dieser Körper.

Siliciumkeramik, wie Siliciumnitrid und Siliciumcarbid, Aluminiumoxidkeramik und Zirconiumoxidkeramik sind im Vergleich zu metallischen Materialien bei Hochtemperaturen beständig und unterliegen kaum einer oxidativen Korrosion oder einer Verformung im Laufe der Zeit, so daß sie vorteilhaft für hohen Temperaturen ausgesetzten Maschinenteilen eingesetzt werden.

Turbinenrotoren und ähnlich komplizierte Bauteile aus Keramik werden vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt. Da man jedoch beim Spritzgießen wachsartige Bindemittel verwenden muß, müssen diese anschließend entfernt werden. Dabei tritt leicht eine Rißbildung in dem Spritzgußformkörper, insbesondere bei dickwandigen Formkörpern ein. Man hat bereits eine Reihe von Verfahren entwickelt, um aus Spritzgußformkörpern aus Keramik das wachsartige Bindemittel ohne Ausbildung von Rissen zu entfernen.

Das bekannteste Verfahren besteht darin, daß man einen Formkörper nach der Spritzgußherstellung auf eine Grundplatte aus Aluminiumoxidkeramik stellt und langsam die Temperatur des Formkörpers in einem elektrischen Ofen erhöht, um dadurch allmählich das Bindemittel von dem Formkörper zu entfernen. Wenn man jedoch ein wachsartiges Bindemittel verwendet, treten dabei Risse am Boden des Formkörpers, der in Berührung mit der Grundplatte steht, auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Entfernung des Bindemittels aus durch Spritzguß geformten Körpern aus einem keramischen Material und einem wachsartigen Bindemittel zur Verfügung zu stellen, bei dem das Auftreten von Rissen während oder nach der Entfernung des Bindemittels vermieden wird und die Verwendung dieser Körper. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Verwendung gemäß Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Das Entfernen des Bindemittels wird nachfolgend als "Entparaffinieren" bezeichnet.

Eine Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.

Zu einem Keramikpulver aus beispielsweise Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid wird eine Sinterhilfe, wie Y₂O₃, MgO, CaO, ZrO₂, CeO₂, SrO, BeO, B oder C, gegeben und eine homogene Mischung hergestellt. Diese Mischung wird dann mit einem wachsartigen Bindemittel unter Erwärmen verknetet, unter Erhalt eines keramischen Ausgangsmaterials zum Spritzgießen. Anschließend wird das keramische Ausgangsmaterial unter Erhalt eines keramischen Formkörpers durch Spritzgießen verformt. Der spritzvergossene Formkörper wird auf eine poröse Keramik gestellt, die gemäß dem Boden des Formkörpers bearbeitet ist, und dann findet die Entparaffinierung statt, indem man in einem elektrischen Heißluftzirkulationsofen erwärmt, um die Bindemittel, die in dem Formkörper eingeschlossen sind, zu entfernen. Dabei hängen die Erwärmungsbedingungen von der Art und der Menge des verwendeten Bindemittels ab, aber im allgemeinen wird das Erwärmen unter solchen Bedingungen durchgeführt, daß man die Temperatur allmählich von Raumtemperatur erhöht und bei einer Temperatur hält, bei welcher das Wachs ausschwitzt oder in einem solchen Bereich, der bei 10°C unter bis 50°C über dem Schmelzpunkt des Wachses liegt, während einiger Stunden hält und weiterhin die Temperatursteigerung so vornimmt, daß sie nicht mehr als 100°C/h bis zu 500°C und günstigerweise nicht mehr als 10°C/h oberhalb 300°C beträgt.

Im allgemeinen weist Wachs eine sehr große Volumenausdehnung beim Übergang von der festen in die flüssige Phase auf und zeigt eine maximale Volumenveränderung bei einer Temperatur im Bereich von 10°C unterhalb des Schmelzpunktes. Deshalb findet beim Erwärmen eines Formkörpers, bei dem ein wachsartiges Bindemittel verwendet wurde, ein Ausschwitzphänomen statt, bei welchem das Wachs in der Nähe des Schmelzpunktes verflüssigt und von der Oberfläche des Formkörpers ausschwitzt. Das ausgeschwitzte Wachs bewegt sich längs der Oberfläche des Formkörpers und steht dann auf der Grundplatte, die unterhalb des Bodens des Formkörpers ist.

Da als Grundplatte eine poröse Keramik verwendet wird, kann das verflüssigte Wachs schnell in der Grundplatte adsorbiert werden, so daß man anschließend das Zersetzen und Verdampfen des Wachses leicht vornehmen kann.

Wie später noch erwähnt wird, ist in dem Fall, daß man eine Aluminiumoxidkeramik als Grundplatte verwendet, das unterhalb des Bodens des Formkörpers angesammelte Wachs nicht in der Lage, von der Grundplatte adsorbiert zu werden, so daß ein heftiger Abbau des Formkörpers an den mit dem Wachs in Berührung stehenden Teilen während des Zersetzens und Verdampfens des Wachses stattfindet, wodurch letztendlich dann die Rißbildung im Boden des Formkörpers eintritt.

Da man jedoch eine poröse Keramik verwendet, kann man alle solche Keramiken verwenden, die in der Lage sind, wirksam das ausgeschwitzte Wachs zu absorbieren.

Eine Honigwabenkeramik ist besonders wirksam, wenn man einen elektrischen Ofen vom Heißluftzirkulationstyp zum Entparaffinieren des Formkörpes anwendet. Indem man die offene Seite der Honigwabenkeramik mit dem Boden des Formkörpers in Berührung bringt, findet eine gleichmäßige Entparaffinierung des Formkörpers statt, weil die Heißluft durch Konvektion vom Boden des Formkörpers durch die Öffnungen der Honigwabe zirkuliert.

Es ist wichtig, daß die Oberfläche der Honigwabenkeramik, welche man mit dem Boden des Formkörpers in Berührung bringt, so bearbeitet ist, daß sie die Form des Bodens annimmt. Dabei muß man berücksichtigen, daß die Bearbeitung so erfolgt, daß die Volumenausdehnung des Wachses wie schon vorher erwähnt wurde, berücksichtigt ist.

Als zum Entparaffinieren des Formkörpers verwendeter Ofen kann man einen elektrischen Ofen vom Heißluftzirkulationstyp einsetzen. Das Entparaffinieren des Formkörpers ist beendet mit der Zersetzung und Verdampfung des wachsartigen Bindemittels nach dem Ausschwitzen. Wird deshalb Heißluft durch Konvektion an die Oberfläche des Formkörpers in dem Ofen zirkuliert, dann verläuft das Entparaffinieren sehr wirksam und es treten nur in geringem Maße Risse an den entparaffinierten Stellen auf.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt den Entparaffinierungszustand eines rechtwinkligen Formkörpers, der auf eine poröse Keramikplatte gestellt wurde;

Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Beispiels einer porösen Keramik zum Entparaffinieren von keramischen Turbinenrotor-Einheiten.

Beispiel 1

Zu 100 Gew.-Teilen SiC-Pulver, das sich hauptsächlich in der β-Phase befindet, mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 µm, wurden 3 Gew.-Teile B₄C und 2 Gew.-Teile C als Sinterhilfe gegeben, wobei man eine SiC-Mischung zum drucklosen Sintern erhielt. Diese Mischung wurde mit 15 Gew.-% Paraffinwachs und 2 Gew.-% Stearinsäure verknetet, unter Erhalt eines Ausgangsmaterials zum Spritzvergießen. Dieses keramische Ausgangsmaterial wurde dann zu vier rechteckigen Formkörpern 1, jeweils mit einer Größe von 25 mm Breite ×100 mm Länge ×25 mm Höhe, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, spritzvergossen. Dann wurden auf zwei Grundplatten 2 aus einer Honigwabenkeramik und zwei Grundplatten aus üblichem Aluminiumoxidkeramikmaterial die Formkörper 1 gestellt. Anschließend wurden diese Anordnungen in einen elektrischen Heißluftzirkulationsofen gestellt und dort auf 40 bis 75°C mit einer Rate von 10°C/h erwärmt und 5 Stunden bei 75°C gehalten. Das Innere des elektrischen Ofens wurde durch ein Schauloch nach 3 Stunden beobachtet, wobei man feststellte, daß das Ausschwitzen stattfand und das Wachs von der Oberfläche des Formkörpers 1 ausschwitzte. Nach 5 Stunden wurde eine Anordnung A, mit der Honigwabengrundplatte und eine Anordnung B, bei der eine übliche Aluminiumoxidgrundplatte verwendet wurde, aus dem elektrischen Ofen entnommen und die Oberflächen dieser Anordnungen wurden visuell untersucht. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß die fleckige Region, die etwa dem 2fachen der Grundfläche des Formkörpers entsprach, in der Honigwabengrundplatte vorlag, wie dies in Tabelle 1 gezeigt wird und daraus geht hervor, daß das ausgeschwitzte Wachs vollständig absorbiert wurde. Das "Entparaffinierungs"-Verhältnis des Formkörpers wurde, gemessen nach der folgenden Gleichung, mit 10% festgestellt:

worin A das Gewicht des Formkörpers vor dem Entparaffinieren, B das Gewicht des Formkörpers nach der Entfernung des Bindemittels und C die Menge des Bindemittels (%) bedeuten.

Dagegen wurde an einer Grundplatte aus üblichem Aluminiumoxid eine fleckige Region, die annähernd dem Boden des Formkörpers entsprach, festgestellt, wobei die Absorption des ausgeschwitzten Wachses nur gering war. Das "Entparaffinierungs"-Verhältnis betrug nur 1,5%.

Dann wurde die Anordnung auf 500°C mit einer Rate von 10°C/h erwärmt und 5 Stunden bei 500°C gehalten. Beim Untersuchen der Anordnungen A und B nach der Entfernung des Wachses wurde festgestellt, daß keinerlei Risse im Formkörper A vorlagen, bei dem eine Honigwabengrundplatte verwendet worden war, während Risse im Boden des Formkörpers B, bei dem eine übliche Aluminiumoxidgrundplatte verwendet worden war, auftraten. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Beispiel 2

Zu 100 Gew.-Teilen Si₃N₄-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm wurden 2 Gew.-Teile SrO, 3 Gew.-Teile MgO und 3 Gew.-Teile CeO₂ als Sinterhilfe gegeben, wobei man eine Si₃N₄-Mischung zum drucklosen Sintern erhielt. Diese Mischung wurde mit 5 Gew.-% EVA-Harz und 15 Gew.-% Polyethylenwachs unter Erwärmen verknetet, wobei man ein keramisches Ausgangsmaterial zum Spritzvergießen erhielt. Dieses keramische Ausgangsmaterial wurde in eine Form zur Herstellung einer Turbinenrotor-Einheit vom Radialtyp mit einem Maximaldurchmesser von 50 mm im Schaufelteil nach dem Sintern spritzvergossen, unter Erhalt eines Schaufelteils 3, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Dieser Schaufelanteil 3 wurde auf einer Honigwabenkeramik 2, die an ihrer Öffnungsseite so bearbeitet worden war, daß sie mit der Form des Bodens des Schaufelteils übereinstimmte, gestellt und das Ganze wurde dann in einen elektrischen Heißluftzirkulationsofen gestellt und der Schaufelteil wurde von 40 auf 100°C in einer Rate von 5°C/h erwärmt und dann 8 Stunden bei 100°C gehalten.

Anschließend wurde die Entparaffinierung durch Aufheizen auf 400°C in einer Rate von 10°C/h, wobei diese Temperatur 5 Stunden gehalten wurde, durchgeführt. Nach der Entparaffinierung wurden keine Risse im Schaufelteil 3 festgestellt.

Claims

1. Verfahren zur Entfernung des Bindemittels aus durch Spritzguß geformten Körpern aus einem keramischen Material und einem wachsartigen Bindemittel mittels Erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf eine poröse Keramik gestellt und dann erwärmt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Paraffinwachs oder ein mikrokristallines Wachs verwendet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als poröse Keramik eine Honigwabenkeramik eingesetzt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Honigwabenkeramik mit ihrer offenen Seite mit der Bodenseite des Formkörpers in Berührung gebracht wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Honigwabenkeramik eingesetzt wird, deren Oberfläche so bearbeitet ist, daß sie mit der Form der Bodenseite des Formkörpers übereinstimmt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen in einem elektrischen Heißluftzirkulationsofen vorgenommen und die Entfernung des wachsartigen Bindemittels in einem Temperaturbereich von 10°C unter bis 50°C über dem Schmelzpunkt des Wachses durchgeführt wird.

7. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 behandelten Formkörpers als Turbinenrotor-Einheit für einen Turbolader.