DE3620178C2

DE3620178C2 -

Info

Publication number: DE3620178C2
Application number: DE3620178A
Authority: DE
Inventors: Masashi Kariya Aichi Jp Fujimoto; Yoshihisa Toyoda Aichi Jp Kato
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1986-06-14
Publication date: 1990-10-04
Also published as: JPS6237683A; DE3620178A1; US4693918A; FR2586093B1; FR2586093A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung, insbesondere ein Werkzeug, zum Brennen von Keramik. Sie kann als Setzer, Ofenstütze, Tiegel u. dgl. ausgebildet sein, wie sie für einen Brennofen verwendet werden.

Herkömmlicherweise werden eine Vielzahl von Werkzeugen und Hilfsvorrichtungen in einem keramischen Brennofen verwendet, wie vollkommen aus feuerfesten Stoffen geformte Werkzeuge oder leichtgewichtige Werkzeuge. Die vollkommen aus feuer festen Stoffen geformten Hilfsvorrichtungen werden durch Formung feuerfester Stoffe, wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder Zirkonoxid und Brennen des geformten feuerfesten Stoffes hergestellt.

Die Hilfsvorrichtung hat eine hohe Dichte von 2,0 bis 4,09/cm³, so daß die Wärmekapazität hoch ist und sich der Heizwirkungsgrad des Brennofens verschlechtert. Auf der anderen Seite wird eine leichte Vorrichtung vorgeschlagen, um das Gewicht der Vorrichtung zu verringern, wie dies in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 59-88 378 beschrieben ist.

Die leichte Hilfsvorrichtung aus hitzebeständiger und keramischer Faser hat eine geringe Dichte von weniger als 1,0. Jedoch hat die leichte Vorrichtung den Nachteil, daß sie heiße Luft schlecht durchläßt, weil die Porosität nur 40% bis 50% beträgt und der Porendurchmesser kleiner als 100 µm ist.

Ein Keramikschaum ist bekannt, der durch bloßes Imprägnieren eines weichen Urethanschaumes mit einem keramischen Schlamm und Brennen hergestellt werden kann, wie dies in den japani schen Patentveröffentlichungen 57-21 507 und 51-27 448 und in dem US-Patent 30 90 094 beschrieben ist. Jedoch hat der herkömmliche Keramikschaum schwache Festigkeits eigenschaften, wie eine Biegefestigkeit von 5 kg/cm² oder weniger und eine Druckfestigkeit von 10 bis 30 kg/cm², so daß der herkömmliche Keramikschaum für eine Hilfsvorrichtung zum Brennen von Keramik, welche eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit verlangt, nicht verwendet werden kann. In der nicht vorveröffentlichten DE- 35 40 450 A1 ist ein ähnlicher Keramikschaum beschrieben, der Keramikstränge aus mehreren Keramikschichten aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Hilfsvorrichtung zum Brennen von Keramik zu schaffen, die den Heizwirkungsgrad verbessert und eine geringe Dichte hat, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Hilfsvorrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß ist die Hilfsvorrichtung zum Brennen von Keramik gekennzeichnet durch einen keramischen Schaumkörper aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zirkonoxid oder Aluminiumoxid-Zirkonoxid, mit einer dreidimensional vernetzten Struktur aus vielen miteinander verbundenen keramischen Strängen, und einer keramischen Fassungsschicht, auf mindestens einem Teil der Oberfläche des keramischen Schaumkörpers. Das Verfahren zur Herstellung der Hilfsvorrichtung ist gekennzeichnet durch die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale und Maßnahmen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1A, 1B, 1C, 1D und 1E, im Querschnitt dargestellt, eine Folge von Schritten einer Methode zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Keramikschaumes und insbeson dere einen Strang davon.

Fig. 2, 3, 4 und 5, im Querschnitt dargestellt, Beispiele von erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtungen zum Brennen von Keramik.

Eine Methode zur Herstellung eines Keramikschaumes, insbe sondere bezüglich der Fig. 1A bis 1E, wird wie folgt ausge führt:

Zuerst wird ein keramischer Brei vorbereitet. Ein Ausgangs material setzt sich zusammen aus kleinen Teilchen, deren Größe ungefähr 0,1 bis 44 µm beträgt. Das keramische Aus gangsmaterial wird mit Wasser und einem schnell trocknenden Bindemittel, wie PVA durch eine Kugelmühle vermischt, um einen keramischen Schlamm oder Brei zu erhalten, mit einer Viskosität von ungefähr 2 bis 15 Poise.

Es wird außerdem ein Ausgangsschaum von festgelegter Form vorbereitet. Ein weicher Urethanschaum ist geeignet, der eine dreidimensional vernetzte (offenporige) Urethanstruktur besitzt, zusammengesetzt aus vielen miteinander verbundenen Strängen. Fig. 1A zeigt einen Querschnitt eines Stranges 1 davon.

Wie Fig. 1B zeigt, wird eine erste keramische Schicht 2 auf dem Urethan-Strang 1 gebildet durch Imprägnieren oder Begie ßen des Urethanschaumes um den Strang 1 des Urethanschaumes mit dem Brei zu überziehen.

Überschüssiger Brei wird entfernt. Der imprägnierte Schaum wird bei einer Temperatur von 50° bis 100°C getrocknet, die zum Härten ausreicht.

Dann, wie in Fig. 1C dargestellt, wird eine zweite kerami sche Schicht 3 auf der ersten keramischen Schicht 2 gebildet durch Imprägnierung des Schaumes und Überziehen der ersten Schicht 2 mit dem Brei. Gleichzeitig wird auch überschüssi ger Brei entfernt. Der Schaum wird wieder getrocknet bis zur Härtung wie im Falle der ersten Schicht 2.

Zusätzlich, wie in Fig. 1D dargestellt, wird eine dritte Schicht 4 auf der zweiten Schicht 3 durch Imprägnieren des Schaumes gebildet, um die zweite Schicht 3 mit dem Brei zu überziehen. Überschüssiger Brei wird entfernt. Der Schaum wird bis zur Härtung getrocknet, auf dieselbe Art wie die zweite Schicht 3.

Schließlich werden die Stränge 5, bestehend aus dem anfäng lichen Urethanschaum 1 und den keramischen Schichten 2, 3 und 4 darauf bei einer hohen Temperatur von ca. 1500°C und höher gebrannt. Als Ergebnis bilden die keramischen Schich ten 2, 3 und 4 eine porzellankeramische Verbundschicht in Form eines keramischen Stranges 5, wie in Fig. 1E darge stellt. Viele solcher keramischer Stränge 5 sind miteinander verbunden, um eine dreidimensional vernetzte keramische Struktur zu bilden, mit der Struktur des Ausgangsschaumes. Gleichzeitig verschwindet der Urethan-Strang 1 beim Brennen, um dadurch eine Öffnung 6 in einem zentralen Teil eines je den Stranges 5 zu hinterlassen.

Der entstandene keramische Schaum hat eine Dichte von ca. 0,4 bis 2,0 (wobei die Dichte-Angaben jeweils g/cm³ sind), eine Druckfestigkeit von ca. 50 bis 100 kg/cm² und eine Biegefestigkeit von ca. 10 bis 35 kg/cm². Das Leer raumverhältnis beträgt ca. 80 bis 90% und die Porengröße ca. 0,5 bis 4 mm (Porendurchmesser).

Nach der Erfindung kann die Gesamtdichte des keramischen Schaumes so festgelegt werden, daß sie einen Wert zwischen ca. 0,4 und 2,0 annimmt durch Einstellen der Dicke der kera mischen Verbundschicht des Stranges 5. Wenn die Dichte des keramischen Schaumes weniger als ca. 0,4 beträgt, besitzt der keramische Schaum keine genügende Festigkeit mehr, so daß er manchmal vor oder während dem Gebrauch brechen kann. Wenn die Dichte mehr als ca. 2,0 beträgt, so ist der Leer raumanteil zu stark verringert, so daß sich der Heizwir kungsgrad verschlechtert. Der keramische Schaum nach der Erfindung hat vorzugsweise eine Dichte von ca. 0,7 bis 1,5.

Der keramische Brei ist ein Schlamm aus keramischen Materia lien, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC), Zir konoxid (ZrO₂) und Aluminiumoxid-Zirkonoxid (Al₂O₃-ZrO₂), dispergiert in Wasser oder Alkohol, unter Verwendung eines organischen Bindemittels, wie Polyvinylalkohol (PVA) oder Phenolharz. Im Falle von Aluminiumoxid sollte die Teilchen größe vorzugsweise ca. 0,1 bis 10 µm betragen, und die durchschnittliche Teilchengröße sollte 1 bis 10 µm betragen. PVA wird bevorzugt als organisches Bindemittel verwendet. Im Falle von Siliciumcarbid sollte die Teilchengröße kleiner als ca. 44 µm sein, und die durchschnittliche Teilchengröße sollte ca. 1 bis 10 µm betragen. Methylcellulose wird hier als organisches Bindemittel bevorzugt verwendet. Weiterhin sollte das Brennen bei einer Temperatur von mindestens 2000°C in einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt werden. Im Falle von Zirkonoxid sollte die Teilchengröße bevorzugt kleiner als 44 µm sein, und die durchschnittliche Teilchen größe sollte ca. 1 bis 10 µm betragen. Auch ca. 3 Gew.-% von Magnesiumoxid werden bevorzugt als Stabilisator verwendet. Weiterhin sollte das Brennen bei einer Temperatur von minde stens 1500°C in einer oxidierenden Atmosphäre ausgeführt werden. Im Falle von Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid besteht die Zusammensetzung bevorzugt aus ca. 70 bis 95 Gew.-% an Alumi niumoxid und ca. 5 bis 30 Gew.-% an Zirkoniumoxid.

Nach der Erfindung kann die keramische Schicht des Stranges eine zweischichtige Struktur oder eine Struktur mit vier oder mehr Schichten besitzen. Wenn der keramische Schaum ausreichende Festigkeit besitzt, kann der Strang aus einer einzigen Schicht bestehen. Im Falle einer vielschichtigen Struktur kann der Strang aus mehreren Schichten mit ver schiedenen Zusammensetzungen oder verschiedenen Teilchengrö ßen zusammengesetzt sein.

Bevorzugte keramische Schaummaterialien werden in den anhän gigen US-Anmeldungen mit den Aktenzeichen 8 07 955 und 8 07 956 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird eine keramische Fassungsschicht auf mindestens einem Teil der Oberfläche des keramischen Schaum körpers gebildet. Beispielsweise wird die Oberfläche des ke ramischen Schaumkörpers 10 mit einer Dicke von ca. 1 bis 10 mm einer keramischen Schicht 11 überzogen, wie in Fig. 2 dargestellt. Die keramische Schicht 11 besteht bevorzugt aus demselben Material wie der keramische Schaumkörper 10, so daß ein Ablösen der keramischen Schicht 11 aufgrund eines Unterschiedes der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der keramischen Schicht 11 und dem keramischen Schaumkörper 10 vermieden wird. Die keramische Schicht 11 kann wiederholt aufgetragen werden mit einem keramischen Brei mit einer Vis kosität von ca. 20 bis 60 Poise, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Das Überziehen wird ausgeführt, bevor der ke ramische Schaumkörper 10 gebrannt wird, und dann wird der überzogene Körper getrocknet und gebrannt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird eine Vertiefung an der Ober seite des keramischen Schaumkörpers 10 von der Form eines Setzers ausgebildet, und eine leichtgewichtige Schicht 12 kann in die Vertiefung eingefügt werden. Die leichte Schicht 12 wird beispielsweise hergestellt durch Vermischen hitzebe ständigen Materials und keramischer Fasern mit Wasser und amorphem Siliciumoxid und durch Saugformen der Mischung und darauffolgendes Brennen des geformten Körpers.

Weiterhin, wie in Fig. 4 dargestellt, können Stützen 13 an der unteren Oberfläche des keramischen Schaumkörpers 10 von der Form eines Setzers, Halters o. dgl. mit einer keramischen Schicht 11 angesetzt sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Stützen bestehen bevorzugt aus demselben keramischen Schaum wie der keramische Schaumkörper 10.

Weiterhin zeigt Fig. 5 ein Beispiel eines Werkzeugs zum Brennen von keramischem Pulver. Das Werkzeug ist in der Form eines Tiegels ausgebildet und an der Innenfläche des kera mischen Schaumkörpers 14 mit der keramischen Fassungsschicht bzw. Verkleidung 15 überzogen durch Auftragen eines kerami schen Breies.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Brennen von Keramik haben folgende hervorragende Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen:

(1) Der keramische Schaumkörper hat einen hohen Hohlrauman teil von ca. 80% bis 90% und eine Porengröße von ca. 0,5 bis 4 mm, so daß Heißluft leicht durch den kerami schen Schaumkörper geleitet werden kann, und der Heiz wirkungsgrad sehr stark verbessert ist.
(2) Der keramische Schaumkörper hat eine geringe Dichte von ca. 0,4 bis 2,0, also nur ungefähr die Hälfte bis ein Viertel der herkömmlichen feuerfesten Körper, so daß die Wärmekapazität der Vorrichtung verringert und der Heiz wirkungsgrad sehr stark verbessert ist.
(3) Die Vorrichtung zum Brennen von Keramik kann in ver schiedenen Formen leicht hergestellt werden.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung:

Beispiel 1

Ein keramischer Rohstoff aus 98 Gew.-% an Aluminiumoxid wur den mit Wasser und PVA in einer Kugelmühle zu einem kerami schen Brei mit einer Viskosität von 8 Poise vermischt. Das keramische Material bestand aus kleinen Teilchen mit einer Größe von 0,1 bis 10 µm und einer durchschnittlichen Teil chengröße von 0,5 bis 5 µm. Es wurde auch ein weicher Ure thanschaum mit festgelegter Form vorbereitet.

Dann wurde eine erste keramische Schicht auf den Strängen des Urethanschaums geformt durch Imprägnieren des Urethan schaumes mit dem keramischen Brei. Überschüssiger Brei wurde entfernt. Der imprägnierte Schaum wurde bis zur Erhärtung bei einer Temperatur von ca. 90°C getrocknet. Außerdem wur den eine zweite und dritte Schicht auf der ersten Schicht geformt auf dieselbe Weise wie das Formen der ersten Schicht.

Auf der anderen Seite wurde ein keramischer Brei vorbereitet durch Mischen von 98 Gew.-% Aluminiumoxid mit Wasser und PVA. Der keramische Brei hatte eine Viskosität von 30 Poise. Dann wurde der keramische Brei auf die Oberfläche des kera mischen Schaumkörpers in einer Dicke von 5 mm aufgetragen, um eine keramische Fassungsschicht bzw. Überzugsschicht her zustellen.

Schließlich wurde der keramische Schaumkörper mit der kera mischen Fassungsschicht bei einer Temperatur von 1700°C gebrannt. Als Ergebnis verwandelten sich die keramischen Schichten zu Strängen vielschichtigem prozellankeramischem Verbundmaterial, und der Urethanschaum verschwand beim Bren nen und hinterließ eine lange Öffnung im mittleren Teil je des Stranges. Gleichzeitig wurde die keramische Fassungs schicht an der Oberfläche des keramischen Schaumkörpers gla siert.

Der keramische Schaumkörper der entstandenen Hilfsvorrich tung hatte eine Dichte von 0,7, einen Hohlraumanteil von 88% und eine Porengröße von 1,0 bis 2,5 mm. Außerdem betrug die Biegefestigkeit 23 kgf/cm² und die Druckfestigkeit 67 kgf/cm².

Keramische Kondensatoren und Ferrit wurden in einem elektri schen Brennofen unter Anwendung dieser Hilfsvorrichtung ge brannt. Es ergab sich ein Energieverbrauch von 320 kWh. Im Vergleich dazu liegt der Energieverbrauch beim Brennen mit einem herkömmlichen Werkzeug bzw. einer herkömmlichen Hilfs vorrichtung bei 1000 kWh. Im Falle einer herkömmlichen leichten Hilfsvorrichtung liegt der Energieverbrauch bei 500 kWh. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Hilfsvor richtung der herkömmlichen Hilfsvorrichtung in bezug auf den Heizwirkungsgrad überlegen.

Beispiel 2

Ein keramisches Ausgangsmaterial aus 80 Gew.-% Aluminiumoxid und 20 Gew.-% Zirkonoxid wurde auf dieselbe Art wie in Bei spiel 1 vermischt. Es wurde außerdem ein weicher Urethan schaum mit einer Vertiefung an der Oberseite vorbereitet. Dann wurde ein keramischer Schaumkörper mit einer vielschichtigen Struktur auf dieselbe Art wie in Beispiel 1 hergestellt und bei einer Temperatur von 1700°C gebrannt. Der entstandene keramische Schaumkörper hatte eine Vertie fung an der Oberfläche und besaß eine Dichte von 1,5 auf, einen Hohlraumanteil von 86% und eine Porengröße von 1,0 bis 2,5 mm. Außerdem betrugen die Biegefestigkeit und Druck festigkeit 29 kgf/cm² bzw. 83 kgf/cm².

Claims

1. Hilfsvorrichtung, insbesondere Werkzeug, zum Brennen von Keramik, gekennzeichnet durch einen keramischen Schaum körper (10, 14) aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zirkonoxid oder Aluminiumoxid-Zirkonoxid, mit einer dreidimensional vernetzten Struktur aus vielen miteinander verbundenen keramischen Strängen (5), und einer keramischen Fassungsschicht (11, 12, 15), auf mindestens einem Teil der Oberfläche des keramischen Schaumkörpers (10, 14).

2. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Fassungsschicht (11, 12, 15) aus dem gleichen Material wie der keramische Schaumkörper besteht.

3. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Fassungsschicht (11, 12, 15) aus einer leichtgewichtigen Schicht aus hitzebeständigem Material und Keramikfaser besteht.

4. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der keramische Schaumkörper eine Massendichte von ca. 0,4 bis 2 g/cm³ besitzt.

5. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schaumkörper eine Dichte von ca. 0,7 bis 1,5 g/cm³ besitzt.

6. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schaumkörper einen Hohlraumanteil von ca. 80% bis 90% besitzt.

7. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schaumkörper eine Porengröße mit einem Durchmesser von ca. 0,5 mm bis 4 mm besitzt.

8. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der keramischen Stränge mehrere Keramikschichten aufweist.

9. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge mehrere Keramikschichten aus derselben Zusammensetzung aufweisen.

10. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Stränge mehrere Keramikschichten aus verschiedenen Zusammensetzungen aufweisen.

11. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der keramischen Stränge einen hohlen Kanal im Zentrum besitzt.

12. Verfahren zur Herstellung der Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaumstoffkörper aus offenporigem Kunststoffschaum vorbereitet, mit einer Aufschlämmung aus keramischem Material mindestens einmal imprägniert und gebrannt wird, wobei der Körper vor und/oder nach dem Brennen an mindestens einem Teil seiner Oberfläche mit einem Deckschichtmaterial belegt wird.