DE3630690A1

DE3630690A1 - Formhilfsstoffe fuer keramische materialien, unter verwendung der hilfsstoffe gebildete keramische koerper und verfahren zur herstellung keramischer produkte

Info

Publication number: DE3630690A1
Application number: DE19863630690
Authority: DE
Inventors: Kiminari Kato; Masahiro Shirai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1985-09-10
Filing date: 1986-09-09
Publication date: 1987-03-12
Also published as: US5019537A; DE3630690C2; JPS6259564A

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Hilfsstoffe, die beim Formen von Keramik verwendet werden, auf keramische Körper oder Teile, die unter Verwendung solcher Formhilfsstoffe hergestellt werden und auf ein Verfahren zum Formen von Keramikartikeln oder -produkten mit solchen Hilfsstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Formhilfsstoff, der als ein Hauptbestandteil Mineralöl enthält und der geeigneterweise zum Formen eines Keramikmaterials in eine gewünschte Form verwendet wird. Die Erfindung betrifft ferner geformte Keramikkörper, die unter Verwendung eines solchen Formhilfsstoffes erhalten werden und ein Verfahren zur Herstellung von Keramikprodukten (gebrannte Keramikkörper) aus solchen geformten Keramikkörpern.

Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und andere Siliciumkeramik, Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidkeramik und ähnliche Keramik sind bei erhöhter Temperatur stabiler (hitzebeständiger und widerstandsfähiger gegen thermische Beanspruchung), widerstandsfähiger gegen oxidative Korrosion und gegen Veränderung durch Kriechdehnung als Metalle. Aktive Bemühungen sind unternommen worden, um diese hervorragenden Eigenschaften solcher Keramikmaterialien für Maschinenteile wie Rotoren in Turboladern zu verwenden.

In der Herstellungstechnik solcher Keramikteile ist ein Verfahren angewendet worden, das folgendes umfaßt: Hinzufügen eines organischen Bindemittels (Formhilfsstoff) zu einem geeigneterweise hergestellten Keramikmaterial, dessen Hauptbestandteil ein Harz oder ein Wachs ist, Einkneten des Keramikmaterials und des organischen Bindemittels in die Mischung, Formen der Mischung in einen geformten Körper von gewünschter Gestalt, Erhitzen des geformten Körpers, um das Bindemittel zu entfernen und den geformten Körper zu einem gebrannten Keramikkörper zu brennen, d. h. es wird ein gewünschtes Keramikprodukt erhalten. Geeigneterweise wird ein Spritzgußverfahren für wirkungsvolle, äußerst genaue Herstellung von Teilen mit einer komplizierten Anordnung verwendet, insbesondere oben erwähnte Rotoren.

Als Formhilfsstoffe werden üblicherweise folgende organische Bindemittel in dem vorstehend erwähnten Verfahren verwendet: Ein organisches Bindemittel, das als ein Hauptbestandteil oder -bestandteile ein thermoplastisches Harz wie Polystyrol, Polyethylen, ein Copolymer von Ethylen und Vinylacetat und ataktisches Polypropylen enthält, ein organisches Bindemittel, dessen Hauptbestandteil oder -bestandteile aus einem Wachs wie Paraffinwachs und Mikrowachs bestehen, ein organisches Bindemittel, das ein sublimierbares Material als einen Hauptbestandteil beeinhaltet und ein organisches Bindemittel, das zwei oder mehr Materialien beinhaltet, die aus den genannten Materialien ausgewählt werden. Z. B. wird die Verwendung von ataktischem Polypropylen und Polyethylen als Hauptbestandteile eines organischen Bindemittels in der japanischen Offenlegungsschrift 49-1 14 610 vorgeschlagen und die Verwendung eines organischen Bindemittels, das ein Wachs als einen Hauptbestandteil beinhaltet wird in der japanischen Offenlegungsschrift 58-2 23 662 vorgeschlagen. Ferner offenbart die japanische Offenlegungsschrift 57-1 56 365 ein organisches Bindemittel, das ataktisches Polypropylen und ein sublimierbares Material als Hauptbestandteile beinhaltet. Während diese verschiedenen organischen Bindemittel in der Technik verwendet wurden, müssen die folgenden Anforderungen erfüllt sein, um fehlerlose Keramikprodukte zur Verfügung zu stellen:
a) Hohes Maß an Formbarkeit einer Mischung eines Keramikmaterials und eines organischen Bindemittels, um genaue Formung des Keramikmaterials in eine beabsichtigte Gestalt ohne geometrische Fehler sicherzustellen.
b) Schadens- oder Fehlerfreiheit des geformten Keramikteils oder -körpers während der Entfernung des organischen Bindemittels und
c) ausreichend hohe Homogenität und Dichte der gebrannten Struktur oder des Produktes.

Jedoch genügen die gewöhnlich verwendeten organischen Bindemittel, deren Hauptbestandteile aus thermoplastischen Harzen, Wachsen und sublimierbaren Materialien ausgewählt werden, notwendigerweise nicht all den vorstehend erwähnten Anforderungen. Z. B. leidet ein organisches Bindemittel, dessen Formbarkeit hervorragend ist, unter dem Nachteil, daß es dazu neigt, Risse des geformten Keramikkörpers während der Entfernung des Bindemittels zu verursachen. Wenn ein thermoplastisches Harz in einer relativ großen Menge verwendet wird, kann der geformte Keramikkörper zerbrochen oder zerstört werden, durch einen Druck von Gasen, die in großen Mengen produziert werden, infolge von Zersetzung des Harzes, d. h. das Harz neigt dazu, Risse des Keramikkörpers während der Entfernung des organischen Bindemittels zu verursachen. Deshalb ist eine vollständige Entfernung des Bindemittels schwierig. Im Falle der Verwendung einer größeren Menge an Wachs als Bindemittel ist die Geschwindigkeit der Entfernung des Wachses sehr langsam, da die Entfernung durch viskosen Fluß des Wachses durchgeführt wird. In diesem Fall neigt der geformte Körper zu ziemlich hoher Restspannung oder dauernder Verformung, was Risse des geformten Körpers während der Entfernung des Wachses und/oder Fehler des gebrannten Körpers wie Markierungen oder Spuren des Wachsflusses verursachen kann. Detaillierter ausgeführt, leiten Bindemittel auf Wachsgrundlage, die in geformten Keramikkörpern enthalten sind, Erstarrungen oder Aushärtung ein, begleitet von einem hohen Maß an Volumenkontraktion, wenn und unmittelbar nachdem der geformte Keramikkörper in einer Spritzgußform oder anderen Form schnell abgekühlt wird. Aus diesem Grund wird der Keramikkörper, der ein Wachsbindemittel enthält, leicht dauernder Verformung oder Restspannung unterworfen, was zur Rißbildung des geformten Körpers bei der Entfernung des Wachses oder zu Fehlern wie Fließspuren beim gebrannten Keramikkörper führen kann.

Es ist auch erkannt worden, daß jedes gewöhnlich verwendete Bindemittel, das in einen geformten Keramikkörper gemischt wird, aus dem Keramikkörper so langsam wie möglich entfernt werden muß, um den Keramikkörper vor Rissen während der Entfernung des Bindemittels zu schützen. Z. B. wird ein geformter Keramikkörper, der ein gewöhnliches Bindemittel enthält, mit einer geringen Geschwindigkeit wie 1 bis 3°C/Std. erhitzt, um das Bindemittel aus dem Keramikkörper ohne Rißbildung zu entfernen. So leidet das bekannte Herstellungsverfahren für Keramikprodukte unter Verwendung der gewöhnlichen Bindemittel unter einem beträchtlich geringem Maß an Produktivität.

Angesichts der vorstehenden Unannehmlichkeiten, nach dem Stand der Technik, ergab sich die Notwendigkeit ein Bindemittel (Formhilfsstoff) zu entwickeln, das es erlaubt, einen Keramikkörper zu formen und zu einem gewünschten Keramikartikel zu brennen, ohne daß Rißbildung und Fehler auftreten und das leicht und schnell von dem Keramikkörper entfernt werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Bindemittel (Hilfsstoff) mit einem hohen Grad an Formbarkeit und einem Minimum an Fehlern, die während dessen Entfernung auftreten, zur Verfügung zu stellen, der geeigneterweise zum Formen eines Keramikteiles oder -körpers verwendet wird.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen gebrannten Keramikartikel oder ein Produkt, die aus solch einem geformten Keramikkörper erhalten werden, vor Fehlern wie geringen Spuren oder Markierungen des Flusses von Bindemittel zu schützen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Geschwindigkeit der Entfernung des Bindemittels von dem geformten Keramikkörper zu verbessern, ohne Fehler des Keramikkörpers zu verursachen und dadurch die Produktivität des geformten Keramikartikels zu steigern.

Die vorstehenden Aufgaben der Erfindung können gemäß der Erfindung gelöst werden, die einen Hilfsstoff zur Verfügung stellt, der in ein Keramikmaterial gemischt wird, um das Keramikmaterial in einen geformten Keramikkörper von gewünschter Gestalt zu formen und der folgendes enthält:
a) Mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl mit einem Gahalt in einem Bereich zwischen 30 und 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes.

Der Hilfsstoff der Erfindung zum Formen eines Keramikmaterials kann ferner vorzugsweise nicht mehr als 15 Vol.-% eines Weichmachers, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes, umfassen. Gemäß eines vorteilhaften Merkmales der Erfindung wird ein Mikrowachs als Wachs und ein Paraffinöl als Mineralöl verwendet. Der Gehalt des Mineralöls liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60 und 80 Vol.-%.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein geformter Keramikkörper zur Verfügung gestellt, der im wesentlichen aus 40 bis 65 Vol.-% eines Keramikmaterials besteht, wobei der Rest ein Hilfsstoff zum Formen des Keramikmaterials ist. Der Hilfsstoff umfaßt:
a) Mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes.

Der geformte Keramikkörper kann zu einem gebrannten Keramikkörper gebrannt werden, d. h. zu einem gewünschten Keramikartikel oder -produkt, die ein Minimum an Fehlern und eine gleichmäßige Qualität besitzen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikartikels zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfaßt:
Herstellung eines Keramikmaterials;
Herstellung eines Formhilfsstoffes, der
a) mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes, umfaßt;
Vermischen des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffes zu einer innigen Mischung;
Formen der innigen Mischung des Keramikmaterials und des Hilfsstoffes zu einem geformten Keramikkörper mit einer gewünschten Gestalt und
Erhitzen des geformten Keramikkörpers, um den Formhilfsstoff zu entfernen und den geformten Keramikkörper zu einem gebrannten Keramikkörper zu brennen, der den Keramikartikel ergibt.

Gemäß eines vorteilhaften Merkmals des Verfahrens der Erfindung wird das Keramikmaterial in gekörnter Form hergestellt und kann im wesentlichen aus Si₃N₄, SiC oder ZrO₂ bestehen. Um den Formhilfsstoff von dem geformten Keramikkörper gemäß eines weiteren vorteilhaften Merkmals des Verfahrens zu entfernen, wird der geformte Keramikkörper in eine Pulvermasse gesetzt, die nicht mit dem geformten Keramikkörper reagiert.

Gemäß der Erfindung enthält der Formhilfsstoff als wesentlichen Bestandteil mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs. Das thermoplastische Harz, das ein Bestandteil des Hilfsstoffes sein kann, kann aus einer großen Vielzahl an thermoplastischen Harzen ausgewählt werden, die gewöhnlich zum Formen von Keramikmaterialien verwendet werden, z. B. Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, ataktisches Polypropylen, Ethylen-Vinylacetat-Copolymerharz (EVA), Ethylen-Ethylacrylat-Compolymerharz (EEA) und Acrylharz. Um die Aufgabe der Erfindung in wirkungsvoller Weise zu lösen, besteht das zu verwendende Wachs vorzugsweise aus einem Mikrowachs, da das Mikrowachs wirkungsvoll eine Form des geformten Keramikkörpers aufrechterhält. Jedoch können auch andersartige Wachse wie Parafin- und Polyethylenwachs verwendet werden.

Das Mineralöl, das ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Hilfstoffes ist, wird in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, vorzugsweise 60 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes, verwendet. Während Parafinöl, aromatisches Öl, Naphthenöl, usw. verwendet werden können, wird das Paraffinöl meist im Hinblick auf das Erreichen der Aufgaben der Erfindung am meisten bevorzugt. Da das Mineralöl eine relativ geringe Viskosität und einen relativ hohen Dampfdruck während der Entfernung des Formhilfsstoffes bei einer erhöhten Temperatur besitzt, wird das Mineralöl leicht an der Oberfläche des geformten Keramikkörpers ausgeschieden und verdampft leicht. So kann das Mineralöl durch Ausscheidung und Verdampfung entfernt werden, sogar wenn die Porengröße des geformten Keramikkörpers so klein wie ein paar 100 Ångström ist. Jedoch erfordert die Entfernung eines üblichen Formhilfsstoffs, der aus einem Wachs und/oder einem Harz besteht, eine vergleichsweise kleine Porengröße, d. h. von ein paar 1000 Ångström bis ein paar Mikrometer. In dieser Hinsicht erlaubt die Verwendung des Mineralöls als Bestandteil des Formhilfsstoffes die Verwendung eines Keramikpulvers mit einer vergleichsweise kleinen Korngröße, die einen geformten Keramikkörper mit einer vergleichsweise hohen Dichte ergibt, der ggf. die Eigenschaften des gebrannten Keramikkörpers verbessert, d. h. des Endproduktes, das aus einem geformten Keramikkörper erhalten wird.

Da der Formhilfsstoff oder das organische Bindemittel gemäß der Erfindung 30 bis 95 Vol.-% Mineralöl enthält, kann die Entfernung des Hilfsstoffes von dem geformten Keramikkörper hauptsächlich durch die Verdampfung des Mineralöls erreicht werden. Mit anderen Worten ein relativ großer Teil des Bindemittels, d. h. von 30 bis 95 Vol.-% des Bindemittels, wird durch Verdampfung entfernt, ohne daß Verspannung in dem geformten Keramikkörper auftritt, infolge einer großen Menge an Gasen, die durch Zersetzung oder Oxidation eines Harzes erzeugt werden würden, wenn das Harz in einer relativ großen Menge wie in einem herkömmlich verwendeten Hilfsstoff oder Bindemittel enthalten wäre.

Dementsprechend wird es vorgezogen, daß der Gehalt an Mineralöl des Formhilfsstoffes so groß wie möglich ist. Jedoch darf der Gehalt 95 Vol.-% nicht übersteigen, da der Einschluß des Mineralöls in einer Menge, die diese obere Grenze übersteigt, eine übermäßige Verminderung der Kohärenz der Keramikteile des geformten Keramikkörpers verursacht, die Fähigkeit eine Gestalt des geformten Keramikkörpers aufrechtzuerhalten, verschlechtert und die Leichtigkeit den geformten Keramikkörper aus einer Form zu entfernen, vermindert. Auf der anderen Seite ist, wenn der Gehalt des Mineralöls geringer als 30 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes ist, die erwartete Wirkung der Verdampfung des Mineralöls nicht befriedigend und der geformte Keramikkörper neigt zu leichter Rißbildung aufgrund einer übermäßig großen Menge der anderen Bestandteile. Der bevorzugte Bereich des Gehalts an Mineralöl wurde zwischen 60 und 80 Vol.-% gefunden, um allen erforderlichen Bedingungen zu genügen, d. h. Formbarkeit des Keramikkörpers, Fähigkeit, die Gestalt des geformten Keramikkörpers aufrechtzuerhalten, Leichtigkeit den geformten Keramikkörper aus der Form loszulösen, und Leichtigkeit den Formhilfsstoff zu entfernen.

Das Mineralöl, das einen großen Teil des Formhilfsstoffes wie vorstehend erwähnt, darstellt, hat einen Gießpunkt in einem Bereich von -10°C bis -40°C, der extrem geringer ist, als die Temperatur bei der das Keramikmaterial in einen gewünschten Körper geformt wird. Deshalb verliert das Mineralöl, das in dem unter normalen Bedingungen gebildeten Keramikkörper enthalten ist, im wesentlichen Maße nicht seine Fließfähigkeit, sogar wenn der Keramikkörper schnell abgekühlt wird. Das bedeutet ein extrem kleines Maß an Spannung, die in dem geformten Keramikkörper gebildet wird. Als Ergebnis hat die geformte Keramikmasse keine Risse oder andere Fehler während der Entfernung des Formhilfsstoffes und während des Brennens der Keramikmasse.

Um die Formbarkeit des Keramikmaterials und die Leichtigkeit, den geformten Keramikkörper aus der Form zu entfernen, zu verbessern, wird es vorgezogen, in den Formhilfsstoff der Erfindung einen geeigneten Weichmacher in einer Menge, die 15 Vol.-% nicht übersteigt, beizufügen. Als Weichmacher können alle Weichmacher verwendet werden, die gewöhnlich zum Formen von Keramikmaterialien verwendet werden. Z. B. können die folgenden Weichmacher dem Formhilfsstoff beigefügt werden: Stearinsäure, Ölsäure, Oleylalkohol, Dioktylphthalat und Diethylphthalat.

Die einzelnen Bestandteile der Formhilfsstoffzusammensetzung der Erfindung werden zur Herstellung einer innigen Mischung des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffes auf eine geeignete bekannte Weise mit einer Masse eines Keramikmaterials vermischt. Z. B. können alle Bestandteile des Hilfsstoffes vorher miteinander vermischt werden und die Mischung wird dem Keramikmaterial zugegeben. In diesem Fall kann die gesamte Menge der Mischung auf einmal zugegeben werden oder die getrennten Teile der Menge der Mischung können nacheinander in geeigneten Abständen zugegeben werden. Alternativ können die Bestandteile des Hilfsstoffes nacheinander dem Keramikmaterial zugegeben werden oder jede vorher hergestellte Mischung aus zwei oder mehr Bestandteilen kann dem Keramikmaterial zugegeben werden. Ferner kann der Formhilfsstoff zuerst mit einem Teil der Keramikmasse vermischt werden. In diesem Fall wird der verbleibende Teil der Keramikmasse danach der hergestellten Mischung zugegeben. In jedem Fall muß das Formmittel mit dem Keramikmaterial in einem vorbestimmten Verhältnis einheitlich vermischt werden. Einheitliches Vermischen des Formmittels und des Keramikmaterials kann in einem bekannten Knetverfahren bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Das Keramikmaterial, das zu einem geformten Keramikkörper zu formen ist, dessen Hauptbestandteile Si₃N₄, SiC oder ZrO₂ sind, kann mit einem geeigneten Sinterhilfsstoff oder -hilfsstoffen wie Y₂O₃, MgO, Al₂O₃, CaO, ZrO₂, CeO₂, SrO, BeO, B, C und B₄O vermischt werden. Der hauptsächliche Kermikbestandteil und der Sinterhilfsstoff werden einheitlich miteinander zu einer innigen Mischung vermischt. Das optimale Verhältnis zwischen dem Sinterhilfsstoff und dem Keramikmaterial schwankt, abhängig von dem zu verwendenden Sinterhilfsstoff und von dem zu verwendenden Keramikmaterial. Im allgemeinen werden 1 bis 10 Gewichtsteile eines ausgewählten Sinterhilfsstoffes zu 100 Gewichtsteilen des Keramikmaterials gegeben. Wenn nötig, kann die innige Mischung des Keramikmaterials und des Sinterhilfsstoffes oder der - hilfsstoffe einem geeigneten Granulierungsverfahren wie Zerkleinern oder Sprühtrocknungstechnik unterworfen werden, so daß die Keramikmasse in einer gekörnten Form hergestellt wirdd, die aus Körnchen von 1 bis 300 Mikron besteht. Die Korngrößer der Körnchen kann leicht mit einer Laserlichtstreuungstechnik gemessen werden. Die Formbarkeit der Keramikmasse wird verbessert, wenn das Keramikmaterial in der gekörnten Form zur Verfügung gestellt wird.

Der Formhilfsstoff wird mit der so hergestellten Keramikmasse vermischt, so daß der Anteil an Keramikmasse in einem Bereich von 40 bis 65 Vol.-%, vorzugsweise in einem Bereich von 45 bis 60 Vol.-% liegt. Ein übermäßig niedriger Anteil des Keramikmaterials an dem Formhilfsstoff verschlechtert die Fähigkeit des geformten Keramikkörpers, seine Gestalt nach Entfernung des Formhilfsstoffes aufrechtzuerhalten. Auf der anderen Seite vermindert ein übermäßig hoher Anteil des Keramikmaterials die Formbarkeit der Mischung des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffes, indem er es schwierig macht, einen geformten Körper mit einer komplizierten Form aufrechtzuerhalten, z. B. einen Formkörper, der einen Rotor ergibt. In diesem Zusammenhang muß der Gehalt des Keramikmaterials in einem Bereich von 40 bis 65 Vol.-% gehalten werden.

Die so hergestellte innige Pulvermischung des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffes wird zu einem gewünschten geformten Keramikkörper durch ein geeignetes Formverfahren geformt wie Preßformen, Extrusions- und Spritzgußverfahren. Im Falle des Spritzgußverfahrens wird die Pulvermischung mit einem Pelletisierer zu Kugeln mit einem Durchmesser in der Größe von 5 mm verarbeitet. Die erhaltenen Kugeln werden einem geeignetem Spritzgußapparat zugeführt, um einen gewünschten, geformten Keramikkörper herzustellen. Im Falle eines Extrusionsverfahrens wird die hergestellte, innige Mischung einem Extruder zugeführt, um den gewünschten, geformten Keramikkörper zu formen.

Der hergestellte geformte Keramikkörper wird dann auf eine wabenförmige Platte gesetzt oder in eine Pulvermasse eingebettet, die nicht mit dem geformten Keramikkörper reagiert. Der geformte Keramikkörper auf der wabenförmigen Platte oder eingebettet in der Pulvermasse wird dann auf eine geeignete Temperatur erhitzt, um den Formhilfsstoff zu entfernen. Das Pulver, in dem der geformte Keramikkörper eingebettet ist, ist vorzugsweise ein aktiviertes Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 5 bis 800 m²/g und einer Korngröße von 10 bis 1000 µm. Im allgemeinen wird der geformte Keramikkörper auf die maximale Temperatur von 500°C oder niedriger mit 100°C/Std. oder niedriger erhitzt. Vorzugsweise wird der geformte Keramikkörper bei 20°C/Std. oder niedriger auf ein zwischenzeitliches Niveau von 300°C erhitzt und bei der Maximaltemperatur (im allgemeinen 400 bis 500°C) während eines Zeitraums von 1 bis 10 Std. gehalten. So kann der Formhilfsstoff von dem geformten Keramikkörper entfernt werden.

Im nächsten Schritt wird der geformte Keramikkörper gebrannt und die Oberfläche des gebrannten Körpers wird mit einem elastischen Film bedeckt. Der gebrannte Körper wird dann einem hydrostatischen Druck von 1 Tonne/cm² und wenn nötig anderen notwendigen Verfahren unterworfen. Schließlich wird der geformte Keramikkörper bei einer ausgewählten Temperatur in einer geeigneten Atmosphäre gebrannt, wodurch der gebrannte Körper eines gewünschten Keramikproduktes hergestellt wird.

Wie vorstehend beschrieben, erlaubt die Verwendung eines Formhilfsstoffes, der eine relativ große Menge an Mineralöl, gemäß der Erfindung enthält, leichtes Formen eines geformten Keramikkörpers, ohne jeden Fehler bedingt durch die Entfernung des Formhilfsstoffs. Ferner kann der geformte Keramikkörper, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Formhilfsstoffes hergestellt wird, zu einem gebrannten Keramikkörper gebrannt werden, der frei von Fehlern wie geringen Spuren des Flusses des Formhilfsstoffes ist. Ferner kann das erfindungsgemäße Formmittel leicht mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit entfernt werden und trägt entsprechend dazu bei, die Produktivität des gebrannten Keramikproduktes, d. h. des Keramikartikels oder - produktes zu vergrößern. In dieser Hinsicht ist der Formhilfsstoff gemäß der Erfindung auch für die betroffenen Industrien nützlich.

Die Erfindung wird somit geeigneterweise auf die Herstellung von kompliziert geformten Keramikkörpern angewandt, die gewöhnlich durch Spritzguß geformt werden und auf die Fertigung der entsprechenden gebrannten Keramikkörper oder Keramikprodukte wie keramischen Rotoren mit komplizierten Formen oder Anordnungen.

Um ferner die Grundsätze der Erfindung zu erläutern, werden verschiedene Beispiele zur Herstellung von Keramikprodukten gemäß der Erfindung beschrieben. Die Beispiele dienen nur zur Erläuterung der Erfindung, die nicht hierauf beschränkt ist.

Es wurde ein Keramikmaterial, das zum Brennen bei Atmosphärendruck geeignet ist, durch Vermischen von 100 Gewichtsteilen Si₃N₄-Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,8 Mikron mit einem Sinterhilfsstoff, der aus 2 Gewichtsteilen SrO, 3 Gewichtsteilen MgO und 3 Gewichtsteilen CeO₂ besteht, hergestellt. Die so erhaltene innige Mischung des Si₃N₄-Pulvers und des Sinterhilfsstoffes wurde bei 2,5 Tonnen/cm² zu einem Block mit einer Massendichte von 2 g/cm³ mit einer Gummipresse gepreßt. Der Block wurde dann durch Zerkleinern in Körner mit einer Korngröße im Bereich von 1 bis 300 µm gekörnt. Die Korngröße wurde mit Laserlichtstreuungstechnik gemessen.

Das so hergestellte, gekörnte Material wurde in 6 Teile aufgeteilt, mit denen verschiedene Zusammensetzungen eines organischen Bindemittels (Formhilfsstoffes) unter Erhitzen und Druck vermischt wurden, wobei Mischungen gemäß Probe Nr. 1 bis 6 der Tabelle 1 erhalten wurden. In der Tabelle bedeutet EVA und PE Ethylen-Vinylacetat-Copolymerharz bzw. Polyethylen, die als Bestandteile des organischen Bindemittels oder Formhilfsstoffes verwendet werden. Als Mineralöl wurde Paraffinöl mit einem Gießpunkt von -30°C verwendet.

Jede der Mischungen des gekörnten Keramikmaterials und des organischen Bindemittels wurden mit Spritzgußverfahren bei einem Preßdruck von 130 bis 400 kg/cm² und einer Zylindertemperatur von 75 bis 120°C und einer Formtemperatur von 25 bis 45°C geformt, wobei 10 25 mm große Würfel (geformte Keramikkörper) aus jeder Mischung erhalten wurden. Diese geformten Keramikwürfel oder -körper wurden in einer Masse aus einem aktivierten Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 175 m²/g und einer Korngröße von 177 bis 210 µm eingebettet und wurden auf 430°C mit einer Geschwindigkeit von 10°C/Std. in einem Brennofen mit Heizluftzirkulation erhitzt. Auf diese Weise wurde das organische Bindemittel von den geformten Keramikwürfeln entfernt.

Die Keramikwürfel wurden nach Entfernung des Bindemittels auf Risse untersucht. Das Ergebnis der Untersuchung wird in Tabelle 1 gezeigt. In der Tabelle stellen die Buchstaben A, B und C folgendes dar:
A: Keine Risse beobachtet
B: Leichte Risse beobachtet
C: Starke Risse beobachtet

Wie in der Tabelle gezeigt, wurden bei den Proben Nr. 1, 2 und 3, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, im wesentlichen keine Risse beobachtet. Vergleichsprobe Nr. 4, bei der ein gewöhnliches Bindemittel auf Harzgrundlage (Formhilfsstoff) verwendet wurde, das ein Harz als Hauptbestandteil enthielt, hatte sehr starke Risse. Vergleichsproben Nr. 5 und 6, bei denen ein gewöhnliches Bindemittel auf Wachsgrundlage verwendet wurde, hatte vergleichsweise wenig schwere Risse, aber bei fast allen geformten Keramikwürfeln der Proben Nr. 5 und 6 wurde gefunden, daß sie nicht befähigt waren, zu einwandfreien Keramikwürfeln gebrannt zu werden.

Nach der Entfernung des Bindemittels wurden die geformten Keramikwürfel der Proben Nr. 1 bis 3 der Erfindung und einige der geformten Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr. 5, die vergleichsweise leichte Risse hatten, 30 Minuten lang bei 1720°C in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, wobei gebrannte Keramikwürfel der Proben 1 bis 3 und 5 erhalten wurden.

Die so erhaltenen gebrannten Keramikwürfel wurden mit einem Diamantschneider durchgeschnitten und ihre Schnittoberflächen wurden durch Penetrationsprüfverfahren mittels fluoreszierendem Farbstoff untersucht. Die Untersuchung offenbarte keine Fehler oder Risse an den Keramikwürfeln der Proben Nr. 1 bis 3 der Erfindung. Jedoch hatten die Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr. 5, die unter Verwendung des Formhilfsstoffs erhalten wurden, dessen Hauptbestandteil ein Wachs war, stärkere Risse, die sich aus den Rissen bildeten, die während der Entfernung des Bindemittels aufgetreten waren. Ferner hatten die Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr. 5 eine endlose Zahl an kleinen Markierungen, von denen angenommen wird, daß sie durch die Fließfähigkeit des Bindemittels entstehen.

Wie vorstehend gezeigt, hatten die geformten Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr. 5 unter Verwendung des Bindemittels auf Wachsgrundlage eine relativ kleine Zahl an Rissen, die während der Entfernung des Bindemittels produziert werden, die durchgeführt wurde, während die geformten Keramikwürfel mit 10°C/Std. erhitzt wurden. Zum Vergleich wurde das Bindemittel von den gleichen, geformten Keramikwürfeln der Vergleichsprobe Nr. 5 bei anderen Heizbedingungen entfernt, d. h. durch Erhöhung der Temperatur der Würfel mit 3°C/Std. oder 1°C/Std. auf 450°C, statt mit 10°C/Std. Die Untersuchung der geformten Keramikwürfel, die einem Erhitzen bei 1°C/Std. unterworfen wurden, offenbarte im wesentlichen keine Risse. Jedoch war eine beträchtlich lange Zeit erforderlich, um diese Würfel auf 450°C zu erhitzen. So wurde gefunden, daß das alternativ für Vergleichsprobe Nr. 5 angewandte Heizverfahren im Hinblick auf die Produktivität praktisch nicht befriedigend ist.

Tabelle 1

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung einen Formhilfsstoff, der in ein Keramikmaterial gemischt wird, um das Keramikmaterial in einen geformten Keramikkörper von gewünschter Gestalt zu formen und der mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und ein Mineralöl in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes enthält, und ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikartikels aus dem geformten Keramikkörper, der den Hilfsstoff enthält.

Claims

1. Hilfsstoff, zum Einmischen in ein Keramikmaterial, um das Keramikmaterial in einen geformten Keramikkörper von gewünschter Gestalt zu formen, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt:
a) Mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl, wobei der Gehalt des Mineralöls in einem Bereich von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes,liegt.

2. Hilfsstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner nicht mehr als 15 Vol.-% eines Weichmachers umfaßt.

3. Hilfsstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Mineralöls in einem Bereich von 60 bis 80 Vol.-% liegt.

4. Hilfsstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs aus einem mikrokristallinen Wachs besteht.

5. Hilfsstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mineralöl ein Paraffinöl ist.

6. Hilfsstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz aus folgenden Verbindungen ausgewählt ist: Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, ataktisches Polypropylen, Ethylen-Vinylacetat- Copolymerharz (EVA), Ethylen-Ethylacrylat-Copolymerharz (EEA) und Acrylharz.

7. Geformter Keramikkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus folgendem besteht: 40 bis 65 Vol.-% eines Keramikmaterials und als Rest einem Hilfsstoff zum Formen des Keramikmaterials, wobei dieser folgendes umfaßt:
a) Mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes.

8. Geformter Keramikkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff ferner nicht mehr als 15 Vol.-% eines Weichmachers umfaßt.

9. Geformter Keramikkörper nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs aus einem Mikrowachs besteht.

10. Geformter Keramikkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mineralöl ein Paraffinöl ist.

11. Geformter Keramikkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Spritzguß gebildet wurde.

12. Verfahren zur Herstellung eines Keramikartikels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Herstellung eines Keramikmaterials,
Herstellung eines Formhilfsstoffes, der folgendes umfaßt:
a) Mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl in einer Menge von 30 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hilfsstoffes,
Zusammenmischen des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffs zu einer innigen Mischung,
Formen der innigen Mischung des Keramikmaterials und des Hilfsstoffes zu einem geformten Keramikkörper mit einer gewünschten Gestalt und
Erhitzen des geformten Keramikkörpers, um den Formhilfsstoff zu entfernen und den geformten Keramikkörper zu einem gebrannten Keramikkörper zu brennen, der den Keramikartikel ergibt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhilfsstoff ferner nicht mehr als 15 Vol.-% eines Weichmachers umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Formens der innigen Mischung aus dem Keramikmaterial und dem Formhilfsstoff das Spritzgießen der innigen Mischung zu dem geformten Keramikkörper umfaßt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial in der gekörnten Form hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial im wesentlichen aus Si₃N₄, SiC oder ZrO₂ besteht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhitzens des geformten Keramikkörpers zur Entfernung des Formhilfsstoffs folgendes umfaßt:
Einsetzen des geformten Keramikkörpers in eine Pulvermasse, die nicht mit dem geformten Keramikkörper reagiert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der gebrannte Keramikkörper einen Keramikrotor ergibt.