DE3630690C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Formmasse, insbesondere
zum Spritzgießen, für Keramikartikel gemäß Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Keramikartikels.
Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und andere Siliciumkeramik,
Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidkeramik und ähnliche Kera
mik sind bei erhöhter Temperatur stabiler (hitzebeständiger
und widerstandsfähiger gegen thermische
Beanspruchung), widerstandsfähiger gegen oxidative Korrosion
und gegen Veränderung durch Kriechdehnung als Metalle.
Akive Bemühungen sind unternommen worden, um diese
hervorragenden Eigenschaften solcher Keramikmaterialien
für Maschinenteile wie Rotoren in Turboladern zu verwenden.
In der DE-OS 28 54 612 wird eine spritzfähige keramische
Masse und ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern
aus dieser Masse beschrieben. Dazu wird mindestens 65
Gew.-% keramisches Material mit 0,2 bis 5,0 Gew.-% Sinterhilfsmittel
und 14 bis 30 Gew.-% Formhilfsmittel vermischt,
zu einem Formkörper geformt und gebrannt, wobei sich das
Formhilfsmittel aus thermoplastischem Kunststoff, Ölen
und Wachs zusammengesetzt.
In der Herstellungstechnik von Keramikteilen 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 und Erhitzen des geformten
Körpers, um das Bindemittel zu entfernen und den geformten
Körper zu einem gebrannten Keramikkörper zu brennen.
Geeigneterweise
wird ein Spritzgußverfahren für die
äußerst genaue Herstellung von Teilen mit einer komplizierten
Anordnung verwendet, insbesondere für die oben erwähnten
Rotoren (JP-OS 49-1 14 610).
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 ein Hauptbestandteil beinhaltet
und ein organisches Bindemittel, das zwei oder mehr
Materialien beinhaltet, die aus den genannten Materialien
ausgewählt werden. Z. B. wie 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 Entferung 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, Erstarrung 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 geringen Maß an Produktivität.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine spritzgießfähige Formmasse
bereitzustellen, die einen Formhilfsstoff mit einem
hohen Grad an Formbarkeit enthält, der seine Fließfähigkeit
auch beim schnellen Abkühlen des Keramikkörpers nicht
verliert und bewirkt, daß der Keramikkörper aus der Form
leicht zu entfernen ist, der beim Brennen leicht entfernt
werden kann, ohne Risse und Fehler in der Struktur des
Keramikkörpers zu hinterlassen, auch wenn die Entfernung
mit größerer Geschwindigkeit im Vergleich zu bekannten
Verfahren erfolgt, so daß die Produktivität der Herstellung
von Keramikkörpern erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Formmasse
mit einem Formhilfsstoff mit den im kennzeichnenden Teil
des Anspruch 1 genannten Merkmalen und einem Verfahren
mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 genannten
Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in
den Unteransprüchen enthalten.
Der Formhilfsstoff 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 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 60 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes, umfaßt;
Vermischen 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.
Herstellung eines Keramikmaterials;
Herstellung eines Formhilfsstoffes, der
a) mindestens ein thermoplastisches Harz und ein Wachs und
b) ein Mineralöl in einer Menge von 60 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes, umfaßt;
Vermischen 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.
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
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 Paraffin- und
Polyethylenwachs verwendet werden.
Das Mineralöl, das ein weiterer Bestandteil
des Hilfsstoffes ist, wird in einer Menge von
60 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das
Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes, verwendet. Während
Paraffinöl, 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 Porgengröße des geformten Keramikkörpers
so klein wie einige 10 nm ist. Jedoch
erfordert die Entfernung eines üblichen Formhilfsstoffs,
der aus einem Wachs und/oder einem Harz besteht, eine
vergleichsweise kleine Porengröße, d. h. von einigen 100 nm
bis zu einigen nm. In dieser Hinsicht erlaubt
die Verwendung des Mineralöls als Bestandteil des Form
hilfsstoffes 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 60 bis 80 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 60 bis 80 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 80 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 60 Vol.-%, bezogen auf
das Gesamtvolumen des Formhilfsstoffes ist, die erwartete
Wirkung der Verdampfung des Mineralöls nicht befriedigend
und der geformten Keramikkörper neigt zu leichter Rißbildung
aufgrund einer übermäßig großen Menge der anderen
Bestandteile. Der 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,
Dioctylphthalat 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 Keramikbestandteil 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 wird, die aus Körnchen von 1 bis 300 nm
besteht. Die Korngröße der Körnchen kann leicht mit einer
Laserlichtsteuerungstechnik 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 geeigneten Spritzgußapparat
zugeführt, um einen gewünschten, geformten Keramikkörper
herzustellen. Im Falle der Verwendung 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 100 nm.
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 98,1 MPa 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 Formhilfsstoffes. 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 keramische 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 08 nm 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 245 MPa 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 nm gekörnt. Die
Korngröße wurde mit Laserlichtdispersionstechnik gemessen.
Das so hergestellte, gekörnte Material wurde in 5 Teile
aufgeteilt, mit denen verschiedene Zusammensetzungen eines
organischen Bindemittels (Formhilfsstoffes) unter Erhitzen
und Druck vermischt wurden, wobei Mischungen gemäß Probe
Nr. 1 bis 5 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 12,8 bis 39,2 MPa 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 nm eingebettet und wurden auf 430°C
mit einer Geschwindigkeit von 10°C/Std. in einem Brennofen
mit Heißluftzirkulation 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.
B: Leichte Risse beobachtet,
C: Starke Risse beobachtet.
Wie in der Tabelle gezeigt, wurden bei den Proben Nr. 1
und 2, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, im
wesentlichen keine Risse beobachtet. Vergleichsprobe Nr.
3, bei der ein gewöhnliches Bindemittel auf Harzgrundlage
(Formhilfsstoff) verwendet wurde, das ein Harz als Hauptbestandteil
enthielt, hatte sehr starke Risse. Vergleichsproben
Nr. 4 und 5, bei denen ein gewöhnliches Bindemittel
auf Wachsgrundlage verwendet wurde, hatte vergleichsweise
wenig Risse, aber bei fast allen geformten Keramikwürfeln
der Proben Nr. 4 und 5 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 und 2 der Erfindung und
einige der geformten Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr.
4, die vergleichsweise leichte Risse hatten, 30 Minuten
lang bei 1720°C in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt,
wobei gebrannte Keramikwürfel der Proben 1, 2 und 4
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 und 2 der Erfindung. Jedoch hatten die
Keramikwürfel der Vergleichsprobe Nr. 4, 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. 4 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. 4 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. 4 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. 4 angewandte Heizverfahren im
Hinblick auf die Produktivität praktisch nicht befriedigend
ist.
Claims (5)
1. Formmasse, insbesondere zum Spritzgießen, für Keramikartikel
aus 40 bis 65 Vol.-% eines Keramikmaterials und
einem Formhilfsstoff als Rest, wobei der Formhilfsstoff
mindestens ein thermoplastisches Harz, ein Wachs und ein
Mineralöl enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mineralöl
mit einem Gießpunkt von -10°C bis -40°C in einer
Menge von 60 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen
des Formhilfsstoffes, vorhanden ist.
2. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Formhilfsstoff ferner nicht mehr als 15 Vol.-%
eines Weichmachers enthält.
3. Formmasse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Wachs aus einem Mikrowachs besteht.
4. Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mineralöl ein Parafinöl ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Keramikartikels
unter Verwendung einer Formmasse nach einem der vorhergehenden
Ansprüche durch Zusammenmischen des Keramikmaterials
und des Formhilfsstoffs zu einer innigen Mischung, Formen
der innigen Mischung des Keramikmaterials und des Formhilfsstoffes
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, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Erhitzen des geformten Keramikkörper
zur Entfernung des Formhilfsstoffs der Keramikkörper in
eine Pulvermasse, die nicht mit dem geformten Keramikkörper
reagiert, eingebettet wird.
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