DE3823351A1

DE3823351A1 - Verfahren zur ausbildung von in formkoerper ueberfuehrbaren gruenkoerpern und zentrifuge zur ausbildung von gruenkoerpern

Info

Publication number: DE3823351A1
Application number: DE19883823351
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1988-07-09
Filing date: 1988-07-09
Publication date: 1990-02-08

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist in der DE-OS 20 57 971 angegeben.

Dabei wird ein Rotationskörper dadurch hergestellt, daß eine Pulversuspension mittels eines Injektors in eine Zentrifuge geleitet wird. Die Drehzahl der Zentrifuge und des mit ihr rotierenden Injektors sind regelbar, so daß die als breiig flüssige Masse bezeichnete Suspension infolge der Fliehkraft gegen die Innenwand einer in die Zentrifuge eingesetzten Form geschleudert wird, wo sich unter der Einwirkung der Fliehkraft eine Schicht ausbildet. Flüssige Massenanteile werden durch in der Form vorgesehene Drainageöffnungen oder Poren abgeleitet.

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die gebildete Schicht einen inhomogenen Aufbau aufweist, der sich dadurch erklärt, daß sich infolge der Fliehkraft die groben Teilchen in dem der Innenwand zugeordneten Bereich und die feineren Teilchen in dem dem Injektor zugeordneten Bereich absetzen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Körper ist aus der DE-AS 25 17 931 bekannt. Das bekannte Verfahren betrifft die Herstellung von Verbundkörpern aus einer mindestens zwei Komponenten unterschiedlichen Gewichtes enthaltenden Mischung. Bei Durchführung der Sedimentation unter Zentrifugalkrafteinwirkung entstehen dabei rotationssymmetrische Körper wie Laufräder mit einer über ihren Querschnitt unterschiedlichen Struktur.

Aus der US-PS 30 41 699 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von hohlen zylindrischen Körpern mit poröser innerer Oberfläche bekannt, wobei Pulversuspensionen in eine rotierende Gipsform zur Ausbildung eines rotationssymmetrischen Körpers geleitet werden. Infolge der Zentrifugalkraft bildet sich dabei ein rohrförmiger Körper schichtweise an der Innenwandung der Gipsform aus. Das Suspensionsmedium tritt durch die poröse Gipsform aus. Der Nachteil dieses Vorschlags besteht darin, daß sich bei dem herzustellenden Rohrkörper, insofern eine inhomogene Mikrostruktur ergibt, als die gröberen Partikel der Suspension überwiegend im äußeren Durchmesserbereich des Rohrkörpers liegen, wohingegen die feineren Partikel mehr dem Innendurchmesser zugeordnet sind.

Ein sehr alter Vorschlag, wie er in der DE-PS 7 02 810 enthalten ist, betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern in auf Antriebsrollen gelagerten Trommeln, wobei die Trommeln durch Anordnung von Längs- und Querrippen, die nach außen durch einen Blechmantel abgedeckt sind, eine Vielzahl von wabenartigen Formen aufweisen. Bezüglich der Einleitung der flüssigen Massen enthält diese Schrift keine Angaben, jedoch ist davon auszugehen, daß bei dieser bekannten und vorzugsweise für die Herstellung von Pflastersteinen vorgesehenen Vorrichtung die zu formende Masse in das Innere der Schleudertrommeln eingeschwemmt wird, so daß die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur auszuschließen ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Ausbildung von durch Sintern in feste Formkörper überführbaren rotationssymmetrischen Grünkörpern zur Verfügung zu stellen, die eine über den Querschnitt der Grünkörper gleichmäßige und ihrer durchschnittlichen Korngröße entsprechende Teilchengrößenverteilung aufweisen und infolge ihres homogenen und gleichmaßigen Schichtaufbaus insgesamt eine gleichmäßige und einheitliche Mikrostruktur aufweisen.

Die Erfindung hat auch die Aufgabe, eine Zentrifuge für die Ausbildung von rotationssymmetrischen Grünkörpern mit einheitlicher Mikrostruktur zu entwickeln.

Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 und hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsformen in den Patentansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.

Eine Zentrifuge zur Ausbildung von Grünköpern ist im Patentanspruch 10 und hinsichtlich ihrer Ausgestaltung in den Patentansprüchen 11 bis 19 gekennzeichnet.

Die gleichmaßige Teilchengroßenverteilung wird bei einem nicht rotierenden Injektor gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß bei jeder Umdrehung der Zentrifuge eine Schicht auf die Innenwand der Zentrifuge aufgetragen wird. Die dem Injektor zugeführte Suspension muß dabei wie auch bei den weiteren Verfahrensvarianten der Erfindung in einem weitestgehend homogenisierten Zustand vorliegen. Es ist ferner dafür Sorge zu tragen, daß der Sprühauftrag gleichmäßig erfolgt. Es liegt auf der Hand, daß die Mikrostruktur eines durch Sintern aus einem Grünkörper überführten festen Formkörpers um so gleichmäßiger ist, je dünner die einzelnen Schichten, die zur Erzielung der gewünschten Enddichte des festen Formkörpers notwendig sind, ausgebildet werden.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem rotierenden Injektor wird zur Erzielung einer möglichst geringen Schichtdicke die Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie ein Mehrfaches der Winkelgeschwindigkeit des Injektors beträgt, wenn dieser im gleichen Drehsinn rotiert. Rotiert der Injektor dagegen gegenläufig zum Drehsinn der Zentrifuge, kann die Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge auch so gewählt werden, daß die zwischen Zentrifuge und Injektor resultierende Differenzgeschwindigkeit nur gering ist, oder keine Differenzgeschwindigkeit vorliegt. In jedem Fall ist die Geschwindigkeit der Zentrifuge natürlich so zu regulieren, daß die durch den Sprühauftrag erzeugten Schichten auf der Innenwand der Zentrifuge haften und entwässert werden.

Generell sind die zu erzeugenden Schichten mit einer Dicke auszubilden, die kleiner als die kritische Fehlergröße der herzustellenden Keramikkörper ist. Die vorliegende Erfindung wird zwar vorzugsweise für das Gebiet der sogenannten Ingenieur- oder Industriekeramik eingesetzt, ist aber nicht auf dieses spezielle Gebiet beschränkt. Am Beispiel dieser speziellen Keramik soll jedoch der Begriff der kritischen Fehlergröße nachfolgend erläutert werden. Als kritische Fehlergröße werden Gefügefehler infolge von Verunreinigungen oder gebildeten Poren usw. verstanden, die bei dieser speziellen Keramik eine Größe von 20 bis 50 µm aufweisen. Es ist daher zweckmäßig, die Schichtdicken < 50 µm, vorzugsweise sogar < 20 µm zu halten.

Zur Einleitung der Suspension in den Injektor können die in der keramischen Industrie üblichen Pumpen verwendet werden. Das Verfahren wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, bzw. ist die Zentrifuge derart ausgebildet, daß das bei der Bildung der Schichten durch Zentrifugalkraft abgeschiedene Suspensionsmedium entweder durch den Trommelboden oder durch die Trommeldecke der Zentrifuge entfernt wird. Diese Ausführungsform ist insofern bevorzugt, als sich dadurch besonders homogene und wenige Poren aufweisende Schichten ausbilden. Alternativ ist aber auch die Entfernung des Suspensionsmediums durch die einzelnen Schichten bzw. durch die Innenwand der Zentrifugentrommel, die in diesem Fall mit Drainageöffnungen versehen sein muß, möglich. In diesem Fall ist auch die Auskleidung der Zentrifugentrommel mit einem zusätzlichen Filtermedium z.B. aus Filterpapier o.a. möglich.

Durch Aufteilung der gebildeten rotationssymmetrischen Grünkörper in Einzelkörper, wobei die Aufteilung zweckmäßigerweise vor dem Sintern durchgeführt wird, lassen sich auch nichtrotationssymmetrische Körper auf einfache und kostengünstige Weise herstellen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehen Körper, die einen schichtweisen Aufbau aufweisen. Zwar liegt innerhalb der einzelnen Schichten keine absolut homogene Verteilung hinsichtlich der in der verwendeten Suspension vorliegenden Korngrößen vor, jedoch kann die Mikrostruktur des aus dem hergestellten Grünkörper gebildeten Sinterformkörpers insofern als durchaus gleichmäßig und homogen bezeichnet werden, da der Körper sich aus einer Vielzahl gleicher Schichten zusammensetzt. Schichtdicken von 1 bis 50 µm haben sich als geeignet erwiesen. Es ist leicht ersichtlich, daß die Schichtdicke durch Faktoren, wie die Geschwindigkeit der Zentrifuge, den Feststoffgehalt der Suspension, die Anzahl der Injektoren und die Größe der Austrittsöffnungen beeinflußbar ist.

Eine besondere Ausführungsform des Verfahrens sieht die Einleitung unterschiedlicher Suspensionen über mehrere Injektoren vor. Dabei können beispielsweise unterschiedliche keramische Werkstoffe eingesetzt werden, um ganz gezielt einen schichtförmigen Aufbau des zu bildenden Grünkörpers aus unterschiedlichen Schichten, wobei jede Schicht wieder aus einer Vielzahl von einzelnen einheitlichen Schichten besteht, zu erzielen. Eine geeignete Ausführungsform sieht dabei die Ausbildung einer hochzähen und festen Schicht C als Mittelschicht vor, die beidseitig mit einer Haftschicht B und jeweils einer besonders harten Nutzschicht A abgedeckt ist. Zur Herstellung eines diesen Aufbau aufweisenden Körpers sind drei Injektoren erforderlich, wobei Injektor A zunächst die erste Nutzschicht A aufbringt, Injektor B anschließend die erste Haftschicht B aufbringt, Injektor C die Mittelschicht C auf die gebildete Schicht B aufträgt und daran anschließend durch die Injektoren B bzw. A die zweite Haftschicht und die zweite Nutzschicht hergestellt werden. Der aus dem Grünkörper durch Sintern hergestellte Formkörper besteht aus fünf Schichten keramischen Werkstoffs, zwei gleichen äußeren Nutzschichten, zwei gleichen Zwischenschichten und einer Mittelschicht. Die Injektoren können dabei so zugeschaltet werden, daß nach Erreichen der gewünschten einzelnen Schichtdicken die Injektoren abgeschaltet und der nächste Injektor zum Auftrag der Folgeschicht zugeschaltet wird. Der Vorteil der auf diese Weise hergestellten Sinterformkörper besteht darin, daß ein fließender Übergang zwischen den aus den einzelnen Werkstoffen bestehenden Schichten vorhanden ist, wodurch der bei schichtweise aufgebauten Keramiken vielfach beobachtete Nachteil einer durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten erzeugten thermischen Spannung verringert wird. Eine weitere Möglichkeit beim Einsatz mehrerer Injektoren besteht darin, daß bei entsprechend naher Positionierung und Ausrichtung der Injektoren innerhalb der Zentrifuge noch eine Vermischung der zugeführten Suspensionen stattfindet.

Vorzugsweise lassen sich entsprechend der Erfindung Formkörper in einer Dicke von 1 bis 10 mm herstellen. Dabei kann so verfahren werden, daß zunächst die gewünschte Zentrifugendrehzahl eingestellt, danach der Zufluß der Suspension freigegeben wird und nach Erreichen der gewünschten Dicke des rotationssymmetrischen Körpers der Zufluß der Suspension wieder abgestellt und das durch Zentrifugieren entfernbare Suspensionsmedium zum Abfluß gebracht wird. Nach Abstellen der Zentrifuge kann der gebildete rotationssymmetrische Körper gegebenenfalls nach einer zusätzlichen Zwischentrocknung, z.B. mittels Heißluft, entnommen und fertig getrocknet werden. Nach vollständig durchgeführter Trocknung kann der Grünkörper entweder als rotationssymmetrischer Körper dem Sinterprozeß zugeführt werden oder in eine Vielzahl von z.B. stabförmigen oder kubischen Körpern zerlegt und diese gegebenenfalls nach einer weiteren formgebenden Bearbeitung, z.B. durch Sägen, Schleifen etc. gebrannt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher auch ganz besonders für die Massenfabrikation von plattenförmigen Kleinbauteilen, insbesondere solchen, die eine gekrümmte Fläche aufweisen. Als Beispiel für ein solches Bauteil ist z. B. ein Kipphebelbelag für die Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors zu erwähnen, bei dem eine einseitig gekrümmte Oberfläche erwünscht ist.

In einer einfachen Ausführungsform des Verfahrens werden die Grünkörper in der gewünschten Form aus dem gebildeten rotationssymmetrischen Körper herausgearbeitet, z.B. durch Schneiden oder Sägen. Eine ganz wesentliche Vereinfachung gelingt durch den Einsatz einer Zentrifuge, an deren Innenwand Formelemente ausgebildet sind, die Bestandteil der Zentrifuge sind und die Form und Größe der Grünkörper vorbestimmen, so daß eine äußerst einfache Auftrennung in die einzelnen Grünkörper ermöglicht ist. Zur weiteren Vereinfachung kann die Zentrifugentrommel parallel zu ihrer Längsachse geteilt sein, so daß ein Aufklappen zur leichten Entnahme der Grünkörper ermöglicht wird. Vorzugsweise sind jedoch Formelemente an der Innenwand der Zentrifugentrommel angebracht, d.h. solche Formelemente, die entsprechend der Form der Grünkörper austauschbar sind und zur Entnahme der Grünkörper aus der Trommel entnommen werden können. In den Formelementen angebrachte Trennstege ermöglichen dabei eine leichte Aufteilung in die einzelnen Grünkörper. Verlaufen diese Trennstege waagerecht, entstehen ringförmige Grünkörper, wie z.B. Kolbenringe. Durch die Gestalt der Formelemente, z.B. mit einer ebenen - der Innenwand der Schleudertrommel zugewandten - rückseitigen Fläche können auch kubische Grünkörper hergestellt werden. Eine weitestgehende Anpassung der Formelemente an die Endform des gebrannten Formkörpers bewirkt eine Minimierung der anfallenden Nachbearbeitung. Eine wesentliche Arbeitserleichterung erfolgt durch den Einsatz eines vorzugsweise aus Polyamid gebildeten Formnestes, das zur einfacheren Herausnahme der gebildeten Grünkörper entlang einer oder mehrerer gedachter, im rechten Winkel durch die Längsachse (Mittelachse) verlaufenden Linien z.B. zwei- oder dreigeteilt sein kann. Als vorteilhaft hat sich eine konische Ausbildung der Zentrifugentrommel erwiesen, wobei der kleinere Durchmesser sich am Trommelboden befindet und eine Ausbildung des Formnestes in gleicher Weise, wobei sein Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Schleudertrommel entspricht. Der Innenraum des Formnestes ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.

Unter den in Patentansprüchen und Beschreibung verwendeten Begriff "rotationssymmetrischer Körper" ist auch ein solcher Körper zu verstehen, der bei Durchführung des Verfahrens unter Zuhilfenahme von an der Innenwand der Schleudertrommel ausgebildeten oder angebrachten Trennstege aufweisenden Formelementen hergestellt wird.

Beispiel

Einer wäßrigen Al₂O₃-Suspension mit einem D₅₀-Wert (Medianwert) von 1,3 µm und einem Feststoffgehalt von 66 Gew.-%, die 0,25 Gew.-% Magnesiumoxid als Sinterhilfsmittel enthält, wird 1 Gew.-% feinstdispergiertes Polyvinylacetat als temporäres Bindemittel zugesetzt.

Die Suspension wird mittels eines Zuleitungsrohres und eines einen Längsschlitz aufweisenden ortsfest gelagerten Injektors in eine Zentrifuge, deren Trommel einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Höhe von 200 mm aufweist, gepumpt, so daß die aus dem Injektor austretende Suspension gleichmäßig auf die Innenwand eines in die Trommel eingesetzten Formnestes trifft. Die Zentrifuge wird mit einer Zentrifugalbeschleunigung von 1000 g betrieben. Während sich der Körper innerhalb des Formnestes bildet, wird das über der gebildeten Schicht stehende Wasser an Trommelboden und -decke zum Abfluß gebracht. Nach Ausbildung einer Wandstärke von 3,5 mm wird der Zufluß der Suspension gestoppt. Das gegebenenfalls über dem Trommelboden stehende Wasser wird abgeleitet und zur Entfernung des noch im gebildeten Grünkörper befindlichen Suspensionsmediums ein Warmluftstrom in die Zentrifuge geleitet. Nach einer Trockenzeit von 2 h bei 50°C war der gebildete Grünkörper geringfügig geschrumpft und wies eine genügende Festigkeit zur Entnahme des Formnestes aus der Schleudertrommel auf. Nach Entfernen des temporären Bindemittels wurden die Grünkörper bei 1650°C 3 h gebrannt. Sie wiesen eine Dichte von 3,967 g/cm³ und eine Porosität < 0,5% auf.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung von durch Sintern in feste Formkörper überführbaren Grünkörpern

- aus einer Feststoffteilchen eines sinterfähigen Pulvers oder einer Pulvermischung enthaltenden Suspension,
- die mittels zumindest eines Injektors, aufweisend ein Zuleitungsrohr und zumindest eine Austrittsöffnung in eine Zentrifuge eingeleitet wird, wobei die Austrittsöffnung auf die Innenwand der Zentrifuge gerichtet ist,
- schichtförmiges Abscheiden der Feststoffteilchen in Form eines rotationssymmetrischen Grünkörpers auf der Innenwand der Zentrifuge,
- Entfernung des Suspensionsmediums, aus der gebildeten Schicht mittels Zentrifugalkraft und Ableitung des Suspensionsmediums, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Injektor nicht rotierend ausgebildet ist oder
b) mit einer gegenüber der Zentrifuge unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit im gleichen oder gegenläufigen Drehsinn rotiert oder
c) mit gleicher Geschwindigkeit wie die Zentrifuge aber im gegenläufigen Drehsinn rotiert,
d) die Suspension mit einem zur Ausbildung einer gleichmäßigen Schicht auf der Innenwand ausreichenden Sprühstrahl durch die Austrittsöffnung(en) gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Zentrifuge und des Injektors sowie die Menge der durch die Austrittsöffnung(en) gepreßten Suspension so eingestellt werden, daß je Umdrehung der Zentrifuge eine Schicht mit einer Dicke von 1 bis 50 µm gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke das 1- bis 50fache der mittleren Korngröße beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension einen Feststoffgehalt von 5 bis 60 Vol.-% aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension einen Feststoffgehalt von 10 bis 35 Vol.-% aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Injektoren zur Einleitung der Suspension verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Injektoren zur Einleitung unterschiedlicher Suspensionen verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium ohne, daß es durch die sich auf der Innenwand der Zentrifuge bildenden Schichten des Grünkörpers hindurchgedrückt wird, aus der Schleudertrommel entfernt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Grünkörper vor dem Sintern aufgeteilt wird.

10. Zentrifuge zur Ausbildung von rotationssymmetrischen Grünkörpern aus sinterfähiges Pulver oder Pulvermischungen enthaltenden Suspensionen

- mit zumindest einem Injektor, aufweisend ein Zuleitungsrohr und zumindest eine auf die Innenwand der Zentrifuge gerichtete Austrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Injektor nicht mitrotierend oder
b) mit einer gegenüber der Zentrifuge unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit im gleichen oder gegenläufigen Drehsinn rotierend oder
c) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie die Zentrifuge aber im gegenläufigen Drehsinn rotierend ausgebildet ist,
d) daß als Austrittsöffnung(en) des Injektors eine oder mehrere Sprühdüsen zur Erzeugung einer gleichmäßigen Schicht auf der Innenwand dienen,
e) dem Zuleitungsrohr eine Vorrichtung zur Erzeugung eines für das Versprühen der Suspension auf die Innenwand der Zentrifuge ausreichenden Druckes zugeordnet ist.

11. Zentrifuge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmitrotierende Injektor zentriert angeordnet ist.

12. Zentrifuge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor zentriert und rotierend angeordnet ist.

13. Zentrifuge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor nicht zentriert und nicht mitrotierend angeordnet ist.

14. Zentrifuge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nicht zentriert angeordnete und nicht mitrotierend angebildete Injektoren vorgesehen sind.

15. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand der Zentrifuge Formelemente zur Formgebung des Grünkörpers vorgesehen sind.

16. Zentrifuge nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Formelementen Trennstege zur Aufteilung des rotationssymmetrischen Grünkörpers in Einzelteile angebracht sind.

17. Zentrifuge nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstege im rechten Winkel zur Zentrifugenachse ausgerichtet sind.

18. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Formelemente Bestandteil eines in die Zentrifuge einsetzbaren und mit ihm arretierbaren Formnestes sind.

19. Zentrifuge nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Formnest aus einem Kunststoff besteht, der eine gute Trennwirkung gegenüber dem ausgebildeten Grünkörper aufweist.