DE3917734A1 - METHOD FOR PRODUCING CERAMIC MOLDED BODIES BY FREEZING AQUEOUS SLICKER - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING CERAMIC MOLDED BODIES BY FREEZING AQUEOUS SLICKERInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochdichten keramischen Formkörpern, bei dem aus keramischem oder metallischem Pulver, Hilfsstoffen und Wasser ein Schlicker hergestellt wird, der wäßrige Schlicker in eine Form gegossen und darin gefroren wird, der gefrorene Gießling aus der Form entfernt, getrocknet und gesintert wird.The invention relates to a method for producing high-density ceramic moldings, in which made of ceramic or metallic powder, auxiliaries and water Slurry is produced, the aqueous slip in a The mold is poured and frozen in it, the frozen one Casting is removed from the mold, dried and sintered.
Eine Voraussetzung für die weitere Verbreitung von keramischen Bauteilen im Bereich der Funktions- und Ingenieurkeramik ist die wirtschaftliche Herstellung großer Stückzahlen. Es ist dabei besonders wichtig, daß bei der Formgebung eine hohe Endkonturnähe erreicht wird, da einerseits die Bearbeitung im ungesinterten Zustand in der Regel wegen der nicht ausreichenden Festigkeit der Grünkörper sehr schwierig ist, und andererseits die Bearbeitung im gesin terten Zustand wegen der extrem hohen Härte der keramischen Werkstoffe mit Diamantwerkzeugen sehr aufwendig und ent sprechend kostenintensiv ist.A prerequisite for the further spread of ceramic Components in the field of functional and engineering ceramics is the economical production of large quantities. It is particularly important that the shape a close proximity to the final contour is achieved because on the one hand the Processing in the unsintered state usually because the insufficient strength of the green bodies is difficult, and on the other hand the processing in the Gesin tter condition due to the extremely high hardness of the ceramic Materials with diamond tools are very complex and ent speaking is costly.
als standardisierte Formgebungsverfahren werden, teilweise auch schon automatisiert, das axiale Pressen, das kaltiso statische Pressen, das Heißpressen oder auch das heißiso statische Pressen angewendet. Mit diesen Verfahren lassen sich jedoch nur geometrisch einfache Formkörper herstellen, und die Verfahren sind relativ kostenintensiv.as standardized shaping processes, in part already automated, axial pressing, cold iso static pressing, hot pressing or hot iso static presses applied. Leave with these procedures however, only geometrically simple molded articles are produced, and the procedures are relatively expensive.
Komplexere Formkörper, wie z.B. Turboladerrotoren, können mit dem Spritzgußverfahren hergestellt werden. Nachteilig an diesem Verfahren sind jedoch die sehr hohen Werkzeug kosten, die insbesondere bei Hinterschneidungen am Form körper zu vielteiligen und entsprechend aufwendigen Formen führen. Ein weiterer Nachteil ist der hohe abrasive Angriff, der durch die keramischen Massen mit hohem Feststoffgehalt an den Spritzgußmaschinenteilen, wie Schnecke und Zylinder, und an den Formen selbst auftritt und durch entsprechende Härtungen oder Schutzschichten minimiert werden muß. Problematisch ist außerdem der hohe Zeitaufwand für das Entwachsen, d.h. die Entfernung der den keramischen Massen zugesetzten Plastifizierer. Je nach Bauteilgröße können dazu mehrere Wochen notwendig sein.More complex moldings, e.g. Turbocharger rotors, can be produced with the injection molding process. Disadvantageous However, the tools are very high in this process cost, especially with undercuts on the shape body in many parts and correspondingly complex shapes to lead. Another disadvantage is the high abrasive attack, due to the ceramic masses with high solids content on the injection molding machine parts, such as screw and cylinder, and occurs on the forms themselves and by appropriate ones Hardening or protective layers must be minimized. Another problem is the high expenditure of time for that Dewax i.e. the removal of the ceramic Bulk plasticizers added. Depending on the component size This may take several weeks.
Diese Nachteile weist das aus der klassischen Keramik bekannte Schlickergußverfahren nicht auf, da die Schlicker auf wäßriger Basis hergestellt werden. Der Verschleiß der Werkzeuge ist wegen der niedrigen Viskositäten und Scherraten deutlich niedriger. Beim klassischen Schlickergußverfahren wird der wäßrige Schlicker in eine Gipsform gegossen. Durch die Kapillarkräfte des Gipses wird dem Schlicker Wasser entzogen, bis aus der Gipsform ein lederharter Grünkörper entnommen werden kann. Mit dem Hohlgußverfahren können größere Formkörper nur mit konstanter Wandstärke hergestellt werden. Kleinere Formkörper sind im Vollgußver fahren herstellbar, wobei die Scherbenbildungszeit allerdings mit dem Quadrat der Scherbendicke zunimmt. Die Gipsformen besitzen darüberhinaus nur eine begrenzte Lebensdauer, je nach Schlickerart zwischen 5 und 100 Abformungen, und müssen nach jedem Gießvorgang kontrolliert getrocknet werden.This has the disadvantages of classic ceramics known slip casting process is not due to the slip be produced on an aqueous basis. The wear of the Tools is because of the low viscosities and shear rates clearly lower. With the classic slip casting process the aqueous slip is poured into a plaster mold. Due to the capillary forces of the gypsum, the slip Removed water until a hard leather from the plaster mold Green body can be removed. With the hollow casting process can only produce larger moldings with a constant wall thickness getting produced. Smaller moldings are in full casting drive producible, but the body formation time increases with the square of the body thickness. The plaster molds also have a limited lifespan, each between 5 and 100 impressions, depending on the type of slip be dried in a controlled manner after each pouring process.
Um diese Nachteile zu beseitigen und den Gießling ohne Beschädigung aus der Form zu entfernen, ist bereits vorge schlagen worden, den Schlicker in den Formen zu frieren, den gefrorenen Gießling aus der Form zu entfernen und anschließend zu trocknen. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr, daß sich beim Frieren größere Eiskristalle bilden, die beim Trocknen zu großen Poren führen, die die Festigkeit und Gleichförmigkeit des gesinterten Formkörpers verschlechtern und zu Fehlern im Formkörper führen. Zur Verhinderung der Bildung größerer Eiskristalle sind bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden.To eliminate these disadvantages and the casting without Removing damage from the mold is already done been proposing to freeze the slurry in the molds remove the frozen casting from the mold and then dry. This procedure exists however, there is a risk that larger ice crystals will form when freezing form, which lead to large pores when drying, which the Strength and uniformity of the sintered molded body deteriorate and lead to defects in the molded body. To Prevention of the formation of larger ice crystals are already various measures have been proposed.
In der DE-A-32 11 083 wird ein Gefriergießverfahren beschrieben, bei dem der Gießmasse Wasserstoff bindende Stoffe, wie z.B. n-Propylsulfoxid, Triethanolamin, Harnstoff, Dimethylsulfoxid und andere zugesetzt werden. Diese Zusätze sollen ein Gefrieren des Wassers in Form sehr kleiner Kristalle ermöglichen.DE-A-32 11 083 describes a freeze casting process in which the casting compound hydrogen-binding substances, such as e.g. n-propyl sulfoxide, triethanolamine, urea, Dimethyl sulfoxide and others can be added. These Additives are said to freeze the water very much in the form enable small crystals.
In der EP-B-00 16 971 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Aufschlämmung ein gefrierempfindliches kolloidales, keramisches Sol, insbesondere Kieselsol, das bevorzugt mit Lithiumionen stabilisiert ist, zugesetzt wird, die Auf schlämmung nach dem Einbringen in die Form stark unter kühlt und gefroren wird. Um die Unterkühlung und das im wesentlichen augenblickliche Gefrieren zu erreichen, wird die Form vor dem Einbringen der Aufschlämmung mit einer hydrophoben Flüssigkeit behandelt, so daß die Form beim Einfüllen der Aufschlämmung noch feucht ist, und die gefüllte Form wird dann in ein Kühlmedium eingebracht. Form und Kühl medium sollen eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Bei diesem Verfahren werden Aufschlämmungen mit sehr hoher Viskosität eingesetzt.EP-B-00 16 971 describes a method in which that of the slurry is a freeze-sensitive colloidal ceramic sol, especially silica sol, preferably with Lithium ion is stabilized, is added on slurry after placing in the mold heavily under cools and freezes. To hypothermia and that in to achieve substantial instant freezes the shape before applying the slurry with a treated hydrophobic liquid, so that the shape when Filling the slurry is still damp, and the filled one The mold is then placed in a cooling medium. Shape and cool medium should have a high thermal conductivity. With this Processes are slurries with very high viscosity used.
Der Zusatz keimbildender Stoffe bei den eben beschriebenen Verfahren ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Die Stoffe müssen anschließend in einem gesonderten Schritt vor dem Sintern entfernt werden oder verbleiben, wie im Fall des Kieselsols, als unerwünschte Komponenten im keramischen Formkörper. Insbesondere zur Herstellung von Formkörpern aus nichtoxidischen Keramikmaterialien kommen die im Formkörper verbleibenden Zusätze nicht in Frage.The addition of nucleating substances to those just described However, the process has disadvantages. The fabrics must then in a separate step before Can be removed or remain, as in the case of Kieselsols, as undesirable components in the ceramic Molded body. In particular for the production of moldings made of non-oxide ceramic materials Molded additives remaining out of the question.
Aus der EP-A-01 61 494 ist ein Verfahren bekannt, bei dem einem keramischen Pulver eine Binderflüssigkeit, insbesondere Wasser, zugesetzt wird, die Mischung in eine Form gefüllt wird, unter Druck geformt, schnell gekühlt, aus der Form entfernt, getrocknet und dann gesintert wird. Da die Form gebung bei diesem Verfahren durch Spritzguß, Formpressen oder eine andere Technik, bei der Druck auf das in der Form befindliche Material ausgeübt wird, erfolgen muß, ist das Verfahren kostenintensiv.From EP-A-01 61 494 a method is known in which a ceramic powder, a binder liquid, in particular Water is added to the mixture filled in a mold is molded under pressure, cooled quickly, from the mold is removed, dried and then sintered. Because the shape in this process by injection molding, compression molding or some other technique when printing on that in the mold existing material is exercised, must be done Procedures costly.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, das sich wirtschaft lich durchführen läßt, keine keimbildende Zusätze zur Verhinderung der Bildung dendritischer Eiskristalle erfor dert, und die Herstellung von Formkörpern mit hoher Gleich förmigkeit und guten Festigkeitseigenschaften sowie komplexer Gestalt ermöglicht.The object of the present invention is to create a Process of the type mentioned, which is economically Lich can be carried out, no nucleating additives Prevent the formation of dendritic ice crystals dert, and the production of moldings with high equal shape and good strength properties as well complex shape.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.This object is achieved by that specified in claim 1 Procedure solved.
Es wurde gefunden, daß ein übermäßiges Eiskristallwachstum während des Gefrierschrittes auch ohne keimbildende Zusätze verhindert werden kann, wenn der Gießling mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit gefroren wird. Vorzugsweise wird der Gießling innerhalb von 60 s und besonders bevorzugt innerhalb von 20 s gefroren.Excessive ice crystal growth was found during the freezing step even without nucleating additives can be prevented if the casting with a high Cooling rate is frozen. Preferably the Casting within 60 s and particularly preferably within frozen from 20 s.
Um eine hohe Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen, werden bevorzugt Formen aus einem Material mit hoher Wärmeleit fähigkeit verwendet, die vorzugsweise mindestens 200 W/(m · K) beträgt. Bevorzugte Materialien sind z.B. Aluminium, Kupfer und Messing. Wenn die Formen aus Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit bestehen, werden sehr dünnwandige Formen verwendet. Ferner können, um eine hohe Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen, die mit dem Schlicker gefüllten Formen in einer Umgebung mit sehr niedriger Temperatur, z.B. im Kälte raum eines Kryostaten oder in direktem Kontakt mit dem Kühlmedium eines Kryostaten, gekühlt werden. Es ist auch möglich, die Formen bereits vor dem Einfüllen des wäßrigen Schlickers auf eine tiefe Temperatur vorzukühlen. Die jeweils angewandte Kühlmethode richtet sich nach der Größe und Gestalt des Formkörpers.In order to achieve a high cooling rate prefers molds made of a material with high thermal conductivity ability that is preferably at least 200 W / (m · K) is. Preferred materials are e.g. Aluminum, copper and brass. If the molds are made of lower materials Thermal conductivity exist, become very thin-walled shapes used. Furthermore, to a high cooling rate to achieve the forms filled with the slip a very low temperature environment, e.g. in the cold room of a cryostat or in direct contact with the Cooling medium of a cryostat to be cooled. It is also possible the forms before filling the aqueous Pre-cool the slip to a low temperature. The the cooling method used depends on the size and shape of the molded body.
Zur Herstellung von Formkörpern mit sehr kleinem Volumen kann der wäßrige Schlicker in eine Form mit Raumtemperatur gegossen werden und die Form dann in einen Kälteraum gestellt werden. Bei größeren Formkörpern wird die Form vorgekühlt und nach dem Einfüllen des Schlickers in einen Kälteraum gestellt. Wenn die Form eine ausreichende Wandstärke auf weist, und der Gießling relativ klein ist, kann das Ein bringen in einen Kälteraum entfallen, da die Wärmekapazität der Form dann ausreicht, den Gießling genügend schnell zu frieren. DiesesVerfahren ist jedoch nicht zur Herstellung von Formkörpern mit stark unterschiedlichen Wandstärken geeignet, da dann die Gefahr besteht, daß die dünnwandigen Teile frühzeitig gefrieren und dadurch eine vollständige Füllung der Form verhindern.For the production of moldings with a very small volume the aqueous slip can be in a mold at room temperature be poured and then put the mold in a cold room will. In the case of larger moldings, the mold is pre-cooled and after filling the slip into a cold room posed. If the shape has sufficient wall thickness points, and the casting is relatively small, the one bring in a cold room account for the heat capacity the shape is then sufficient to close the casting quickly enough freeze. However, this method is not for manufacturing of moldings with very different wall thicknesses suitable, because then there is a risk that the thin-walled Freeze parts early and thereby complete Prevent filling of the mold.
Zur Herstellung von Formkörpern mit komplexer Gestalt, wie z.B. Turboladerrotoren, ist es am geeignetsten, eine Form mit Raumtemperatur zu verwenden, diese gegebenenfalls zu entlüften und den wäßrigen Schlicker unter Vakuum einzu füllen. Die Form wird dann vorzugsweise in das Kältemittel einen Kryostaten eingetaucht, um durch den verbesserten Wärmeübergang eine genügend schnelle Abkühlung zu erreichen. In diesem Fall muß die Form gegen das Eindringen des Kälte mittel geschützt sein.For the production of moldings with a complex shape, such as. Turbocharger rotors, it is most suitable one Use mold at room temperature, if necessary to deaerate and the aqueous slip under vacuum to fill. The mold is then preferably in the refrigerant a cryostat immersed to get through the improved Heat transfer to achieve a sufficiently rapid cooling. In this case, the mold must prevent the ingress of cold be protected.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren enthält der wäßrige Schlicker keine keimbildenden Zusätze zur Verhinderung der Bildung dendritischer Eiskristalle. Vielmehr wird die Bildung dendritischer Eiskristalle allein durch die hohe Abkühl geschwindigkeit erreicht. Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper weisen somit keine großen Poren auf, die die Festigkeit herabsetzen. Dem wäßrigen Schlicker können ggf. Dispergiermittel, Binder, Kohlenstoffquelle und/oder Sinter hilfsmittel zugesetzt werden. Als Dispergiermittel und Binder kommen die üblicherweise in der technischen Keramik verwendeten Stoffe in Frage. Sofern Siliciumcarbid-Form körper hergestellt werden, können Binder verwendet werden, die nicht nur die Festigkeit des getrockneten Grünlings erhöhen, sondern gleichzeitig als Kohlenstoffquelle dienen, um die den Siliciumcarbid-Primärpulverteilchen anhaftenden Siliciumdioxid-Schichten beim Sintern zu reduzieren. Geeig nete Binder für diesen Zweck sind z.B. Phenol-Formaldehyd- Resole. Zur Herstellung von reaktionsgesinterten Silicium carbid-Formkörpern werden dem wäßrigen Schlicker zusätzlich als Kohlenstoffquelle Ruß und/oder Graphit zuge setzt. Um Formkörper aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid drucklos sintern zu können, werden dem wäßrigen Schlicker Sinterhilfsmittel, wie z.B. Y 2O3, Al2O3, B u.s.w., zugesetzt.In the process according to the invention, the aqueous slip does not contain any nucleating additives to prevent the formation of dendritic ice crystals. Rather, the formation of dendritic ice crystals is achieved solely through the high cooling rate. The moldings produced according to the invention thus have no large pores which reduce the strength. If necessary, dispersants, binders, carbon sources and / or sintering aids can be added to the aqueous slip. The substances normally used in technical ceramics are suitable as dispersants and binders. If silicon carbide moldings are produced, binders can be used which not only increase the strength of the dried green body, but also serve as a carbon source in order to reduce the silicon dioxide layers adhering to the silicon carbide primary powder particles during sintering. Suitable binders for this purpose are, for example, phenol-formaldehyde resols. To produce reaction-sintered silicon carbide moldings, carbon black and / or graphite is additionally added to the aqueous slip as a carbon source. In order to be able to sinter molded articles made of silicon carbide or silicon nitride without pressure, sintering aids, such as, for example, Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , B, etc., are added to the aqueous slip.
Als keramische Pulver können beim erfindungsgemäßen Verfahren z.B. Al2O3, 3A12O3×2SiO2, Al2TiO4, ZrO2, SiC und Si3N4 ver wendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbeson dere für die beiden letzteren keramischen Werkstoffe geeig net. Zur Herstellung von reaktionsgebundenen Siliciumnitrid- Formkörpern wird als metallisches Pulver Silicium verwendet.As ceramic powders, for example Al 2 O 3 , 3A1 2 O 3 × 2SiO 2 , Al 2 TiO 4 , ZrO 2 , SiC and Si 3 N 4 can be used in the process according to the invention. The method according to the invention is particularly suitable for the latter two ceramic materials. Silicon is used as the metallic powder for producing reaction-bonded silicon nitride moldings.
Das keramische oder metallische Pulver kann auf übliche Weise aufbereitet werden, d.h. in einem Lösungsmittel ggf. unter Zusatz von Sinterhilfsmittel und/oder Kohlenstoffquelle aufgemahlen, gesiebt und getrocknet werden. Anschließend wird aus dem konditionierten Pulver der wäßrige Schlicker ggf. unter Zusatz von Binder und/oder Dispergiermittel her gestellt. Wenn zur Aufbereitung des keramischen oder metallischen Pulvers Wasser verwendet wird, können Aufbereitung und Her stellung des wäßrigen Schlickers in einem Schritt erfolgen, wobei die ggf. verwendeten Zusätze gleich zugegeben werden.The ceramic or metallic powder can be used in the usual way be processed, i.e. in a solvent, if necessary Add sintering aid and / or carbon source ground, sieved and dried. Subsequently becomes the aqueous slurry from the conditioned powder if necessary with the addition of binder and / or dispersant posed. When processing ceramic or metallic Powder water used can be treatment and fro position of the aqueous slip in one step, where the additives used are added immediately.
Der wäßrige Schlicker weist eine Viskosität von 5 bis 500 mPa×s und vorzugsweise von 10 bis 200 mPa×s auf. Nach der Homogenisierung hat der wäßrige Schlicker in der Regel einen Feststoffgehalt von 30 bis 70 Vol.-% und bevorzugt von 45 bis 65 Vol.-%.The aqueous slip has a viscosity of 5 to 500 mPa × s and preferably from 10 to 200 mPa × s. To The aqueous slip generally has homogenization a solids content of 30 to 70 vol .-% and preferred from 45 to 65 vol%.
Der wäßrige Schlicker wird vorzugsweise vor dem Einfüllen in die Form entgast. In bestimmten Fällen ist es bevorzugt, die Form vor dem Einfüllen des wäßrigen Schlickers zu ent lüften und den wäßrigen Schlicker unter Vakuum einzufüllen. In Abhängigkeit von der Gestalt des Formkörpers kann es vorteilhaft sein, auf die Oberflächen der Form, die mit dem wäßrigen Schlicker in Berührung kommen, ein Trennmittel, z.B. ein handelsübliches Vakuumfett, aufzutragen, um das Entformen zu erleichtern.The aqueous slip is preferably used before filling degassed into the mold. In certain cases it is preferred to remove the mold before filling the aqueous slip ventilate and fill in the aqueous slip under vacuum. Depending on the shape of the molded body, it can be advantageous on the surfaces of the mold that with the come into contact with aqueous slip, a release agent, e.g. a commercial vacuum grease to apply to the To facilitate demolding.
Nach dem Frieren wird der gefrorene Gießling entformt. Die anschließende Trocknung erfolgt je nach Art und Gestalt des Formkörpers in einem Trockenschrank, Klima schrank, Mikrowellengerät oder einer Gefriertrockungs anlage. Auf jeden Fall ist dafür zu sorgen, daß die Feuchtigkeit beim Auftauen des Gießlings ausreichend schnell abgeführt wird. Bevorzugt wird das Gefriertrocknen angewandt.After freezing, the frozen casting is removed from the mold. The subsequent drying takes place depending on the type and Shape of the molded body in a drying cabinet, climate cabinet, microwave oven or a freeze dryer investment. In any case, it must be ensured that the Sufficient moisture when thawing the casting is dissipated quickly. Freeze-drying is preferred applied.
Sofern ein Binder enthalten ist, kann dieser vor dem Sinterschritt aus dem Formkörper entfernt werden. Der Formkörper wird dann nach üblichen Verfahren gesintert. Der Begriff "Sintern" soll nicht nur Verdichtung und Verfestigung des Formkörpers durch Temperaturbehandlung mit oder ohne Druck sondern auch das Reaktionssintern umfassen, bei dem die keramische Substanz beim Sintern gebildet wird bzw. flüssiges Silicium infiltriert wird. Zur Herstellung von reaktionsgesinterten Siliciumcarbid- Formkörpern wird in bekannter Weise ein Silicierbrand vorgenommen, bei dem flüssiges Silicium in den Formkörper eindringt und mit dem Kohlenstoff unter Bildung von neuem Siliciumcarbid reagiert. Zur Herstellung von reaktionsgebun denen Siliciumnitrid-Formkörpern wird in bekannter Weise in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, wobei der Stickstoff mit dem Silicium unter Bildung von Siliciumnitrid reagiert.If a binder is included, this can be done before Sintering step can be removed from the molded body. The Shaped body is then sintered using conventional methods. The term "sintering" is not only meant to be compression and Solidification of the molded body through temperature treatment with or without pressure but also reaction sintering include where the ceramic substance during sintering is formed or liquid silicon is infiltrated. For the production of reaction sintered silicon carbide Shaped bodies become a silicon firing in a known manner made with the liquid silicon in the molded body penetrates and with the carbon forming new Silicon carbide reacts. For the production of reactive bundles which is shaped silicon nitride in a known manner burned in a nitrogen atmosphere, the nitrogen reacts with the silicon to form silicon nitride.
Die gefriergegossenen Formkörper weisen nach der Sinterung vergleichbare Festigkeiten, Dichten und eine identische Gefügemorphologie wie isostatisch gepreßte Formkörper auf.The freeze-molded articles show after sintering comparable strengths, densities and an identical Structure morphology such as isostatically pressed molded bodies.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Beispiele und Figuren näher erläutert.In the following the invention is illustrated by the examples and Figures explained in more detail.
In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:
Fig. 1 ein nach Beispiel 2 hergestelltes Ventil,A valve produced according to Example 2, Fig. 1,
Fig. 2 einen nach Beispiel 3 hergestellten Ring und Fig. 2 is a ring prepared according to Example 3 and
Fig. 3 eine nach Beispiel 4 hergestellte Schweißdüse. Fig. 3 is a welding nozzle manufactured according to Example 4.
Eine Mischung aus 88 Gew.-% Si3N4 sowie 10 Gew.-% Y2O3 und 2 Gew.-% Al2O3 als Sinterhilfsmittel wurde 2 h in Isopropanol gemahlen, gesiebt (20µm) und in einem Rotations verdampfer getrocknet. Das trockene Granulat wurde erneut gesiebt (320µm). In einem Rührgefäß wurde ein wäßriger Schlicker aus 24,8 Gew.-% Wasser, 0,2 Gew.-% Ammoniumsalz einer Polyacrylsäure (Dolapix CA®) als Dispergiermittel, 3,0 Gew.-% Esterwachs (KST-Wachs®) als Binder und Rest Granulat hergestellt. Durch die Verwendung eines durch sichtigen Rührgefäßes konnte ohne Gefahr des Überlaufens auch bei stark schäumenden Schlickern eine kontrollierte Entgasung erfolgen.A mixture of 88% by weight of Si 3 N 4 and 10% by weight of Y 2 O 3 and 2% by weight of Al 2 O 3 as sintering aid was ground in isopropanol for 2 hours, sieved (20 μm) and evaporated in a rotary evaporator dried. The dry granules were sieved again (320 µm). An aqueous slip of 24.8% by weight of water, 0.2% by weight of ammonium salt of a polyacrylic acid (Dolapix CA®) as a dispersing agent, 3.0% by weight of ester wax (KST-Wachs®) as Binder and rest of the granulate produced. By using a transparent mixing vessel, controlled degassing was possible without risk of overflowing even with foaming slips.
Eine Aluminiumform (Wärmeleitfähigkeit 240 W/(m×K) mit einer Wandstärke von 1 mm wurde für die Herstellung von Rohren mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 300 mm mit dem Schlicker gefüllt und anschließend im Kälteraum eines Kryostaten (-95°C) gefroren. Nach 60 s wurde der Gießling entformt und in einer Gefriertrocknungsanlage getrocknet. Der Binder wurde anschließend in einem Kammerofen an Luft bei Temperaturen bis zu 500°C entfernt. Die Sinterung der Rohre erfolgte im Temperaturbereich zwischen 1600 und 1800°C drucklos in Stickstoffatmosphäre.An aluminum mold (thermal conductivity 240 W / (m × K) with a wall thickness of 1 mm was used for the production of Pipes with an outer diameter of 20 mm, one Inside diameter of 10 mm and a length of 300 mm with filled the slip and then one in the cold room Frozen cryostats (-95 ° C). After 60 s the casting became removed from the mold and dried in a freeze dryer. The binder was then exposed to air in a chamber furnace removed at temperatures up to 500 ° C. The sintering of the Pipes were made in the temperature range between 1600 and 1800 ° C without pressure in a nitrogen atmosphere.
Die Rohre hatten nach der Sinterung einen Außendurchmesser von 14,8 mm, einen Innendurchmesser von 7,4 mm und eine Länge von 228 mm. Die Nachbehandlung der Rohre beschränkte sich auf kurzzeitiges Schleifen und Nachpolieren. Das Gefüge der Rohre war homogen und feinkörnig (Kristallit größe < 5µm). Aus den Rohren hergestellte Biegeproben ergaben bei einer Dichte von 98,5% der theoretischen Dichte eine 4-Punkt -Biegebruchfestigkeit von 750 MPa.The tubes had an outer diameter after sintering of 14.8 mm, an inner diameter of 7.4 mm and one Length of 228 mm. Post-treatment of the pipes was limited short-term grinding and polishing. The The structure of the pipes was homogeneous and fine-grained (crystallite size <5µm). Bending samples made from the tubes resulted in a density of 98.5% of the theoretical Density a 4-point flexural strength of 750 MPa.
Die Aufbereitung der keramischen Masse und die Herstellung des wäßrigen Schlickers erfolgte wie in Beispiel 1. Eine dickwandige Gießform aus Kupfer (Wärmeleitfähigkeit 400 W/ (m×K)) mit einer Wandstärke von 10 mm wurde in einem Kryostaten auf -70°C vorgekühlt. Nach dem Einfüllen des Schlickers wurde der gefrorene Gießling nach 30 s entformt. Die Trocknung erfolgte in einem Klimaschrank bei Temperaturen zwischen -10 und +80°C und relativen Luftfeuchtigkeiten zwischen 80 und 20%. Nach dem Entwachsen an Luft bei 500°C wurde das Ventil wie in Beispiel 1 gesintert und nachbear beitet. Das fertige Ventil (Fig. 1) verfügte über vergleich bare Werkstoffeigenschaften wie in Beispiel 1.The preparation of the ceramic mass and the preparation of the aqueous slip were carried out as in Example 1. A thick-walled casting mold made of copper (thermal conductivity 400 W / (m × K)) with a wall thickness of 10 mm was precooled to -70 ° C. in a cryostat. After filling in the slip, the frozen casting was removed from the mold after 30 s. The drying took place in a climatic cabinet at temperatures between -10 and + 80 ° C and relative air humidity between 80 and 20%. After dewaxing in air at 500 ° C, the valve was sintered and processed as in Example 1. The finished valve ( Fig. 1) had comparable material properties as in Example 1.
Als Ausgangsmaterial wurde handelsübliches α-SiC-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche < 10 m2/g und einer mittleren Korngröße < 1µm verwendet. Das Pulver wurde mit 0,4 Gew.-% B als Sinterhilfsmittel und 4,0 Gew.-% eines wäßrigen Phenol- Formaldehyd-Resols in einer laborüblichen Planetenkugelmühle wäßrig homogenisiert. Der Schlicker wurde abgesiebt und ent gast und besaß vor dem Vergießen einen Feststoffgehalt von 71 Gew.-%.Commercial α- SiC powder with a specific surface area <10 m 2 / g and an average grain size <1 µm was used as the starting material. The powder was homogenized with 0.4% by weight of B as a sintering aid and 4.0% by weight of an aqueous phenol-formaldehyde resole in a laboratory planetary ball mill. The slip was sieved and degassed and had a solids content of 71% by weight before casting.
Der Schlicker wurde in eine Ringform (25°C) aus Messing (Wärmeleitfähigkeit 200 W/(m×K)) mit einer Wandstärke von 0,5 mm vergossen, in direkten Kontakt mit dem Kühlmedium eines Kryostaten (-65°C) gebracht und nach 60 s entformt. Zur Verbesserung der Entformbarkeit war die Messingober fläche vorher mit einem Siliconfett bestrichen worden. Die Trocknung erfolgte im Gefriertrockner (24 h). Die Gießhaut an der Oberseite des Ringes wurde im Grünzustand entfernt und anschließend der Ring unter Ar bei 2100°C drucklos gesintert. Die Schwindung betrug 23%. Nach dem Sintern erfolgte ein kurzzeitiges Schleifen und Polieren. Der fertige Ring ist in Fig. 2 dargestellt. Die 4-Punkt- Biegebruchfestigkeit betrug 390 MPa bei einer erzielten Dichte von 97,2% der theoretischen Dichte. Das Gefüge war feinkörnig bei einer Kristallitgröße < 5µm.The slip was cast into a ring shape (25 ° C) made of brass (thermal conductivity 200 W / (m × K)) with a wall thickness of 0.5 mm, brought into direct contact with the cooling medium of a cryostat (-65 ° C) and demolded after 60 s. To improve the mold release, the brass surface had previously been coated with a silicone grease. Drying was carried out in the freeze dryer (24 h). The casting skin on the top of the ring was removed in the green state and the ring was then sintered under Ar at 2100 ° C. without pressure. The shrinkage was 23%. After sintering, there was a brief grinding and polishing. The finished ring is shown in Fig. 2. The 4-point bending strength was 390 MPa with a density of 97.2% of the theoretical density. The structure was fine-grained with a crystallite size <5 µm.
Die Aufbereitung und Herstellung des wäßrigen Schlickers erfolgte wie in Beispiel 3. Der konditionierte Schlicker wurde in eine Form aus Polytetrafluorethylen mit einer Wandstärke von 0,2 mm gegossen, in direkten Kontakt mit dem Kühlmedium eines Kryostaten (-65°C) gebracht und nach 90 s entformt. Die Trockung im Klimaschrank erfolgte wie in Beispiel 2, Sinterung und Nachbearbeitung entsprechend Beispiel 3. Die hergestellte Schweißdüse besaß danach die in Fig. 3 gezeigte Form und hatte vergleichbare Werkstoff eigenschaften wie der Ring in Beispiel 3.The aqueous slip was prepared and prepared as in Example 3. The conditioned slip was poured into a mold made of polytetrafluoroethylene with a wall thickness of 0.2 mm, brought into direct contact with the cooling medium of a cryostat (-65 ° C) and after 90 s demolded. The drying in the climatic cabinet was carried out as in Example 2, sintering and finishing according to Example 3. The welding nozzle produced then had the shape shown in FIG. 3 and had comparable material properties to the ring in Example 3.
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