DE3942745A1

DE3942745A1 - Keramischer werkstoff zum spritzgiessen und verfahren zum spritzgiessen unter dessen verwendung

Info

Publication number: DE3942745A1
Application number: DE3942745A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kato; Katsuhiro Inoue
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-12-24
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1990-06-28
Also published as: JPH02302357A; JPH0555461B2; DE3942745C2; US5087594A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Werkstoff zum Spritzgießen und auf ein Verfahren zum Spritzgießen unter Verwendung des keramischen Werkstoffs.

Bisher ist Spritzgießen bekannt als ein Verfahren zur Her stellung keramischer Formkörper mit relativ komplizierten Konfigurationen. In diesem Verfahren werden ein keramisches Pulver, ein organisches Bindemittel, das aus einem Harz wie Polyethylen oder Polystyrol usw., und ein Wachs gemischt, mit tels Spritzen in eine Form gefüllt und geformt, um einen Formkörper zu erhalten. Der auf diese Weise geformte Körper wird anschließend erhitzt (entfettet), um das organische Bin demittel zu verbrennen und zu entfernen, und gebrannt, um einen gesinterten Körper herzustellen.

In Spritzgußverfahren wird gewöhnlich eine Mischung der Roh materialien über deren Plastifizierungstemperatur, z.B. auf ca. 120 bis 160°C, erhitzt und in eine Form, die eine Tempe ratur von 120 bis 160°C hat, spritzgegossen und gefüllt, gekühlt und verfestigt und dann aus der Gußform entfernt, um einen Formkörper zu erhalten.

In den herkömmlichen Spritzgußverfahren haben jedoch die Mischung der Rohmaterialien und die Form während des Spritzgießens unterschiedliche Temperatur, so daß Nachteile in der Art erwachsen, daß die Spritzgußmischung rasch ihr Fließ vermögen in die Form verliert, wobei Formfehler, wie Ver biegungen oder Vertiefungen, an der geformten Oberfläche aufgrund Formens mit ungenügender Füllung der Mischung, als auch Verformung in dem Formkörper aufgrund inhomogenen Füllens der Mischung verusacht werden, wodurch Risse während des Entfettens entstehen.

Um die vorstehenden Nachteile zu lösen, wurden viele Unter suchungen und Versuche durchgeführt, die zu der Erfindung führten, wobei ein für den Spritzguß geeigneter Werkstoff sowie ein Verfahren zum Spritzgießen zur Verfügung gestellt werden, das den Temperaturunterschied zwischen dem Werkstoff und der Form vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist, die vorstehenden Nachteile zu ver meiden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen Werkstoff zum Spritzgießen zur Verfügung zu stellen, der gute Formungseigenschaften besitzt und der Formkörper mit verbes serter Entfettungseigenschaft und hoher Werkstoffleistungs fähigkeit herstellt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Spritzgießen eines keramischen Werkstoffs mit außerordentlich verbesserter Formungseigenschaft, hervorragender Werkstofflei stungsfähigkeit und Produktivität bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Temperaturun terschied zwischen dem Werkstoff und der Spritzgußform zu verringern, um das Fließvermögen des Werkstoffs in der Form zu verlängern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Füllen des Werkstoffs in die Form in ausreichendem Maße durchzuführen, um der Verformung des Formkörpers, die durch inhomogenes Ein füllen des Werkstoffs verursacht wird, vorzubeugen.

Erfindungsgemäß wird ein keramischer Werkstoff zum Spritzgießen zur Verfügung gestellt, der eine Zusammensetzung aus 40 bis 60 Vol% eines keramischen Pulvers und 52 bis 40 Vol% organischer Bindemittel enthält, wobei die organischen Bindemittel aus 3 bis 15 Masse-% eines organischen Bindemittels mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 und aus 85 bis 97 Masse-% aus mindestens einem organi schen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekularge wicht von 200 bis 1000 bestehen.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung kera mischer Formkörper bereitgestellt, bei dem ein keramischer Werkstoff zum Spritzgießen verwendet wird, der eine Zusammen setzung aus 48 bis 60 Vol% eines keramischen Pulvers und 40 bis 52 Vol% organischer Bindemittel enthält, wobei die organi schen Bindemittel aus 3 bis 15 Masse-% aus einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 und aus 85 bis 97 Masse-% aus mindestens einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 200 bis 1000 bestehen und bei dem der keramische Werkstoff unter einer Spritzbedingung spritzgegos sen wird, bei der die Temperatur des keramischen Werkstoffs 55 bis 95°C und die Temperatur der Gußform 40 bis 52°C beträgt.

Vorzugsweise weist der keramische Werkstoff eine Zusammen setzung aus 48 bis 60 Vol%, insbesondere 52 bis 58 Vol% eines keramischen Pulvers und 40 bis 52 Vol%, insbesondere 42 bis 48 Vol% organischer Bindemittel auf, wobei die organischen Binde mittel aus 3 bis 15 Masse-%, insbesondere 5 bis 13 Masse-% aus einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 und aus 85 bis 97 Masse-%, insbesondere 87 bis 95 Masse-% aus mindestens einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Moleku largewicht von 200 bis 1000 zusammengesetzt sind.

Wenn der Gehalt des keramischen Pulvers weniger als 48 Vol% beträgt, wird die Menge der organischen Bindemittel zu groß, so daß sich die Entfettungseigenschaft des Formkörpers ver schlechtert. Wenn dagegen der Gehalt 60 Vol% übersteigt, wird die Menge der organischen Bindemittel zu klein, so daß sich das Fließvermögen des keramischen Werkstoffs verschlechtert.

Wenn die Menge des organischen Bindemittels mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 weniger als 3 Masse-% beträgt, werden die mechanischen Eigen schaften des Formkörpers geschwächt, so daß er zur Rißbildung neigt, wenn er aus der Gußform gelöst wird. Wenn dagegen die Menge 15 Masse-% übersteigt, verschlechtert sich das Fließver mögen des kermischen Werkstoffs, so daß Formfehler beim Formen leichter auftreten und die Entfettungseigenschaft des Formkör pers vermindert wird.

Anschauungsbeispiele des organischen Bindemittels mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 sind Polyethylen, Polystyrol, Polypropylen, ataktisches Polypropy len, Ethylen/Vinylacetat-Copolymer (EVA), Ethylen/Acrylat-Copolymer, Acrylharz usw., sind jedoch nicht darauf be schränkt. Ein oder mindestens zwei dieser Bindemittel werden zur Verwendung ausgewählt.

Auch sind die organischen Bindemittel mit einem durchschnit tlichen Molekulargewicht von 200 bis 1000 nicht auf spezielle Bindemittel beschränkt, und verschiedene Arten des organischen Bindemittels, z.B. Wachse wie Paraffinwachse, mikrokristalline Wachse und synthetische Wachse usw. Schmiermittel, wie Ölsäu re, Stearinsäure, Diethylphthalat (DEP), Oleylalkohol, und Siliciumwasserstoffverbindungen usw. und Haftvermittler kön nen verwendet werden. Sie werden ausgewählt und alleine oder als Zusatz aus mindestens zwei derartigen Bindemitteln verwen det.

In dem Verfahren zum Spritzgießen des keramischen Werkstoffs sollte das Spritzgießen unter einer Spritzgußbedingung durchgeführt werden, bei der die Temperatur des keramischen Werkstoffs 55 bis 95°C, vorzugsweise 60 bis 80°C und die Temperatur der Form 40 bis 52°C, vorzugsweise 43 bis 50°C beträgt. Ein Temperaturunterschied von 10°C oder mehr als 10°C zwischen der Temperatur des Werkstoffs und derjenigen der Gußform ist vorzuziehen, weil er die Ablöseeigenschaft beim Ablösen des geformten keramischen Werkstoffs aus der Gußform erleichtert.

Wenn die Temperatur des keramischen Werkstoffs weniger als 55°C beträgt, strömt der keramische Werkstoff nicht, so daß das Spritzgießen des Werkstoffs nicht durchgeführt werden kann. Wenn die Temperatur dagegen 95°C übersteigt, tritt eine Entmischung des keramischen Pulvers und der organischen Binde mittel in dem keramischen Werkstoff ein oder die Viskosität des keramischen Werkstoffs wird vermindert, so daß eine sepa rate Schicht der organischen Bindemittel in dem Formkörper leicht auftritt oder Luftblasen in den Formkörper während des Spritzgießens mitgerissen werden, wodurch ein Formkörper mit minderwertigen Eigenschaften erhalten wird.

Wenn die Temperatur der Gußform weniger als 40°C beträgt, verliert der keramische Werkstoff während des Spritzgießens schnell sein Fließvermögen in die Gußform, so daß der kerami sche Werkstoff einen sogenannten "Kurzschuß" erleidet und die gewünschte Form des Formkörpers nicht gewährleistet werden kann. Wenn dagegen die Temperatur 52°C übersteigt, hat der Formkörper keine Formbeständigkeit, so daß Risse in dem Formkörper gebildet werden, wenn er aus der Gußform herausge löst wird.

Als keramische Werkstoffe finden Siliciumnitrid, teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid, oder Sialon usw. Verwendung, die ausgewählt und geeigneterweise allein oder als Zusatz in Abhängigkeit von den geforderten Eigenschaften des Formkör perproduktes verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläu tert.

Fig. 1 ist ein Fließdiagramm, das einen Überblick über das erfindungsgemäße Verfahren zum Spritzgießen eines keramischen Werkstoffs gibt; und

Fig. 2 bis 4 sind graphische Darstellungen, die die Ergebnisse des Spritzgießens des keramischen Werkstoffs und die Ergebnis se des Entfettens des Spritzguß-Formkörpers aus den jeweiligen Beispielen zeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spritzgießen des kerami schen Werkstoffs wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Fließdiagramm in Fig. 1 näher erläutert.

Zunächst wird eine gewünschte Menge der Sinterhilfsmittel den keramischen Materialien zugesetzt und formuliert und dann pulverisiert, um eine Mischung zu bilden. Wenn nötig, wird die Mischung sprühgetrocknet, um Körnchen zu bilden. Die Körnchen werden ggf. unter hydrostatischem Druck gepreßt, um Brocken oder Klumpen zu bilden. Die Brocken oder Körnchen werden zermahlen oder zerstampft, um gewünschte Teilchengrößen des keramischen Pulvers zu erhalten. Das auf diese Weise herge stellte keramische Pulver wird zu organischen Bindemitteln zugegeben und mit ihnen verknetet und aus einem Extruder extrudiert, um Pellets herzustellen. Die Pellets werden spritzgegossen, um einen Formkörper gewünschter Gestalt zu erhalten.

Der resultierende Formkörper wird anschließend einer Ent fettungsbehandlung unterzogen und dann gebrannt, um einen gesinteren Keramikkörper herzustellen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. In den Beispielen werden, sofern nicht anders ange geben, alle Teile auf Massebasis angegeben.

Beispiel 1

Zu 100 Teilen Siliciumnitrid (Si₃N₄) werden Sinterhilfsmittel aus 2 Teilen SrO, 3 Zeilen MgO und 3 Teilen CeO₂ zugegeben und pulverisiert, um eine Mischung mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 µm zu erhalten. Dann wird die Mischung sprühgetrocknet, um Körnchen zu erhalten. Ein hydro statischer Druck von 3 t/cm² wird ausgeübt, um Brocken zu bilden, die wieder zerstampft werden, um ein keramisches Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 30 µm zu erhalten. Dem auf diese Weise hergestellten keramischen Pulver werden organische Bindemittel in der Formulierung zuge setzt, wie sie in der später beschriebenen Tabelle 1 angegeben ist, durch einen Extruder extrudiert, um Pellets bereitzustel len und unter den Bedingungen spritzgegossen, wie sie in Tabelle 1 wiedergegeben sind, um drei Arten von Formkörpern (a), (b) und (c), wie nachstehend beschrieben, zu erhalten.

Als organisches Bindemittel mit einem durchschnittlichen Mole kulargewicht von 10 000 bis 50 000 wird Ethylen/Vinylacetat- Copolymer verwendet. Als organische Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 200 bis 1000 werden Paraffinwachs, mikrokristallines Wachs oder Ölsäure verwendet. Als Vergleichsbeispiele werden Polyethylen mit einem durch schnittlichen Molekulargewicht von 50 000 bis 100 000 oder Polypropylen mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 100 000 bis 200 000 anstatt einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 verwendet. Polyethylenwachs oder niedermolekulares Polypropylen mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 1000 bis 10 000 wird anstelle eines organischen Bindemittels mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 200 bis 1000 verwendet.

Die Temperatur des keramischen Werkstoffs wird durch vorläu fige Temperaturermittlung des keramischen Werkstoffs sofort nach dessen Spritzgießen aus der Spritzgußdüse und vor dessen Spritzgießen in die Form bestimmt. Die Temperatur der Form wird durch vorläufige Oberflächentemperaturermittlung des Forminneren vor dem Spritzgießen bestimmt.

a) Blöcke von 30 mm²
b) Blöcke mit 40 mm²
c) Turboladerrotor des Achsenscheiben-Integraltyps mit einem Scheibendurchmesser von 55 mm.

Die Neigung des Blocks und/oder der Form während des Spritzgießens ist - zur Erleichterung der Ablösung des Blocks aus der Form - 2° für die beiden Blöcke (a) und (b).

Als nächstes werden die so erhaltenen Formkörper auf eine Temperatur von 400°C mit einer Temperatursteigungsgeschwindig keit von 1 bis 3°C/h erhitzt, und 5 Stunden lang bei 400°C belassen, um Entfettung zu bewirken und auf ihren Ent fettungszustand hin geprüft. Die Ergebnisse des Spritzgießens und Entfettens der Formkörper werden in Tabelle 1 und den Fig. 2 und 3 wiedergegeben.

Wie deutlich aus Tabelle 1 und den Fig. 2 und 3 hervorgeht, sind die Formungseigenschaft des Werkstoffes und die Ent fettungseigenschaft des Formkörpers in dem Fall deutlich ver bessert, wenn der Werkstoff eine Zusammensetzung aus 48 bis 60 Vol% eines keramischen Pulvers und 40 bis 52 Vol% organischer Bindemittel enthält, die aus 3 bis 15 Masse-% eines organi schen Bindemittels mit einem durchschnittlichen Molekularge wicht von 10.000 bis 50.000 und aus 85 bis 97 Masse-% eines organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Moleku largewicht von 200 bis 1000 zusammengesetzt sind.

Andererseits haben alle Formkörper, die organische Bindemittel verwenden, die außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen, schlechte Formungs- und Entfettungseigenschaften, wie aus den Vergleichsbeispielen Nr. 13 bis 20 der Tabelle 1 hervorgeht. Die in dem Formkörper beim Ablösen aus der Form erzeugten Defekte sind Nähte (weldings) oder Risse; und die in dem entfetteten Formkörper erzeugte Defekte sind Oberflächenrisse.

Liegt die Zusammensetzung der organischen Bindemittel inner halb des erfindungsgemäßen Rahmens, ist Paraffinwachs, insbe sondere in einer Menge von 60 bis 90 Masse-%, unter den organi schen Bindemitteln mit einem durchschnittlichen Molekularge wicht von 200 bis 1000 vorzuziehen, weil es hervorragende Formungs- und Entfettungseigenschaften gewährleistet.

Beispiel 2

Das Verfahren aus Beispiel 1 wird unter Verwendung der Zusam mensetzungen und den Spritzgießenbedingungen der Werkstoffe wie es in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben ist, wieder holt.

Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 und der Fig. 4 gezeigt.

Wie aus Tabelle 2 und der Fig. 4 deutlich hervorgeht, ist die Formungseigenschaft des keramischen Werkstoffs gut, wenn die Temperatur des Werkstoffs 50 bis 95°C und die Temperatur der Form 40 bis 52°C beträgt.

Andernfalls zeigen keramische Werkstoffe und Formkörper, die bei Formungsbedingungen außerhalb des erfindungsgemäßen Rah mens spritzgegossen wurden, schlechte Formungs- und Ent fettungseigenschaften, wie die Vergleichsbeispielen Nr. 17 bis 20 zeigen.

In den Tabellen 1 und 2 hat EVA ein durchschnittliches Mole kulargewicht von 20 000 und einen Erweichungspunkt von 100°C; PE hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 70 000 und einen Erweichungspunkt von 122°C; PP hat ein durchschnittli ches Molekulargewicht von 190 000 und einen Erweichungspunkt von 150°C; PE-Wachs hat ein durchschnittliches Molekularge wicht von 2000 und einen Erweichungspunkt von 113°C; PP hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 4000 und einen Erweichungspunkt von 150°C; P-Wachs hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 400 und einen Erweichungspunkt von 60°C; MC-Wachs hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 530 und einen Erweichungspunkt von 55°C; und Ölsäure hat ein Molekulargewicht von 282 und einen Erweichungspunkt von 11°C.

Tabelle 1 (b)

Wie vorstehend in aller Einzelheit erläutert, werden durch die Erfindung die folgenden hervorragenden Wirkungen erzielt.

Der erfindungsgemäße Werkstoff zum Spritzgießen legt die Zu sammensetzung auf einen spezifischen Bereich fest, so daß dessen Formungseigenschaft und die Entfettungseigenschaft des Formkörpers beachtlich verbessert werden und der Formkörper leicht und schnell mit höherer Produktivität und weit verbes serter Werkstoffleistungsfähigkeit hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spritzgießen des kerami schen Werkstoffs legt die Temperaturen des Werkstoffs und diejenige der Form auf spezifische Bereiche fest und ver ringert deren Temperaturdifferenz, so daß das Fließvermögen des Formmaterials in die Gußform verlängert werden kann, um eine gute Füllung des Werkstoffs in die Form in ausreichendem Maße zu ermöglichen. Deshalb können Formdefekte wie Nähte (welding) des keramischen Werkstoffs beim Spritzgießen verhin dert, Verformung oder Verzerrung des Formkörpers aufgrund inhomogenen Einfüllens des Werkstoffs vorgebeugt und die Entfettungseigenschaft des Formkörpers außerordentlich verbessert werden. Dementsprechend ist die Erfindung auf in dustriellem Gebiet überaus nützlich.

Claims

1. Keramischer Werkstoff zum Spritzgießen gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus 40 bis 60 Vol% eines keramischen Pulvers und 52 bis 40 Vol% organischer Bindemittel, wobei die organischen Bindemittel zu 3 bis 15 Masse-% aus einem organi schen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekularge wicht von 10 000 bis 50 000 und zu 85 bis 97 Masse-% aus min destens einem organischen Bindemittel mit einem durch schnittlichen Molekulargewicht von 200 bis 1000 bestehen.

2. Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer Werkstoff zum Spritzgießen verwendet wird, der eine Zusammensetzung aus 48 bis 60 Vol% eines keramischen Pulvers und 40 bis 52 Vol% organischer Bindemittel enthält, wobei die organischen Bindemittel aus 3 bis 15 Masse-% aus einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 10 000 bis 50 000 und 85 bis 97 Masse-% aus mindestens einem organischen Bindemittel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 200 bis 1.000 bestehen und der keramische Werkstoff unter einer Spritzbedingung spritzgegossen wird, bei der die Temperatur des keramischen Werkstoffes 55 bis 95°C und die Temperatur der Form 40 bis 52°C beträgt.