DE4002986C2 - Keramik-Blocklehre und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Blocklehre aus einem gesinterten Keramikmaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Blocklehre ist bekannt aus der JP 1-176 901 (A). Diese Veröffentlichung offenbart eine Blocklehre aus einem zufolge seiner spezifischen Zusammensetzung dunkel ge­ färbten, keramischen Sintermaterial, welches aus Al₂O₃, Si₃N₄, SiC sowie ZrO₂ etc. besteht. 3 bis 7 Gew.-% Yttriumoxid können in dem bekannten Material enthalten sein. Ferner enthält das bekannte Material TiC und TiO₂, um die gewünschte Farbgebung herbeizuführen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Blocklehre.

Eine herkömmliche Blocklehre besteht aus Metall. Eine derartige Blocklehre hat jedoch den Nachteil, daß das Metall eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit hat, so daß Korrosion leicht auftreten kann. Aus diesem Grund erfordert die Handhabung einer derartigen Block­ lehre eine beträchtliche Sorgfalt. Beispielsweise ist es erforderlich, die Blocklehre in einer vollständig korrosionsverhindernden Umgebung aufzubewahren, und die Blocklehre muß mit korrosionsverhindernden Hand­ schuhen gehandhabt werden.

Wenn Korrosion auftritt, wird der Zustand der Fläche, die die Abmessung anzeigt, beeinträchtigt, so daß es unmöglich werden kann, die genaue Abmessung festzu­ stellen, oder die Blocklehre in engen Kontakt mit einer anderen Blocklehre zu bringen, was als Drücken (wringing) bezeichnet wird.

Um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, könnte eine herkömmliche Blocklehre beispielsweise mit Chrom plattiert werden. Eine plattierte Blocklehre erfordert jedoch eine erhöhte Anzahl von Herstellungsschritten, und es bereitet Schwierigkeiten, eine vorbestimmte Nominalabmessung einzuhalten, wodurch die Herstellung erschwert ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Blocklehre aus einem korrosions­ beständigen Material anzugeben, wobei alle Anforderungen an eine Blocklehre wie Homogenität des Materials, Kor­ rosionsbeständigkeit, leichte Handhabbarkeit und Mar­ kierung einer Nominalgröße und dergleichen gewährleistet sein sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen der Patentansprüche 1 und 4 angegebenen Merk­ male gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind in den abhängigen Ansprüchen gekenn­ zeichnet.

Der Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung unter­ suchte zunächst eine Vielzahl von korrosionsbeständigen Materialien, um das Problem der Korrosionsbeständigkeit zu lösen. Aus diesen Materialien wurden die ausgewählt, die alle Erfordernisse einer Blocklehre erfüllen können, woraufhin die so ausgewählten korrosionsbeständigen Materialien durch ein geeignetes Verfahren behandelt wurden. Dies führte zu der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäße Blocklehre besteht aus einem keramischen Material, das durch Sintern von Zirkonoxid als Hauptbestandteil, 3 bis 7 Gewichtsprozent Yttrium und 0 bis 20 Gewichtsprozent Aluminiunoxid erhalten wird, wobei das Keramikmaterial durch Bestrahlung eines zu markierenden Bereichs mit einem Laserstrahl in einer inerten Gasatmosphäre oder bei Unterdruck markiert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Markierung eines keramischen Materials sieht vor, daß ein Laserstrahl auf den zu markierenden Bereich gerichtet wird, während das keramische Material in einer inerten Gasatmosphäre oder unter Unterdruck gehalten wird.

Ein keramisches Material hat den Vorteil, daß es korrosionsbeständig und homogen ist. Darüberhinaus ist ein weißes oder hellgelbes Keramikmaterial gewählt, da dieses einen Kontrast zur Umgebung eines Arbeitsplatzes bietet und damit unterscheidbar ist. Da ein Keramik­ material einen ausreichenden Korrosionswiderstand, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der demjenigen von Stahl, aus dem im allgemeinen das zu messende Objekt besteht, in etwa gleich ist, eine dichte und homogene Struktur hat und die Bedingung erfüllt, daß sich das Volumen nach dem Sintern nicht ändert, wird ein Zirkon­ erdekeramikmaterial verwendet, das durch Sintern von Zirkonoxid ZrO₂ als Hauptbestandteil zusammen mit 3 bis 7 Gewichtsprozent Yttriumoxid Y₂O₃ und 0 bis 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxid Al₂O₃ auf der Basis des Hauptbestandteils als Hilfsstoffe erhalten wird. Die vorstehend beschriebene Zusammensetzung erzeugt ein Zirkonerdekeramikmaterial in einer gemischten Phase einer Hexagonalphase und einer Monoklinphase, was ein teilweise stabiler Zustand genannt wird, wo­ durch das Zirkonerdekeramikmaterial eine hohe Festig­ keit und gleichzeitig eine hohe Zähigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegen Brüchigkeit erhält.

Die auf der Blocklehre angeordneten Markierungen wie Nominaldimension, Artikelnummer und Warenzeichen sind vorzugsweise von schwarzer Farbe, damit der Kontrast zu dem weißen oder hellgelben Zirkonerde­ keramikmaterial groß ist. Es ist erforderlich, daß die markierte Fläche dieselbe oder eine geringere Höhe hat als die "Drückfläche" (wringing surface) um das "Drücken" zu ermöglichen. Die Probleme der Farbe der Markierungen und der Höhe der Markierungen bezüglich der "Drückfläche" sind durch Laser-Bestrahlung des zu markierenden Bereichs in einer inerten Gas­ atmosphäre oder bei Unterdruck gelöst. Als inertes Gas wird Stickstoff N₂, Helium He, Argon Ar oder ein Gemisch hiervon bevorzugt. Die inerte Gasatmosphäre wird durch Blasen des inerten Gases auf den zu markierenden Be­ reich des Zirkonerdekeramikmaterials oder durch Ein­ führen des inerten Gases in eine geschlossene Kammer erhalten, in der sich das Zirkonerdekeramikmaterial befindet.

Mit Unterdruck ist ein Druck von 5 bis 46 mmHg gemeint.

Zur Aussendung eines Laserstrahls wird eine YAG-Laser- Erzeugungseinrichtung in einem Q-Schaltmodus verwendet. Alternativ hierzu kann auch eine CO₂-Lasererzeugungs­ einrichtung verwendet werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.

Die Erfindung mit Bezug auf die folgende Ausführungs­ form in näheren Einzelheiten beschrieben.

ZrO₂ als Hauptbestandteil und Y₂O₃ und Al₂O₃ als Hilfs­ mittel werden auf einen vorbestimmten Partikeldurch­ messer pulverisiert, gemischt und in einen gleich­ förmigen Zustand gerührt. Das im gleichförmigen Zustand befindliche Material wird gepreßt und in einem kompakten Zustand, d. h. einem verdichteten Zustand geformt und zum Sintern erhitzt.

Das Zirkonerdekeramikmaterial (in der Blockform), das durch den Sintervorgang erhalten wird, wird mit einem Diamantschneider in einen rechtwinkligen Parallel­ flächner geschnitten, der etwas größer als eine vor­ bestimmte Abmessung ist.

Der rechtwinklige Parallelflächner wird in die Form einer Blocklehre grundiert, durch Polieren mittels eines Diamanten oder dergleichen, so daß jede Fläche eine vorbestimmte Ebenheit hat, wobei bei allen gegen­ überliegenden Flächen die Parallelität gewährleistet ist und die Sollabmessung mit einer vorbestimmten Ab­ messung übereinstimmt.

Ein Laserstrahl mit einer Frequenz von 8 KHz wird von einer YAG-Lasererzeugungseinrichtung auf die zu mar­ kierende Fläche des Zirkonerdekeramikmaterials gerichtet, und zwar in einem Q-Schaltmodus mit einer Abgabe von 10 W und einer Geschwindigkeit von 22 mm/s, wobei N₂-Gas aus einer N₂-Gasdüse in einem Winkel von 30 bis 60° aus einer Entfernung von 3 cm bei einem Druck von 0,4 kg/cm² abgegeben wird, wodurch die Fläche mit einer Nennzahl, Artikelzahl und einem Warenzeichen markiert wird.

Die nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltene Blocklehre besteht aus einem Zirkonerdekeramikmaterial, das korrosionsfrei ist. Es ist daher nicht erforderlich, die Blocklehre in einem korrosionsverhindernden Zustand zu lagern oder mit korrosionsverhindernden Handschuhen zu handhaben. Außerdem hat die Blocklehre die erforder­ liche Homogenität, und es tritt praktisch keine Dimensions­ änderung ein.

Eine Zirkonerde-Blocklehre ist milchweiß und liefert einen Kontrast zu der Umgebung eines Arbeitsplatzes, der sie ausreichend unterscheidbar macht, so daß sie nicht verloren gehen kann.

Bei der Laser-Bestrahlung unter den speziellen Be­ dingungen werden schwarze Markierungen erhalten, die in Form einer Nut etwas ausgespart sind. Die Markierungen bilden daher einen ausreichenden Kontrast zu der milchweißen Farbe des Substrats, so daß sie leicht gelesen werden können. Da zudem bei der oben be­ schriebenen Markierungsmethode bei jeder Fläche eine Ebenheit ohne jeden Vorsprung erhalten wird, tritt kein Problem auf, diese in engen Kontakt mit einer anderen Zirkonerdeblocklehre zu bringen. Unter Verwendung einer Kohlelichtlampe wurde ein Licht­ beständigkeitstest an den Markierungen ausgeführt (Test über eine Zeitspanne, die 10 Jahren entspricht), wobei die Markierungen ohne jede Änderung verblieben.

Der gemessene Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt etwa 10 × 10^-6/°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl beträgt etwa 11,5 × 10^-6/°C. Selbst wenn die Temperatur der Umgebung sich ändert, folgt der Wärme­ ausdehnungskoeffizient einer Zirkonerdeblocklehre in etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Meßobjekts, wenn dieses aus Stahl besteht, wodurch die Entstehung eines großen Irrtums infolge einer Temperaturänderung vermieden ist. Es wurde ein Abriebtest ausgeführt, indem eine Zirkonerdeblocklehre auf einer FC-Platten­ fläche (Gußeisenplatte) angeordnet und über eine Rei­ bungslänge von 8,0 m in einem ebenen Zustand mit einer Geschwindigkeit von 260 cm/min bewegt wurde, während eine bestimmte Kraft auf die Blocklehre aufgebracht wurde. Der beobachtete Abrieb betrug etwa 0,07 µm. Bei einem Abriebtest unter denselben Bedingungen betrug der Abrieb von Stahl etwa 0,7 µm, während der Abrieb eines Hartmetalls bei etwa 0,25 µm liegt. Damit hat eine Zirkonerdeblocklehre eine etwa 10 × höhere Abrieb­ festigkeit als Stahl und eine etwa 3,5fache Abrieb­ festigkeit gegenüber Hartmetall.

Bei dem Abriebtest der Zirkonerdeblocklehre trat kein Riß, Bruch oder Splitter auf, und es wurde eine aus­ reichende Beständigkeit gegen Brüchigkeit festgestellt.

Sollte bei dieser Ausführungsform während des Mar­ kierungsvorganges durch Einwirken eines Laserstrahls unter speziellen Bedingungen in der Nähe der schwarzen, ausgesparten Nut ein Vorsprung auftreten, ist es mög­ lich, diesen durch Abschleifen zu entfernen.

Die Blocklehre kann durch Schneiden eines Zirkonerde­ keramikmaterials (in Form eines Blocks) zu einem recht­ winkligen Parallelflächner (Form einer Blocklehre) etwas größer als in einer vorbestimmten Abmessung hergestellt werden, wobei das quaderförmige Zirkonerdekeramikmaterial durch Bestrahlung eines Laserstrahls unter speziellen Bedingungen markiert werden und das Zirkonerdekeramik­ material danach abgeschliffen werden kann, so daß die Nominalabmessung mit der vorbestimmten Abmessung über­ einstimmt.

Eine erfindungsgemäße Blocklehre ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Sie ist leicht zu handhaben, da sie korrosionsbeständig ist, so daß sie mit bloßer Hand gehandhabt werden kann, ohne daß hinterher eine korrosionsverhindernde Behandlung erforderlich ist, wobei auch die Aufbewahrung der Blocklehre unter speziellen Bedingungen überflüssig ist. Da das Material homogen ist, entsteht kein Abmessungsirrtum. Sowohl die Abriebbeständigkeit als auch Beständigkeit gegen Brüchig­ keit sind gewährleistet. Da das Substrat eine weiße oder hellgelbe Farbe hat, ist ein ausreichender Kon­ trast zur Umgebung eines Arbeitsplatzes und den schwarzen Markierungen gewährleistet. Da zudem der Wärmeausdehnungskoeffizient nahe bei demjenigen von Stahl liegt, ist ein Irrtum infolge Temperaturänderung weitestgehend vermieden, wenn das zu messende Objekt aus Stahl besteht.

Claims (4)

1. Blocklehre aus einem gesinterten Keramikmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Blocklehre von heller Farbe ist, daß das Keramikmaterial Zirkonoxid als Hauptbestandteil sowie ferner 3 bis 7 Gew.-% Yttriumoxid und 0 bis 20 Gew.-% Aluminiumoxid enthält und daß das Keramikmaterial dunkel gefärbte Markierungen aufweist, die durch Laserbe­ strahlung in einer inerten Gasatmosphäre oder bei Unter­ druck eines zu markierenden Bereiches des Keramikmateri­ als hervorgerufen sind.

2. Verfahren zum Herstellen einer Blocklehre, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein gesinterter Körper mit Zirkonoxid als Hauptbestandteil sowie 3 bis 7 Gew.-% Yttriumoxid und 0 bis 20 Gew.-% Aluminiumoxid hergestellt und zu einer Blocklehre gestaltet wird und daß Markierungen auf ausge­ wählte Bereiche der Blocklehre aufgebracht werden, indem diese Bereiche in einer inerten Gasatmosphäre oder bei Unterdruck mit einem Laserstrahl beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche Stickstoffgas, Heliumgas, Argongas sowie ein Gemisch da­ von umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Laserbestrahlen bei Unterdruck ein Druck von 5 bis 46 mm Hg benutzt wird.