DE4016946A1

DE4016946A1 - Verfahren zum fertigen von bauteilen

Info

Publication number: DE4016946A1
Application number: DE19904016946
Authority: DE
Inventors: Wendelin Wineberger; Rolf Grandel; Herbert Dr Richter
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Cerasiv GmbH Innovatives Keramik Engineering
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1991-11-28
Also published as: DE4016946C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen von Bauteilen mit verbesserter Thermoschockbeständigkeit, insbesondere größeren Bauteilen aus Sinterkeramik.

Bauteile aus Sinterkeramik zeichnen sich stets durch hohe Härte und hohe Verschleißbeständigkeit aus, sind widerstandsfähig gegen erhöhte Temperaturen und unempfindlich gegen eine Vielzahl von Chemikalien. Diesen Vorzügen der Sinterkeramik steht als gravierender Nachteil gegenüber, daß viele Keramiken thermoschockempfindlich sind. Temperaturunterschiede im keramischen Bauteil erzeugen thermische Spannungen, die in vielen Fällen die Bruchfestigkeit der Keramik überschreiten und zum Totalversagen des Bauteils führen können, d. h., daß das Bauteil durch Thermoschock zerspringt. Zur Vermeidung dieses Nachteils hat man Werkstoffe entwickelt, die es gestatten, einen gewissen Thermoschock aufzufangen. Man hat des weiteren die Bauteilgeometrie optimiert, d. h. versucht, bei möglichst gleichmäßigen Materialdicken zu bleiben und insbesondere Übergänge sanft und abgerundet auszuführen. Die Temperaturwechselbeständigkeit konnte dadurch jedoch nur in geringem Maße erhöht werden.

Man hat des weiteren versucht, thermisch induzierte Spannungen dadurch zu reduzieren, daß das einzelne Bauteil aus mehreren Teilen zusammengesetzt wurde. Daraus ergibt sich auf der einen Seite ein immenser Bearbeitungsaufwand, da eine dreidimensionale Präzision der Fügeflächen vorliegen muß, zum anderen ist für höhere Beanspruchung die Präzision mit dem bekannten Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie Schleifen, Lappen, Polieren usw., nicht erreichbar.

Das Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas ist aus der DE-OS 28 13 904, der DE-PS 29 38 774, der DE-PS 29 06 881, der DE-OS 30 03 383, der DE-OS 31 31 485, der DE-OS 31 31 491 und der DE-OS 34 09 937 bekannt. Diesen Schriften, die sich theoretisch mit dem Trennen von massiven Gegenständen aus sprödbrechendem Material befassen, ist gemeinsam, daß ausschließlich Glas getrennt wird, was einen völlig anderen Aufbau wie eine Sinterkeramik aufweist. Außerdem besteht nicht die Aufgabe, ein fertiges Bauteil zu erzeugen, sondern es wird lediglich eine einfache Möglichkeit des Trennens ohne mechanische Mittel aufgezeigt.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Herstellung von Bauteilen aus Sinterkeramik mit verbesserter Thermoschockbeständigkeit einfach, präzise und unter Aufwendung minimaler Bearbeitung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Durch Anlegen einer thermisch induzierten Spannung an den am höchsten bruchgefährdeten Stellen eines Bauteils nach vorangehender konventioneller Fertigung des Bauteils wird in diesem Bereich eine Materialtrennung bewirkt. Diese Materialtrennung erfolgt, wie bei Spannungsrissen üblich, ohne Materialverlust, wodurch eine 100%ige Passung der erzeugten Flächen ohne Nachbearbeitung gewährleistet ist. Die Fertigbearbeitung des Bauteils kann daher schon stattfinden, solange es noch nicht getrennt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, nach der Trennung die Fertigbearbeitung vorzunehmen, falls das aus besonderen Gründen erforderlich sein sollte.

Unter Nachbehandlung im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die üblichen bekannten Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie Schleifen, Lappen und Polieren usw., zu verstehen, die dazu dienen, Paßflächen, Gleitflächen o. ä. zu erzeugen. Soll also beispielsweise eine Gleitlagerbuchse erzeugt werden, die lediglich eine Innenbearbeitung aufweisen muß, so ist es mit dem vorliegenden Verfahren möglich, diese Buchse zu schleifen, solange sie noch nicht geteilt ist. Ebenso ist es möglich, sie nach dem Teilen und dem anschließenden Verbinden der, durch die Teilung erreichten, Segmente durch mechanische Mittel zum Bauteil der erforderlichen Innenbearbeitung zu führen.

In den Fällen, in denen die Bruchlinie durch das Bauteil in einem exakt vordefinierten Bereich liegen soll, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Grünkörper in diesem Bereich an der am höchsten bruchgefährdeten Stelle angeritzt oder angekerbt. Bei der nachfolgenden Sinterung bleibt diese minimale Schwächung, die aufgrund des Schrumpfens bei der Sinterung noch reduziert wird, erhalten. Das Anritzen kann aber auch im gesinterten Zustand nach verschiedenen Stufen der Hartbearbeitung erfolgen.

Durch die thermisch induzierten Spannungen erfolgt das Reißen des Bauteils exakt entlang der Schwächungslinie. Dabei ist es selbstverständlich möglich, das Bauteil in mehr als zwei Segmente zu zerlegen, wenn die Konstruktion das erfordert. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Temperatur zur thermischen Trennung des Bauteils erhöht wird und auf die bruchgefährdeten Stellen des Bauteils ein Wasserstrahl zur Abkühlung gerichtet wird. Zweckmäßig ist dabei, daß das Bauteil nach der Sinterung nicht völlig abgekühlt wird, sondern lediglich auf die zum Trennen erforderliche Temperatur. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit liegt darin, das Bauteil nach dem Sintern und der sich daran anschließenden Nachbehandlung zu waschen und die Waschtemperatur so hoch zu wählen, daß zwischen dem Bauteil und dem Abschreckwasserstrahl die erforderliche Temperaturdifferenz vorliegt.

Die einzelnen Segmente können gemäß zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung durch Kleben oder Löten zum Bauteil zusammengefügt werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß die Segmente durch mechanische Spannmittel miteinander verbunden werden, insbesondere durch Zuganker, Spannbügel oder Aufschrumpfen von Metallkomponenten. Für den Einsatz in der chemischen Industrie wird besonders das Einvulkanisieren bevorzugt, bei dem die Segmente durch eine das komplette Bauteil umgebende Elastomerschicht miteinander verbunden sind. Des weiteren kann zwischen die Segmente ein Dichtungsmaterial eingebracht werden.

Beispiel

Es wurden keramische Ventilgehäuse der in Fig. 1 dargestellten Form mit Nenn-Durchmesser 110 mm und den größten Außenabmessungen mit 240 × 240 × 206 m gemäß mit Kerben versehen und geteilt.

Die bei der Abschreckung aufgebrachte Temperaturdifferenz betrug 70 K bei dem keramischen Werkstoff B 600, die Abschreckung dauerte 5 s.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ventilgehäuserohling in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 den gleichen Rohling mit eingebrachter Trennkerbe,

Fig. 3 im Ausschnitt einen Wandbereich des gesinterten Teiles mit Kerbe und Rißverlauf,

Fig. 4 eine vergrößerter Darstellung aus Fig. 3, Fig. 5 das geteilte Ventilgehäuse in perspektivischer Darstellung,

die Fig. 6 und 7 im Ausschnitt in vergrößerter Darstellung die Bruchlinie,

Fig. 8 das mit Klemmankern zusammengefügte, aus zwei Segmenten bestehende Gehäuse,

Fig. 9 ein analog aufgebautes Gehäuse, das durch Einvulkanisieren zusammengehalten wird,

Fig. 10 ein Gehäuse, das mittels Federklammern zusammengehalten wird,

die Fig. 11 und 12 in der Vergrößerung mit Kleber bzw. Dichtungsmaterial beschichtete Bruchflächen des Gehäuses.

Nach der Fertigung des Grünkörpers des Gehäuses (1) wurde in diesen eine feine Kerbe (2) in Höhe der Mittellinie eingebracht. Die Durchgangsbohrungen (3) dienen zur Aufnahme der Zuganker (4) und weisen in ihren äußeren Enden Ausnehmungen (5) zur Aufnahme der Zugankerköpfe (6) und der Muttern (8) auf.

Nach dem Sintervorgang wurde das Gehäuse (1) fertig bearbeitet, d. h., daß die Zylinderbohrung (7), die das Hahnküken aufnimmt, geschliffen wurde, wohingegen die Durchflußbohrung (17) unbearbeitet blieb. Ebenso wurden die äußeren Anschlußflächen (13) und die Stirnflächen (14) geschliffen.

Nach der Fertigbearbeitung wurde das Gehäuse (1) einem Waschvorgang unterzogen, wobei es auf eine erhöhte Temperatur gebracht wurde. Mit dieser Temperatur wurde es der Trennstation zugeführt, wo in Höhe und Richtung definierte Wasserstrahlen mit einer niedrigen Wassertemperatur auf die umlaufende Kerbe (2) gerichtet wurden. Dadurch erfolgte eine Teilung des Gehäuses (1) in ein Vordersegment (9) und ein Hintersegment (10) unter Ausbildung einer Trennfläche (11), die aufgrund der durch thermisch induzierte Spannung vorgenommenen Teilung keinen Materialverlust aufweist. Die Trennfläche (11) weist eine materialspezifische feine Struktur auf, die ein paßgenaues Zusammenfügen des Vordersegmentes (9) mit dem Hintersegment (10) ermöglicht. Nachdem auf mindestens eine der Trennflächen (11) eine Schicht aus Kleb- oder Dichtmaterial (12) aufgebracht worden ist, wurden die Segmente (9, 10) zusammengepaßt, die Zuganker (4) in die Durchgangsbohrungen (3) eingebracht und mittels der Muttern (8) verspannt.

In der Zylinderbohrung (13) wird das durch das Zusammenpressen der Segmente (9, 10) austretende Kleb oder Dichtmaterial (12) entfernt, desgleichen das zur Außenseite des Gehäuses (1) austretende. Das Gehäuse (1) ist im Anschluß daran einsatzfähig.

Statt des Aufbringens eines Klebers, der ggf. bei entsprechend niedriger Beanspruchung auch ohne Verbindung der Segmente (9, 10) durch Zuganker (4) zu einem einsatzfähigen Bauteil führt, kann die Trennfläche (11) auch mit einem Lot versehen werden, d. h., daß das Vordersegment (9) mit dem Hintersegment (10) verlötet wird. Eine weitere, in Fig. 9 dargestellte Alternative sieht vor, daß die zusammengefaßten Segmente (9) und (10) mit einem elastomeren Material (15) umhüllt und darin einvulkanisiert werden. Ferner ist es möglich, die Verbindung der Segmente (9, 10) durch Einschrumpfen in Metallringe vorzunehmen oder, wie in Fig. 10 gezeigt, durch das Anbringen von Spannbügeln (16), die an die Stelle der Zuganker (4) treten, durchzuführen.

Claims

1. Verfahren zum Fertigen von Bauteilen mit verbesserter Thermoschockbeständigkeit, insbesondere größeren Bauteilen aus Sinterkeramik, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:

a) Fertigen des Bauteils als Grünkörper,
b) Brennen des Grünkörpers zum fertig gesinterten Bauteil mit ggf. folgender Nachbearbeitung,
c) Erzeugen einer thermisch induzierten Spannung im Bereich der am höchsten bruchgefährdeten Stelle des gesinterten Bauteils zum gezielten Trennen des Bauteils in einzelne Segmente,
d) Verbindung der Segmente durch mechanische Mittel zum fertigen Bauteil, ggf. mit an schließender Nachbehandlung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern der Grünkörper im Bereich der am höchsten bruchgefährdeten Stellen angeritzt oder angekerbt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sintern der Sinterkörper im Bereich der am höchsten bruchgefährdeten Stellen angeritzt oder angekerbt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gesinterten und erwärmten Bauteil die zum Trennen notwendige thermisch induzierte Spannung durch einen auf die bruchgefährdeten Stellen des Bauteils gerichteten kalten Wasserstrahls erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil nach der Sinterung auf die zum Trennen erforderliche Temperatur abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil bei einer geeigneten Temperatur gewaschen und durch einen auf die bruchgefährdeten Stellen des erwärmten Bauteils gerichteten kalten Wasserstrahl dieser Bereich großflächig abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschrecken des Bauteils Flüssigkeiten, Sole oder ein kalter Gasstrom eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Kleben zum Bauteil zusammengefügt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Verlöten zum Bauteil zusammengefügt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Einvulkanisieren zu einem Bauteil zusammengefügt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Zuganker zu einem Bauteil zusammengefügt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Aufschrumpfen von Metallkomponenten zu einem Bauteil zusammengefügt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Spannbügel zu einem Bauteil zusammengefügt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Segmente ein Dichtungsmaterial eingebracht wird.