DE4203639A1 - Verfahren zur herstellung eines massiven keramischen bauteils und danach hergestelltes bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung massiver keramischer Bauteile, die mindestens teilweise eine zylindrische Mantelfläche aufweisen.

Beim Schlickergießen zylindrischer oder teilweise zylindrischer keramischer Vollgußteile, insbesondere solcher Vollgußteile mit einem großen Verhältnis von Höhe/Durchmesser, stellt sich das Problem des Einschlusses von Luftblasen in dem grünen Bauteil, die zu sogenannten Lunkern, das sind Hohlräume von rein zufälliger Formgebung im Innern des keramischen Bauteils, führen. Diese Lunker entstehen insbesondere im Bereich der Symmetrieachse, d. h. im Zentrum der Zylinder oder der zylindrischen Teilbereiche der Bauteile, und sind äußerst unerwünscht, weil sie außerordentlich negative Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der fertigen Bauteile besitzen.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein verbessertes Schlickergießverfahren für die Herstellung von zylindrischen oder teilweise zylindrischen Bauteilen aus Keramikmaterial anzugeben, bei dem die Gefahr der Ausbildung von Lunkern in dem fertigen Bauteil nicht mehr besteht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, dessen Kennzeichenmerkmale darin zu sehen sind, daß ein gießfähiger keramischer Schlicker in eine saugfähige Gießform mit nach unten konisch verjüngtem Innenteil, die an einen Schlickervorratsbehälter angeschlossen ist, eingebracht wird, daß das in dem konischen Innenteil der Gießform entstandene grüne massive Bauteil mit konischer Oberfläche dem Innenteil entnommen wird und daß in einem nachgeschalteten Fertigungsschritt die konische Oberfläche des Bauteils mindestens teilweise durch mechanische Bearbeitung in eine zylindrische Mantelfläche überführt wird.

Die Gießform mit dem konischen Innenteil wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammen mit dem daran angeschlossenen Schlickervorratsbehälter vollständig mit gießfähigem Schlicker gefüllt. Durch Diffusion der flüssigen Phase des Schlickers in die saugfähige, poröse Wandung der Gießform werden Fest­ stoffpartikel zu der Wandung der Gießform hin transportiert und lagern sich dort zu einem grünen Bauteil an. Das Bauteil wächst, ausgehend von der Wandung der Gießform, durch immer weiter zunehmende Feststoffanlagerung radial in Richtung der Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Gießform. Wird die Dicke der auf der Wandung der Gießform abgesetzten Masseschicht mit x bezeichnet, so ist für das Wachstum des Bauteils ab einer gewissen Dicke der Masseschicht der Wassertransport durch das Bauteil der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Diese Zusammenhänge lassen sich auch rechnerisch darstellen, denn es gilt dx/dt ∼ 1/x und nach Intergration:

x = A·√

mit x = Bauteildicke, A = Bauteilbildungsfaktor und t = Zeit. Die Größe des Bauteilbildungsfaktors A variiert und hängt von den Eigenschaften des Schlickers beziehungsweise auch von denen des daraus gebildeten Bauteils ab.

Wenn das Bauteil vollständig ausgebildet ist, setzt ein Schrumpfungsprozeß ein, die sogenannte Trockenschwindung, die auf die Abgabe des die Feststoffpartikel umhüllenden Wassers (Hüllenwasser) zurückzuführen ist und bewirkt, daß das Bauteil von der Wandung der Gießform abschwindet. Nach Beginn der Trocken­ schwindung besteht zwischen dem Bauteil und der Wandung der Gießform kein Flächenkontakt mehr und das Bauteil kann leicht aus der Gießform entnommen werden.

Durch den der Gießform unmittelbar vorgeschalteten Schlickervorratsbehälter fließt der für einen Guß benötigte Schlicker kontinuierlich in das konische Innenteil der Gießform nach. Ein schrittweises Eingießen der Schlickergießmasse ist für die Herstellung hochfester und mechanisch hochbelasteter Bauteile weniger geeignet, weil dadurch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils nachteilig beeinflußt werden können.

Die Außenwand des erhaltenen Bauteils ist ein Abbild der Innenwand der Gießform. Durch die konische Ausbildung des Innenteils der Gießform wird ein kontinuierlicher Materialtransport des Schlickers aus dem Schlickervorratsbehälter in das konische Innenteil ermöglicht. Die Konizität verhindert nämlich, daß sich Feststoffab­ lagerungen an unerwünschten Stellen innerhalb der Gießform bilden, die den Weitertransport der Schlickermasse in das Innere der Gießform behindern oder meistens sogar ganz unterbinden.

Die notwendige Konizität der Form hängt dabei einerseits vom Verhältnis Länge/Durchmesser des herzustellenden Bauteils ab, andererseits von der Qualität des Schlickers. Je größer dieses Verhältnis und je größer die Bauteilbildungsrate A des verwendeten Schlickers ist, umso größer ist auch die erforderliche Konizität. Zahlenmäßig wird die Konizität in Form der Steigung der Mantellinien eines geraden Kreiskegelstumpfes angegeben. Bei Bauteilbildungsraten A im Bereich von 0,05 bis 0,3 mm·s^-1 und Länge/Durchmesser Verhältnissen des fertigen Bauteils im Bereich von 5 bis 15 soll beispielsweise die Steigung der Mantellinien im Bereich von tan = 0,002 bis tan = 0,01 liegen, das entspricht einem Winkel α von 0,1 bis 0,6°.

Das erhaltene konische Bauteil muß in einem nachgeschalteten Fertigungsschritt noch durch mechanisches Bearbeiten (Abtragen) mindestens teilweise in einen Zylinder überführt werden. Nach einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil unmittelbar nach dem Trocknen mechanisch bearbeitet und daran anschließend gebrannt. Nach einer anderen möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das getrocknete keramische Bauteil zuerst gebrannt und die mechanische Bearbeitung dann erst vorgenommen. Das Bearbeiten (z. B. Schleifen, Läppen oder Polieren) der gebrannten Bauteile ist insbesondere bei mechanisch und gleichzeitig thermisch hochbelasteten keramischen Motorbauteilen zweckmäßig, wie z. B. bei Ventilen oder Vollkolbenbolzen. Für diese Teile, ist die durch Brennen erreichbare Oberflächenqualität nicht in vollem Umfang ausreichend, so daß eine nachträgliche Oberflächenvergütung erforderlich wird. Auch wenn an dem Bauteil zusätzliche Funktionsflächen wie Gleit- und Dichtflächen vorgesehen sind, ist eine nachträgliche Endbearbeitung der entsprechenden Bauteile notwendig.

Durch die beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend beispielhaft für den Fachmann noch deutlicher erläutert werden, ohne jedoch auf die konkret dargestellte Ausführungsform beschränkt zu sein.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine Gießform mit zylindrischem Innenteil in seitlicher Ansicht.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine Gießform mit konischem Innenteil in seitlicher Ansicht.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist die nach dem Stand der Technik gebräuchliche. Mit Bezugszeichen sind im einzelnen der Schlickervorratsbehälter 1, der dem zylindrischen Innenteil 3 unmittelbar vorgeschaltet ist, hervorgehoben. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann nicht ausgeschlossen werden, daß es gelegentlich im Bereich des zylindrischen Innenteils zu Feststoffablagerungen kommt, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, die aber gleichwohl ein Nachfließen von Schlicker aus dem Vorratsbehälter 1 in die von der Eingußstelle 2 entfernter liegenden Bereiche des zylindrischen Innenteils 3 verhindern und so zur Bildung eines unerwünschten Lunkers im fertigen Bauteil führen. Die Gießform 4 selbst besteht aus saugfähigem, porösem Material, meist Gips. In Fig. 2 haben gleiche Bezugsziffern gleiche Bedeutung. Deutlich erkennbar aber ist, daß das Innenteil 3 der Gießform 4 eine nach oben sich konisch öffnende Form besitzt. Dadurch ist die Eingußstelle 2 verbreitert und es kann nicht mehr zu den unerwünschten Feststoffablagerungen kommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von keramischen Bauteilen aus Siliziumnitrid. Dabei ist es möglich, Schlickergießmassen wahlweise auf Basis von Siliziumnitrid oder von Silizium einzusetzen. Beim Sintern in Stickstoffatmosphäre wandelt sich das Silizium in Siliziumnitrid um. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich (zylindrische) Vollkolbenbolzen oder Ventilschäfte (mit zylindrischen Teilabschnitten) herstellen. Mittels der Meßmethode der Röntgengrobstrukturanalyse läßt sich zeigen, daß Lunker im Bereich der Zylinder-Symmetrieachse bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilen im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht nachgewiesen werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines massiven keramischen Bauteils, das mindestens teilweise eine zylindrische Mantelfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein gießfähiger keramischer Schlicker in eine saugfähige Gießform mit nach unten konisch verjüngtem Innenteil, die an einen Schlickervorratsbehälter angeschlossen ist, eingebracht wird, daß das in dem konischen Innenteil der Gießform entstandene grüne massive Bauteil mit konischer Oberfläche dem Innenteil entnommen wird und daß in einem nachgeschalteten Fertigungsschritt die konische Oberfläche des Bauteils mindestens teilweise durch mechanische Bearbeitung in eine zylindrische Mantelfläche überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit dem konischen Innenteil zusammen mit dem daran angeschlossenen Schlickervorratsbehälter vollständig mit gießfähigem Schlicker gefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in einem zusätzlichen Fertigungsschritt gebrannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen vor der mechanischen Bearbeitung des Bauteils vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen nach der mechanischen Bearbeitung des Bauteils vorgenommen wird.

6. Massives keramisches Bauteil hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Hauptbestandteil Siliziumnitrid enthält.

7. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 6 als Ventil in Verbrennungsmotoren.

8. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 6 als Kolbenbolzen in Kolbenpumpen oder Verbrennungsmotoren.