DE4215939A1

DE4215939A1 - Gesintertes Aluminiumoxidprodukt

Info

Publication number: DE4215939A1
Application number: DE19924215939
Authority: DE
Inventors: Rudolf Pollner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-11-18
Also published as: CN1078710A; WO1993023346A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem gesinterten Aluminiumoxidprodukt der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Dicht gesinterte Aluminiumoxidprodukte werden im weiten Umfang bei hohen Temperaturen als elektrische Isoliermaterialen eingesetzt, beispielsweise als Zündkerzenisolatoren in Brennkraftmaschinen, da sie eine hohe mechanische Festigkeit und Isolierbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen mit einer hohen Hitzebeständigkeit und elektrischen Durchschlagfestigkeit vereinigen.

Bei einem bekannten gesinterten Aluminiumoxidprodukt dieser Art (DE 34 05 205 G3) ist neben der Hauptkomponente aus 90-98 Gewichtsprozent (Gew.-%) Al₂O₃ und der aus den Zusatz- oder Hilfskomponenten SiO₂, CaO und MgO bestehenden Oxidzusammensetzung von 1-10 Gew.-% noch die weitere Hilfskomponente Bariumoxid (BaO) von bis 1 Gew.-X zugemischt. Ggf. wird noch weniger als 1 Gew.-% Boroxid zugegeben. Die Oxidzusammensetzung aus SiO₂, CaO und MgO liegt dabei innerhalb des in Fig. 1 strichpunktiert dargestellten Sechsecks in dem dort skizzierten SiO₂-CaO- MgO-Phasendiagramm. Beim Herstellen werden die gemischten Komponenten naß auf eine Teilchengröße von 1,5 µm vermahlen, getrocknet und unter einem Druck von 98100 kPa zu einem Preßling verfestigt. Der Preßling wird bei einer Temperatur von 1530-10°C gesintert.

Ein solchermaßen zusammengesetztes und hergestelltes Aluminiumoxidprodukt soll sich durch eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit bei erhöhten Temperaturen auszeichnen. Die angegebene Durchschlagfestigkeit liegt im Mittel jedoch nur zwischen 30-40 kV/mm, wobei die Durchschlagfestigkeit in dem angegebenen großen Bereich der Zusammensetzung der Hilfskomponenten stark streut.

Aus der DE-AS 2 027 574 ist ein gebrannter Keramikkörper insbesondere in Form eines Zündkerzenisolators, bekannt, der ein Reaktionsprodukt von 94-96,5 Gew.-% Al₂O₃ und entsprechend 6,0-3,5 Gew.-% der aus den Hilfskomponenten SiO₂, CaO und MgO bestehenden Mischung umfaßt. Die Anteile der Hilfskomponenten ist dabei so gewählt, daß sie innerhalb des in Fig. 1 punktiert gezeichneten Parallelogramm in dem dort dargestellten SiO₂-CaO-MgO- Phasendiagramms liegt. Auch hier hat die Prüfung gebrannter Keramikkörper dieser Zusammensetzung ergeben, daß in dem angegebenen Bereich der Hilfskomponentenanteile die elektrische Durchschlagfestigkeit der Keramikkörper sehr stark schwankt und einen Bereich von 25 bis 40 kV/mm überdeckt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxidprodukt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß in dem angegebenen Bereich der Zusammensetzung der Anteile der Hilfskomponenten oder Flußmittel SiO₂, CaO und MgO eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit des Aluminiumoxidprodukts mit herkömmlichen Fertigungsverfahren und unter Verwendung üblicher preiswerter Rohstoffe erreicht wird. Die elektrische Durchschlagfestigkeit liegt bei einer Sintertemperatur von 1650°C oberhalb 52 kV/mm und bei einer Sintertemperatur von 1600°C oberhalb 42 kV.

Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Bereich der Zusammensetzung der Flußmittelanteile auf das in Fig. 1 schraffiert dargestellte Viereck mit den Eckpunkten BDEF eingeschränkt, so haben alle Aluminiumoxidkeramiken mit in diesem Bereich liegenden Gemischzusammensetzungen eine noch höhere elektrische Durchschlagfestigkeit, die weitgehend ausgeglichen ist, d. h. weniger schwankt. Sie liegt bei einer Sintertemperatur von 1650° zwischen 55 und 59 kV/mm und bei einer Sintertemperatur von 1600°C zwischen 42 und 49 kV/mm.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein SiO_-GaO-MgO-Phasendiagramm,

Fig. 2 ein Diagramm des Molverhältnisses SiO₂/ GaO + MgO in Zuordnung zu dem Molverhältnis GaO/GaO + MgO

Fig. 3 eine Tabelle von Beispielen verschiedener Flußmittel-Zusammensetzung der Aluminiumoxid keramik mit Angabe der jeweils erzielten elektrischen Durchschlagfestigkeit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem gesinterten Aluminiumoxidprodukt wird die Hauptkomponente Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Anteil von 90-98 Masseprozent eingesetzt und eine Oxidmischung aus den Zusatz- oder Hilfskomponenten, auch Flußmittel genannt, Siliciumoxid (SiO₂), Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) von entsprechend 10-2 Masse % hinzugegeben. Die Anteile der Zusatzkomponenten untereinander sind dabei so gewählt, daß ihre Zusammensetzung innerhalb des im SiO₂-CaO-MgO- Phasendiagramms der Fig. 1 ausgezogen dargestellten Dreiecks ABC liegt. Die Dreieckspunkte sind dabei in Mol% wie nachfolgend definiert:

Zur Herstellung dieses gesinterten Aluminiumoxidprodukts, auch Aluminiumoxidkeramik genannt, werden die bekannten handelsüblichen Rohstoffe (Tonerde und die vorstehend genannten Flußmittel) nach üblichen bekannten Verfahren aufbereitet und gesintert. So wird z. B. eine Sintertonerde mit einer mittleren Korngröße zwischen 2 und 5 µm und einem Na₂O-Gehalt von kleiner 0,2% verwendet. Die Tonerde wird zusammen mit den entsprechenden Mengen an Kaolin, Kreide, Magnesit und ggf. Talkum, die beim Erhitzen die Oxide SiO₂, CaO und MgO bilden, in einem solchen Mengenverhältnis gemischt, das sich im fertig gesinterten Produkt ein Al₂O₃- Gehalt von 90-98 Masse% ergibt. Die Mischung wird in einer Trommelmühle naß oder trocken gemahlen. Die gemahlene Masse wird unter Verwendung von organischen Bindern (z. B. PVA, Methylcellulose, Wachsemulsion etc.) zu einem Sprühgranulat verarbeitet. Dann wird das Sprühgranulat durch isostatisches Pressen zu einem Grünpreßling gefestigt. Die Grünpreßlinge, die z. B. zu einem Zündkerzenisolator geformt sind, erhalten durch Schleifen mit Profilscheiben ihre endgültige Form und werden dann bei Temperaturen zwischen ca. 1600°C und 1650°C gesintert.

Beispiele solchermaßen hergestellter Aluminiumoxidkeramik sind in der Tabelle der Fig. 3 mit Angabe der jeweils erzielten elektrischen Durchschlagfestigkeit angegeben. Deutlich ist zu sehen, daß bei einer Anteilsbemessung der Oxidzusammensetzung aus SiO₂, CaO und MgO, die innerhalb des in Fig. 1 ausgezogen dargestellten Dreiecks ABC liegt, eine hohe Durchschlagfestigkeit erreicht wird, die zwischen 42 und 49 kV/mm bei einer Sintertemperatur von 1600°C und zwischen 52 und 59 kV/mm bei einer Sintertemperatur von 1650°C liegt. Um einen besseren Vergleich zu den in Tabelle 3 nicht in Masse % sondern in Molverhältnissen angegebenen Gemischanteilen zu ermöglichen, ist in Fig. 2 das Diagramm des Molverhältnisses SiO_/CaO + MgO in Abhängigkeit von dem Molverhältnis CaO/CaO+MgO dargestellt. Auch in diesem Diagramm liegen erfindungsgemäß die Anteile der Oxidzusammensetzung innerhalb des ausgezogen dargestellten Dreiecks ABC. Zum Vergleich hierzu sind in Fig. 2 auch die Gebiete strichpunktiert bzw. punktiert eingezeichnet, innerhalb derer die Oxidzusammensetzungen der Hilfskomponenten bei ähnlichen Aluminiumoxidprodukten nach dem Stand der Technik liegen. Deutlich ist zu sehen, daß bei der hier beschriebenen Aluminiumoxidkeramik der Bereich, in dem die Anteile der Oxidzusammensetzung liegen, sehr viel kleiner ist und sich nur teilweise mit den Bereichen gemäß dem Stand der Technik überschneidet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Aluminiumoxidkeramik ist der zugelassene Bereich, innerhalb dessen die Anteile der Oxidzusammensetzung SiO₂, CaO und MgO liegen, eingeschränkt und umfaßt das in Fig. 1 und 2 schraffiert dargestellte Viereck BDEF.

Die Eckpunkte sind dabei wie folgt definiert und in Mol% angegeben:

Wie die Tabelle in Fig. 3 im unteren Teil zeigt, haben die gesinterten Aluminiumoxidprodukte, die diese Bedingungen erfüllen, eine sehr hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, die bei höherer Sintertemperatur über den gesamten Bereich nur relativ wenig schwankt. So liegt die Durchschlagfestigkeit bei einer Sintertemperatur von 1650°C zwischen 55 und 59 kV/mm und bei einer Sintertemperatur von 1600°C zwischen 42-49 kV/mm.

Claims

1. Gesintertes Aluminiumoxidprodukt mit einer Hauptkomponente aus 90-98 Masse % Aluminiumoxid (Al₂O₃) und den Zusatzkomponenten Siliciumoxid (SiO₂), Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO), dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Anteile der Zusatzkomponenten 10-2 Masse % beträgt und die einzelnen Anteile so ausgewählt sind, daß ihre Zusammensetzung innerhalb des in Fig. 1 dargestellten SiO₂-CaO-MgO-Phasendiagramms liegenden Dreiecks ABC liegt, wobei die Dreieckpunkte in Mol%-Angabe wie folgt definiert sind:

2. Aluminiumoxidprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Zusatzkomponenten (SiO₂, CaO, MgO) in einem eingeschränkten Viereck BDEF innerhalb des Dreiecks ABC liegt′ wobei die Viereckpunkte in Mol%-Angabe wie folgt definiert sind:

3. Verfahren zur Herstellung des gesinterten Aluminiumoxidprodukts, insbesondere in Form eines Zündkerzenisolators, bei welchem die Hauptkomponente in Form von Tonerde und die Zusatzkomponenten in Form von die Oxide beim Erhitzen bildenden Stoffen, wie Kaolin, Kreide, Quarzmehl, Kalkspart, Magnetisit, Talkum, miteinander gemischt und zu einem Grünpreßling verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünpreßling bei Temperaturen zwischen 1600°C und 1650°C ca. 1 Std. gesintert wird.