DE4238878C2 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen keramischen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskörpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines hohlen keramischen Gegenstandes mit der Gestalt eines RotationskörpersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1 zur Herstellung eines hohlen Gegen
standes mit der Gestalt eines Rotationskörpers, insbeson
dere eines ring- oder rohrförmigen Körpers.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-A1 38 23 351 bekannt.
Nach diesem Verfahren sind keramische Grünkörper herstell
bar, die bei beispielsweise 1650°C zu festen Körpern brenn
bar sind. Zur Herstellung der Grünkörper wird in eine ge
schlossene Zentrifuge eine Suspension in einer Vielzahl von
Schichten mit einer Schichtdicke von jeweils 1 bis 50 µm
eingebracht. Die während des Schleuderns über der jeweili
gen Schicht stehende Flüssigkeit wird an Zentrifugenboden
und -decke zum Abfluß gebracht.
Ein weiteres Verfahren ist aus der DE-OS 20 57 971 bekannt.
Als keramisches Material wird beim bekannten Verfahren ins
besondere Siliziumnitrid verwendet, das in der Gestalt ei
ner breiig-flüssigen Masse in die Form eingebracht wird.
Dieser Keramikschlicker enthält organische Zusätze. Die
Form enthält Dränageöffnungen oder Poren, durch die Flüs
sigkeit während des Schleudervorgangs entweichen kann. Der
hergestellte Grünkörper wird der Form entnommen und erfor
dert anschließend ein Brennen oder Sintern bei einer sehr
hohen Temperatur von typisch 1400°C.
Aus der DE-OS 21 56 592 ist ein weiteres Verfahren zur Her
stellung von Erzeugnissen, z. B. Turbinenschaufeln aus Si
liziumnitrid bekannt, das jedoch nicht mit einem Schleuder
guß arbeitet. Es wird dort ein Vorformling in einem ersten
Preßvorgang hergestellt und anschließend durch Heißpressen
bei 1700°C der endgültige Körper hergestellt. Gemäß einer
Verfahrensvariante wird vorgeschlagen, Kohlenstoff-Fasern
kurzer Länge dem preßfähigen Brei zuzugeben, um eine Ver
stärkung zu erzielen. Es hat sich allerdings gezeigt, daß
über 1000°C liegende Sinter- oder Preßtemperaturen zur Be
schädigung der Fasern führen, so daß die angestrebte Ver
stärkung nicht erreicht wird.
Der DE-OS 37 41 689 ist ein Verfahren zur Herstellung von
Formteilen aus keramischem Material mit eingebetteter Ar
mierung in Form eines Traggerüsts zu entnehmen. Das Tragge
rüst kann eine versteifte Fasermatte sein, wobei die Faser
matte aus C-Fasern, Si-Fasern oder Glasfasern bestehen
kann. Zur Verstärkung ist ein Metallgerüst geeignet. Das
herzustellende Formteil, z. B. die Turbinenschaufel, wird
durch Brennen eines Rohlings fertiggestellt, also ebenfalls
unter Einwirkung hoher Temperaturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gießverfahren
zur Herstellung keramischer Körper anzugeben, das keine ho
hen Sintertemperaturen erfordert und trotzdem zu Körpern
hoher Festigkeit führt und die Anwendung einer Faserver
stärkung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale ge
löst.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einer CBC
(Chemically Bonded Ceramic)-Masse, die durch chemische Re
aktionen bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 150°C, ty
pisch bei 80°C aushärtet und durch Temperaturbehandlung un
ter 200°C die Endfestigkeit erreicht. Die Keramikmasse ent
hält keine organischen Zusätze. Sie besteht aus einem alu
mosilikatischen Pulvergemisch und einem Binder auf Wasser
glasbasis.
Dem Fachmann sind CBC-Massen geläufig, und es ist bekannt,
daß solches Material durch einfaches Gießen in eine Form zu
Formkörpern verarbeitet werden kann, da keine wesentliche
Schrumpfung eintritt. Somit kann grundsätzlich durch übli
ches Gießen ein Körper in seiner endgültigen Form herge
stellt werden. Allerdings zeigen durch einfaches Gießen
hergestellte Formteile eine hohe Porosität; Risse können
sich praktisch ungehemmt ausbreiten. Die Ursachen für die
ses Gießergebnis sind darin zu sehen, daß beim Anrühren der
Gießmasse oder beim Einfüllen in die Form Lufteinschlüsse
entstehen, die beim Aushärten in dem Formkörper verbleiben
und Ursache für unzureichende Festigkeitseigenschaften und
vorzeitigen Verschleiß sind. Ein Einbringen von Verstär
kungsfasern würde bei einem solchen Gießverfahren die Pro
bleme mit Lufteinschlüssen noch verstärken.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses Problem da
durch überwunden, daß die Form während und/oder nach dem
Einfüllen der CBC-Masse in eine Drehbewegung versetzt wird.
Die Form hat in der Wirkungsrichtung der Zentrifugalkraft
dichte Wände, so daß für die chemische Reaktion benötigte
Flüssigkeitskomponenten in der Masse bleiben. Luftblasen
wandern während des Schleudervorgangs in Gegenrichtung nach
innen hin und können dort austreten bevor die Gießkeramik
abbindet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also ähn
lich wie beim eingangs beschriebenen Verfahren geschleu
dert, jedoch zu einem anderen Zweck.
Obwohl keine aufwendige Temperaturbehandlung bei hohen Tem
peraturen erforderlich ist, lassen sich Formteile herstel
len, deren Anwendungsgrenze je nach Zusammensetzung der Ke
ramik und Belastung des Formteils zwischen 600 und 1000°C
liegen. Das Verfahren läßt auch eine wirksame Verstärkung
durch Einsatz von Fasermaterial zu. Mit wirksamer Verstär
kung ist gemeint, daß die Fasern nicht durch eine Einwir
kung einer hohen Temperatur in ihrer Wirksamkeit beein
trächtigt werden.
Das Verfahren läßt sich durch eine Reihe von Maßnahmen noch
wirksamer gestalten, bzw. an Erfordernisse anpassen, die
z. B. durch die spezielle Gestalt des herzustellenden Kör
pers oder verlangte Festigkeitseigenschaften gegeben sind.
Zu solchen Maßnahmen zählen z. B. eine Beheizung der Form
oder ein Gießen in einem evakuierten Raum.
Das Verfahren und Ausgestaltungsmöglichkeiten werden nach
stehend anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Im allgemeinen wird die Gießmasse mit Hilfe eines Injektors mit
mehreren Düsen während eines
Schleudervorgangs eingebracht. Die in den Zeichnungen
schematisch in Schnittbildern dargestellten Einrichtungen
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind da
her alle für ein Aufspritzen der Masse auf eine rotierende
Form vorgesehen. Das Aufbringen des Materials erfolgt schrittweise,
wobei ein teilweises Aushärten der einzelnen
Schichten abgewartet wird, bevor weitere
Schichten aufgebracht werden.
Das Ziel, einen möglichst blasenfreien Formkörper herzustel
len, wird mit erhöhter Sicherheit erzielt, wenn das Ein
spritzen der Gießmasse in einem evakuierten Raum durchge
führt wird. Aufgrund der kleinen Abmessungen der Gießmate
rialtropfen kann nämlich durch den herrschenden Unterdruck
schon während des Flugweges der Tropfen von der Einspritz
düse bis zur Formwand ein Teil der eingeschlossenen Luft
blasen abgesaugt werden. Geeignet ist ein für technische
Zwecke übliches Vakuum oder zumindest ein Unterdruck von
etwa 200 mbar bis 500 mbar.
Mit einer beheizten Formwand kann unter anderem das er
wähnte schichtweise Aushärten unterstützt werden, wodurch
eine verringerte Porosität erzielbar ist.
Das Verfahren kann sowohl mit einer horizontalen als auch
vertikalen Anordnung durchgeführt werden.
Eine horizontale Anordnung hat den Vorteil, daß der Aufbau
vereinfacht ist, da man mit einem feststehenden rohrförmi
gen Injektor arbeitet, der nur nach unten, also in Richtung
der Schwerkraft weisende Düsen hat. Eine erhöhte Homogeni
tät ist dagegen bei vertikaler Anordnung zu erreichen, bei
der auch der Injektor rotiert und zwar mit einer anderen
Drehzahl oder anderen Drehrichtung als die Gießform. Die
Auswirkungen der Gravitation auf die Materialverteilung
sind bei vertikaler Anordnung geringer als bei horizontaler
Anordnung. Der rohrförmige Injektor kann in mehrere Rich
tungen weisende Einspritzdüsen aufweisen.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 Schleudergußvorrichtungen in vertikaler An
ordnung,
Fig. 4 Schleudergußvorrichtung in horizontaler An
ordnung.
Fig. 1 zeigt eine Schleudergußvorrichtung zur Herstellung
eines zylindrischen Formteils 10. Die Vorrichtung enthält
einen vertikal angeordneten rohrförmigen Injektor 1, mit
dem über Einspritzdüsen 2 ein Gießkeramikschlicker 11 in
Form eines Strahls oder von Tropfen 6 in eine Schleuderguß
form 3 eingespritzt wird. Der Injektor 1 rotiert während
des Schleudervorgangs. Die Anordnung der Düsen 2 kann über
den Umfang und die Länge verteilt sein; Die Öffnungen der
Düsen 2 können unterschiedlich groß gewählt werden. Damit
kann in weiten Grenzen eine Anpassung des Injektors 1 an
den herzustellenden Formkörper 10 erfolgen.
Die Gießkeramiktropfen 6 treffen auf die Innenwand einer
topfförmigen Schleudergußform 3, die während des Gießvor
gangs rotiert. Die Drehrichtung kann gleich oder entgegen
der Drehrichtung des Injektors 1 sein. Bei gleicher Dreh
richtung muß eine deutliche Drehzahldifferenz gegeben sein.
Die Wand der Schleudergußform 3, auf der der Formkörper 10
abgeschieden wird, ist flüssigkeitsdicht. Die Schleuderguß
form 3 ist je nach Form des herzustellenden Körpers ein
oder mehrfach geteilt, so daß ein gegossener Körper nach
Öffnung der Form entnommen werden kann.
In der Formwand ist eine Heizeinrichtung 4 integriert, mit
der die Form auf eine Temperatur im Bereich von etwa 70°C
bis 150°C aufgeheizt werden kann.
Die Schleudergußform 3 mit Injektor 1 ist in einem vakuum
dichten, aber öffenbaren äußeren Gehäuse 7 angeordnet. Das
Gehäuse 7 weist einen Vakuumanschluß 8 zum Anschluß einer
nicht dargestellten Vakuumpumpe auf. Durch das Gehäuse 7
führt eine Antriebswelle 12 für die Form 3. Sowohl der In
jektor 1 als auch die Antriebswelle 12 sind im Gehäuse 7 in
einem vakuumdichten Lager 5 drehbar gelagert. Der Injek
tor 1 ist zusätzlich in der Form 3 in einem Drehlager 13
gelagert, das zugleich das Injektorrohr abschließt.
Als Zusatzeinrichtung kann eine nicht dargestellte Kühlein
richtung für den Injektor oder auch die Schleudergußform 3
vorgesehen werden, mit der auf eine Temperatur im Bereich
von 100 bis 15°C gekühlt werden kann, um eine ausreichend
geringe Viskosität der Gießmasse zu erzielen. Geeignet ist
z. B. eine Wasserkühlung.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schleudergußvorrichtung wie
Fig. 1. Ein Unterschied besteht lediglich in der Gestalt der
Gießform 3. Mit einer solchen Gießform 3 lassen sich Form
körper 10 mit komplizierter Geometrie herstellen, also
rohrförmige Gebilde, deren Durchmesser über die Rotorlänge
variiert. Wenn man in einem solchen Fall eine gleichmäßige
Dicke der Wand des Formkörpers 10 erzielen will, müssen Ab
stände und/oder Öffnungsdurchmesser der Düsen 2 des Injek
tors 1 entsprechend der gekrümmten Wand des herzustellenden
Körpers 10 gewählt werden.
Die Schleudergußvorrichtung nach Fig. 3 entspricht der
Vorrichtung nach Fig. 2, ist aber ergänzt durch einen Fa
ser-Vorformling 9, der die Innenwand der Schleudergußform 3
in dem Bereich bedeckt, in dem Gießmaterial aufgespritzt
wird. Durch die Wirkung der Zentrifugalkraft wird das Gieß
material in das Fasergewebe gepreßt. Um einen Einschluß von
Luft zu vermeiden wird die Vorrichtung schon vor dem Ein
bringen von Gießmaterial vorevakuiert. Es können auch Wand
stärken von einigen Zentimeter Dicke durchtränkt werden.
Allerdings ist dann ein Aufbau des Vorformlings 9 mit
Schichten unterschiedlicher Dichte zweckmäßig. Die Dichte
wird dann so gestuft, daß die Keramik zuerst durch Faserge
webe mit geringer Dichte dringt und erst außen die höchste
Faserdichte vorfindet.
Die benutzte chemisch abbindende keramische Gießmasse be
steht aus einem alumosilikatischen Pulvergemisch und einem
Binder auf Wasserglasbasis. Als Zusätze können pulverför
mige mineralische Füllstoffe oder Kurzfasern mit typisch 1
bis 10 mm Länge verwendet werden. Pulverförmige oder kurz
fasrige Füllstoffe können mit der Gießmasse vermischt ein
gespritzt werden. Damit ist eine gewisse Orientierung von
Fasern in Flußrichtung bzw. radial im Formkörper verbunden.
Vorgefertigte Fasergelege, d. h. Gewebe, gewickelte Stränge
oder Matten, die als Vorformling 9 in die Form 3 einge
bracht werden, erlauben dagegen eine Verstärkung des Form
körpers 10 in wählbarer Richtung. Die Fasern können z. B.
aus Glas, Kohlenstoff, SiC, Al₂O₃, ZrO₂ bestehen oder auch
organischer Art sein und eventuell mit einer der Keramik
angepaßten Beschichtung versehen sein. Die Fasern bilden
mit der ausgehärteten Keramik einen Verbundwerkstoff, der
bis zur Einsatztemperatur der jeweiligen Faser verwendbar
ist.
Fig. 4 zeigt eine Schleudergußvorrichtung in der abwei
chend von den Gestaltungen gemäß den Fig. 1 bis 3 eine
horizontale Anordnung des Injektors 1 und der Schleuderguß
form 3 gewählt ist. Der Injektor 1 ist in diesem Fall fest
stehend und die Düsen 2 weisen ausschließlich nach unten,
also in Richtung der Gravitationskraft. Die horizontale
Vorrichtung ist weniger aufwendig als die vertikale Vor
richtung, da nur die Schleudergußform drehbar ausgeführt
ist.
Unabhängig davon, ob eine horizontale oder vertikale Anord
nung der Schleudergußform gewählt wird, kann je nach Form
körpergeometrie, Gießmaterial und Verwendungszweck des
Formkörpers eine geeignete Temperaturbehandlung durchge
führt werden. Generell härtet eine chemische abbindende Ke
ramik in einer geschlossenen Form bei Temperaturen zwischen
50° und 150°C, vorzugsweise 80°C, bis zur Formstabilität aus.
Dieser Vorgang dauert eine bis fünf Stunden, vorzugsweise
vier Stunden. Nach der Entformung wird das Formteil einem
von der Formteilgeometrie abhängigen Trocknungsprozeß un
terworfen. Es werden Gradienten von etwa 0,5-2 K/min als
Aufheizgeschwindigkeit eingesetzt, mit bis zu vier Stunden
Haltezeit bei bestimmten Temperaturen, z. B. 80°C, 110°C,
150°C und 180°C um eine Höchsttemperatur von 200°C zu er
reichen, die über etwa fünf Stunden bzw. bis zur Gewichts
konstanz gehalten wird. Anschließend kann eine einmalige
Aufheizung auf die spätere Betriebstemperatur des Formkör
pers erfolgen mit einem Gradienten von etwa 2 K/s. Zu
sätzlich kann bereits im Laufe des Schleudergußprozesses
eine gezielte Temperatursteuerung erfolgen, z. B. eine Küh
lung auf etwa 10 bis 15°C um die Viskosität zu minimieren
und die Tropfzeit des Materials zu verlängern.
Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfah
rens wird nachstehend ein Verfahrensbeispiel beschrie
ben:
Die Keramikmasse wird mit einem Kurzfasergehalt (Glas, SiC
oder Kohlenstoff) von 15 Gew.-% angesetzt und durch einen
gekühlten Injektor bei Vakuum eingespritzt. Die Formwand
befindet sich bereits auf einer Temperatur von 110°C, so
daß sich die über einen rotierenden Injektor eingespritzte
Keramik schichtweise an der Formwand absetzt und teilweise
aushärtet bevor die nächste Schicht abgeschieden wird. Da
durch wird eine willkürliche Ausrichtung der Fasern einge
froren bevor sich diese infolge von Zentrifugalkräften aus
richten können. Damit werden weitgehend homogene Werkstof
feigenschaften erreicht. Etwa 10 min nach Ende des Schleu
dergußvorgangs ist der Formkörper soweit verfestigt, daß er
entformt und nach der im Beispiel 1 beschriebenen Prozedur
getrocknet werden kann.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines hohlen Gegenstan
des mit der Gestalt eines Rotationskörpers durch
- a) Gießen einer Keramikmasse in eine geschlossene Schleudergußform und
- b) Drehen dieser Form um eine Längsachse während und/oder nach dem Einfüllen der Masse, um eine Schleuderwirkung zu erzielen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- c) als Keramikmasse eine CBC (Chemically Bonded Cera mic)-Masse ohne organische Zusätze, nämlich ein alu mosilikatisches Pulvergemisch mit einem Binder auf Wasserglasbasis, verwendet wird, die durch chemische Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C aushärtet,
- d) während des Schleudervorgangs eine Zentrifugalkraft erzeugt wird, die ausreicht, um Luftblasen aus der zähen CBC-Masse in Richtung des Zentrums des herzu stellenden Körpers - und damit aus dem Körper her aus - zu transportieren, bevor die CBC-Masse ausge härtet ist, und
- e) die Gießmasse schichtweise in die Form eingebracht wird, wobei jeweils ein teilweises Aushärten der einzelnen Schichten abgewartet wird, bevor eine weitere Schicht hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gießmasse als Zusatz einen pulverförmigen metalli
schen Füllstoff oder 1 bis 10 mm lange Fasern enthält, die
im wesentlichen aus Glas, Kohlenstoff, SiC, Al₂O₃, ZrO₂
oder einem sonstigen geeigneten organischen oder anorgani
schen Material bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Schleudergußform ein Vorformling aus einem Fa
sergelege eingebracht wird, dessen Fasern im wesentlichen
aus Glas, Kohlenstoff, SiC, A1₂O₃, ZrO₂ oder einem sonsti
gen geeigneten organischen oder anorganischen Material be
stehen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorformling aus einem Fasergelege besteht, dessen
Dichte auf der Seite, auf der das Gießmaterial aufgebracht
wird, geringer ist, als in weiter davon entfernten Schich
ten.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gießmasse mit Hilfe eines
rohrförmigen Injektors, der mehrere Einlaßdüsen aufweist,
in die Form eingespritzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf etwa 10 bis 15°C kühlbarer Injektor verwendet
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem eine Schleudergußform verwendet wird, die
ebenfalls auf 10 bis 15°C kühlbar ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Schleudergußform verwendet
wird, die auf 70 bis 150°C beheizbar ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Schleudergußform verwendet
wird, die in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet ist und
daß zumindest während des Gießvorgangs im Gehäuse ein Va
kuum oder ein Unterdruck von 200 mbar bis 500 mbar geschaf
fen wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Schleudervorgangs
und/oder während eines Trocknungsprozesses nach einer Ent
nahme des hergestellten Formkörpers aus der Schleuderguß
form eine Temperaturbehandlung mit wählbaren Temperaturstu
fen wählbarer Temperaturhaltezeiten und wählbaren
Temperaturgradienten durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikale Anordnung eines
rotierenden Injektors und einer ebenfalls rotierenden
Schleudergußform verwendet wird, wobei die Drehrichtung
und/oder die Drehzahl von Injektor und Schleudergußform un
terschiedlich ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß eine horizontale Anordnung eines
feststehenden Injektors mit nach unten, also in Richtung
der Gravitationskraft weisenden Düsen und eine um eine horizontale Achse
rotierende Schleudergußform verwendet werden.
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Cited By (2)
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