DE4238878C2 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen keramischen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskörpers - Google Patents

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:

Beispiel

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.