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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Bildung eines Formkörpers aus feinen Partikeln, wie
etwa aus Pulver, Whiskern oder Kurzfasern aus Keramiken
oder Metallen, und zwar dadurch, daß eine Form mit einer
Formkammer angewendet wird.
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Es ist bekannt, keramische oder metallische Artikel aus
feinen Partikeln von Material, wie etwa aus Pulver,
Whiskern oder Kurzfasern herzustellen, und zwar durch
Einfüllen eines Gemisches aus den feinen Partikeln und
einem fluidartigen Binder oder Bindemittel in eine
Formkammer einer Form, durch verdichten des Gemisches in
der Formkammer, um der Form der Formkammer zu folgen,
durch Entfernen des Formkörpers aus der Formkammer, durch
Austreiben des Bindemittels aus dem Formkörper und durch
Sintern der feinen Partikel, um einen einstückigen Körper
zu bilden.
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Bei dem vorstehenden Artikelfertigungsprozessen ist das
fluidartige Bindemittel unentbehrlich, um einer Masse von
feinen Partikeln eine derartige gleichmäßige Fluidizität
zu geben, daß sie leicht verformbar ist, um eine
Formkammer in jeder Ecke gleichmäßig aufzufüllen und um
zudem vor dem Sintern der feinen partikel die Form des
Formkörpers aufrechtzuerhalten.
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Jedoch nimmt das Verfahren, das Bindemittel aus dem
Formkörper auszutreiben, bei welchem es sich generell um
das Erwärmen des Formkörpers bei atmosphärischem Durchzug
handelt, eine relativ lange Zeit ein. Ferner besteht,
sofern das Erwärmen nicht bei geeigneter Bedingung
durchgeführt wird, eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß eine
unerwünschte Schrumpfung auftritt und Risse erzeugt
werden.
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Um diese Probleme zu lösen, wurde in der Japanischen
Patentveröffentlichung 3-9064 (= US-A-4.731.208)
vorgeschlagen, ein überkritisches Fluid zu verwenden, das
dem Gemisch aus feinen Partikeln und einem Bindemittel
beigemischt ist. Dabei ist anzumerken, daß das
überkritische Fluid aufgrund seiner hohen Dichte eine
hohe Löslichkeit gegenüber dem Bindemittel hat, wodurch
es als gutes Extraktionsmittel wirkt, um das Bindemittel
aus dem Formkörper herauszutreiben.
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Ferner ist in der Japanischen Patentveröffentlichung 3-
12122 (= US-A-5.028.363) vorgeschlagen worden, das
Bindemittel im Formkörper zuerst mittels einem
überkritischen Fluid auszutauschen und danach das
überkritische Fluid vom Formkörper zu entfernen, während
es vom überkritischen Fluidzustand direkt in den
gasförmigen Zustand wechselt, ohne die Flüssig-Gas-
Grenzlinie zu kreuzen, so daß in den Mikroporen des
Formkörpers kein Zustand der Koexistenz von Flüssigkeit
und Gas auftritt. Dadurch wird vermieden, daß die
Mikrostruktur des Formkörpers durch die Kapillarwirkung
des Fluids in den Mikroporen beschädigt wird.
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Angesichts der vorstehend beschriebenen, mit der
Entfernung des Bindemittels vom Formkörper auftretenden
Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Bildung eines Formkörpers aus feinen Partikeln zu
schaffen, wie etwa aus Pulver, Whiskern oder Kurzfasern
aus Keramiken oder Metall, und zwar ohne Verwendung eines
Bindemittels, so daß kein Entfernungsverfahren des
Bindemittels von dem Formkörper benötigt wird.
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Die US-A-3.165.570 zeigt ein Verfahren ohne Verwendung
eines Bindemittels; wobei ein Trägerfluid, wie etwa Luft,
für den Transport des Partikel-Materials in die Form
verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur
Bildung eines Formkörpers gemäß Anspruch 1.
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Wenn feine Partikel, wie etwa Pulver, Whisker oder
Kurzfaser aus Keramiken oder Metall mit einem Trägerfluid
gemischt bei im wesentlichen überatmosphärischem Druck in
eine Formkammer einer Form zugeführt werden, und zwar
über deren Einlaßöffnung, welche zum ersten Abschnitt der
Formkammer offen ist, und wenn die Form eine
Auslaßöffnung aufweist, die bei dessen zweiten Abschnitt,
der den ersten Abschnitt im wesentlichen gegenüberliegt
und im wesentlichen nur das Trägerfluid im gasförmigen
Zustand aus der Formkammer ausstoßen kann, zur Formkammer
offen ist, so wird von der Einlaßöffnung zur
Auslaßöffnung eine kontinuierliche Strömung des
Trägerfluids quer durch die Formkammer erzeugt. Dadurch
ist eine Suspension der feinen Partikel mittels dem
Trägerfluid verfügbar, die ausreicht, um die feinen
Partikel in jede Ecke der Formkammer zu tragen.
Anschließend werden, wenn das Trägerfluid, welches die
feinen Partikel getragen hat, durch Auslaßöffnung
ausgestoßen ist, die feinen Partikel allmählich
aufeinandergehäuft, und zwar ausgehend von der Stelle der
Auslaßöffnung in Richtung auf die Stelle der
Einlaßöffnung und unter Bildung einer dichten Anhäufung
aus den feinen Partikeln mit einer derartigen
Mikrostruktur, daß jedes feine Partikel in einem durch
mehrere vorhergehende feine Partikel gebildeten Mikroraum
in höchstem Maße stabil aufgenommen ist und darauffolgend
durch die Strömung des Trägerfluids sowie durch einen
Druckgradienten über einer nachfolgenden Anhäufung von
feinen Partikeln zwischen jenen vorhergehenden feinen
Partikeln gedrückt. Wenn somit der auf das Gemisch der
feinen Partikel und auf das Trägerfluid in die Formkammer
auszuübende Druck geeignet ausgewählt ist, ist ein
Formkörper aus feinen Partikeln in jeder denkbaren Form
erhaltbar, der eine Integrität aufweist, die groß genug
ist, um seine Form während des nachfolgenden
Sinterprozesses unverändert zu halten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich das
Trägerfluid in einem überkritischen Zustand, wenn das
Gemisch in die Formkammer zugeführt wird, wobei sich das
Trägerfluid bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck
im gasförmigen Zustand befindet.
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Jedoch kann sich das Trägerfluid ebenso im flüssigen
Zustand befinden, wenn das Gemisch in die Formkammer
zugeführt wird, wobei sich das Trägerfluid bei
Raumtemperatur und atmosphärischem Druck im gasförmigen
Zustand befindet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zur Durchführung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das Gemisch
derart hergestellt werden, daß es sich bei erhöhtem Druck
in einem mit einer Heizeinrichtung und einer
Rühreinrichtung ausgestatteten Druckkessel befindet und
mittels dem Druck in dem Druckkessel in die Formkammer
zugeführt wird.
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Alternativ ist das Gemisch in einem mit einer
Heizeinrichtung und einer Rühreinrichtung ausgestatteten
Kessel herstellbar und ist es vom dem Kessel über eine
das Gemisch verdichtende Pumpeneinrichtung in die
Formkammer zuführbar.
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Als Trägerfluid ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
CO&sub2; eines der höchst wünschenswerten,anzuwendenden
Materialien.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer
Vorrichtung, um ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung durchzuführen;
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Fig. 2 ein Beispiel eines mittels der Vorrichtung
aus Fig. 1 erzeugten Formkörpers aus feinen Partikeln;
und
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Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter
Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ausführlicher
beschrieben.
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Bezogen auf Fig. 1 ist mit 10 ein Speicherbehälter für
CO&sub2; bezeichnet, welcher CO&sub2; über eine Leitung 12, eine
Pumpe 14 und eine Leitung 16 zu einem Mischkessel 18 mit
einer Mischkammer 20 zuführt. Das CO&sub2; wird mittels einer
Heizeinrichtung 22 wahlweise erwärmt, während es durch
die Leitung 16 geleitet wird. Der Mischkessel hat eine um
die Mischkammer 20 angeordnete Heizeinrichtung 24 und
eine Rühreinrichtung 28 für das Mischen von in die
Mischkammer 20 eingefüllten feinen Partikeln 26 und dem
in die Mischkammer 20 eingeführten CO&sub2;. Die Mischung der
feinen Partikel und des CO&sub2; wird über ein Absperrventil
30 und eine Leitung 32 durch eine Einlaßöffnung 36 zu
einer Form 34 geleitet. Die Form 34 besteht aus einer
oberen Formhälfte 38 und einer unteren Formhälfte 40,
welche in Kombination eine Formkammer 42 definieren. Ein
kleiner Zwischenraum zwischen den beiden Formhälften an
einer der Einlaßöffnung 36 gegenüberliegenden Stelle
schafft eine Auslaßöffnung 44, welche im wesentlichen nur
Gas durchläßt.
Beispiel 1:
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Ein Formkörper wurde durch Anwendung der Vorrichtung aus
Fig. 1 aus Siliziumnitritpulver hergestellt.
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Zuerst wurde ein Material aus feinen Partikeln aus
Siliziumnitritpulver mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 0,4 um, welches 96 Gewichtsteile
bildete, Yttriumoxidpulver mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 0,2 um, welches zwei
Gewichtsprozent bildete, und Aluminiumoxidpulver mit
einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,1 um, welches 2
Gewichtsteile bildete, in die Mischkammer 20 gefüllt.
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Anschließend wurde mit geschlossenem Absperrventil 30 der
Formkammerraum mittels der Heizeinrichtung 24 auf 35 ºC
erhitzt, die höher als die kritische Temperatur 31,1 ºC
von CO&sub2; war. Anschließend wurde durch Betätigung der
Pumpe 14, durch Öffnung eines Öffnungsventils (in Fig. 1
nicht gezeigt) des Speicherbehälters 10 und durch
Betätigung der Heizeinrichtung 22 solange CO&sub2; vom
Speicherbehälter 10 in die Mischkammer 20 gefüllt, bis
der Druck in der Mischkammer 20 400 atm erreichte, der
höher als der kritische Druck 73,8 atm von CO&sub2; war,
wodurch sich das CO&sub2; in der Mischkammer 20 im
überkritischen Zustand befand.
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Die Rühreinrichtung 28 wurde zudem betätigt, um die
feinen Partikel mit dem überkritischen CO&sub2; zu mischen,
wodurch die feinen Partikel in turbulenten CO&sub2;-Strömungen
suspendierten. Anschließend wurde unter Öffnung des
Absperrventils 30 das Gemisch vom Mischkessel über die
Einlaßöffnung 36 in die Formkammer 42 gespeist.
Zwischenzeitlich wurde CO&sub2;-Gas von der Auslaßöffnung 44
ausgestoßen. Wenn die Formkammer 42 mit einer Anhäufung
aus einen Körper 46 bildenden feinen Partikeln
vollständig gefüllt war, wurde das Absperrventil 30
geschlossen und alle Heizeinrichtungen 22 und 24, die
Pumpe 14 und die Rühreinrichtung 28 gestoppt.
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Obwohl es nicht möglich war, das Verhalten der feinen
Partikel und des überkritischen CO&sub2; in der Formkammer 42
zu beobachten, wurde vermutet, daß sich, da ein Anteil
des überkritischen CO&sub2; neben der Auslaßöffnung 44 in der
Formkammer 42 durch die Auslaßöffnung 44 ausgestoßen
wurde, während es in den Gaszustand überwechselte, die
durch einen solchen CO&sub2;-Anteil suspendierten feinen
Partikeln um die Auslaßöffnung 44 herum befanden, um eine
Schicht aus angehäuften feinen Partikeln zu bilden.
Anschließend erzeugte diese, da die Dicke der angehäuften
Schicht allmählich zunahm, eine
Strömungswiderstandsschicht gegen den CO&sub2;-Ausstrom in der
Form, und zwar durch die Auslaßöffnung 44. Dadurch wurde
quer über die angehäufte Schicht ein Druckgradient zur
Auslaßöffnung erzeugt, der nacheinander jedes feine
Partikel in jedem Mikroraum höchst stabil aufgenommen
zurückläßt, welcher durch mehrere vorhergehende bereits
in der angehäuften Schicht ausgebildete feine Partikel
geschaffen wurde, und zwar mittels der entsprechend dem
Druckgradienten erzeugten Kraft oder der CO&sub2;-Strömung und
der dadurch ausgeübten Verdichtung der angehäuften
Schicht.
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Nach Vollendung des vorstehend beschriebenen
Formvorganges wurden die Formhälften geöffnet und wurde
gemäß Fig. 2 der Formkörper 46 in der Form eines
rechtwinkligen quaderförmigen Blocks erhalten. Der Block
stimmte in den drei Dimensionen mit jenen der Formkammer
42 genau überein. Es gab keine Schrumpfung und keinen Riß
im Block. Die Dichte und die Biegefestigkeit des
Formkörpers 46 wurde untersucht. Die Dichte war über alle
seine Bereiche im wesentlichen gleichförmig und betrug
1,50 g/cm³, was eine volumetrische Dichte von 48% ist.
Der Formkörper war fest genug, um seine Form für einen
nachfolgenden Sinterprozeß zu halten. Es wurde bestätigt,
daß kein CO&sub2; im Formkörper übrig blieb.
Beispiel 2:
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Die Vorrichtung wurde gemäß Fig. 3 modifiziert, so daß
die Pumpe 14 in der Leitung 32 positioniert war und eine
im Mischkessel 18 hergestellte Mischung aus feinen
Partikeln und einem Trägerfluid in die Formkammer 42 bei
darauf ausgeübter Verdichtung zuführen konnte.
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Ein Gemisch aus 10 kg Siliziumnitritpulver mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 um, aus 500 g
Yttriumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von
0,1 um und 500 g Aluminiumoxidpulver mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 0,1 um wurde in die Mischkammer
20 des Mischkessels 18 gefüllt. Anschließend wurde bei
geschlossenem Absperrventil 30 CO&sub2; bei 5 kg/cm² in die
Mischkammer 20 eingespeist. Anschließend wurde unter
Betätigung der Heizeinrichtung 24, während zudem die
Rühreinrichtung 28 betätigt wurde, der Mischkammerraum
derart erwärmt, daß die Temperatur bis 80 ºC und der
Druck bis 120 kg/cm² anstieg, wodurch das CO&sub2; in einen
überkritischen Zustand überging.
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Anschließend wurde unter Öffnung des Absperrventils 30
das Gemisch aus feinen Partikeln und dem überkritischen
CO&sub2; bei laufender Pumpe 14 auf 300 kg/cm² gepumpt und in
die Formkammer 20 gespeist. Die Zufuhr des Gemisches
wurde beim Pumpen fortgesetzt, während das CO&sub2;-Gas durch
die Auslaßöffnung 44 ausströmen konnte, bis die
Formkammer 20 mit einer Anhäufung aus feinen Partikeln
vollständig gefüllt war. Anschließend wurde das
Absperrventil 30 geschlossen und die Pumpe 14 gestoppt.
Anschließend wurden die Formhälften geöffnet und der
Formkörper 46 herausgenommen.
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Für Vergleichszwecke wurden aus derselben Mischung
mehrere Formkörper hergestellt, jedoch ohne Betätigung
der Pumpe 14, so daß der Zufuhrdruck des Gemisches in die
Formkammer 42 gemäß dem Verbrauch der Mischung im
Mischkessel 18 allmählich sank.
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Der Unterschied in der Dichte des Formkörpers
entsprechend dem Mischungszufuhrdruck in die Formkammer
war folgender:
Druck (kg/cm²)
Dichte (g/cm³)
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Der mittels einem Mischungszufuhrdruck von 300 kg/cm²
angefertigte Formkörper und der mittels dem
Mischungszufuhrdruck von 95 kg/cm² angefertigte
Formkörper wurde für 4 Stunden bei 1700 ºC in
Stickstoffatmosphäre gesintert. Die Dichte der
gesinterten Körper wurden gemessen. Ferner wurden 40
Versuchsstücke für den Biegeversuch gemäß JIS R1601 von
jedem Formkörper angefertigt und untersucht. Die
Mittelwerte der Dichte, der Festigkeit und des Weibull-
Koeffizienten hinsichtlich der bei Drücken von 300 kg/cm²
und 95 kg/cm² erhaltenen Versuchsstücke waren jeweils wie
folgt:
Druck
Dichte
Festigkeit
Weibull-Koeffizient
Beispiel 3:
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Ein Gemisch aus 10 kg Siliziumnitritpulver mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 um, aus 500 g
Yttriumoxidpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser
von 0,1 um und aus 500 g Aluminiumoxidpulver mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von 0,2 um wurde in die
Mischkammer 20 des Mischkessels in der Vorrichtung aus
Fig. 3 gefüllt. Anschließend wurde CO&sub2; bei geschlossenem
Absperrventil 30 unter Druck in die Mischkammer 20
gefüllt. Der Druck und die Temperatur im Mischkammerraum
wurden jeweils auf 100 kg/cm² und 23 ºC eingestellt, so
daß das CO&sub2; in flüssigem Zustand war. Die in die
Mischkammer 20 gefüllte CO&sub2;-Menge betrug 3,5 kg.
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Nach abgeschlossenem Rühren der Mischung mittels dem
Rührwerk 28 wurde unter Öffnung des Absperrventils 30 das
Gemisch bei laufender Pumpe 14 bis auf 200 kg/cm²
hochgepumpt und in die Formkammer 42 gespeist. Die
Pumpzufuhr der Mischung in die Formkammer wurde
fortgesetzt, während das CO&sub2;-Gas über die Auslaßöffnung
44 ausgestoßen wurde, bis die Formkammer 42 mit einer
Anhäufung der feinen Partikel vollständig gefüllt war.
Anschließend wurde das Absperrventil geschlossen, die
Pumpe 14 gestoppt und der Formkörper aus der Form mit
derselben rechtwinkligen quaderförmigen Blockform
genommen.
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Der Formkörper hatte 3 Dimensionen, die mit jenen der
Formkammer 42 genau übereinstimmten. Die Dichte betrug
1,37 kg/cm³. Keinerlei CO&sub2; blieb im Formkörper.
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Der Formkörper wurde für 4 Stunden bei 1750 ºC in N&sub2;-
Atmosphäre gesintert. 40 Proben wurden für den
Biegeversuch gemäß JIS R1601 von dem gesinterten Körper
hergestellt und untersucht. Die Mittelwerte der
Festigkeit und des Weibull-Koeffizienten betrugen jeweils
1210 MPa und 14.
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Aus der Vorbeschreibung wird verständlich, daß gemäß der
vorliegenden Erfindung Formkörper aus feinen Partikeln,
wie etwa aus Pulver, Whiskern oder Kurzfasern aus
Keramiken oder Metall, die in einstückige keramische oder
metallische Artikel umzuwandeln sind, mittels einem
nachfolgenden Sinterprozeß erhalten werden, um eine
mittels einer Formkammer definierte Form und Dimensionen
bei hoher Wiedergabetreue aufzuweisen, und zwar ohne
Verwendung eines Bindemittels, wodurch die
Schwierigkeiten beim Heraustreiben des Bindemittels aus
den Formkörpern vermieden werden. Daher ist bei der
Herstellung der Formartikel aus Keramiken oder Metall
ausgehend von feinen Partikeln des Materials eine hohe
Produktivität zu bewerkstelligen.