DE69208838T2

DE69208838T2 - Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit kleinen Durchmessern aufweisenden Löchern

Info

Publication number: DE69208838T2
Application number: DE69208838T
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Hattori
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: US6033619A; DE69208838D1; EP0545685A1; JP2500138B2; EP0545685B1; JPH05147011A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifif ein Verfahren zur Herstellung von Keramiken mit einem Loch oder mehreren Löchern. Im spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Keramik mit einem feinen Loch oder mehreren feinen Löchern, das/die ohne maschinelle Bearbeitung nach dem Brennen in (einer) bestimmten Position(en) angeordnet sind.
Keramikmaterialien, wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und teilweise stabilisiertes Zirkondioxid weisen hervorragende Eigenschaften auf, was Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und dergleichen betrifft. Daher werden sie für Maschinenteile verwendet. Das Gebiet, auf dem Keramikmaterialien verwendet werden, wird durch nach und nach erfolgende Verbesserungen, Konstruktionsrationalisierungen usw. immer umfassender.
Was solche Keramikteile betrifft, besteht ein Bedarf zum Ausbilden eines Lochs oder mehreren Löchern mit einem bestimmten Durchmesser in (einer) bestimmten Position(en). Beispielsweise weisen Keramikschaufeln (Turbinenschaufeln und Turbinendüsen), die bei einer Gasturbine verwendet werden, adäquate Kühlungslöcher zum Kühlen des Bauteils und zur Gewährleistung höherer Zuverlässigkeit auf.
Bei der Herstellung eines solchen Keramikteils mit Loch/Löchern ist herkömmlicherweise das im Verfahrensablaufplan in Fig. 6 gezeigte Verfahren eingesetzt worden, welches folgende Schritte umfaßt: das Pressen von Keramikpulvern, sodaß ein Preßkörper entsteht; das Entfernen des im Preßkörper enthaltenen Bindemittels durch Erhitzen; das isostatische Kaltpressen (CIP) des Preßkörpers; und das Ausbilden eines Lochs/von Löchern durch trockene, maschinelle bzw. spanende Bearbeitung, gefolgt von Brennen, oder Brennen, gefolgt vom Ausbilden von Löchern. Zum Bilden der Löcher ist üblicherweise ein Spiralbohrer, eine Ultraschallwelle, ein Laser oder dergleichen eingesetzt worden.
Jedoch kann mit solchen herkömmlichen Einrichtungen zum Ausbilden eines feinen Lochs mit einem Spiralbohrer, einer Ultraschallwelle, einem Laser oder dergleichen kein Loch mit einem Durchmesser gleich oder unter 0,5 mm geschaffen werden, und die Tiefe des Lochs ist auf maximal etwa das 10-fache des Durchmesser des Lochs beschränkt. Darüberhinaus besteht bei solchen Einrichtungen das Problem, daß kein Loch in einer gekrümmten oder komplexen Gestalt geschaffen werden kann.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung von Keramik mit Loch/Löchern z.B. mit einem Durchmesser gleich oder unter 0,5 mm und/oder mit einer, keinen Beschränkungen unterliegenden, gewünschten Tiefe und Gestalt des Lochs/der Löcher bereitzustellen.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Keramik mit Loch/Löchern bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: das unabhängige Ausbilden von Keramik-Preßkörpern, deren Gestalten den einzelnen Teilen eines zusammengesetzten Körpers entsprechen, der zumindest ein feines Loch aufweist, entlang dem der einstückige Körper zumindest zweigeteilt ist; das Zusammenfügen der Preßkörper zu einer einstückigen Form durch isostatisches Kaltpressen (CIP); und das Brennen des einstückigen Preßkörpers.
Gemäß vorliegender Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung von Keramik mit Loch/Löchern bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: das unabhängige Ausbilden von Keramikpreßkörpern ohne Teillöcher; das Rillen- bzw. Nutenbilden in zumindest einem der Preßkörper, um das/die gewünschte(n) Teilloch/löcher an (einer) bestimmten Position(en) eines oder eines jeden Querschnitts durch maschinelle bzw. spanende Bearbeitung herzustellen; das Zusammenfügen der Preßkörper zu einer einstückigen Form durch isostatisches Kaltpressen (CIP); und das Brennen des einstückigen Preßkörpers.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 einen Verfahrensablaufplan für die Herstellung von Keramik mit (einem) feinen Loch/Löchern gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig.2 eine erklärende Ansicht ist, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Preßformen gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig. 3 eine erklärende Ansicht ist, die ein Beispiel für einen geformten Preßkörper gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig. 4 eine erklärende Ansicht ist, die ein Verfahren zum Anordnen zwei einander entsprechender Preßkörper gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig. 5 eine erklärende Ansicht zeigt, die ein Beispiel für einen durch isostatisches Kaltpressen (CIP) erhaltenen einstückigen Keramik-Preßkörper gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig. 6 einen Ablaufplan für die Herstellung von Keramik mit feinem Loch/feinen Löchern nach einem herkömmlichen Verfahren zeigt.
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel für einen von zwei Preßkörpern zum Ausbilden einer bei einer Gasturbine verwendeten Schaufel zeigt.
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel für den anderen der beiden Preßkörper zum Ausbilden einer bei einer Gasturbine verwendeten Schaufel zeigt.
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht zeigt, die ein Beispiel für eine bei einer Gasturbine verwendete Schaufel mit Löchern an bestimmten Stellen zeigt.
Fig. 10 einen Verfahrensablaufplan gemäß vorliegender Erfindung zeigt, bei dem Spritzgießen eingesetzt wird.
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel für einen Keramikpreßkörper mit einer nicht geraden Rille zeigt.
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht ist, die ein erfindungsgemäßes Verfahren des Anordnens von zwei einander entsprechenden Formkörpern zeigt, von denen jeder eine nicht gerade Rille aufweist.
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Keramiksinterkörper mit einem nicht geraden Loch zeigt.
Fig. 14 einen Verfahrensablaufplan gemäß vorliegender Erfindung zeigt, durch den ein Keramikkörper mit (einem) nicht geraden Loch/Löchern erhalten wird.
In den vorliegenden Ausführungsformen werden Löcher vor dem Brennen und möglicherweise auch vor dem Entfernen des Bindemittels gebildet. Zunächst werden Keramikpreßkörper so ausgebildet, daß sie eine Gestalt aufweisen, die dem Einzelteil eines zusammengesetzten Körpers mit zumindest einem feinen Loch entspricht, entlang dem der einstückige Körper in zumindest zwei Preßkörper geteilt ist, oder es wird maschinelle Bearbeitung durchgeführt, um das/die gewünschte(n) Teilloch/-löcher an (einer) bestimmten Position(en) eines oder eines jeden Querschnitts der Keramikpreßkörper ohne Teilloch/-löcher auszubilden. Dann werden die Keramikpreßkörper durch isostatisches Kaltpressen (CIP) zu einer integrierten Form zusammengefügt. Da die Keramikpreßkörper mit feinem Loch/feinen Löchern gemäß vorliegender Erfindung auf diese Weise erhalten werden, können uneingeschränkt Keramikkörper mit Loch/Löchern geschaffen werden, die einen Durchmesser gleich oder unter 0,5 mm aufweisen und eine gewünschte Tiefe und Gestalt haben.
Darüberhinaus ist es möglich, Keramikkörper mit komplexem/-en oder gekrümmtem/-en Loch/Löchern bereitzustellen.
Gemäß vorliegender Erfindung ist das Mittel bzw. die Einrichtung zum Ausbilden eines jeden Keramikpreßkörpers nicht speziell eingeschränkt. Es können zwar Preßformen, Spritzgießen oder Schlickerguß eingesetzt werden, aber davon werden Preßformen und Spritzgießen vorgezogen. Wenn Spritzgießen oder Schlickerguß eingesetzt wird, um einen der Keramikpreßkörper zu bilden, während Preßformen eingesetzt wird, um die anderen Keramikpreßkörper auszubilden (wenn die Anzahl der Preßkörper nur zwei beträgt), wird der durch Spritzguß oder Schlickerguß erhaltene Preßkörper notwendigerweise isostatischem Kaltpressen (CIP) unterzogen, sodaß die Schwundrate des durch Spritzguß oder Schlickerguß geformten Preßkörpers jener des anderen durch Preßformen geformten Preßkörpers entspricht.
Die vorliegenden Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf den Verfahrensablaufplan in Fig. 1 beschrieben.
(1) Jeder der Keramikpreßkörper wird unabhängig durch Formen gebildet, was eine Gestalt eines Preßkörpers mit Teillöchern ergibt, die aus einer während des Brennens erwarteten Schwundrate berechnete Durchmesser aufweisen, gefolgt vom Entfernen des Bindemittels in jedem Preßkörper.
(2) Keramikpreßkörper ohne Teilloch/-löcher werden unabhängig ausgebildet, gefolgt vom Entfernen des Bindemittels. Die gewünschten Teillöcher werden durch maschinelle bzw. spanende Bearbeitung an (einer) bestimmten Position(en) eines jeden Querschnitts angeordnet, um Keramikpreßkörper mit Teilloch/-löchern zu erhalten.
(3) Zwei der durch (1) oder (2) erhaltenen Keramikpreßkörper werden aneinander angrenzend angeordnet, sodaß die Teillöcher zusammenpassen, und sie werden in einer Tasche oder einer Form aus flexiblem Material, wie Gummi, dicht eingeschlossen, um isostatisches Kaltpressen (CIP) durchzuführen.
(4) Die unabhängig voneinander ausgebildeten Preßkörper werden durch isostatisches Kaltpressen (CIP) zu einer einstückigen Form zusammengefügt. Dann wird diese gebrannt, um einen Keramikkörper mit bestimmtem Loch/bestimmten Löchern zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Figuren gezeigten Beispiele detaillierter beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf die Beispiele beschränkt.

Beispiel 1

Die Fig. 2-5 sind erklärende Ansichten eines jeden Verfahrens, das ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde eine Form hergestellt, die aus einem oberen Stempel 1, unteren Stempel 4 und Zylinder 2 bestand. Dann wurde eine erforderliche Menge Keramikpulvermaterial 3 in die Form gegeben und Preßformen unter einem Druck von 200 kp/cm² unterzogen, um zwei in Fig. 3 gezeigte Keramikpreßkörper 5 zu erhalten. Darauthin werden die beiden Preßkörper 5 aneinander angrenzend angeordnet, sodaß die entsprechenden Teillöcher zueinanderpaßten, um alle vollständigen Löcher zu ergeben, und abgedichtet, indem die Außenfläche mit einem Latexkautschuk 6 bedeckt wurde. Die Preßkörper wurden isostatischem Kaltpressen (CIP) unter einem Druck von 7000 kp/cm² unterzogen, um einen in Fig. 5 gezeigten einstückigen Keramikpreßkörper 7 zu erhalten. Der so erhaltene einstückige Keramikpreßkörper 7 wurde in einem Elektroofen bei einer Temperatur von 1700ºC 1 Stunde lang gebrannt, um einen Keramiksinterkörper mit feinen Löchern zu erhalten.

Beispiel 2

Fig. 10 ist ein Verfahrensablaufplan, bei dem Spritzgießen eingesetzt wird. Es kann vorzugsweise auf einen Fall angewandt werden, bei dem das gewünschte Loch/ die gewünschten Löcher in einem komplex geformten Bauteil, wie einer Schaufel einer Gasturbine, auszubilden ist/sind.
Um die gewünschten Löcher 12 in den bestimmten Positionen der Schaufel einer Gasturbine auszubilden, wie in Fig. 9 gezeigt, wurden unabhängig voneinander zwei Preßkörper 8 und 9 mit Rillen 11 an den bestimmten Positionen hergestellt, wie in Fig. 7 und Fig.8 gezeigt. Nachdem das Bindemittel aus den Preßkörpern 8 und 9 entfernt worden war, wurden beide Preßkörper aneinander angrenzend angeordnet, sodaß die einander entsprechenden Teillöcher zusammenpaßten und vollständige Löcher ergaben und durch Bedecken der Außenfläche mit einem Latexkautschuk abgedichtet. Dann wurden sie durch isostatisches Kaltpressen (CIP) unter einem Druck von 7000 kp/cm² zu einer einstückigen Form zusammengefügt, um einen einstückigen Keramikpreßkörper 7 zu erhalten. Der so erhaltene einstückige Keramikpreßkörper 7 wurde in einem Elektroofen bei einer Temperatur von 1700ºC eine Stunde lang gebrannt, um einen Keramiksinterkörper mit Löchern 12 in den bestimmten Positionen zu erhalten, wie in Fig. 9 gezeigt.

Beispiel 3

Fig. 14 ist ein Verfahrensablaufplan der vorliegenden Erfindung, bei dem nach dem Preßformen maschinelle Bearbeitung eingesetzt wird. Dieses Verfahren kann vorzugsweise zur Herstellung eines Keramiksinterkörpers mit nicht geradem Loch/geraden Löchern eingesetzt werden.
Das Bindemittel wurde aus dem durch Preßformen erhaltenen Preßkörper entfernt. Dann wurde an der Oberfläche des Preßkörpers maschinelle Bearbeitung durchgeführt, um einen Keramikpreßkörper 13 mit einer nicht geraden Rille 11 zu erhalten, wie in Fig. 11 gezeigt. Ein Keramikpreßkörper 14 mit einer Rille, die ein Spiegelbild jener des Keramikpreßkörpers 13 ist, wurde nach dem gleichen Verfahren hergestellt wie ein Keramikpreßkörper 13. Die erhaltenen Keramikpreßkörper 13 und 14 wurden aneinander angrenzend angeordnet, sodaß heide Rillen zueinanderpaßten, wie in Fig. 12 gezeigt, gefolgt vom Bedecken der Außenfläche mit einem Latexkautschuk 6, und dann durch CIP unter einem Druck von 7000 kp/cm² zu einer einstückigen Gestalt zusammengefügt. Der so erhaltene einstückige Preßkörper wurde in einem Elektroofen bei einer Temperatur von 1700ºC eine Stunde lang gebrannt, um einen Keramiksinterkörper 15 mit einem nicht geraden Loch zu erhalten, wie in Fig. 13 gezeigt.
Wie oben beschrieben kann gemäß vorliegender Erfindung uneingeschränkt ein Keramiksinterkörper mit Loch/Löchern erhalten werden, das/die einen Durchmesser gleich oder unter 0,5 mm und eine gewünschte Tiefe und Gestalt aufweist/aufweisen, indem zumindest zwei Preßkörper zum Bilden eines einstückigen Körpers gebildet werden, wobei nach dem Entfernen des Bindemittels oder nach dem Brennen keine maschinelle Bearbeitung durchgeführt werden muß.
Darüberhinaus hat es die vorliegende Erfindung möglich gemacht, Keramikkörper mit Loch/Löchern in einer komplexen oder gekrümmten Gestalt zu erhalten, die nach den herkömmlichen Verfahren nicht zu erhalten sind.
Daher kann die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf die Herstellung von Keramikkörpern mit feinem Loch/feinen Löchern angewandt werden, die für Turbinenschaufeln von Gasturbinen, Keramikauskleidungen, Düsen oder dergleichen nützlich sind. In der vorliegenden Beschreibung wird zwar eine Lochgröße von 0,5 mm oder weniger erwähnt, die Erfindung ist jedoch, besonders im Fall nicht gerader Löcher, nicht auf diese Größe beschränkt, und kann in entsprechenden Fällen beispielsweise geeigneterweise für Löcher mit einer maximalen Querschnittsabmessung von bis zu 2 mm oder sogar für größere Löcher eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit zumindest einem Loch, folgende Schritte umfassend:

das unabhängige Ausbilden von zumindest zwei Keramikpreßkörpern bzw. -lingen, wobei die Gestalten der Keramikpreßkörper den geteilten Teilen eines einstückigen Körpers mit zumindest einem feinen Loch entsprechen, entlang dem der einstückige Körper unterteilt ist:

das Zusammenfügen der Keramikpreßkörper in eine einstückige Form mit zumindest einem feinen Loch durch isostatisches Kaltpressen; und

das Brennen des einstückigen Preßkörpers.

2. Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit zumindest einem Loch, folgende Schritte umfassend:

das unabhängige Ausbilden von zumindest zwei Keramikpreßkörpern bzw. -lingen, wobei die Gestalten der Keramikpreßkörper den geteilten Teilen eines einstückigen Körpers entsprechen;

die maschinelle bzw. spanende Rillen- bzw. Nutenbildung in den Keramikpreßkörpern an der Oberfläche jedes der Keramikpreßkörper, um zumindest eine Rille herzustellen, um beim Aneinanderfügen zumindest ein feines Loch auszubilden;

das Brennen des einstückigen Preßkörpers.

3. Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit Loch/Löchern nach Anspruch 1 oder 2, worin die Preßkörper durch Preßformen gebildet werden.

4. Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit Loch/Löchern nach Anspruch 1 oder 2, worin die Preßkörper durch Spritzgießen gebildet werden.