DE69814995T2

DE69814995T2 - Faserarmierter keramischer Grünkörper

Info

Publication number: DE69814995T2
Application number: DE69814995T
Authority: DE
Inventors: Yuuji 1-4-1 Chuo Miki; Atsushi 1-4-1 Chuo Koizumi; Naoki 1-4-1 Chuo Itoh
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1998-08-10
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2018-08-11
Also published as: EP0896959A1; DE69814995D1; EP0896959B1; US6218325B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen faserarmierten keramischen Grünkörper, der über eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wiederverwertbarkeit verfügt.
Das Schlickergussverfahren ist eines der hinreichend bekannten Verfahren zur Herstellung von Grünkörpern, bei welchem eine Schlickerzusammensetzung (eine ein keramisches Pulver enthaltende wässrige Dispersion oder Schlamm) in einen Hohlraum einer Form, die normalerweise aus wasserabsorbierenden Material wie Mörtel (Gips) etc. hergestellt ist, gegossen wird und dann der Wasserbestandteil der Schlickerzusammensetzung von der Form absorbiert wird, um einen Grünkörper zu bilden. Der Grünkörper, den man auf diese Weise erhält, wird gesintert, um ein gesintertes keramisches Endprodukt für die praktische Verwendung bereitzustellen. Das Schlickergussverfahren ist im Allgemeinen für die Herstellung von keramischen Grünkörpern mit einer komplizierten Form geeignet.
Beim Schlickerguss wird normalerweise eine Schlickerzusammensetzung, ein organisches Bindemittel wie Polyamid, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Polyvinylalkohol etc., einer Schlickerzusammensetzung wie in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 61–6172 beschrieben zugegeben, um die Trockenfestigkeit der Grünkörper zu verbessern. Da aber die Verwendung von organischen Bindemitteln zu einer erheblichen Schrumpfung des Grünkörpers führt, ist eine Rissbildung in dem Grünkörper während seines Herauslösens aus der Form oder während seiner Trocknung wahrscheinlich.
Als Alternative hat man vorgeschlagen, der Schlickerzusammensetzung eine anorganische Faser zuzugeben. Zum Beispiel lehrt die japanische Patentoffenlegung Nr. 5-505588 die Zugabe von Glasfaserkristallen, und gemäß der japanischen Patentoffenlegung Nr. 7–267737 werden anorganische Fasern von Aluminiumoxid, Siliciumnitrid etc. hinzugefügt. Jedoch verbleibt die anorganische Faser auch nach dem Sinterprozess in dem Keramikgegenstand und beeinträchtigt die Eigenschaften des gesinterten keramischen Endprodukts. Deshalb sind Art und Zugabemenge der für die Verwendung geeigneten anorganischen Faser begrenzt. Hinzu kommt, dass vor der Zugabe der anorganischen Faser eine Vorbehandlung wie eine Pulverisierung, Klassifizierung etc. notwendig ist, um Länge und Durchmesser der anorganischen Faser einheitlich zu machen. Ein weiteres Problem, das sich bei der Verwendung der anorganischen Faser stellt, ist die Erzeugung von schädlichem Staub der anorganischen Faser und darüber hinaus das Problem einer Verschlechterung der Wiederverwertbarkeit der fehlerhaften Grünköper, weil es schwierig ist, die anorganische Faser aus den fehlerhaften Grünkörper zu entfernen.
Die Zugabe von Naturfasern zu einer keramischen Schlickerzusammensetzung wurde in dem Dokument JP-A-01238905 beschrieben.
Demzufolge liegt der Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform die Aufgabe zugrunde, einen faserarmierten keramischen Grünkörper mit einer hohen Grünfestigkeit und einer hohen Wiederverwertbarkeit fehlerhafter Grünkörper zu schaffen. Ein gesinterter Keramikgegenstand kann durch Sintern des faserarmierten keramischen Grünkörpers hergestellt werden.
Als Ergebnis einer intensiven Recherche angesichts der vorgenannten Aufgabe sind die Erfinder zu der Erkenntnis gelangt, dass die Zugabe einer bestimmten organischen Faser zu einem Keramikpulver die Grünfestigkeit des resultierenden keramischen Grünkörpers erhöht und darüber hinaus auch die Wiederverwertbarkeit von fehlerhaften Grünkörpern. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnis gemacht.
Somit wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein faserarmierter keramischer Grünkörper zur Verfügung gestellt, der hochpolymere Synthetikfasern enthält, die in dem gesamten Grünkörper gleichmäßig fein verteilt sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
1 ein Diagramm der Viskosität eines jeden Schlickers in Beispielen 1–2;
2 eine schematische Schnittansicht eines Radialturbinenmodells, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird;
3 ein Diagramm der Biegefestigkeit eines jeden gesinterten Keramikgegenstands in Beispielen 1-2;
4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Schlickerviskosität von der Zugabemenge von PET-Fasern in Beispiel 3 und in dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der primären Rissauffanglast von der Zugabemenge von PET-Fasern in Beispiel 3 und in dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands von der Zugabemenge von PET-Fasern in Beispiel 3 und in dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Schlickerviskosität von der duchschnittlichen PET-Faserlänge in Beispiel 4 zeigt;
8 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der primären Rissauffanglast von der durchschnittlichen PET-Faserlänge in Beispiel 4 zeigt;
9 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands von der durchschnittlichen PET-Faserlänge in Beispiel 4 zeigt;
10 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Schlickerviskosität von der Mischdauer in Beispiel 5 zeigt;
11 ein Diagramm, das die Abhängigkeit von der primären Rissauffanglast von der Mischdauer in Beispiel 5 zeigt;
12 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Schlickerviskosität von dem durchschnittlichen PET-Faserdurchmesser in Beispiel 6 zeigt;
13 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der primären Rissauffanglast von dem durchschnittlichen PET-Faserdurchmesser in Beispiel 6 zeigt;
14 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands von der Länge des PET-Faserdurchmessers in Beispiel 6 zeigt;
15 ein Diagramm, das die Wirkung der Plasmabehandlung der PET-Faser auf die Viskosität des Schlickers in Beispiel 7 zeigt;
16 ein Diagramm, das die Wirkung der Plasmabehandlung der PET-Faser auf die primäre Rissauffanglast und auf die Bruchfestigkeit in Beispiel 7 zeigt; und
17 ein Diagramm, das die Wirkung der Plasmabehandlung der PET-Faser auf die Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands in Beispiel 7 zeigt.
[1] Keramikzusammsetzung
Eine Keramikzusammensetzung für die Herstellung des faserarmierten keramischen Grünkörpers der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine Mischung aus einem Keramikpulver und einer organischen Faser. Um das Sintern eines Grünkörpers zu erleichtern, wird die Zugabe einer Sinterhilfe zur Keramikzusammensetzung bevorzugt. Wenn der faserarmierte keramische Grünkörper durch das Schlickergussverfahren hergestellt wird, enthält die Keramikzusammensetzung bevorzugt ein Dispergiermittel. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung im Detail erläutert, wobei auf die Verwendung von Siliciumnitridpulver als Keramikpulver Bezug genommen wird.
(a) Sliciumnitridpulver
In der vorliegenden Erfindung können entweder α-Siliciumnitridpulver oder β-Siliciumnitridpulver vewendet werden. Beide Siliciumnitridpulver können durch direktes Nitridieren von Si, eine Reduktion und anschließende Nitridierung von Siliciumdioxid, eine thermische Zersetzung von Siliciumdiimid, eine Dampfphasenreaktion von SiH₄+NH₃+N₂ etc. hergestellt werden. Die durchschnittliche Partikelgröße des Siliciumnitridpulvers beträgt vorzugsweise 0,1–1,3 μm und noch weiter bevorzugt 0,1–1,3 μm. Der spezifische Oberflächenbereich beträgt vorzugsweise 9–13 m²/g.
(b) Sinterhilfspulver
Beispiele des mit dem Siliciumnitridpulver zu mischenden Sinterhilfspulvers sind Pulver von Al₂O₃, Y₂O₃, Yb₂O₃, HfO₂, AIN, MgO, Verbindungen von IIIa-Elementen der Periodentabelle, etc. Die durchschnittliche Partikelgröße des Sinterhilfspulvers ist bevorzugt 0,1–8 μm und noch weiter bevorzugt 0,3–5 μm. Der spezifische oberflächenbereich beträgt vorzugsweise 1-15 m²/g.
Die Zugabemenge des Sinterhilfspulvers beträgt bevorzugt 0,5–15 Gewichtsanteile und noch mehr bevorzugt 1–5 Gewichtsanteile, bezogen auf insgesamt 100 Gewichtsanteile des Siliciumnitridpulvers und des Sinterhilfspulvers. Die Zugabe von weniger als 0,5 Gewichtsanteilen des Sinterhilfspulvers ergibt einen unzureichend verdichteten gesinterten Keramikgegenstand, und die Hochtemperaturfestigkeit des gesinterten Keramikartikels wird herabgesetzt, wenn die Zugabemenge 15 Gewichtsanteile übersteigt.
(c) Organische Faser
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbare organische Faser ist eine hochpolymere Synthetikfaser aus Nylon, Polyester etc. Von den vorgenannten organischen Fasern wird die hochpolymere Synthetikfaser wie zum Beispiel Fasern aus Nylon oder Polyester etc. bevorzugt. Nylon (Polyamid) und Polyester, die bei vorliegender Erfindung verwendbar sind, sind nicht auf ein bestimmtes Nylon und Polyester beschränkt und können durch Nylon 6, Nylon 66, Polyethylenterephthalat (PET) etc. exemplifiziert werden.
Der durchschnittliche Durchmesser der organischen Faser beträgt bevorzugt 2,5–30 μm und noch mehr bevorzugt 2,5–20 μm. Bei einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser als 2,5 μm ist die Viskosität des Keramikschlickers zu hoch, so dass die Bildung des Grünkörpers infolgedessen schwierig wird. organische Fasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als 30 μm verschlechtern nicht nur die mechanische Festigkeit des resultierenden gesinterten Keramikgegenstands, sondern sie ergeben auch einen fehlerhaften Grünkörper.
Die Durchschnittslänge der organischen Faser beträgt vorzugsweise 300–1000 μm und weiter vorzugsweise 300–700 μm. Beträgt die Durchschnittslänge weniger als 300 μm, zeigt die organische Faser keine ausreichende Armierungswirkung für den resultierenden Grünkörper. Eine Durchschnittslänge über 1000 μm ist deshalb unerwünscht, weil die organische Faser die Viskosität des Schlickers extrem hoch werden lässt, was den Nachteil birgt, dass die Bildung bzw. Formation des Grünkörpers sehr schwierig wird.
Die Zugabemenge der organischen Faser beträgt vorzugsweise 0,2–3 Gewichtsanteile und noch mehr bevorzugt 0,2–1 Gewichtsanteile, bezogen auf insgesamt 100 Gewichtsanteile des Siliciumnitridpulvers und des Sinterhilfspulvers. Wenn die Zugabemenge weniger als 0,2 Gewichtsanteile beträgt, zeigt die organische Faser keine ausreichende Armierungswirkung für den resultierenden Grünkörper. Eine Zugabemenge von mehr als 3 Gewichtsanteilen ist deshalb unerwünscht, weil die organische Faser nicht gleichmäßig fein in dem gesamten Schlicker verteilt wird, wodurch sowohl der Grünkörper als auch der gesinterte Keramikgegenstand an Festigkeit verlieren und fehlerhafte Grünkörper geschaffen werden.
Die organische Faser kann ohne Vorbehandlung verwendet werden. Jedoch ist es im Hinblick auf die Ermöglichung einer gleichmäßig feinen Verteilung der organischen Faser in dem gesamten Schlicker vorzuziehen, die hydrophile Beschaffenheit ihrer Oberfläche zu verbessern, indem man die organische Faser vor ihrer Verwendung einer Oberflächenbehandlung wie beispielsweise einer Plasmabehandlung unterzieht.
Bei der Herstellung des Grünkörpers mittels des Schlickergussverfahrens wird dem Schlicker vorzugsweise ein Dispersierhilfsmittel zugegeben, um sicher zu stellen, dass das Keramikpulver und die organische Faser in dem gesamten Schlicker gleichmäßig fein verteilt werden. Die Zugabemenge des Dispersierhilfsmittels beträgt bevorzugt 0,05–0,5 Gewichtsanteile und noch mehr bevorzugt 0,1–0,3 Gewichtsanteile, bezogen auf insgesamt 100 Gewichtsanteile des Siliciumnitridpulvers und des Sinterhilfspulvers. Bei einer Zugabemenge von weniger als 0,05 Gewichtsanteilen bleibt die Zugabe des Diespersierhilfsmittels wirkungslos. Bei einer Zugabemenge von mehr als 0,5 Gewichtsanteilen entsteht der Nachteil einer zu hohen Viskosität des Schlickers.
(e) Wässriges Dispersionsmedium
Das wässrige Dispersionsmedium wie beispielsweise Wasser etc. wird auf der Basis von 100 Gewichtsanteilen insgesamt des Siliciumnitridpulvers und des Sinterhilfspulvers mit den oben genannten Bestandteilen in einer Menge von bevorzugt 30–35 Ge wichtsanteilen und noch mehr bevorzugt 40–43 Gewichtsanteilen vermischt. Beträgt die Menge weniger als 35 Gewichtsanteile, ist der Schlicker weniger fließfähig. Eine Menge von mehr als 50 Gewichtsanteilen führt zu einer zu niedrigen Viskosität des Schlickers, wodurch zu viel Zeit benötigt wird, um das wässrige Dispersionsmedium zu drainieren oder den resultierenden Grünkörper zu trocknen.
[2] Grünkörperherstellungsverfah ren
Das Verfahren zur Herstellung des Grünkörpers wird unter Bezugnahme auf das Schlickergussverfahren beschrieben. Das Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf dieses Verfahren beschränkt, sondern es sind auch andere auf diesem Gebiet bekannte Verfahren zur Herstellung des faserarmierten keramischen Grünkörpers geeignet.
Zunächst werden das Siliciumnitridpulver, das Sinterhilfspulver und das optionale Dispersierhilfsmittel dem wässrigen Dispersionmedium zugegeben und in einer Kugelmühle etc. bei 15–30°C gemischt, bis eine homogene Mischung entsteht. Danach wird der homogenen Mischung organische Faser zugegeben und bei 15–30°C gemischt, bis sich die organische Faser in der Mischung gleichmäßig fein verteilt hat, um einen Schlicker zu bilden. Die Mischdauer beträgt vorzugsweise 2 Stunden oder länger. Bei einer Mischdauer von weniger als 2 Stunden wird die organische Faser nicht gleichmäßig fein in dem Schlicker verteilt. Vorzugsweise beträgt die Mischdauer 10–16 Stunden, weil damit sowohl die gleichmäßige feine Verteilung als auch die Wirksamkeit der Verteilung im Hinblick auf ein zu bevorzugendes Ergebnis erreicht wird. Die dadurch erreichte Viskosität des Schlickers beträgt vorzugsweise 0,01–0,2 Pa•s bei 25°.
Der auf diese Weise hergestellte Schlicker wird in eine aus wasserabsorbierendem und wasserdurchlässigen Material wie Gips hergestellte Form gegossen und bei 15–30°C für 1 bis 4 Stunden in der Form belassen, um das wässrige Dispersionsmedium zu drainieren. Nachdem das Keramikpulver fertig gegossen ist, wird der Grünkörper aus der Form genommen und bei 120–150°C 10 bis 30 Stunden lang ausreichend getrocknet. Da die organische Faser dem Grünkörper eine ausreichende Grünfestigkeit und Behandlungs festigkeit verleiht, kommt es während des Drainierens, Herauslösens aus der Form und Trocknens weder zum Abblättern noch zur Rissbildung in dem Grünkörper. Auf die vorstehend beschriebene Weise erhält man den keramischen Grünkörper, der die in ihm gleichmäßig fein verteilte organische Armierungsfaser enthält.
[2] Herstellungsverfahren für den gesinterten Keramikgegenstand
Der gesinterte Keramikgegenstand (gesinterter Keramikkörper) wird hergestellt durch Sintern des Grünkörpers vorzugsweise nach einem Entfettungsprozess bei 550–650°C für 1 bis 5 Stunden und einem Kalzinierungsprozess bei 1300–1700°C für 0,5 bis 8 Stunden. Der Sinterprozess kann bei 1750–1950°C zwischen 1 und 8 Stunden Dauer in einer trägen Atmosphäre wie Stickstoffgas unter einem Druck von 2–2000 kgf/cm² durchgeführt werden. Der solchermaßen hergestellte gesinterte Keramikgegenstand (Keramikkörper) hat eine Biegefestigkeit von 400–900 MPa.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter erläutert, wobei auf die nachstehenden Beispiele Bezug genommen wird, die verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen sollen.
BEISPIEL 1 und 2
(1) Schlickerherstellung
Einer insgesamt 100 Gewichtsanteile umfassenden Mischung aus 96,5 Gewichtsanteilen Siliciumnitridpulver (durchschnittliche Partikelgröße: 0,4 μm; spezifischer Oberflächenbereich: 10,6 m2/g) und einer Sinterhilfspulvermischung, die aus 2,5 Gewichtsanteilen Y₂O₃-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße: 5,0 μm; spezifischer Oberflächenbereich 3,0 m2/g) und 1 Gew.-% Al₂O₃-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße: 0,4 μm; spezifischer Oberflächenbereich: 7,0 m²/g) besteht, wurden 43 Gewichtsanteile destilliertes Wasser und 0,18 Gewichtsanteile eines Dispersionsmittels (SN Dispersant 7347C) zugegeben. Das resultierende Gemisch wurde in einer Kugelmühle 64 Stunden lang mit 200 Gewichtsanteilen Siliciumnitridkugeln als Mahlmedium pulverisiert, um eine homogene Mischung zu erhalten. Nach Zugabe jeder der Tabelle 1 angegebenen organischen Fasern zu der homogenen Mischung wurde der Mischvorgang für weitere 2 Stunden fortgesetzt, um den jeweiligen Schlicker herzustellen. Die bei 25°C an jedem Schlicker gemessene Viskosität ist in 1 angegeben. Die Viskosität wurde durch ein Viskosimeter Typ E (2,5 U/min) des Herstellers Tokyo Keiki Co. gemessen. Wie aus 1 zu ersehen ist, hatte jeder der Schlicker von Beispiel 1 und 2 eine für die Herstellung eines keramischen Grünkörpers geeignete Viskosität.
Tabelle 1
(2) Auftreten von Rissen
Jeder der obgenannten Schlicker wurde mittels Schlickerguss in eine für die Herstellung eines Radialturbinenmodells gestaltete Gipsform gegossen, wie in 2 gezeigt, und bei 180°C 16 Stunden lang getrocknet, um jeweils den faserarmierten keramischen Grünkörper zu erhalten. Die faserarmierten keramischen Grünkörper wurden im Flügelbereich 1, im Schaufelbereich 2 und im Nabenbereich 3 auf Rissbildung untersucht, und der Grad der Rissbildung wurde anhand der folgenden Kriterien beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
⦾ : Keine Rissbildung
❍: An bis zu drei Stellen beobachtet
Δ: An vier oder fünf Stellen beobachtet
x: Im gesamten Teil beobachtet.
Die faserarmierten keramischen Grünkörper wurden in Molekularsiebe eingebettet, danach mit einer Geschwindigkeit von 50°C/Stunde auf 600°C erwärmt und für 3 Stunden auf 600°C gehalten, um die faserarmierten Grünkörper zu entfetten. Nach dem Einbetten in BN-Pulver wurden die entfetteten Grünkörper langsam auf 1400°C erwärmt und bei 1400°C 1 Stunde lang kalziniert. Die gleiche Überprüfung wie oben auf Rissbildung wurde in dem Flügelbereich, Schaufelbereich und Nabenbereich der entfetteten und kalzinierten Grünkörper wiederholt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Wie Tabelle 2 zeigt, wurde nur eine geringe Rissbildung beobachtet, wodurch die Eignung der Körper für deren praktische Verwendung bestätigt wurde.
(3) Festigkeit des gesinterten Keramikgegenstands
Jeder der Schlicker wurde mittels Schlickerguss in eine Gipsform gegossen, um jeden der Grünkörper mit einer Abmessung von 40 mm × 5 mm × 4 mm zu erhalten. Die Grünkörper wurden luftgetrocknet, mit einer Geschwindigkeit von 50°C/Stunde auf 600°C erwärmt und zur Entfettung der Grünkörper 3 Stunden lang auf 600°C gehalten.
Nach dem Kalzinieren der Grünkörper auf gleiche Weise wie in (2) wurden die kalzinierten Grünkörper bei 1900°C in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 9,5 kgf/cm2 4 Stunden gesintert. Die Sinterkörper wurden einer Dreipunkt-Biegeprüfung unterzogen. Die Prüfung erfolgte durch Belastung eines jeden Sinterkörpers am Mittelpunkt zwischen zwei 30 mm voneinander beabstandeten Seilstützen. Die Biegefestigkeit wurde aus der für den Bruch eines jeden Körpers notwendigen Belastung berechnet. Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Wie aus 3 zu ersehen ist, verfügten die Sinterkörper der Beispiele 1–2 mit der organischen Armierungsfaser über eine ausreichende Festigkeit für die praktische Verwendung.
BEISPIEL 3 und VERGLEICHSBEISPIEL 1
(1) Schlickerherstellung
Jeder Schlicker wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Zugabe von PET-Faser in einer Menge von 0,1 bis 06, Gewichtsanteilen. Zum Vergleich wurde auch ein Schlicker ohne darin enthaltene organische Faser vorbereitet (Vergleichsbeispiel 1). Die Viskosität eines jeden Schlickers wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt. Wie man aus 4 ersehen kann, wurde die Formbarkeit eines jeden Schlickers trotz der sich mit Erhöhung der PET-Faserzugabemenge leicht erhöhenden Viskosität des Schlickers nicht beeinträchtigt.
(2) Auswertung der Formbarkeit
Jeder Grünkörper mit einer Abmessung von 100 mm × 10 mm × 10 mm wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch Schlickerguss jedes wie oben angegeben hergestellten Schlickers in einer Gipsform hergestellt. Die Grünkörper wurden einem Reißtest unterzogen (die gleiche Dreipunkt-Biegeprüfung wie oben, mit Ausnahme eines auf 50 mm geänderten Abstands zwischen den Stützen), um eine primäre Rissauffanglast zu bestimmen. Die in der vorliegenden Beschreibung erwähnte primäre Rissauffanglast ist eine Last mit vorübergehender Beendigung der Rissausbreitung während des Reißtests, die Indikativ ist für den Reißwiderstand zur Auswertung der Formbarkeit. Die Ergebnisse sind in 5 angegeben. Wie 5 zeigt, ist bei einer PET-Faserzugabe von weniger als 0,2 Gewichtsanteilen die primäre Rissauffanglast gering, und die Formbarkeit ist schlecht.
(3) Auftreten von Rissen
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurden die Grünkörper, die entfetteten Körper und die kalzinierten Körper in den Flügel-, Schaufel- und Nabenbereichen auf Rissbildung untersucht. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse. Wie man aus der Tabelle ersehen kann, wurde im Flügelbereich des kalzinierten Körpers eine beachtliche Anzahl von Rissen entdeckt, wenn die Zugabemenge 0,1 Gewichtsanteile betrug. Dies kann auf die Ausbreitung von Mikrorissen zurückzuführen sein, die sich während des Formungsprozesses gebildet haben. Tabelle 3 Verhältnis zwischen Zugabemenge von PET-Faser und Auftreten von Rissen
(4) Festigkeit der gesinterten Keramikgegenstände
Die Dreipunkt-Biegeprüfung an den gesinterten Keramikgegenständen, die in der gleichen Weise wie in Beispiel 1(3) aus dem jeweiligen Schlicker hergestellt worden waren, wurde mehrere Male wiederholt. Die Durchschnittswege, Maximalwerte und Minimalwerte der gemessenen Dreipunkt-Biegefestigkeit sind in 6 angegeben. Wie 6 zeigt, tendiert die verringerte Zugabemenge von PET-Faser zu einer Verringerung der minimalen Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands.
BEISPIEL 4
(1) Schlickerherstellung
Jeder Schlicker wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Zugabe einer PET-Faser, deren Durchschnittslänge von 300 bis 900 μm reichte. Die Viskosität eines jeden Schlickers wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. 7 zeigt die Ergebnisse zusammen mit der Viskosität des Vergleichsbeispiels 1. Wie aus 7 zu ersehen ist, nahm die Viskosität des Schlickers schlagartig zu, wenn die durchschnittliche Länge 1000 μm überschritt, wodurch sich die Formbarkeit des Schlickers verschlechterte.
(2) Auswertung der Formbarkeit
Jeder Grünkörper mit einer Abmessung von 100 mm × 10 mm × 10 mm wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch Schlickergießen jedes Schlamms in einer Gipsform hergestellt. Die Grünkörper wurden einem Reißtest unterzogen, um auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 eine primäre Rissauffanglast zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 8 dargestellt. Wie aus 8 zu ersehen ist, zeigten die Grünkörper, denen PET-Faser mit einer Durchschnittslänge von 300–700 μm zugegeben wurde, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 eine deutlich erhöhte primäre Rissauffanglast.
(3) Auftreten von Rissen Jeder Schlicker wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mittels Schlickerguss in einer für die Herstellung eines Radialturbinenmodells gestalteten Gipsform gegossen.
Die Grünkörper wurden ebenso wie in Beispiel 1 entfettet und kalziniert. Die Grünkörper, die entfetteten Körper und die kalzinierten Körper wurden genauso wie in Beispiel 1 auf Rissbildung in den Flügel-, Schaufel- und Nabenbereichen untersucht und die Ergebnisse in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4 Verhältnis zwischen der Durchschnittslänge der PET-Faser und dem Auftreten von Rissen
(4) Festigkeit des gesinterten Keramikgegenstands
Die Dreipunkt-Biegeprüfung wurde mehrere Male an gesinterten Keramikgegenständen wiederholt, die in der gleichen Weise wie in Beispiel 1(3) aus dem jeweiligen Schlicker hergestellt wurden. Die Durchschnittswerte, Maximalwerte und Minimalwerte der gemessenen Dreipunkt-Biegefestigkeit sind in 9 angegeben. Wenn die Durchschnittslänge 1000 μm übersteigt, wird die minimale Biegefestigkeit extrem verringert.
BEISPIEL 5
(1) Schlickerherstellung
Jeder Schlicker wurde genauso wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme des Mischers von PET-Faser (durchschnittlicher Durchmesser 5,5 μm; durchschnittliche Länge 500 μm) für 2 Stunden oder 12 Stunden. Die Viskosität jedes Schlickers wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. 10 zeigt die Ergebnisse, wobei aus 10 zu erkennen ist, dass die Viskosität des Schlickers mit zunehmender Mischdauer abgenommen hat.
(2) Auswertung der Formbarkeit
Jeder Grünkörper mit einer Abmessung von 100 mm × 10 mm × 10 mm wurde genauso wie in Beispiel 1 durch Schlickerguss jedes Schlickers in einer Gipsform hergestellt. Die Grünkörper wurden dem Reißtest unterzogen, um eine primäre Rissauffanglast zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt. Aus 11 kann man ersehen, dass die primäre Rissauffanglast mit zunehmender Mischdauer zugenommen hat, wodurch sich die Formbarkeit verbesserte.
BEISPIEL 6
(1) Schlickerherstellung
Jeder Schlicker wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Zugabe von PET-Faser mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 2,5 bis 45,3 μm. Die Mischdauer betrug 12 Stunden für die durchschnittlichen Durchmesser von 2,5 μm und 5,5 μm und 2 Stunden für die durchschnittlichen Durchmesser von 7,2 μm, 11,9 μm, 32,6 μm und 45,3 μm. Die Viskosität des jeweiligen Schlickers wurde genauso gemessen wie in Beispiel 1. 12 zeigt die Ergebnisse, aus denen abzulesen ist, dass die Viskosität des Schlickers mit zunehmendem durchschnittlichen Durchmesser der PET-Faser abgenommen hat.
(2) Auswertung der Formbarkeit
Jeder Grünkörper mit einer Abmessung von 100 mm × 10 mm × 10 mm wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch Schlickerguss des jeweiligen Schlickers hergestellt. Die Grünkörper wurden einem Reißtest unterzogen, um eine primäre Rissauffanglast und eine Bruchfestigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 13 ange geben. Aus 13 kann man ersehen, dass sowohl die primäre Rissauffanglast als auch die Bruchfestigkeit mit zunehmendem durchschnittlichen PET-Faserdurchmesser abgenommen haben.
(3) Auftreten von Rissen
Jeder Schlicker wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 in einer für die Herstellung eines Radialturbinenmodells gestalteten Form gegossen. Die Grünkörper wurden genauso wie in Beispiel 1 entfettet und kalziniert. Die Grünkörper, die entfetteten Körper und die kalzinierten Körper wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 im Flügel-, Schaufel- und Nabenbereich auf Rissbildung untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5 zeigt, dass die Häufigkeit von Rissen in den entfetteten Körpern und in den kalzinierten Körpern bei Überschreiten des durchschnittlichen PET-Faserdurchmessers von 30 μm merklich zugenommen hat.
Tabelle 5 Verhältnis zwischen durchschnittlichem PET-Faserdurchmesser und dem Auftreten von Rissen
(4) Festigkeit des gesinterten Keramikgegenstands
Die in der gleichen Weise wie in Beispiel 1(3) aus dem jeweiligen Schlicker hergestellten gesinterten Keramikgegenstände wurden der Dreipunkt-Biegeprüfung unterzogen. Tabelle 14 zeigt die Ergebnisse, wobei aus 14 abzulesen ist, dass die Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands gering war, wenn der durchschnittliche Durchmesser mehr als 30 μm betrug.
BEISPIEL 7
(1) Schlickerherstellung
Ein Schlicker wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Verwendung von PET-Faser (durchschnittlicher Durchmesser: 5,5 μm; durchschnittliche Länge: 500 μm), die einer Plasma-Oberflächenbehandlung unterzogen wurde. Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde außerdem ein Schlicker hergestellt, dem eine nicht oberflächenbehandelte PET-Faser zugegeben wurde. Die Ergebnisse sind in 15 angegeben. Wie man aus 15 ersehen kann, hat die Plasma-Oberflächenbehandlung der PET-Faser die Viskosität des Schlickers verringert und dadurch die Formbarkeit verbessert.
(2) Auswertung der Formbarkeit
Jeder Grünkörper mit einer Abmessung von 100 mm × 10 mm × 10 nun wurde durch Gießen des jeweiligen Schlickers in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Grünkörper wurden einem Reißtest unterzogen, um eine primäre Rissauffanglast und eine Bruchfestigkeit zu bestimmen. 16 zeigt die Ergebnisse. Wie aus 16 abzulesen ist, waren die primäre Rissauffanglast und die Bruchfestigkeit unabhängig von der Oberflächenbehandlung.
(3) Festigkeit des gesinterten Keramikgegenstands
Die auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1(3) aus den Schlickern hergestellten gesinterten Keramikgegenstände wurden der Dreipunkt-Biegeprüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind in 17 angegeben. Aus 17 geht hervor, dass die Biegefestigkeit des gesinterten Keramikgegenstands durch die Plasma-Oberflächenbehandlung der PET-Faser verbessert wurde.
BEISPIELE 8-9
(1) Schlickerherstellung
Der jeweilige Schlicker wurde genauso wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Verwendung von 0,6 Gewichtsanteilen PET-Faser mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 5,5 μm und einer durchschnittlichen Länge von 500 μm (Beispiel 8), oder 0,4 Gewichtsanteilen PET-Faser mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 2,5 μm und einer durchschnittlichen Länge von 500 μm (Beispiel 9). Die Mischdauer nach der Zugabe der PET-Faser betrug für jeden Schlicker 12 Stunden.
(2) Auftreten von Rissen
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde der jeweilige Schlicker in einer Gipsform gegossen, die für die Herstellung einer Taumelscheibe oder eines Diffusors gestaltet war. Die resultierenden Grünkörper wurden genauso wie in Beispiel 1 entfettet, kalziniert und gesintert. An den Grünkörpern und an den gesinterten Keramikgegenständen wurde kein Riss festgestellt.
BEISPIEL 10–12
(1) Schlickerherstellung
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde der jeweilige Schlicker hergestellt, mit Ausnahme der Verwendung von 0,6 Gewichtsanteilen der gleichen PET-Faser wie in Beispiel 8 (10), von 0,4 Gewichtsanteilen der gleichen PET-Faser wie in Beispiel 9 (Beispiel 11) oder von 0,4 Gewichtsanteilen der gleichen plasmabehandelten PET-Faser wie in Beispiel 7 (Beispiel 12). Die Mischdauer nach Zugabe der PET-Faser betrug für den jeweiligen Schlicker 12 Stunden.
(2) Auftreten von Rissen
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde jeder oben hergestellte Schlicker in einer für die Herstellung eines HT-Rotors gestalteten Form gegossen. Die resultierenden Grünkörper wurden genauso wie in Beispiel 1 entfettet und kalziniert. Die kalzinierten Körper wurden bei 1900°C unter einem Druck von 1000 atm 1,5 Stunden lang HIP-gesintert. Die Grünkörper, die entfetteten Körper, die kalzinierten Körper und die HIPgesinterten Keramikgegenstände wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 in den Flügel-, Schaufel- und Nabenbereichen auf Rissbildung untersucht. Die Ergebnisse sind zusammen mit der gemessenen Dichte jedes HIP-gesinterten Keramikgegenstands in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6 Riss an dem HT-Rotor
Tabelle 6 (Forts.) Riss an dem HT-Rotor
Da die organische Faser wie vorstehend beschrieben durch die gesamte Keramikzusammensetzung hindurch gleichmäßig fein verteilt ist, besitzt der resultierende Grün körper eine verbesserte Grünfestigkeit, und das Abblättern sowie die Rissbildung an dem Grünkörper wird drastisch reduziert. Das Ergebnis ist eine höhere Ausbeute an fehlerfreien keramischen Grünkörpern. Auch ermöglicht die gleichmäßige feine Verteilung der organischen Faser in dem gesamten Grünkörper die Herstellung eines Grünkörpers mit einer komplizierten Form, die über eine ausreichend hohe Grünfestigkeit verfügt, was bisher auf dem einschlägigen Gebiet schwierig war. Da die organische Faser außerdem problemlos aus den Grünkörpern entfernt werden kann, ist das Keramikpulver in den fehlerhaften Grünkörpern wiederverwendbar. Dadurch werden die Produktionskosten gesenkt. Der aus dem Grünkörper hergestellte gesinterte Keramikgegenstand besitzt eine ausreichende mechanische Festigkeit für die praktische Verwendung und zeigt kaum Risse. Deshalb ist der gesinterte Keramikgegenstand insbesondere für Kraftfahrzeugteile geeignet.

Claims

Faserarmierter keramischer Grünkörper, der synthetische hochpolymere Fasern enthält, die gleichmäßig fein in dem gesamten Grünkörper verteilt sind.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach Anspruch 1, wobei die synthetischen hochpolymeren Fasern Polyesterfasern oder Nylonfasern sind.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die durchschnittliche Länge der synthetischen hochpolymeren Fasern 300–1000 μm und der durchschnittliche Durchmesser der synthetischen hochpolymeren Fasern 2,5–30 μm beträgt.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei den synthetischen hochpolymeren Fasern durch Oberflächenbehandlung eine hydrophile Beschaffenheit verliehen wird.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der keramische Grünkörper ein Keramikpulver, ein Sinterhilfspulver, die synthetischen hochpolymeren Fasern und optional ein Dispergiermittel enthält.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach Anspruch 5, wobei die Menge der synthetischen hochpolymeren Fasern bezogen auf insgesamt 100 Gewichtsanteile des Keramikpulvers und des Sinterhilfspulvers 0,2–3 Gewichtsanteile beträgt.
Faserarmierter keramischer Grünkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der keramische Grünkörper durch Schlickerguss einer keramischen Zusam mensetzung hergestellt wird, die ein Keramikpulver, 0,5–15 Gewichtsanteile eines Sinterhilfspulvers, 0,2–3 Gewichtsanteile der synthetischen hochpolymeren Fasern, 35–50 Gewichtsanteile eines wässrigen Dispersionsmediums und 0,05– 0,5 Gewichtsanteile eines optionalen Dispergens enthält, wobei jede dieser in Gewichtsanteilen angegebenen Mengen auf 100 Gewichtsanteilen insgesamt des Keramikpulvers und des Sinterhilfspulvers basiert.