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Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung von Sinterkörpern, insbesondere
reinen Sinteroxyden Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Brennverfahren
zum Sintern von oxydkeramischen Erzeugnissen aus reinen Sinteroxyden, insbesondere
auf solche aus reiner Sintertonerde.
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Keramisch erzeugte Geräte aus reinen Metalloxyden (A12 03, Mg 0,
Be 0, Zr 02, Ale 03 - Mg O, A12 03 / Cr, 0, usw.) werden bekanntlich
in der Art und Weise hergestellt, daß die Aufbereitung der keramischen Massen sowie
auch deren folgende Weiterverarbeitung zum Teil besonderen, der Eigenart des Werkstoffes
angepaßten Arbeitsmethoden unterworfen werden. Sinngemäß trifft das eben Gesagte
auch für Erzeugnisse, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung Kombinationen hochschmelzender
Metallverbindungen (Oxyde, Nitride, Boride, Aluminide und Silizide) mit den Metallen
Co, Ni, Fe, Be, Cr, W usw. darstellen, zu. Diese letztgenannten Werkstoffe zeichnen
sich besonders durch ihre höhere Temperaturwechselbeständigkeit gegenüber den reinen
oxyd- oder sogar silikatkeramischen Werkstoffen aus und finden daher auch eine dementsprechende
Verwendung z. B. in Strahltriebwerken und ähnlichen Anwendungsgebieten.
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Während zur Zeit das Brennen der reinen Sinteroxyde fast ausnahmslos
in dafür eigens konstruierten, mit Gas beheizten Hochtemperaturöfen in oxydierender
bis neutraler Ofenatmosphäre vorgenommen wird, erfordert das Brennen der genannten
Kombinationen gemäß ihrer stofflichen Zusammensetzung meist eine Schutzatmosphäre
von bestimmter Eigenart, die der mit Grafit oder auch der mit- Molybdän- oder auch
Wolframdraht
beheizte Elektroofen wohl am leichtesten einzuhalten gestattet.
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Die gasbeheizten Hochtemperaturöfen arbeiten meist nach dem Prinzip
der Oberflächenverbrennung von W. Schnabelund W. A. Bohne bzw. auch nach dem als
Bonecourt-Prozeß im Jahre zgog bekanntgewordenen Verfahren und dessen Verbesserungen.
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Außerdem baut man noch gasbeheizte Hochtemperaturöfen mit sogenannten
Strahlsteinen. Diese weisen düsenförmige Öffnungen auf, in den durch eine davorliegende
Wirbelstrahlanordnung die Flamme auf ihr kleinstes Volumen gebracht wird. Durch
diese Maßnahme wird die räumliche Energiekonzentration sehr hoch. Alle gasbeheizten
Hochtemperaturöfen bedingen meist einen erheblichen Aufwand an Nebenapparaturen,
wie Gas= und Luftverdichtern, Regelorganen usw.
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Die elektrischen Öfen können wirtschaftlich meist nur als Vakuum-
oder Schutzgasöfen betrieben werden, werden vornehmlich mit Grafit-, Molybdän- oder
Wolframleitern als Widerstandsöfen gebaut und sind daher im Betrieb den verschiedensten
Einschränkungen unterworfen. Reduktionsempfindliche Erden kann man meistens nicht
so ohne weiteres in ihnen brennen. Die Gestellung von Nebenapparaturen ist oft auch
sehr umfangreich. Bei Verwendung von Grafit als Heizleiter besteht außerdem noch
die Gefahr, daß bei Erreichen der hohen Kontraktionstemperatur, wie sie der Dichtbrand
der hochfeuerfesten reinen Oxyde erfordert, Karbidbildung einsetzt. Die Qualität
des Scherbens wird dadurch oft in Frage gestellt.
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Dem nachstehend erläuterten Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde,
die Sinterung oxydkeramischer Erzeugnisse mit Hilfe des Elektrohochtemperaturbrandes
wirtschaftlich und rationell zu ermöglichen. Gemäß ihrer besonderen rohstofftechnischen
als auch ihrer verwendungstechnischen Bedeutung liegt der Schwerpunkt des nachstehend
erläuterten Brennverfahrens beim Dichtbrand der Sintertonerde als einer der technisch
wichtigsten Sintererde auf diesem Werkstoffgebiet.
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Erfindungsgemäß verwendet man daher ein bis- zu den höchsten Garbrandtemperaturen
elektrisch beheizbares Metallbad. Die Erhitzung kann als Widerstandserhitzung durch
starke Ströme niedriger Spannung mittels Hochfrequenzerhitzung oder unter Umständen
sogar nach dem Prinzip einfacher Induktionsöfen mit normaler Netzfrequenz erfolgen.
Im einzelnen wird das Verfahren durch folgende Punkte gekennzeichnet.
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Das Sintergut wird zum Zwecke der Sinterung in solch ein elektrisch
beheizbares Metallbad gebracht. Die Gefäßwände des Bades bestehen aus feinem hochfeuerfestem
Oxyd. Dabei kann die zu bildende Wanne, der Sinterkanal oder auch der Sintertiegel
durch Aufstampfen oder aber auch durch kleine hochgebrannte Segmente, Rohre und
Formstücke gebildet werden. Die Stromzuführung erfolgt bei Widerstandserhitzung
durch Preßwassergekühlte Metallelektroden, wobei das Elektrodenmetall gemäß seiner
Beanspruchung dem flüssigen Badmetall hinsichtlich einer Legierungsbildung angepaßtsein
muß. Bei guter Wärmeableitung an den Berührungsflächen und unter Beachtung der Reaktionsfreudigkeit
von Kohlenstoff mit flüssigen, hocherhitzten Metallen ist die Verwendung von reinem
Elektrografit als Kontaktglied zum flüssigen Badmetall auch möglich, sofern ein
dafür geeignetes Badmetall verwendet wird. Bei Erhitzung durch Hochfrequenz oder
auch durch Induktion mit normaler Netzfrequenz verfährt man im Prinzip genau so
wie bei den bekannten Ofenausführungen in der Stahl-und Leichtmetallindustrie. Lediglich
die Auskleidung des Sintergefäßes wird hier so vorgenommen, wie sie die Art und
Weise der Beanspruchung erforderlich macht.
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Zu diesem Verfahren eignen sich besonders alle diejenigen Metalle
bzw. Metallegierungen, die bei einem niedrigen Schmelzpunkt einen relativ hohen
Verdampfungspunkt besitzen, z. B. Al, Al / Cr (niedriger Gehalt an Cr), Sn, Ga,
In (Au, Ag, Cu, Ni) usw. Falls das Badmetall unter atmosphärischen Bedingungen Oxyde
bildet, muß man ein solches Badmetall für das zu brennende Sintergut wählen, dessen
Oxyd bei hohen Temperaturen keine Reaktion mit dem Sintergut eingeht. Wird ein hinsichtlich
der Oxydation empfindliches Metall verwendet, kann man die ganze Vorrichtung auch
in einen geschlossenen Druckbehälter bringen, der eine Erhitzung des Sinterbades
in einer geeigneten Schutzatmosphäre aus N2, Ar usw. zuläßt. Nötigenfalls kann man
dabei auch noch den Schutzgasdruck innerhalb des geschlossenen Reaktionsraumes erhöhen,
so daß durch diese Maßnahme die Verdampfung des Badmetalls bei den höchsten vorkommenden
Temperaturen hintenan gehalten wird.
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Der Sinterkörper erfährt weiterhin in dem Metallbad gemäß seiner Volumenbeschaffenheit
(Porosität) und seines damit in Zusammenhang stehenden spezifischen Gewichtes während
des Sinterns einen verschieden großen Auftrieb. Das heißt, bei der Dichtsinterung
vermindert sich durch die Kontraktion des Sinterkörpers dessen Volumen, er wird
schwerer. Dieser Umstand muß beim Bau von Sinterkanälen (Tiegeln, Wannen) berücksichtigt
werden. Sintertechnisch wirkt sich dieser Auftrieb aber meist noch in einer anderen
Weise vorteilhaft aus.
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Werkstücke, insbesondere größere, laufen bei Sinterung nach den bisherigen
Verfahren immer die Gefahr, im Zustande der hohen Kontraktionstemperatur an besonders
dafür empfindlichen Stellen deformiert zu werden. Das laufende Ausbringen solcher
an bestimmte Maßtoleranzen gebundenen Formstücke in einwandfreiem Zustand ist deshalb
nach den bisherigen Verfahren fast ein Kunststück und stößt je nach den vorherrschenden
Betriebsverhältnissen auf erhebliche Schwierigkeiten.
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Die Badflüssigkeit wirkt einer solchen Deformation bis zu einem gewissen
Grade entgegen. Dieses macht sich besonders an den Stellen bemerkbar, die beim Aufstellen
in den bisherigen Brennöfen besonders stark den schädlichen Einwirkungen der Schwerkraft
an den örtlich gefährdeten Querschnitten des Werkstückes ausgesetzt waren. Der die
Deformation abfangende Gegendruck resultiert aus den Auftriebskräften des Badmetalls.
Man erreicht ebenfalls durch die eben geschilderte Badsinterung eine hohe verlustarme
Energiekonzentration. Das flüssige Badmetall gewährleistet
eine
schnelle und ausgleichende Wärmeübertragung an den Sinterkörpern.
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Der zu bildende Sinterkanal (-tiegel, -wanne) kann weitgehendst den
zu sinternden Erzeugnissen in der günstigsten Form angepaßt werden. Die Größe der
Sinterbäder ist im wesentlichen nur von der Leistungsfähigkeit der elektrischen
Transformatoren oder Umformer abhängig. Die Überwachung des Sintervorganges ist
äußerst einfach. Die Bedienung der Regelorgane daher auch völlig unkompliziert.
Der Verbrauch von Badmetall ist bei oberflächenarmer Badabschirmung gegenüber dem
atmosphärischen Sauerstoff gering. Die für diesen Zweck am besten geeigneten Badmetalle,
wie Al, Al/Cr (Ga, In), können bei relativ niedrigen Temperaturen in den Sinterkanal
(-tiegel, -wanne) aus einem Warmhalteofen oder auch aus einem vorher schon mittels
der elektrischen Zurüstung hochgefahrenen und nach dem abkühlenden Sinterbad mit
dem daraus abgegossenen Badmetall aufgefüllt werden. Diese letztere Verfahrensweise
ermöglicht ein kontinuierliches Arbeiten unter Verwendung derselben elektrischen
Zurüstung und bildet darum einen wesentlichen Punkt der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Als besonders geeignet für dieses Verfahren erweist sich die Sinterung von Sintertonerde
in einem Bad von Al, Al/Cr (Ga). Die Sinterung von Körpern aus diesem Oxyd unter
Verwendung der angegebenen Badmetalle ist unter atmosphärischen Bedingungen möglich.
Insbesondere A1 bildet bei der Oxydierung durch den Luftsauerstoff ausschließlich
als einzige Oxydationsstufe A1203. Dieses reagiert bei Berührung mit dem Sinterkörper
nicht. Die sich an der Badoberfläche bildende A1203 Haut ist zusammenhängend, auch
bei den höchsten vorkommenden Sintertemperaturen. Der weiteren Oxydation des Radmetalls
ist somit eine Grenze gesetzt.
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Dem Sintern von Erzeugnissen aus reiner Tonerde kommt unter den oxydkeramischen
Erzeugnissen eine besondere Bedeutung zu. Hinsichtlich der Rohstoffbeschaffung sowohl
wie auch in der Verwendung der Fertigerzeugnisse nimmt die Sintertonerde eine bevorzugte
Stellung ein.
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Die Verwendung von A1 als Radmetall erlaubt ebenfalls die Anwendung
des Verfahrens auf breitester Basis. Bei der Herstellung von Kombinationen hochschmelzender
Metallverbindungen kann man in der Art und Weise vorgehen, daß man den Rohkörper
(Grünling) keramisch aus einzelnen Oxyden aufbaut, die zum Teil dann im Brennprozeß
zu den Metallen reduziert werden. Dabei findet vornehmlich eine Umlagerung der insgesamt
vorhandenen Sausertoffatome entsprechend den hier obwaltenden chemischen Gleichgewichtsbedingungen
nach bekannten chemischen Reaktionsgleichungen statt. Da die einzelnen Oxyde in
sehr feiner Verteilung untereinander vorliegen, verläuft die Reaktion in mäßigem
Tempo (von außen nach dem Innern des Werkstückes). Will man so z. B. solche Kombinationen
auf der Grundlage von A1203 herstellen, verfährt man eben so, daß man ein AI-Bad
nimmt, die gewünschten Metallkomponenten in Form von Oxyden oder auch solchen Verbindungen
in den Rohkörper gibt, daß die gewünschte Reduzierung oder auch Umlagerung durch
A1 als Badmetall vor sich gehen kann. Selbstverständlich kommen in diesem Falle
nur solche Verbindungen in Frage, die auch durch A1 reduzierbar sind. Durch den
Reduktionsvorgang erfährt der Sinterkörper eine Anreicherung von A1203 unter Einlagerung
der gewünschten Metallkomponenten. Analog lassen sich natürlich alle ähnlich gelagerten
Prozesse in dieser Art und Weise durchführen, sofern die chemischen Gleichgewichtsbedingungen
der Stoffkomponenten unter den genannten Verfahrensverhältnissen gegeben sind. In
weiterer Ausbildung dieses Verfahrens ist es möglich, die Sinterung vorgenannter
Erzeugnisse im Metallbad bei hoher Temperatur unter Druck vorzunehmen. Zum Unterschied
gegenüber dem Heißpreßverfahren, wie dies bei der Herstellung von gesinterten Hartmetallen
angewandt wird, würde der Druck auf den Sinterkörper durch die umgebende Badflüssigkeit
allseitig erfolgen. Die unter Druck gesetzte Flüssigkeit-folgt in dieser Hinsicht
den Gesetzen der Hydraulik. Die Druckwirkung wäre also absolut frei von ein- oder
mehrseitig bevorzugten Druckrichtungen.
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Um sich an einem Beispiel die geschilderte Preßwirkung klarmachen
zu können, sei in diesem Zusammenhang an die große Druckwirkung des Wassers auf
feste Körper in großen Ozeantiefen erinnert. Dieser Vergleich zielt nur auf eine
Verdeutlichung der Druckwirkung auf den im flüssigen Metallbad liegenden Sinterkörper
hin, ohne dabei auf die völlig anders gearteten Begleitumstände Rücksicht zu nehmen.
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Diese letztgenannten Spezialisierungen des neuen Badsinterverfahrens
zeigen wohl am deutlichsten die Vorteile gegenüber den bisherigenVerfahrensmethoden.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel (Sinterkanal mit Widerstandserhitzung)
unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung in der Abb. i näher beschrieben.
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In einem Stampfkasten i liegen in der Stampfmasse 2 die einen Sinterkanal
bildenden Steine 3, q. und 5 aus hochfeuerfestem Oxyd. Die mit Preßwasser gekühlten
Elektroden 6 und 7 begrenzen mit den Zwischenplatten 8 und g stirnseitig den Sinterkanal.
ro ist eine Elektrodenisolierung gegen Massepotential. Das Radmetall il füllt, wie
aus der Abb. i ersichtlich, den ganzen Kanal und umschließt den Sinterkörper 12
vollständig. Formstück 13 hat einen Durchlaß für die Temperaturkontrolle und ist
gleichzeitig Verschluß des Eingusses 14-Die Arbeitsweise der Anlage ist folgende:
Nach Vorwärmen des Sinterkanals 3, q. und 5 mit eingelegtem (grünem) Sinterkörper
12 unter Verwendung von einem Teil des Badmetalls il, welches zu diesem Zwecke gerade
die Ausnehmung des Steines 3 ausfüllt, wird das gesamte Badmetall durch die Öffnung
1q. in den Kanal gegossen. Die Elektroden 6 und 7 werden im Schema der eingezeichneten
Pfeile mit Preßwasser gekühlt und mit Hilfe eines geeigneten Transformators unter
Strom gesetzt. Die als Widerstand im Sekundärstromkreis des Transformators liegende
Kanalstrecke 3, q. und 5 wird alsdann mit Hilfe einer regelbaren Transformatorenleistung
auf Temperatur gebracht.
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Nach erfolgter Sinterung und Abkühlung wird durch Entfernen der Steine
5 der fertiggebrannte Sinterkörper 12 aus dem noch flüssigen Badmetall genommen.
Weiterhin
wird in der Abb. 2 das Drucksintern mit Hilfe des vorgenannten Verfahrens näher
erläutert. Im Druckkörper 14 liegt in der Stampfmasse 15 der Sinterkanal 16 aus
einem oxydkeramischen Rohr mit dem Sinterkörper 17 und dem Badmetall 18. Stirnseitig
hat dieser Sinterkanal als Begrenzung die Grafitstempel 1g und 2o in den Aufnahmehülsen
21 und 22, welche auch aus hochfeuerfestem Oxyd bestehen. Grafitstempel 1g ist fest
mit dem Deckel 23 verbunden. Dieser trägt den Stromanschluß 25. Zwischen
Druckgehäuse 14 und Deckel 23 liegt die auch elektrisch als Isolation gegen Masse
wirkende Dichtung 24. 26 dient als Gasabsaug- und Einlaßstutzen. 27 ist eine mit
dem Druckgehäuse fest verbundene Führungsbuchse aus Grafit. 28 ist eine Dichtung
von stopfbuchsenartiger Wirkung. Der Druckstempel 29 ist an einem Ende mit dem Federbalg
30 fest und dicht verbunden. Das gegenüberliegende Ende entsprechend mit
dem Druckgehäuse 14. 31 ist eine keramische Isolierung des Grafitstempels 1g gegen
das Druckgehäuse 14.
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Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende: Nach Einbringen des
grünen Sinterkörpers 17, welches analog wie im Beispiel der Abb. i vor sich geht,
wird das Druckgefäß 14 mit dem Deckel 23 fest verschlossen. Gegebenenfalls wird
die ganze Apparatur durch den Stutzen 26 evakuiert und danach mit Schutzgas beschickt.
Nach Schließung des Stromkreises durch Anschluß der Klemme 25 einerseits und der
als Gegenpotential wirkenden Druckgehäusemasse andererseits wird der Sinterkanal
auf -Temperatur gebracht. Als Stromzuführungen an das Badmetall dienen hier die
Grafitstempel 1g und 2o. Der bewegliche Grafitstempel 2o erhält über den Druckstempel
29 von einer außerhalb des Druckgefäßes wirkenden Kraft P eine in Pfeilrichtung
wirkende Druckkraft.
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Diese wird auf das flüssige Badmetall übertragen und wirkt somit allseitig
mit konstantem Druck auf den einliegenden Sinterkörper- 17 auch während der hohen
Kontraktionstemperatur.
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Das soeben beschriebene und erläuterte Sinterverfahren ermöglicht
auf Grund seiner technologischen Eigenart die Herstellung besagter Erzeugnisse in
einer Art und Weise, die der außerordentlichen Werkstoffbeanspruchung bei solchen
Brennprozessen extremer Temperaturen besonders Rechnung trägt. Das Spezifikum dieses
Verfahrens liegt hierbei darin, daß die Brennraumauskleidung der Hochtemperaturzone
wie z. B. bei der Herstellung der Sintertonerde auch mit demselben Werkstoff (also
A1203) vorgenommen werden kann. Dieser Umstand wirkt sich besonders günstig bei
der Herstellung langer Rohre, großer Zylinder u. ä. sehr vorteilhaft aus. Die Verwendung
einer Flüssigkeit, einmal als Energieträger und zum anderen als umhüllendes und
die Deformation des empfindlichen Rohlings abfangendes Flüssigkeitspolster sowie
auch als Übertragungsmedium eines allseitigen Druckes bei hohen Temperaturen, lassen
mit großer Wahrscheinlichkeit die Lösung auch technologisch schwieriger Aufgaben
erwarten. Darüber hinaus ist außerdem noch beiVerwendung von Al und seiner verwandten
Metalle die Möglichkeit einer Sinterung von Kombinationen hochschmelzender Metallverbindungen
in einer Art und Weise gegeben, die einmal durch die Abwesenheit von C und zum anderen
dadurch besonders vorteilhaft erscheint, weil es möglich ist, den Grünling keramisch
aus verschiedenen Oxyden bzw. reduzierenden Verbindungen aufzubauen. Die Wirtschaftlichkeit
solcher' Erzeugnisse dürfte gerade durch diesen Umstand eine wesentliche Steigerung
erfahren.