FI77640B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av polykristallina genomskinliga sinterroer. - Google Patents

Description

1 77640

Menetelmä ja laite polykiteisten, läpikuultavien sintrausputkien valmistamiseksi Förfarande och anordning för framställning av polykristallina genomskinliga sinterrör

Keksintö kohdistuu menetelmään polykiteisten, läpikuultavien sintrausputkien valmistamiseksi puhtaammasta kuin 99,5 pai-no-%:isesta alumiinioksidijauheesta, jonka raekoko on pienempi kuin 1 pm, ja johon mahdollisesti lisätään pieniä määriä mag-nesiumoksidia ja sirkoniumoksidia, ja johon sekoitetaan siilejä 1 lukuaineita ja tämä lähtömateriaali vedetään muotokappaleiksi, jotka sintrataan hehkuttamalla 900 °C ja 1200 °C välissä olevassa lämpötilassa ja jotka poltetaan 1750 °C ja 1900 °C välisessä lämpötilassa vetyilmakehässä tai vakuumissa. Yhdessä erityisen vetolaitteen ja tiettyjen pehmentämismene-telmien kanssa saavutetaan putkien pinnan ominaisuuksien huomattava paraneminen. Tämän seurausta on myös erinomainen valon läpäisykyky sekä erittäin hyvä mekaaninen lujuus.

Patenttihakemuksessa DE-OS 29 18 729 esitetään menetelmä tällaisen polykiteisen valoa läpäisevän alumiinioksidin valmistamiseksi ja sen käyttämiseksi korkeapaineisissa kaasunpurkaus-lampuissa, jolloin sintratun kappaleen keskimääräinen raekoko alumiinioksidikiteinä ei ole 20 pm:ä pienempi. Tällöin lähdetään alumiinioksidijauheesta, jonka raekoko on pienempi kuin 1 pm ja jonka puhtaus on enemmän kuin 99,5 paino-% ja johon mahdollisesti vielä lisätään lisäaineina MgOsta, La2°3:a ja Y2C>3:a, jonka jälkeen massa sekoitetaan huolellisesti ja lähtömateriaali puristetaan muotokappaleeksi, ja jossa menetelmässä polttaminen suoritetaan kahdessa vaiheessa, nimittäin ensin lämpötilassa 1300...1500 °C ja sintraaminen 1650 °C ja ..... 1900 °C välisessä lämpötilassa aina 15 tuntiin saakka vetyilmakehässä tai vakuumissa. Tällöin 1400 °C ja 1700 °C välissä kuumentamisnopeuden tulee olla vähintään 200 °C/h pinnan karheuden parantumisen aikaansaamiseksi, joka karheus sintratussa tuotteessa on 3...7 pm. Kaksi polttovaihetta aiheuttavat luon- 2 77640 noliisestiki n paljon kustannuksia, ja ottaen huomioon pitkät viiveajat, on tämä menetelmä myös paljon aikaa vaativa. Lisäksi polton aikana kiteiden kasvu on vain vaikeasti ohjattavissa, joten toistettavuus on vaikeata.

Toinen mahdollisuus valon in-line-välittämisen parantamiseen on esitetty patenttijulkaisussa US-PS 3 935 495, jonka menetelmässä alumiinioksidin sintrattu pinta käsitellään kemiallisesti sulalla juoksutteella. Tällöin samanaikaisesti vähennetään pinnan epätasaisuuksia, mutta nämä toimenpiteet tässä menetelmässä ovat monimutkaisia ja ne aiheuttavat korkeita tuotantokustannuksia. Lisäksi tämä kemiallinen etsaus alentaa sintrausputken lujuutta.

Lisäksi tunnetaan vielä muitakin polykiteisiä alumiinioksidi-raaka-aineita, joilla valon in-line-välittämistä on parannettu käyttämällä lisäaineiden erityistä valikoimaa. Tällöin mainittakoon erityisesti patenttijulkaisu DE-PS 31 08 677, jonka mukaisessa menetelmässä sintrausputken laadun paraneminen saatiin aikaan lisäämällä 0,03...0,15 paino-% MgO:ta ja 0,002 ...0,07 paino-% Zr02*ta ja Hiosta yhdessä. Kaiken kaikkiaan todettiin, että MgO on välttämätön aineosa alumiinioksidissa keraamisissa tuotteissa, mikäli sintrausmenetelmällä on tarkoitus saavuttaa korkea-asteinen läpikuultavuus . Erityisesti MgO ohjaa rakeiden koon kasvamista myöhemmissä sintrausvai-heissa. Zr02:n tai Hf02:n lisäyksen tarkoituksena on estää magnesiumin liian voimakasta höyrystymistä sintrausvaiheessa ja samanaikaisesti se estää spinellin muodostumista lopputuotteessa .

Patenttihakemuksessa DE-OS 28 10 128 esitetään, että lähtö-seokseen sekoitetaan vielä tavallista side- tai liukuainetta puristetun, kompaktin kappaleen sintrausputken muotoon tapahtuvan ekstruusion mahdollistamiseksi. Lisäksi esisintrausvaihe on tällöin välttämätön orgaanisten aineosien poistamiseksi ennen sintraamista. Tämän mukaisesti hehkutuspoltto suoritetaan happipi toi sessa ilmakehässä noin 900...1200 °C olevissa lämpötiloissa.

3 77640

Lisäksi patenttihakemuksen DE-OS 32 01 750 perusteella tunnetaan menetelmä alumiinioksidisten, valoa läpäisevien sintraus-kappaleiden valmistamiseksi, jossa hakemuksessa on kiinnitetty erityistä huomiota vetolaitteeseen. Tässä menetelmässä alumiinioksidi jauheeseen lisätään mieluiten lisäaineina sirkoniumok-sidia, hafniumoksidia, seriumoksidia tai magnesiumoksidia. Tämän jälkeen jauheeseen lisätään tunnetusti pehmentimiä, jotka vastaavat 12 paino-% parafiinia ja 1 paino-% steariinia. Muotoillun putken tiheys on 40...70 paino-%, mieluiten 60 paino-% korundin teoreettisesta tiheydestä. Putkia vedettäessä kiinnitetään erityistä huomiota siihen, että materiaalivirtaus vetolaitteessa on edullinen. Muotoilun toteuttaminen on kuvattu hyvin yksityiskohtaisesti ja se suoritetaan kahdessa vaiheessa, ensin esimuodon valmistaminen ruiskuvalamalla ja sitten loppumuotoilu lämpöekstruusiolla. Tämän jälkeen yksittäiset putket upotetaan alumiinioksidi jauheeseen, jotta orgaaniset aineet voitaisiin seuraavassa vaiheessa poistaa. Esipolt-taminen suoritetaan tunnin ajan 1100 °C:ssa; tätä seuraava sintraaminen suoritetaan sitten vakuumiuunissa 1800 °C lämpötilassa. Tällä menetelmällä on kaksi haittapuolta, ensinnäkin koska ylimääräistä, kallista AI2O3-jauhetta käytetään upottamiseen ja koska tällöin kiinni tarttunut jauhe on seuraavasssa työvaiheessa jälleen poistettava. Lisäksi sintrauksen aikana voi tapahtua putkien kosketusreagointia vaakasuorasta kerrostamisesta johtuen. Näin valmistettujen putkien valonläpäisykyky on 93 % ja taivutuslujuus 600 N/mm^, jolloin kuitenkaan mittausmenetelmää taivutuslujuuden määrittämiseksi ei esitetty, joten nämä arvot eivät ole verrattavissa muiden kanssa. Tiheys on 3,98 g/cm^ ja keskimääräinen kristalliittikoko noin 10 pm, mikä sinänsä osoittaa huonoa valon in-line-välittämis-tä. Täten muotoillessa vältytään kylläkin tavallisesti sovellettujen isostaattisten puristimien käytöltä, mutta valonläpäisykyvyn ja lujuuden suhteen ei saada optimaalista sintraus-putkea; nämä ovat pääasialliset vaikeudet ajatellen putken myöhempää käyttöä korkeapaineisena kaasunpurkauslamppuna. Periaatteessa todettakoon, että vaikeutena on sintratun AI2O3-kappaleen kristalliittikoko. Kristall ii t tikoon suurentuessa 4 77640 valonläpäisykyky paranee, mutta tällöin mekaaninen lujuus alenee. Kristallittikoon muuttuessa pienemmäksi näillä molemmilla parametreillä on päinvastainen vaikutus. Pehmentimien osuus, 13 % parafiinia ja steariinia, on myös korkea, mistä myös johtuu huomattavan suuri kutistuminen, josta taas aiheutuu vaara, että sintrattu putki sisältää liikaa mikrohuokosia. Lisäksi sintrausputken suoraviivaisuus saattaa kärsiä, mikäli suuria pehmenninainemääriä ei ole sekoitettu homogeenisesti alumiinioksidijauheeseen. Periaatteessa on myös osoittautunut, että sopivan alumiinioksidijauheen ja vastaavien lisäaineiden käytön ohella myös sintraustapahtumalla on merkitystä, kuitenkin ennen kaikkea muotoilulla on huomattava vaikutus sintrat-tuun lopputuotteeseen.

Tästä syystä keksinnön tavoitteena on saavuttaa edelleen parantuneet ominaisuudet läpikuultavuutta, lujuutta ja pinnan karheutta ajatellen uusien pehmenninyhdistelmien ja valmistusmenetelmien avulla.

Tehtävä pinnan karheudeltaan vähäisen ja täten myös läpikuul-tavuudeltaan paremman polykiteisen, läpikuultavan sintrausputken, jonka mekaaninen lujuus on myös parantunut, valmistamiseksi ei koostu ainoastaan lisäaineiden määrätystä lisäämisestä ja tietynlaisesta sintraustapahtumasta, vaan myös liukuja sideaineiden erityisestä valikoinnista massan raakamuotoa varten mahdollisimman hyvän homogeenisuuden saavuttamiseksi. Lisäoptimointi voidaan suorittaa valmistusmenetelmän sekä vetolaitteen rakenteen ja ominaisuuksien avulla.

Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimusten määrittelemän keksinnön avulla, jolloin menetelmä polykiteisten, läpikuultavien alumiinioksidi-sintrausputkien valmistamiseksi lähtien yli 99,5 painoprosenttisesta alumiinioksidijauheesta, jonka raekoko on alle 1 jum, ja johon mahdollisesti lisätään vähäisiä määriä magnesiumoksidia ja sirkoniumdioksidia, jolloin oksi-deihin sekoitetaan side- ja liukuaineita, tämä lähtömateriaali vedetään muotokappaleiksi, muotokappaleet sintrataan 900 °c ja 1200 °c välisessä lämpötilassa tapahtuvalla hehkutuksella ja 5 77640 1750 °c ja 1900 °C välisessä lämpötilassa tapahtuvalla poltolla vetyilmakehässä tai vakuumissa, tunnetaan siitä, että sekoittamalla a) vesiliukoista PVA-liimaa tai vesiliukoista, viskositeetiltaan alhaista, heikosti turpoavaa metyyliselluloosaliimaa, b) rasvaa tai öljyä, c) glyseriiniä, d) kostuttavaa ainetta, muodostetaan pehmenninseos, tämä seos yhdistetään AI2O3-jauheeseen sekä magnesiumoksidiin ja mahdollisesti sirkoniumdi-oksidiin, näin saatu sekoitus homogenisoidaan ja muotoillaan kylmänä mäntäpuristimen avulla käyttäen ekstruusiovälinettä, jonka pintakarheus Ra on alle 0,15 pm, ja joka koostuu kotelosta ja vetokeernasta, jolloin saadun polttamattoman muoto-kappaleen tiheys on 50...70 paino-% alumiinioksidin teoreettisesta tiheydestä ja jolloin sen pinta on kiiltävä.

Tässä keksinnössä polykiteisen, läpikuultavan sintrausputken parantuneet ominaisuudet riippuvat erityisesti side- ja liuku-aineiden käytöstä. Edullisen tuloksen saavuttamiseksi lähdetään alumiinioksidijauheesta, jonka ominaispinta on noin 14 m2/g. Lisäoptimointi saavutetaan suorittamalla dispergointi veteen lisäämällä 0,75... 2,0 paino-% nesteytinainetta, kuten esim. natriumitonta ammoniakkia, levyjauhimessa, jonka jauhin-levyt koostuvat 99,7 %:isesta alumiinioksidikeramiikasta. Täten seokseen ei joudu epäpuhtauksia kulumisesta johtuen, mikä on mahdollista jauhettaessa tavallisessa rumpujauhimessa. Tämän jälkeen seuraa suspension seulonta kokkareiden poistamiseksi, jotka kokkareet aiheuttavat myöhemmin valkeita täpliä sintratussa keraamisessa tuotteessa.

Erityisen edulliseksi on osoittautunut 0,1...0,5 paino-%:sta glyseriiniä ja 0,3...2,5 paino-%:sta Öljyä muodostuvan seoksen suhteessa 1:3...1:5 lisääminen dispergoituun lasitusmassaan seulonnan jälkeen, mitä seuraa vaahdottaminen. Lasitusmassan kuivaaminen suoritetaan 80 ja 100 °C:n välisissä lämpötiloissa, jonka jälkeen jäännöskosteus on noin 3 %. Näiden toimenpiteiden jälkeen saadaan erittäin pehmeää ja irtonaista, sedi- 6 77640 mentoitumatonta jauhetta, joka jakaantuu erittäin hyvin myöhemmissä sekoitusvaiheissa. Täten tämä jauhe sisältää jo myöhemmin käytettävän, vesiliukoisen, tahnamaisen pehmitinseoksen aineosia, joten jauheeseen saadaan myöhemmin optimaalinen rasvaseoksen affiniteetti ja täten saavutetaan pehmitettävän massan erittäin suuri homogeenisuus. Erityisesti on kiinnitettävä huomiota siihen, että kuivattaessa lämpötila ei kohoa yli 100 °C, jotta orgaanisten aineosien hiiltymistä tai kovettumista ei tapahtuisi. Agglomeraatin hajottaminen levyjauhimessa voidaan mahdollisesti jättää suorittamatta, mikäli alumiini-oksidi jauhe on irtonaista ja sen kokkarekoko on pieni. Tämän teknologisen vaiheen jälkeen seuraa pehmittäminen tai mahdollinen seostaminen lisäaineilla.

Pääasiallisesti yksittäiset pehmittimen aineosat sekoitetaan tahnaksi ennen niiden lisäämistä jauheseokseen. Al203~jauhe sekoitetaan edullisesti 11,2...19,5 painoprosenttiin pehmitin-seosta, joka koostuu 3,0...4,5 painoprosentista PVA:ta tai alhaisen viskositeetin omaavaa, huonosti turpoavaa metyyli-selluloosaliimaa, 5,5...8,5 painoprosentista öljyä, 2,0...4,5 painoprosentista rasvoja, 0,5...1,5 painoprosentista glyse-riiniä ja 0,2...1,0 painoprosentista kostutusainetta. Tällöin ovat PVA sekä huonosti turpoavat metyyliselluloosaliimat veteenliukenevia. Ne mahdollistavat siten hyvän kostuttamisen ja kokkareiden hajottamisen. PVA-liimojen kemiallisena perustana ovat polymeeriset hydroksyyliyhdisteet, ja 5 % risen liuoksen viskositeetti on 100 cp. Rasvoissa on lyhytketjuisia rasvahappoja ja öljy on nafteenisten, paraffiinisten ja aromaattisten hiilivetyjen muodostama seos, jossa on luontaisia rasvajohdannaisia ja polaarisia lisäaineita. Tämä tahnamainen pehmitinseos on hyvin sekoitettavissa kuivaan alumiinioksidi-jauheeseen. Hyvä sekoittuvuus on sintrausputken myöhemmin aikaansaatavan erittäin tasaisen pinnan perusta.

Mikäli näitä toimenpiteitä ei suoriteta, ja mikäli sideaine lisätään antamatta sen ensin reagoida muiden komponenttien kanssa, ei kokkareiden muodostumista juurikaan voida välttää, sillä liimojen mahdollisimman hienosti annostelluilla lisäyk- 7 77640 sillä tai intensiivisellä sekoituksella ei ole mahdollista peittää kaikkia alumiinioksidipartikkeleita liimakalvolla. Pikemminkin kokonaiset jauhekappaleet liimautuvat suuriksi kokkareiksi. Huomiota on myös kiinnitettävä yksittäisten peh-mitinaineiden lisäysjärjestykseen. Mikäli nimittäin ensin lisättäisiin öljy, tällöin Al203~jauhe absorboisi öljyn välittömästi suuresta ominaispinnastaan johtuen, ja liimaa lisättäessä jauheen riittävää kostuttamista ei tapahdu.

Tämän jälkeen seuraa lisäaineiden lisääminen magnesiumoksidina ja mahdollisesti sirkoniumoksidina. Erityisen tarkoituksenmukaiseksi on osoittautunut, että magnesiumoksidia lisätään alueella 0,03...0,08 paino-% olevana määränä, mieluiten 0,05 paino-%, ja sirkoniumoksidia lisätään alueella 0,002...0,05 paino-* olevana määränä, mieluiten 0,01 paino-%, näiden oksidien ollessa esivaiheessa kloridina, karbonaattina ja asetaat-tina. Sekoittamisen jälkeen puristimen sylinterissä olevasta massasta imetään kaasut pois ja se esitiivistetään. Tämän jälkeen mäntäpuristimella suoritetaan muotoilu, puristuspai-neen ollessa 200...500 kg/cm^ ja keksinnön mukaista suutinta käyttäen.

Olennainen vetolaitteen rakenteen edellytys on se, että massan ja vetolaitteen välinen kitka pidetään mahdollisimman pienenä; täten raaka-aine ja vetolaitteen pinnan ominaisuudet ovat merkitykseltän ratkaisevia. Kovista metalleista valmistetuilla laitteilla on se etu, että joutuessaan kosketukseen hankaavan Al203-jauheen kanssa ei synny suurta hankausta. Mikäli hankausta esiintyy, kuten tavallisilla terästyökaluilla, vetolaitteen sisäpinnalla esiintyy erilaisia liukuominaisuuksia, minkä seurausta on tangon epätasainen tiivistyminen. Lisäksi hanka-uskohdassa tankoon syntyy karkea pinta, jolloin vedetylle tangolle ei saavuteta optimaalisia pintaominaisuuksia.

Erityisen edullinen laite sintrausputken vetämiseksi tunnetaan siitä, että ekstruusiovälineenä on kiillotettu kovametalli-ekstruusiolaite, jonka pintakarheus Ra on alle 0,15 pm ja joka koostuu kotelosta ja vetokeernasta, joka on yhdistetty kote- 8 77640 loon kuudella, kahden perattain järjestetyn kolmitähden sakaroilla ja sakarat ovat kiertyneet toistensa suhteen 60° päällekkäisestä asemasta siten, että vetokeernan aksiaalisessa projektiossa muodostuu kuusiotähti.

Tämä aikaansaa ulostyöntyneen tangon pinnan lisätasaisuutta, mikäli pehmitetty alumiinioksidijauhe liukuu vetolaitteen seinämää pitkin. Täten syntyy optimaalinen pintakiilto. Toisaalta vetolaitteen rakenne on merkitykseltään ratkaiseva. Myös tällöinkin on kiinnitettävä huomiota kitkan vaikutukseen. Vetolaitteen tulee olla muotoiltu virtaukselle erityisen edulliseksi, toisin sanoen syntyvän paineen tulee kohdistua mahdollisimman pieneen pintaan ja jakautua eteenpäin suippenevaan vetolaitteeseen. Tästä syystä kartiopinnat pidetään mahdollisimman pieninä, sillä sylinterimäisillä pinnoilla kitka on olennaisesti pienempää. Lisäksi rakenteen tulee olla symmetrinen, jotta vedettävään massaan ei kohdistuisi paineen epätasaista jakaantumista. Tästä syystä vetokeernan pitämiseen tarkoitetun kolmitähden sakarat asetetaan siten, että muodostuu kuusiotähti. Läpipakotettu tanko jakaantuu tosin vielä kertaalleen, mutta se hitsautuu sitten uudelleen vetosuuttimen viimeisessä osassa. Samoin suukappaleessa on pitkä ulostulo-jakso, jolloin mahdolliset tiivistymiserot katoavat suukappaleesta ulostulon aikana. Lisäksi muovailtavan massan hyvien tiivistymis- sekä liukuominaisuuksien ansiosta alumiinioksi-dikiteiden lehdenmuotoiset rakenteet suunnistuvat ekstruusios-sa samalla tavalla. Tätä edesauttaa erityisesti kiillotetusta kovametallista valmistettu erityisrakenteinen vetolaite.

Putket sijoitetaan rei'itetylle alumiinipellille tasaisen kuivumisen saavuttamiseksi. Kuivaaminen itse suoritetaan pö-lyttömissä kammioissa pienessä ylipaineessa, ympäristön lämpötilassa. Hehkuttaminen tapahtuu hapettavassa ilmakehässä sähköuunissa 900 ja 1200 °c välisessä lämpötilassa, viiveajan ollessa 12 tuntia. Tämä toimenpide on perusteltua, koska tällöin kaikki orgaaniset aineosat saadaan poistettua sintratta-vasta materiaalista ennen vakuumissa tai kosteassa ilmakehässä 9 77640 tapahtuvaa sintrausta. Lämpötila ei missään tapauksessa saa kohota yli 1250 °c, ettei materiaalin esisintraantumista tapahtuisi. Tämän perusteella voidaan myös päätellä, että kuu-mentamisnopeudella on olennainen merkitys muotokappaleita sintrattaessa, koska raekokoa voidaan täten vielä kerran säätää. Tarkoituksenmukaiseksi on osoittautunut, että optimaalinen sintraustuote saadaan kuumentamisnopeuden ollessa vähintään 800 °C/h, mieluiten 800 ja 100 °C välillä, alueella 1200 ...1900 °C. Sintraus korkeassa vakuumissa tapahtuu samoin aina 1900 °C:een kohoavissa lämpötiloissa.

Sintratuilla alumiinioksidisilla sintrausputkilla on seuraavat ominaisuudet: valon in-line-välittyminen on parempi kuin 64 % ja valon kokonaisläpäisykyky on 93:n ja 96:n välillä, kristal-liittikoko on 20...40 pm, sintraustiheys on 3,98/cm·^ ja pinnan karheus n 0,1...1 pm, mieluiten 0,2 pm. Lujuus ylittää vähintään arvon 320 N/mrn^.

Keksinnön mukaisen menetelmän toimenpiteiden muut edut havaitaan siitä, että raakatilassa olevia putkia ei tarvitse muulla tavalla käsitellä, kuten on asianlaita esimerkiksi isostaattisessa puristuksessa, jossa suoritetaan ohuemmaksi valssaa-minen, jolloin syntyy huomattavasti massajätettä. Sintrattujen putkien jälkikäsitteleminen on myös tarpeetonta pehmitintahnan erinomaisten ominaisuuksien ansiosta sekä ekstrudoitaessa massan hyvä tiivistymisen sekä liukuominaisuuksien ansiosta. Juoksutteella kiillotettaessa olemassa on vaara, että rakenne vahingoittuu etsausaikojen ollessa pitkiä. Lisäksi keksinnön mukaisen menetelmän sintrauksessa tarvitaan erittäin vähän energiaa ja aikaa, koska polttojakso kestää ainoastaan 8...10 tuntia. Yllättävästi on myös osoittautunut, että keksinnön mukaisilla toimenpiteillä on erittäin edullinen vaikutus sintratun Al2C>3-muotokappaleen pinnan karheuteen, mekaaniseen lujuuteen ja optisiin ominaisuuksiin. Mitä pienempi keskimääräinen kristalliittikoko on, sitä paremmat arvot voidaan todeta mekaaniselle lujuudelle, kääntäen optisille ominaisuuksille.

10 77640

Ekstruusiosuuttimen virtaukselle erittäin edullisen muotoilun ansiosta saavutetaan lisäksi se etu, että massan erittäin sileä pinta ei vahingoitu ekstruusiotapahtumassa. Lisäksi se vaara on erittäin pieni, että putket tulisivat ulos vetolait-teesta kaareutuneina, koska kitkavastus pidetään mahdollisimman pienenä. Täten saavutetaan lisäksi sintrattujen tuotteiden mittojen erittäin hyvä täsmäävyys.

Muita yksityiskohtia on selvitetty suoritusesimerkeissä, erityisesti kuvissa IA ja B esitetään vetolaite.

Kuten taulukosta 1 ilmenee, keksinnön mukaisessa menetelmässä tutkittiin useilla kokeilla alumiinioksidijauheen dispergoin-nin ja vaahdottamisen, sekä liiman ja öljyn välisen esirea-goinnin, sekä myös seostuksen vaikutusta pinnan karheuteen.

Taulukko 1

Kokeen Sintraus Keski- Keski- Valon Taittumis- nro olosuhteet määr. määr. in-line- murto- (lämpötila/ kristal- karheus välitty- lujuus viiveaika) liittikoko minen (pm) (pm) (%) (N/mm^) VI 1830/2 32 0,20 69 380 V2 1830/2 37 0,50 62 320 V3 1830/2 23 0,90 51 280 V4 1830/2 40 0,25 65 265 V5 1850/1 26 1,9 59 310

Keskimääräinen kristalliittikoko, keskimääräinen pinnan karheus, valon in-line-välittyminen sekä taittumismurtolujuus mitattiin tyypin 70-Watt sintrausputkista, jollaisia käytetään korkeapaineisissa, natriumhöyryn purkaantumisputkissa. Keskimääräinen kristalliittikoko saatiin tarkastelemalla sintrattua pintaa elektronisuihkumikroskoopilla. Pinnan karheuden mittaaminen suoritettiin Hommel-testaajalla siten, että putkea kos- 11 77640 ketettiin akselinsuuntaisesti 5 nun:n pituudelta. Valon in-line-välittymisen mittauksessa koveralle pinnalle lähetettiin 6°:een osumakulmassa valokimppu, jonka aallonpituus oli 0,94 pm. Valon intensiteetti mitattiin mittaussondilla 60°:een poistumiskulmassa.

Sintrattujen kappaleiden seinämän paksuus oli 0,60 mm + 0,3. Taittumismurtolujuuden mittaaminen suoritettiin 3-pistemene-telmän mukaisesti. Mittauspisteiden etäisyys oli 40 mm.

Esimerkki 1

Kokeilla 1 (Vl) ja 2 (V2) osoitetaan, mikä vaikutus alumiini-oksidijauheen dispergoinnilla ja sitä seuraavalla vaahdottami-sella on sintraustuotteen ominaisuuksiin.

Kokeessa 1 (Vl) laitetaan 4000 g puhtaudeltaan yli 99,5 %:ista Al2C>3-jauhetta, jonka raekoko on pienempi kuin 1 pm ja omi-naispinta noin 14 m^/g, levyjauhimeen, jossa on jo valmiina 10 kg tislattua vettä, jossa on 1 % nesteytintä, kuten esim. natriumitonta ammoniakkia. Sitten tätä suspensiota jauhetaan 20 minuuttia ja se siivilöidään muoviseulalla, jonka seulan-silmän koko on 10 pm. Tämän jälkeen tähän lasitusmassaan sekoitetaan 0,2 paino-% glyseriiniä ja 0,8 paino-% öljyä kierre-sekoittajalla, jolloin saadaan kermamaisen jäykkä lasitusmas-sa, jossa on paljon ilmakuplia. Kuivaaminen peltien päällä suoritetaan 80 °C:ssa, kunnes jäännöskosteus on 3 %. Yksittäiset pehmenninkomponentit sekoitetaan erikseen tahnaksi, jolloin tahna sinänsä käsittää 3,75 paino-% vesiliukoista PVA-sitojaa, joka on liuotettu veteen suhteessa 1:4, 7 paino-% öljyä ja 3 paino-% rasvoja sekä 0,3 paino-% kostuttamisainetta ja 1 paino-% glyseriiniä. Sitten tämä tahna lisätään kuivattuun Al203~vaahtoon, jolloin siihen samalla sekoitetaan 0,265 paino-% magnesiumasetaattia ja 0,07 paino-% sirkoniumkloridia. Kokonaissekoitusaika on noin 1,5 tuntia, ja tällöin tislattua vettä lisätään jatkuvasti yhteensä 7 paino-%:iin saakka koostumukseltaan taikinamaisen, muovailtavan massan saamiseksi. Tämän jälkeen massasta imettiin kaasut pois mäntäpuristimessa 12 77640 ja se esitiivistettiin ja siitä puristettiin halkaisijaltaan 3 mm olevia tankoja useampireikäisen levyn avulla, jotka tangot puolestaan laitettiin puristussylinteriin, kaasut imettiin pois ja esitiivistettiin.

Kuvissa IA ja B on esitetty keksinnön mukainen vetolaite. Se koostuu ulommasta kotelosta 2, johon on asennettu kaksinkertainen kolmitähti 3 kuvan IB mukaisesti. Tässä tapauksessa puristuslaitteen ulottuvuudet nimellismittoina ovat φ 6,1 x 4,35 mm. Tuurnaa 4 pidetään sakaroiden 5 yläpuolella.

Puristuspaine on suurempi kuin 200 kg/cm^, ja läpipuristetut putket leikataan 800 mm:n mittaisiksi ja ne asetetaan revitetylle puristinpellille. Kuivaamisen jälkeen nämä tangot leikataan erillisiksi putkiksi, samalla poistetaan leikkauspöly, jonka jälkeen näitä raakakappaleita hehkutetaan kaksi tuntia 1100 °C:ssa hapettavassa ilmakehässä pinona. Tässä poltossa magnesiumasetaatti ja sirkoniumkloridi muuttuvat magnesiumok-sidiksi ja sirkoniumoksidiksi. Muut sellaiset aineosat, jotka mahdollisesti vaikuttavat optisiin ominaisuuksiin, poistetaan sintrauslämpötilassa 1830 °C, jota ylläpidetään 2 tuntia, ja kuumentamisnopeuden ollessa 800 °C/h raakakappaleet saavuttavat sintrauspoltossa kosteassa vetyilmakehässä läpikuultavan ulkomuotonsa.

Kokeessa 2 (V2) käytetään samaa panosta kuin kokeessa 1, mutta alumiinioksidijauhe lisätään sekoittajaan dispergoimatta ja vaahdottamatta.

Kuten taulukon 1 tuloksista voidaan nähdä, alumiinioksidijauheen dispergoiminen sekä vaahdottaminen aikaansaavat pinnan ominaisuuksien paranemista. Levyjauhimessa dispergoitaessa agglomeraatti jakaantuu yksittäisiksi kiteikseen ilman epäpuhtauksia ja vaahdottamisella estetään yksittäisten kiteiden yhteenkokkaroituminen, joten sekoittajaan saadaan erittäin helposti jakaantuva jauhe, johon pehmenninkomponentit voidaan vaivatta sekoittaa. Mikäli dispergointia ja vaahdottamista ei suoriteta, ei agglomeraatti tällöin jakaannu ja pinta-arvot 13 77640 huononevat raekoon epätasaisuudesta johtuen. Lisäksi muovailtava massa on epähomogeeninen/ mikä sintratussa putkessa nähdään valkeina täplinä. Valkeat täplät johtavat alentuneeseen valon läpäisykykyyn sekä mekaanisten ominaisuuksien heikentymiseen.

Esimerkki 2

Kokeessa 3 (3V) tarkastellaan lähemmin liiman ja öljyn välistä esireaktiota pinnan karheuteen liittyen. Tässäkin kokeessa 4000 g Al2C>3-jauhetta, jolla on samat tunnetut ominaisuudet kuin kokeessa 1/ dispergoidaan ja kuivataan/ tämän jälkeen sekoittajaan lisätään 0,3 paino-% kostutusainetta ja 3,75 paino-% PVA-sideainetta ja kulloinkin 5 minuutin väliajoin sekoitetaan seuraavat komponentit yksitellen: 7 paino-% öljyä, 3 paino-% rasvaa, 1 paino-% glyseriiniä ja noin 7 paino-% tislattua vettä. Samoin lisätään lisäaineet 0,265 paino-% magnesiumasetaattia ja 0,07 paino-% sirkoniumkloridia. Muut prosessivaiheet suoritetaan kuten kokeessa 1.

Taulukosta 1 voidaan todeta pinnan karheuden selvä huonontuminen kokeessa 3 (V3). Mikäli pehmenninkomponentit lisätään mainitussa järjestyksessä, esiintyy muovattavassa massassa tällöin epähomogeenisuutta, sillä sideaine ei ole jakaantunut tasaisesti hienoon Al203-jauheeseen. Tällöin muovattavaa massaa ei voida enää tiivistää tasaisesti, jolloin myös ekstruu-sio-ominaisuudet huononevat epätasaisen liukastusvaikutuksen johdosta. Tämä epätasaisuus nähdään sintratuissa putkissa valkeina täplinä.

Esimerkki 3

Kokeessa 4 (V4) pinta-arvoja arvioidaan seostuksen suhteen, jolloin sintrausputket valmistetaan analogisesti kokeen 1 menetelmän kanssa, kuitenkin sillä erolla, että seostaminen suoritetaan ainoastaan 0,265 paino-%:11a magnesiumasetaattia ja että sintraus suoritetaan vakuumissa.

-- ---—---=^-— -· il.. __ 14 77640

Kuten taulukosta 1 nähdään, vaikutusta pinnan karheuteen ei voida todeta, mutta kristalliittirakenteessa oli nähtävissä hieman epätasainen kasvu, joka ei kuitenkaan vaikuttanut valon in-line-välittymiseen. Seostamistavalla ei näin ollen tunnu olevan vaikutusta sintrausputken pinnan karheuteen.

Vielä kerran keksinnön mukaisen ekstruusiomenetelmän etujen esille tuomiseksi tavanomaiseen isostaattiseen puristusmene-telmään verrattuna taulukkoon otettiin mukaan koe 5 (V5) .

Tässä kokeessa jauhettiin kokeen 1 tavoin samoin 4000 g AI2O3-jauhetta, ja tämä lasitusmassa sumutuskuivattiin. Sumutuskui-vattu granulaatti puristettiin tämän jälkeen isostaattisesti 1400 baarissa putkimaisiksi muotokappaleiksi. Sitten yhteen tuurnaan puristetun putken ulompi vaippapinta valssataan ohuemmaksi.

Tämän menetelmän haitat ovat ilmeisiä tarkasteltaessa pinnan karheutta. Huolimatta hankauslevyillä suoritetusta huolellisesta jälkikäsittelystä pinnan laatua ei saavuteta. Syntyy sorvausjälkiä, jotka aiheuttavat valon siroamista pinnalla ja jotka täten huonontavat valon läpäisykykyä. Lisäksi isostaattisessa puristuksessa jokaisesta suunnasta vaikuttavasta paineesta johtuen lehdenmuotoisten kristalliittien järjestäytymistä putken pinnan kanssa samansuuntaiseksi ei tapahdu, jolloin pinta jää karkeammaksi.

Claims (8)

15 77640

1. Menetelmä polykiteisten, läpikuultavien alumiinioksidi-sintrausputkien valmistamiseksi lähtien yli 99,5 painoprosent-tisesta alumiinioksidijauheesta, jonka raekoko on alle 1 pm, ja johon mahdollisesti lisätään vähäisiä määriä magnesiumoksi-dia ja sirkoniumdioksidia, jolloin oksideihin sekoitetaan side- ja liukuaineita, tämä lähtömateriaali vedetään muoto-kappaleiksi, muotokappaleet sintrataan 900 °c ja 1200 °C välisessä lämpötilassa tapahtuvalla hehkutuksella ja 1750 °C ja 1900 °C välisessä lämpötilassa tapahtuvalla poltolla vetyilma-kehässä tai vakuumissa, tunnettu siitä, että sekoittamalla a) vesiliukoista PVA-liimaa tai vesiliukoista, viskositeetiltaan alhaista, heikosti turpoavaa metyyliselluloosaliimaa, b) rasvaa tai öljyä, c) glyseriiniä, d) kostuttavaa ainetta, muodostetaan pehmenninseos, tämä seos yhdistetään AI2O3-jauheeseen sekä magnesiumoksidiin ja mahdollisesti sirkoniumdi-oksidiin, näin saatu sekoitus homogenisoidaan ja muotoillaan kylmänä mäntäpuristimen avulla käyttäen ekstruusiovälinettä, jonka pintakarheus Ra on alle 0,15 pm, ja joka koostuu kotelosta ja vetokeernasta, jolloin saadun polttamattoman muoto-kappaleen tiheys on 50...70 paino-% alumiinioksidin teoreettisesta tiheydestä ja jolloin sen pinta on kiiltävä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alumiinioksidijauhe jauhetaan lasitusmassaksi, jolloin jauhatuksen aikana siihen lisätään 0,75...2,0 paino-% nesteytintä, jonka jälkeen se kuivataan 80...100 °C:ssa, ja vasta tämän jälkeen sekoitetaan pehmenninseoksen, magnesium-oksidin ja mahdollisesti sirkoniumdioksidin kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jauhamisen jälkeen lasitusmassa vaahdotetaan 0,1...0,5 paino-%:sta glyseriiniä ja 0,3...2,5 paino-%:sta öljyä muodostuvan seoksen kanssa suhteessa 1:3...1:5. 16 77640

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että Al203~jauhe yhdistetään 11,2...19,5 painoprosenttiin pehmenninseosta, joka koostuu 3,0...4,5 paino-%:sta PVA:ta, tai viskositeetiltaan alhaista, heikosti turpoavaa metyyliselluloosaliimaa, 5,5...8,5 paino-%:sta öljyjä, 2,0...4,5 paino-%:sta rasvoja, 0,5...1,5 paino-%:sta glyserii-niä ja 0,2...1,0 paino-%:sta kostuttavia aineita.

5. Patenttivaatimuksien 1 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että PVA-liiman kemiallisen perustan muodostavat polymeeriset hydroksyyliyhdisteet, ja että rasvat muodostuvat erittäin tyydyttyneistä, lyhytketjuisista rasvahapoista, ja että öljyt ovat nafteenisten, paraffiinisten ja aromaattisten hiilivetyjen seos, joka sisältää luonnollisia rasvajohdannaisia ja polaarisia lisäaineita.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1...5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintrauslämpötila pidetään vakiona 2...5 tuntia ja että kuumentamisnopeus 1200 °C ja 1900 °C välissä on vähintään 800 °C/h.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1...3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alumiinioksidijauheeseen sekoitetaan lisäaineena magnesiumoksidia määränä, joka on alueella 0,03...0,08 paino-%, mieluiten 0,05 paino-% ja sirkoniumdi-oksidia määränä, joka on alueella 0,002...0,05 paino-%, mieluiten 0,01 paino-%, jolloin nämä oksidit ovt esivaiheessa klorideina, karbonaatteina tai asetaatteina.

8. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen sintrausputken vetämiseksi, tunnettu siitä, että ekstruusiovälineenä on kiillotettu kovametalliekstruusiolaite, jonka pintakarheus Ra on alle 0,15 pm ja joka koostuu kotelosta ja vetokeernasta, joka on yhdistetty koteloon kuudella, kahden perättäin järjestetyn kolmitähden sakaroilla ja sakarat ovat kiertyneet toistensa suhteen 60° päällekkäisestä asemasta siten, että veto-keernan aksiaalisessa projektiossa muodostuu kuusiotähti. 17 7764 0