SI23763A - Postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem - Google Patents

Abstract

Izum še nanaša na postopek sintranja keramičnih izdelkov, še zlasti oblikovanih z injekcijskim litjem keramične suspenzije. Tehnični problem je, kako zagotoviti neprekinjen, časovno in energetsko učinkovit postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem, pri katerem na oblikovancih ne nastajajo mehanske napake kot so deformacije, razpoke ipd.. Bistvo izuma je zasipanje oblikovancev (3) v visokoporozni zasipni material (2, 4), kot je aktivno oglje, ogljikove saje ipd, ki med postopkom sintranja zgori.Postopek toplotne obdelave s sintranjem po izumu ne zahteva odstranjevanja oblikovancev iz zasipa, njihovega čiščenja in/ali prelaganja v peč za sintranje, hkrati pa izkorišča prednosti visokoporoznega zasipa, kot sta pospešeno odstranjevanje veziva iz oblikovancev, kar skrajša korak odstranjevanja veziva, in preprečevanje nastanka napak na oblikovancih. Nadaljnja prednost postopka toplotne obdelave po izumu je njegova energetska učinkovitost. Toplota, ki se sprošča pri gorenju veziva in visokoporoznegazasipa se izkoristi za segrevanje visokotemperaturne peči za sintranje.

Description

Postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem

Opis

Predloženi izum se nanaša na postopek sintranja keramičnih izdelkov, še zlasti na postopek sintranja oksidnih keramičnih izdelkov, oblikovanih z injekcijskim litjem keramične suspenzije.

Sintranje je postopek toplotne obdelave oblikovancev iz kovinskih ali keramičnih materialov pri visokih temperaturah, a pod tališčem teh materialov, da se trdni delci v oblikovancih medsebojno sprimejo. S pomočjo sintranja se material zgosti, zmanjša se njegova poroznost, poveča pa se njegova trdnost.

Oblikovanci se izdelajo s postopkom oblikovanja, npr. stiskanja kovinskih ali keramičnih prahov, ki se jim dodajo organski dodatki, kot je npr. vezivo, ki daje oblikovancem mehansko trdnost, da jih je moč manipulirati. Zapletene oblike oblikovancev se izdelajo s postopkom injekcijskega litja kovinskih ali keramičnih suspenzij ustrezne viskoznosti, ki se jim prav tako doda vezivo. Glede na tlak, ki se uporabi pri injekcijskem litju, ločimo dva postopka. Pri injekcijskem litju s tlakom do 0,6 MPa govorimo o nizkotlačnem injekcijskem litju, pri litju s tlakom nad 0,6 MPa pa govorimo o visokotlačnem injekcijskem litju. Pri nizkotlačnem injekcijskem litju se za tekočo fazo uporabljajo voski, kot so npr. parafinski vosek, čebelji vosek ali brazilski vosek (kamauba), medtem ko se za visokotlačno injekcijsko litje poleg voskov uporabljajo znatne količine polimernih materialov, kot so npr. polietilen, polipropilen, etilen vinil acetat in drugi. Tekoča faza se po injekcijskem litju v kalup shladi pod temperaturo tališča in se strdi, ter prevzame funkcijo veziva v keramičnih oblikovancih.

Po fazi oblikovanja izdelkov, se oblikovanci v splošnem naložijo na podložne pladnje, okoli njih pa se nasuje zasip, ki preprečuje nastanek napak na oblikovancih med sintranjem, kot so razpoke, zvijanje oblikovancev itd., in po možnosti pospeši odstranjevanje veziva. Ko je vezivo odstranjeno, se oblikovanci vzamejo iz zasipa, očistijo in preložijo na podložne pladnje za sintranje. Brez uporabe zasipa je postopek termičnega odstranjevanja veziva dolgotrajen, pri nizkotlačno injekcijsko litih oblikovancih pa je poleg dolgotrajnosti postopka pojav napak skoraj neizogiben. V splošnem je zasip možno odstraniti z izdelkov tudi po sintranju, vendar je v tem primeru odstranjevanje zasipa izjemno težavno, saj se pod vplivom visokih temperatur, pri katerih se oblikovanci sintrajo, zasip sprime z oblikovanci.

Preden se oblikovance s sintranjem v visokotemperatumi peči spremeni v goste keramične izdelke, je torej potrebno vso vezivo odstraniti iz njih. Vezivo se v splošnem odstrani s termičnim odstranjevanjem veziva, pri čemer se oblikovanci nadzorovano segrevajo, dokler vezivo ne izhlapi in zgori, če se odstranjevanje veziva izvaja na zraku. Odstranjevanje veziva je časovno zamuden in energetsko potraten postopek, pri katerem obstaja nevarnost nastanka napak v oblikovancih, ki se jih v nadaljevanju postopka izdelave keramičnih izdelkov ne da odpraviti. Pri nizkotlačnem načinu oblikovanja keramičnih izdelkov je odstranjevanje veziva še posebej problematično zaradi tega, ker je vezivo sestavljeno izključno iz voska, ki se hitro stali, ko je dosežena temperatura njegovega tališča in ima v staljenem stanju majhno viskoznost. Ko se pri termičnem odstranjevanju veziva vosek stali, postanejo oblikovanci zelo mehki in so izpostavljeni nastanku napak, kot so deformacije, razpoke in lepljenje na podlago. Pri visokotlačnem injekcijskem litju so težave pri odstranjevanju veziva manjše, saj vezivo vsebuje polimerne materiale, ki imajo višje tališče kot vosek in tako zadržujejo obliko oblikovancev tudi potem, ko se vosek že stali.

Iz stanja tehnike je znana rešitev, ki omogoča hitro odstranjevanje veziva iz izdelkov oblikovanih z nizkotlačnim in visokotlačnim injekcijskim litjem. Opisana je v patentu US 5,028,367. Bistvo postopka sintranja, opisanega v omenjenem patentu, je predhodno delno odstranjevanje veziva v ločenem postopku s termično obdelavo oblikovancev v visokoporoznem zasipu. Zasip, ki je narejen iz temperaturno obstojnega keramičnega materiala kot je npr. aluminijev oksid, ima dve pomembni nalogi:

a) oblikovancem daje fizično oporo in tako preprečuje deformacije oblikovancev

b) z učinkom kapilarnega vleka staljenega veziva iz oblikovancev močno pospeši postopek odstranjevanja veziva.

Pri oblikovancih, litih z visokotlačnim litjem, uporaba visokoporoznega zasipa ni nujna, saj vezivo v tem primeru vsebuje polimerne materiale, ki zagotavljajo obliko obliko vancem tudi, ko se obliko vanci segrejejo nad temperaturo tališča voska, je pa omenjena rešitev uporabna tudi za visokotlačni način litja, saj se postopek odstranjevanja veziva skrajša, hkrati pa se zmanjšana možnost nastanka napak.

Pomanjkljivost znanega stanja tehnike je težaven postopek odstranitve obdelovancev iz zasipa po končanem procesu termičnega odstranjevanja veziva, čiščenje oblikovancev in nalaganje oblikovancev v peč za sintranje. Ker so obliko vanci po odstranjevanju v zasipu precej krhki, prihaja pri manipulaciji takšnih oblikovancev do poškodb. Odstranjevanje oblikovancev iz zasipa in njihovo čiščenje poteka ročno, saj gaje zelo težko avtomatizirati.

Za visokotlačno injekcijsko lite oblikovance je znan tudi postopek odstranjevanja veziva in sintranja v enem ciklu v eni peči, pri katerem se vezivo odstranjuje pod nadzorovanimi pogoji. Taka rešitev je znana iz patentne prijave EP 1 496 325. Pri postopku, opisanem v omenjeni patentni prijavi, se ne uporablja visokoporozenega zasipa tako, da pri tem izumu dobrodejni učinki zasipa niso izkoriščeni. Brez uporabe zasipa je odstranjevanje veziva počasno, v primeru nizkotlačnega injekcijskega litja pa možnost nastanka napak zelo velika.

Prijavitelju ni znan postopek, ki omogoča odstranjevanje veziva s prednostmi, ki jih daje visokoporozni zasip, in ki hkrati ne zahteva težavnega odstranjevanja oblikovancev iz zasipa in njihovega čiščenja.

Tehnični problem je, kako zagotoviti neprekinjen, časovno in energetsko učinkovit postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem, pri katerem ne nastajajo mehanske napake na oblikovancih (deformacije, razpoke ipd.).

Postopek toplotne obdelave obliko vancev s sintranjem po izumu obsega naslednje korake:

- nasipanje prvega sloja visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala na podložne pladnje za sintranje,

- nalaganje surovih oblikovancev na prvi sloj visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala,

- nasipanje drugega sloja visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala preko omenjenih oblikovancev,

- nalaganje podložnih pladnjev za sintranje, naloženih z oblikovanci v zasipu v peč,

- odstranjevanje veziva iz oblikovancev v krmiljenih temperaturnih pogojih,

- sintranje oblikovancev v krmiljenih temperaturnih pogojih, pri čemer visokoporozni gorljiv zasipni material zgori.

Kot visokoporozni gorljiv zasipni material se uporabi visokoporozni ogljik z veliko specifično površino, kot je aktivno oglje, ogljikove saje ipd. Specifična površina visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala je večja od 25 m²/g, prednostno večja od 100 m /g. Zasip iz visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala, daje fizično oporo oblikovancem, s čimer se prepreči pokanje in deformiranje le teh, hkrati pa s kapilarnim vlekom pospešuje odstranjevanje staljenega veziva iz oblikovancev. Vsebnost negorljive trdne snovi v visokoporoznem gorljivem zasipnem materialu oziroma pepela po popolnem zgorevanju je manjša od 10 mas.%, prednostno manjša od 1 mas.%, še bolj prednostno manjša od 0,2 mas.%.

» ·

Postopek toplotne obdelave s sintranjem po predstavljenem izumu omogoča izdelavo sintranih keramičnih izdelkov, ki ne zahteva odstranjevanja oblikovancev iz zasipa, njihovega čiščenja in prelaganja v peč za sintranje, hkrati pa izkorišča prednosti visokoporoznega zasipa, kot sta pospešeno odstranjevanje veziva iz oblikovancev, kar skrajša korak odstranjevanja veziva, in preprečevanje nastanka napak na oblikovancih (deformacij oblikovancev in razpok v njih). Nadaljnja prednost postopka toplotne obdelave po izumu je njegova energetska učinkovitost. Toplota, ki se sprošča pri gorenju veziva in visokoporoznega zasipa se izkoristi za segrevanje visokotemperatume peči za sintranje. V primerjavi s postopki, pri katerih se zasip pred začetkom procesa sintranja odstrani z oblikovancev, in je oblikovance potrebno ohlajati, po odstranjevanju veziva pa ponovno segrevati, je postopek po izumu še zlasti energijsko učinkovit, saj odstranjevanje veziva iz oblikovancev in sintranje potekata zvezno, brez vmesne prekinitve, torej tudi v isti peči. Postopek po izumu je primeren za sintranje tako nizkotlačno kot visokotlačno injekcijsko litih oblikovancev, a so prednosti postopka po izumu večje pri nizkotlačnem načinu.

Slika 1 prikazuje podložne pladnje z oblikovanci v zasipu iz visokoporoznega materiala.

Slika 2 diagram temperature v peči za sintranje v odvisnosti od časa.

V nadaljevanju je postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem po izumu podrobneje opisan.

Postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem po izumu obsega naslednje korake:

- nasipanje prvega sloja 2 visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala na podložne pladnje 1 za sintranje,

- nalaganje surovih oblikovancev 3 na prvi sloj 2 visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala, • ·

- nasipanje drugega sloja 4 visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala preko omenjenih oblikovancev 3,

- nalaganje podložnih pladnjev 1 za sintranje, naloženih z oblikovanci v zasipu v peč,

- odstranjevanje veziva iz obliko vancev v krmiljenih temperaturnih pogojih,

- sintranje obliko vancev v krmiljenih temperaturnih pogojih, pri čemer visokoporozni gorljiv zasipni material zgori.

Odstranjevanje veziva iz oblikovancev poteka v krmiljenih temperaturnih pogojih, pri čemer je hitrost segrevanja v temperaturnem intervalu od sobne temperature T_o do temperature T_b pri kateri eksotermna oksidacija voska, tj. gorenje voska, od 5 do 120 K/h, prednostno od 20 do 60 K/h. Temperatura Ti leži v območju od 170°C do 200°C, prednostno od 180°C do 190°C. Priporočljivo je, da se temperatura Tj drži konstantna za časovni interval t₂-fl od 1 h do 5 h.

V temperaturnem intervalu od Ti do T₃ je hitrost segrevanja od 50 do 500 K/h, prednostno pa od 100 do 200 K/h. Temperatura T₃ znaša okrog 1000°C.

V temperaturnem intervalu od 600°C do 800°C poteka eksotermna oksidacija visokoporoznega zasipa, tj. gorenje visokoporoznega zasipa. Temperaturni režim nad temperaturo T₃ je prirejen za sintranje konkretne keramike iz katerih so izdelani keramični izdelki. Atmosfera v peči mora biti za postopek po izumu oksidirajoča zaradi tega, da lahko zgorijo vsi organski ostanki veziva in zasip iz visokoporoznega ogljika. Postopek po izumu omogoča izdelavo sintranih keramičnih izdelkov, brez mehanskih napak, iz injekcijsko litih oblikovancev v manj kot 30 urah.

Sledi opis izvedbenega primera sintranja nizkotlačno injekcijsko litih oblikovancev iz aluminijevega oksida. Keramično suspenzijo za nizkotlačno injekcijsko litje se pripravi iz prahu aluminijevega oksida s srednjo velikostjo delcev 0,7 pm, pri čemer je delež aluminijevega oksida v suspenziji 84 mas.%. Kot vezivno sredstvo se uporabi parafinski vosek s tališčem 60°C, pri čemer je delež vezivnega sredstva v suspenziji 15,4 mas.%. Za izboljšanje reoloških lastnosti se doda 0,6 mas.% stearinske kisline. Suspenzijo se 5 h homogenizira v krogelnem mlinu pri temperaturi 80°C. Oblikovance 3 se oblikuje z injekcijskim litjem suspenzije pri temperaturi 65°C in tlaku 0,5 MPa v kovinskih kalupih. Vzorci standardne oblike za testiranje upogibne trdnosti so kvadri z dimenzijami 45 mm x 4 mm x 3 mm v sintranem stanju. Na podložne pladnje 1 se nasuje 1 mm debel prvi sloj 2 visokoporoznega zasipa, na ta sloj pa se naložijo oblikovanci 3. Nanje se nasuje drug sloj 4 zasipa iz visokoporoznega ogljika, tako da je skupna masa uporabljenega zasipa okrog 25% skupne mase oblikovancev. Zasip iz visokoporoznega ogljika je v obliki granul s premerom od 20 do 600 pm, ima specifično površino 130 m²/g, nasipno gostoto 400 kg/m³ in vsebnost pepela 0,1 %. Podložne pladnje z oblikovanci v zasipu se naloži v peč za sintranje in se iz oblikovancev najprej odstrani vezivo po naslednjem temperaturnem režimu: segrevanje 24 K/h do 180°C, 2 uri zadrževanja pri temperaturi 180°C, nato pa sledi sintranje po naslednjem temperaturnem režimu: segrevanje 150 K/h do 1600°C, 3h zadrževanja pri temperaturi 1600°C, ohlajanje 300 K/h do sobne temperature.

Claims (7)

1. Postopek toplotne obdelave oblikovancev s sintranjem, ki obsega naslednje korake:

a) nasipanje prvega sloja (2) zasipnega materiala na podložne pladnje (1) za sintranje,

b) nalaganje surovih oblikovancev (3) na prvi sloj (2) zasipnega materiala,

c) nasipanje drugega sloja (4) zasipnega materiala preko omenjenih oblikovancev (3),

d) nalaganje podložnih pladnjev (1) za sintranje, naloženih z oblikovanci v zasipu v peč,

e) odstranjevanje veziva iz oblikovancev,

f) sintranje oblikovancev v krmiljenih temperaturnih pogojih, značilen po tem, da se kot zasipni material (2, 4) uporabi visokoporozni gorljiv zasipni material in po tem, da v koraku f) poteka gorenje visokoporoznega gorljivega zasipnega materiala.

2. Postopek toplotne obdelave po zahtevku 1, značilen po tem, da se kot visokoporozni gorljiv zasipni material uporabi ogljik, še zlasti aktivno oglje ali ogljikove saje.

3. Postopek toplotne obdelave po zahtevku 1 ali 2, značilen po tem, da ima visokoporozni gorljiv zasipni material specifično površino večjo od 25 m²/g, prednostno večjo od 100 m²/g.

4. Postopek toplotne obdelave po katerem koli od predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da ima visokoporozni gorljiv zasipni material vsebnost negorljive trdne snovi manjšo od 10 mas.%, prednostno manjšo od 1 mas.%, še bolj prednostno manjšo od 0,2 mas.%.

5. Postopek toplotne obdelave po katerem koli od predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da korak e) poteka v krmiljenih temperaturnih pogojih, pri čemer je hitrost segrevanja v temperaturnem intervalu od sobne temperature T_o do temperature T_b od » · · *

5 do 120 K/h, prednostno od 20 do 60 K/h, pri čemer temperatura T! leži v območju temperatur od 170°C do 200°C, prednostno od 180°C do 190°C.

6. Postopek toplotne obdelave po predhodnem zahtevku, značilen po tem, da se v koraku e) temperatura Tj drži temperatura konstantna za čas od 1 h do 5 h.

7. Postopek toplotne obdelave po zahtevku 5 ali 6, značilen po tem, da korak f) poteka v krmiljenih temperaturnih pogojih, pri čemer je hitrost segrevanja v temperaturnem intervalu od T! do T₃ od 50 do 500 K/h, prednostno od 100 do 200 K/h, pri čemer je temperatura T₃ okrog 1000°C.