DE3942666C2

DE3942666C2 -

Info

Publication number: DE3942666C2
Application number: DE19893942666
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kato; Satoshi Nagoya Aichi Jp Takemoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1992-05-07
Also published as: DE3942666A1; JPH02172852A; JPH064502B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände, bei dem gekneteter Werkstoff spritzgegossen wird.

Schlickerguß- und Spritzgußverfahren sind bekannt zur Bildung keramischer Konstruktionsgegenstände mit komplizierter Gestalt wie ein Tubinenrad.

Im Schlickergußverfahren wird der Schlicker des keramischen Pulvers in eine Form aus Gips gegossen, um einen geformten Gegenstand zu erhalten. Die Gipsform kann für Gußgegenstände mit komplizierter Gestalt verwendet werden, hat jedoch die Nachteile, daß eine hohe Genauigkeit der Form und des geformten Gegenstandes nicht erhalten werden kann und eine lange Gußzeit erforderlich ist, da viel Wasser als Weichmacher verwendet wird.

Im Spritzgußverfahren wird dem keramischen Pulver ein organisches Bindemittel als Weichmacher zugesetzt. Ein derartiges organisches Bindemittel besteht aus einem oder mehreren thermoplastischen Polymeren. Die Mischung aus dem keramischen Pulver und dem organischen Bindemittel wird bei hohen Temperaturen geknetet und in eine Metallform gespritzt, um einen geformten Gegenstand durch Kühlen und Abbinden zu erhalten. Das Spritzgußverfahren kann Gegenstände mit komplizierter Gestalt formen und ist für eine Massenproduktion geeignet, hat jedoch den Nachteil, daß normalerweise eine lange Aufheizzeit von mehr als 100 Stunden erforderlich ist, um das organische Bindemittel in einem Bindemittel-Entfernungsschritt zu beseitigen, ohne daß Rißbildung und Verformung des Formkörpers auftreten. Ferner ist die Anwendung des Spritzgießens auf Gegenstände mit dünnem Körper beschränkt. Zudem treten dennoch teilweise bei den Trocknungsschritten, der Entfernung des Bindemittels und beim Sintern der Formkörper Risse und andere Defekte auf. Dementsprechend war es erwünscht, die aufgrund der Defektbildung geringe Ausbeute beim Spritzgießen zu verbessern.

Die Japanische Offenlegungsschrift 63-2 06 363 betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände aus speziellem Pulver mit dem Spritzgußverfahren. Noch vor dem Spritzgießen wird ein isostatisches Pressen mit dem Zweck durchgeführt, keramisches Pulver zu agglomerieren. Die agglomerierten Partikel sollen eine gleichmäßigere Größenverteilung aufweisen, sodaß auf diese Weise eine geringere Defektbildung erreicht werden soll.

Die US-Patentschrift 47 08 838 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände mit einer großen Querschnittsfläche durch das Spritzgußverfahren, das die Schritte: Vorbereiten und Mischen des Siliciumnitrid-Pulvers mit Bindemittel und Sinterhilfsmittel, Spritzgießen, Entfernen des Bindemittels, gegebenenfalls Vorsintern, isostatisches Pressen und Sintern umfaßt, wobei die angegebene Reihenfolge eingehalten wird. Das heißisostatische Pressen soll dabei die Sinterreaktion fördern. Wie oben bereits erwähnt, sind hier zum Entfernen des organischen Bindemittels lange Aufheizzeiten mit kompliziert zu kontrollierenden Aufheizschritten erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spritzgußverfahren für keramische Gegenstände zur Verfügung zu stellen, welches Riß- und andere Defektbildungen vermeidet, sodaß die Ausbeute eines gesinterten Keramik-Formkörpers erhöht wird, bzw. welches die Bearbeitungsdauer des Formkörpers im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände herabsetzt.

Die Aufgabe wird durch ein Spritzguß-Sinterverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß dem keramischen Werkstoff vor dem Spritzgießen Wasser in einer Menge von 10 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen keramischen Pulvers zugesetzt wird, und daß ein isostatisches Pressen vor dem Entfernen eines organischen Bindemittels aus dem Formkörper durchgeführt wird.

Es wurden umfassende Untersuchungen an dem bekannten Verfahren des Spritzgießens durchgeführt und es wurde gefunden, daß, neben organischem Bindemittel, Wasser, das einem Werkstoff vor dem Spritzgießen in einer Menge von 10 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen keramischen Pulvers zugesetzt wird, als hervorragender Weichmacher geeignet ist. Wasser wurde zuvor bei herkömmlichen Spritzgußverfahren als Weichmacher verwendet.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der geknetete Werkstoff hergestellt durch Zugabe von Wasser, in einer Menge von 10 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen keramischen Pulvers, und organischen Bindemitteln als Weichmacher zu dem keramischen Pulver anorganischer Feststoffe, die mit Sinterhilfsmitteln vermischt wurden. Der so hergestellte, geknetete Werkstoff wird spritzgegossen, wodurch ein Formkörper mit hoher Genauigkeit und bei hoher Formablöseausbeute hergestellt wird.

Gemäß herkömmlichen Verfahren zur Herstellung des keramischen Gegenstandes, wird der Formkörper isostatisch unter hydrostatischem Druck mittels einer Gummipresse o.ä. gepreßt, nachdem das organische Bindemittel entfernt worden ist, und wird anschließend gesintert. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß der Formkörper vor der Entfernung des organischen Bindemittels isostatisch unter hydrostatischem Druck gepreßt. Die Erfindung verbessert so die Ausbeute der keramischen Gegenstände bei den Schritten der Entfernung des Bindemittels und dem Sintern der Formkörper durch isostatisches Pressen der Formkörper unter hydrostatischem Druck vor Entfernung des organischen Bindemittels.

Das keramische Pulver, das in der Erfindung verwendet wird, kann keramisches Rohmaterial sein oder ein Werkstoff wie Siliciumcarbid oder andere Carbide, Siliciumnitrid, Sialon, Bornitrid oder andere Nitride oder deren Nichtoxide sowie Zirkoniumdioxid oder andere Oxide.

Eine oder mehrere Arten des keramischen Rohmaterials können entsprechend dem Anwendungszweck der keramischen Gegenstände verwendet werden. Wenn ein keramischer Konstruktionsbestandteil mit hoher mechanischer Festigkeit und Hitzebeständigkeit hergestellt wird, ist die Verwendung von Siliciumnitrid als keramisches Hauptrohmaterial vorzuziehen.

Vorzugsweise erfüllt das erfindungsgemäß verwendete keramische Pulver die Bedingungen, (1) daß die Mischungseigenschaften mit Wasser und organischen Bindemitteln hervorragend sind, so daß ein homogen gekneteter Werkstoff mit guten Form- und Bestän digkeitseigenschaften mittels Vakuumkneten zur Verfügung ge stellt wird; (2) daß der Gleitwiderstand zwischen den Teilchen des keramischen Pulvers klein ist und die Fließeigenschaften gut sind, wodurch ein Auftreten von Fehlern, wie Fließmuster in den Formkörpern vermieden wird; (3) daß keine Fehler in den Formkörpern während des Trocknens und Entfernens der Bin demittel auftreten, die die Festigkeit des Sinterkörpers ver mindern. Das keramische Pulver, das die vorstehenden Be dingungen erfüllt, hat vorzugsweise eine Teilchengröße inner halb eines Bereichs, der durch die folgende Formel bestimmt wird:

Die Teilchengrößenverteilung, aus der der durchschnittliche Teilchendurchmesser in obiger Formel (1) ermittelt wird, wird eine Teilchengrößenverteilung zugrundegelegt, kann durch eine Einrichtung zur Messung der Teilchengrößenverteilung, wie z. B. dem Microtrack Model 7995-30 (hergestellt von Lease & North Trap Co.), bestimmt werden. Der in obiger Formel (1) durch das Absorptionsverfahren ermittelte spezifische Oberflächenteilchendurchmesser wird durch die folgende Formel (2) mit einer spezifischen Oberfläche bestimmt, die z.B. mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der spezifischen Oberfläche wie dem Flowsoap Model 2300 (hergestellt von Shimazu Seisakusho Co) gemäß der BET-Adsorptionsmethode ermittelt wird. Die Dichte in der Formel (2) hängt von der Art des verwendeten keramischen Pulvers ab. Z.B. ist die Dichte von Siliciumnitrid (Si₃N₄) 3,18.

Spezifischer Oberflächenteilchendurchmesser, ermittelt durch das Adsorptionsverfahren
= 6 : [(Dichte) (spezifische Oberfläche)] (2)

Der geknetete Werkstoff des keramischen Pulvers, der die Bedingung der Formel (1) erfüllt, hat hervorragende Formungseigenschaften, so daß weder Fehler in den Formkörpern noch in den gesinterten Körpern auftreten. Wenn das Verhältnis der Formel (1) 5 überschreitet, verschlechtern sich die Fließeigenschaften des gekneteten Werkstoffs und es verbleiben Fließmuster oder es treten Poren und Risse in den Formkörpern auf.

Die Sinterhilfsmittel, die erfindungsgemäß angewendet werden, können verschiedene Oxide wie Magnesiumoxid, Berylliumoxid, Cerdioxid, Strontiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid oder andere Oxide; Berylliumtitanat, Zirkoniumtitanat oder andere zusammengesetzte Oxide; und Mullit, Aluminium- Zirkoniumtitanat oder andere aus vielen Oxiden zusammenge setzte Oxide sein.

Die Sinterhilfsmittel werden vorzugsweise in Form von Teilchen verwendet, die denjenigen des keramischen Pulvers ähnlich sind. Wasser o.ä. wird dem keramischen Pulver als Weichmacher in einer Menge von 10 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen des keramischen Pulvers in dem gekneteten Pulver zugegeben, das geformt wird. Wenn die zugegebene Menge von Wasser weniger als 10 Masseteile beträgt, werden die Kneteigenschaften ver schlechtert, so daß es unmöglich ist, einen homogen gekneteten Werkstoff bereitzustellen. Wenn dagegen die zugegebene Menge des Wasser mehr als 50 Masseteile beträgt, nimmt der geknetete Werkstoff einen breiigen Zustand an, so daß der geknetete Werkstoff vor dem Formen entwässert werden muß.

Das erfindungsgemäß verwendete organische Bindemittel ist wasserlöslich oder ist eine wasserabsorbierende organische Verbindung wie Methylcellulose, Hydroxypropylmethyl-Cellulose oder andere wasserlösliche Cellulose-Ether-Derivate; Poly vinylalkohol, Polyethylenglykol oder andere wasserlösliche Polymere oder ihre wasserabsorbierenden hochpolymeren Deri vate. Vorzugsweise wird ein organisches Bindemittel wie Me thylcellulose, Hydroxypropylmethyl-Cellulose oder Alkenoxid- Cellulosederivate, die mindestens thermogelierende und abbin dende Eigenschaften besitzen ("Thermogelierung und Abbinden" ist ein in einem Text der "Extrusionsformen neuer Keramiken mit Methylcellulose" beschriebenes Phänomen, der auf dem "Meeting of technical lecture for binding new ceramics", ge halten im Februar 1984, verteilt wurde). Die vorstehenden organischen Bindemittel verbessern die Wasserretentions-Eigen schaften des gemäß der Erfindung verwendeten, gekneteten Werkstoffs und bewirkt, daß die Formbarkeit des gekneteten Werkstoffs beibehalten wird. Insbesondere wird das organische Bindemittel mit thermogelierenden und abbindenden Eigenschaf ten während des Spritzgießens eingesetzt, um die Formbestän digkeitseigenschaften und die Ablösbarkeit aus der Form zu verbessern.

Die Menge des organischen Bindemittels, die in dem gekneteten Werkstoff enthalten sein sollte, ist vorzugsweise 0,1 bis 15 Masseteile zu 100 Masseteilen des keramischen Pulvers. Wenn die Menge des organischen Bindemittels weniger als 0,1 Masse teil beträgt, ist die mechanische Festigkeit des Formkörpers gering, wodurch die Formbeständigkeitseigenschaften ver schlechtert werden. Wenn dagegen die Menge des organischen Bindemittels mehr als 15 Masseteile beträgt, wird die erfor derliche Zeit zur Entfernung des Bindemittels lang und Risse treten in den Formkörpern auf. Der geknetete Werkstoff wird durch Mischen und Kneten eines keramischen Pulvers, Sinter hilfsmitteln, Wasser und des vorstehend erwähnten organischen Bindemittels im Vakuum hergestellt. Die Mischung der vorsteh enden Bestandteile kann durch Mischung aller Bestandteile zusammen hergestellt werden, um den gekneteten Werkstoff her zustellen. Es ist jedoch vorzuziehen, das keramische Pulver und die Sinterhilfsmittel vorher zu mischen. In diesem Fall kann das keramische Pulver mit den Sinterhilfsmitteln nach dem Mahlen zu der vorstehend erwähnten Teilchengröße vermischt werden. Jedoch ist es vorzuziehen, daß die Mischung des kera mischen Pulvers mit den Sinterhilfsmitteln zusammen gemahlen wird, um die Teilchengröße bereitzustellen. Das Mahlen und Mischen des keramischen Pulvers mit den Sinterhilfsmitteln kann mittels Kugeln wie Siliciumnitrid o.ä. mit Zusatz von Wasser in einer Reibevorrichtung o.ä. durchgeführt werden.

Die gemahlene Mischung des keramischen Pulvers mit den Sinter hilfsmitteln wird anschließend getrocknet. Die gemahlene Mischung kann zur Entfernung von Eisenverunreinigungen, wenn nötig, vor dem Trocknen behandelt werden. Die Behandlung zur Entfernung der Eisenverunreinigungen kann mittels eines Eisen filters vom Naßtyp durchgeführt werden. Es ist vorzuziehen, die gemahlene Mischung mittels eines Sprühtrockners zu trocknen. Wenn die Mischung in dem Sprühtrockner getrocknet wird, wird sie gleichzeitig granuliert. Die getrocknete Mischung kann, wenn nötig, mittels eines Schüttelsiebs filtriert werden.

Nach dem Trocknen wird die gemahlene Mischung mit Wasser und dem organischen Bindemittel versetzt und geknetet. Die geknetete Mischung wird in einem Vakuumkneter entschäumt, um z.B. einen zylinderförmigen, gekneteten Werkstoff zur Verfügung zu stellen. Als Kneter (oder Extruder) zum Kneten des Werkstoffs kann eine Lehmknetmaschine, eine Vakuum- Lehmknetmaschine, eine Strangpresse, ein Preßkolbenextruder oder eine Kombination aus diesen verwendet werden. Der Vakuumkneter wird gewöhnlich verwendet, um einen homogen gekneteten Werkstoff herzustellen. Wenn jedoch die Homogenität des durch den Vakuumkneter gekneteten Werkstoffs nicht ausreicht, kann der geknetete Werkstoff isostatisch unter hydrostatischem Druck mittels einer Gummipresse gepreßt werden, um Blasen zu beseitigen, wodurch die Homogenität des Werkstoffs erhöht wird. Der auf diese Weise geknetete Werkstoff wird daraufhin spritzgegossen, entweder direkt anschließend oder nach einem Alterungsvorgang unter kühlen und dunklen Bedingungen.

Gemäß der Erfindung wird unter Spritzgießen (z.B. mittels einer vertikalen oder horizontalen Kolbenspritzmaschine oder einer Reihen-Schneckenspritzmaschine) verstanden, daß ein gekneteter Werkstoff durch eine Spritzgußdüse in einen Spritzgußeinführungsbereich einer geschlossenen Form gespritzt wird, die eine Spritzspule, gegebenenfalls einen Verteiler und einen Ausguß umfaßt. Die Spritzdüse kann auf konventionelle Weise konstruiert sein. Die Konstruktion des Spritzeinführungsbereiches der Spritzform ist nicht festgelegt, ist aber vorzugsweise so anzufertigen, daß die Spritzspule und der Verteiler mit dem Spritzausguß einen spitzen Winkel bilden. Bevorzugt beträgt der Winkel 5 bis 10°.

Die Bedingungen des Spritzgießens können entsprechend der Art des gekneteten Werkstoffes, des Extruders und der Form ausgewählt werden. Gemäß der Erfindung kann der geknetete Werkstoff gewöhnlich unter einem Druck von 4,9 bis 98,1 MPa (50 bis 1000 kg/cm²) mit einer Druckbelastungszeit von 1 bis 200 s und einer Spritzgußgeschwindigkeit von 50 bis 1000 cm³/s (cc/s) gespritzt werden. Ferner beträgt die Temperatur des gekneteten Werkstoffs gewöhnlich 5 bis 20°C.

Der geknetete Werkstoff wird in die Form gespritzt, um einen Formkörper zu gestalten. Wenn ein gekneteter Werkstoff ein organisches Bindemittel aufweist, das thermogelierende und abbindende Eigenschaften besitzt, wird der Formkörper unter Wirkung des organischen Bindemittels gebildet. Durch Vorheizen der metallischen Form auf ungefähr die Temperatur, bei der das organische Bindemittel thermogeliert und abbindet, wird der Formkörper mit Formbeständigkeitseigenschaften dauerhaft ausgestattet. Als Ergebnis kann der Formkörper nach kurzer Zeit aus der Form entfernt werden. Durch Thermogelieren und Abbinden ist der Formkörper auch dauerhaft mit einer Festigkeit ausgestattet, so daß gute Dimensionsgenauigkeit erzielt wird und leicht zu handhaben ist. Zudem ist die Ausbeute zu diesem Verfahrenszeitpunkt hoch. Die erforderlichen Bedingungen für die Form, z. B. einer Metallform, können entsprechend der Art und Menge des zugeführten organischen Bindemittels, der Spritzgußtemperatur und des Wassergehaltes im gekneteten Werkstoff und der Gestalt und Größe des herzustellenden Gegenstandes ausgewählt werden. Gewöhnlich kann die Temperatur der Metallform auf -10 bis +25°C der thermogelierenden und abbindenden Temperatur des organischen Bindemittels eingestellt werden. Wenn z.B. Methylcellulose als organisches Bindemittel verwendet wird, kann die Metallform vorher auf 45 bis 75°C aufgeheizt werden, um den Formkörper abzubinden.

Die Form wird vorzugsweise auf ihrer inneren Oberfläche mit einem wasserabstoßenden Mittel behandelt. Die Behandlung mit einem wasserabstoßenden Mittel wird vorzugsweise so durchgeführt, daß der Kontaktwinkel mit Wasser mehr als 80° beträgt. Die Behandlung mit dem wasserabstoßenden Mittel auf der inneren Oberfläche der Metallform kann durch Silikon- oder Teflonbeschichtung erfolgen. Die Verwendung einer mit einem wasserabstoßenden Mittel behandelten Metallform resultiert in hoher Dimensiongenauigkeit und feiner Oberfläche des Formkörpers und hohen Formablöseausbeuten.

Nach dem Spritzgießen werden die Formkörper getrocknet und gebrannt, um Wasser und organisches Bindemittel teilweise zu entfernen. Das Trocknen der Formkörper kann durch Feuchtigkeitskonditionierung, dielektrisches Trocknen, elektrisches Trocknen, wärmeleitendes Trocknen o.ä. durchgeführt werden. Gewöhnlich werden die Formkörper durch Feuchtigkeitskonditionierung mittels eines Thermohygrostaten getrocknet. Die Trocknungstemperatur liegt gewöhnlich bei 40 bis 100°C in Abhängigkeit von der Größe des Formkörpers. Die Formkörper werden bis auf einen relativen Feuchtigkeitsgehalt von 10% getrocknet.

Die getrockneten Spritzgußformkörper werden unter hydrostatischem Druck isostatisch gepreßt. Das isostatische Pressen wird in der Weise angewendet, daß der Formkörper in einem flexiblen Behälter aus Gummi o.ä. eingeschlossen und durch eine hydraulische Flüssigkeit isostatisch gepreßt wird, um den Druck gleichmäßig auf den Formkörper einwirken zu lassen. Der Druckpegel, der durch das isostatische Pressen aufgebracht wird, ist vorzugsweise 98,1 bis 981 MPa (1 bis 10 t/cm²), insbesondere 245,25 bis 784,8 MPa (2,5 bis 8 t/cm²). Das in dem Formkörper enthaltene Wasser wird durch Trocknen entfernt, so daß der Formkörper porös wird; daraus resultiert ein Schrumpfen des Formkörpers von ca. 7% nach dem isostatischen Pressen.

Beim Stand der Technik bestehen die herkömmlichen Schritte des Spritzgießens darin, daß das Bindemittel aus dem Formkörper vor dem isostatischen Pressen entfernt wird, wodurch Risse in dem Formkörper auftreten, die zu niedrigen Ausbeuten führen. Wenn der unter Verwendung von Wasser und organischem Bindemittel geknetete Werkstoff spritzgegossen wird und das Bindemittel aus dem Formkörper vor dem isostatischen Pressen entfernt wird, wird die Ausbeute zwar höher als diejenige beim bekannten Spritzgießen, jedoch ist die Ausbeute immer noch ungenügend. Im Gegensatz dazu treten keine Risse im Formkörper auf und die Festigkeit des Formkörpers ist dreimal so hoch wie diejenige des Formkörpers, bei dem das Bindemittel vor dem isostatischen Pressen entfernt wurde, wenn das Bindemittel aus dem Formkörper erfindungsgemäß nach dem isostatischen Pressen entfernt wird. Der erfindungsgemäße Formkörper hat nach dem Sintern keinen Riß, wodurch eine hohe Ausbeute erzielt wird.

Nach dem isostatischen Pressen wird das Bindemittel aus dem Formkörper entfernt durch Erhitzen auf gewöhnlich ca. 500°C für eine Dauer von 5 bis 10 Stunden, je nach Art des Formkörpers. Der Formkörper kann, wenn nötig, wieder unter hydrostatischem Druck nach Entfernung des organischen Bindemittels isostatisch gepreßt werden.

Nach Entfernung des organischen Bindemittels werden die Formkörper gesintert, um einen geformten, gesinterten Körper zu erhalten.

Die Sinterbedingung richtet sich geeigneterweise nach der Art des keramischen Werkstoffs und nach dem Zweck der Verwendung des geformten Gegenstandes. Beispielsweise wird ein Silici umnitridkörper vorzugsweise bei einer Temperatur von 1600 bis 1800°C unter Normaldruck oder bei einer Temperatur von 1700 bis 2000°C unter Hochdruck in Stickstoffatmosphäre gesintert. Ein Siliciumcarbidkörper wird vorzugsweise bei einer Tempe ratur von 1900 bis 2200°C unter Normaldruck in Argonatmos phäre gesintert. Ein partiell stabilisierter Zirkoniumdioxid körper wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1300 bis 1500°C unter Normaldruck an Luft gesintert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung des keramischen Sinterkörpers zeigt;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines geformten Turbinenradkör pers; und

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Spritzguß vorrichtung.

Beispiel Herstellung eines gekneteten Werkstoffs

100 Masseteile Siliciumnitrid, 2 Masseteile Strontiumoxid, 3 Masseteile Magnesiumoxid und 3 Masseteile Ceroxid werden ge mahlen und in nassem Zustand vermischt. Die gemahlene Mischung hat nach dem Mahlen einen durchschnittlichen Teilchendurchmes ser von 0,6 µm und eine spezifische Oberfläche von 6,3 m²/g. Auf diese Weise wird der Wert der Formel (1) 2,0 bei einer Dichte des Siliciumnitrids von 3,18. Nach dem Mahlen wird die gemahlene Mischung mit einem Eisenfilter vom Naßtyp "mini shifter" behandelt, um Eisenverunreinigung aus der Mischung zu entfernen. Anschließend wird die Mischung mit einem Sprühtrockner getrocknet.

100 Masseteile der so getrockneten Mischung, 7 Masseteile Methylcellulose, 1 Masseteil eines oberflächenaktiven Mittels und 30 Masseteile Wasser werden in einem offenen Kneter unter Kühlung geknetet. Anschließend wird der geknetete Werkstoff dreimal im Vakuum mit mindestens 9,33 kPa (70 mmHg) mittels eines Vakuumkneters extrudiert, um einen zylindrischen gekneteten Werkstoff mit einem Durchmesser von 52 mm und einer Länge von 500 mm herzustellen. Der zylindrische geknetete Werkstoff wurde unter einem Druck von 245,25 MPa (2,5 t/cm²) durch eine Gummipresse gepreßt, um einen homogen gekneteten Werkstoff herzustellen.

Spritzgießen

Der geknetete Werkstoff wird über Nacht im Kühlschrank altern gelassen und dann spritzgegossen.

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte der Herstellung eines gesinterten Turbinenradkörpers mit einem Durchmesser von 130 mm, wie in Fig. 2 wiedergegeben, zeigt. Der geknetete Werkstoff wurde, wie in Fig. 3 veranschaulicht, spritzgegossen. Eine Metallform wurde verwendet, deren innere Oberfläche auf dem oberen und unteren Bereich mit Teflon beschichtet wurde und einen Kontaktwinkel für Wasser von 105°C aufweist. Die Temperatur des gekneteten Werkstoffes betrug 12°C. Die Metallform wurde auf 60°C vorgeheizt. Der geknetete Werkstoff wurde unter einem Druck von 29,43 MPa (300 kg/cm²), einer Druckbelastungszeit von 10 s und einer Spritzgußgeschwindigkeit von 300 cm³/s spritzgegossen und dann 3 Minuten lang thermogelieren und abbinden gelassen.

Nach dem Spritzgießen wurde der Formkörper aus der Form gelöst. Anschließend wurde der Formkörper 2 Stunden lang bei 60°C in einem Thermohygrostaten belassen und dann auf 100°C mit einer Rate von 10°C/h erhitzt. Durch Erhitzen des Formkörpers auf 100°C für eine Dauer von 3 Stunden wurde der Formkörper getrocknet. Die Feuchtigkeit im Thermohygrostaten betrug zuerst 98% und verminderte sich mit einer Rate von 10 %/h auf 20%.

Nach dem Trocknen wurde der Formkörper unter einem hydrostatischen Druck von 686,7 MPa (7 t/cm²) mittels einer Gummipresse isostatisch gepreßt.

Nach der Gummipressung wurde der Formkörper zur Entfernung des organischen Bindemittels behandelt. Bei dieser Behandlung wurde der Formkörper an Luft mit einer Rate von 50°C/h erhitzt und bei 500°C fünf Stunden lang belassen, um das organische Bindemittel aus dem Formkörper zu entfernen. Schließlich wurde der Formkörper gesintert. Bei diesem Sintern wurde der Formkörper mit einer Rate von 700°C/h erhitzt und bei einer Temperatur von 1650°C in Stickstoffatmosphäre etwa 1 Stunde lang belassen, so daß ein gesintertes Turbinenrad erhalten wurde. Sämtliche, vorstehende Schritte benötigten 10 Tage. Die Ausbeute betrug 100% für die Schritte des Trocknens, Entfernung des Bindemittels und des Sinterns. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 wiedergegeben.

In einem in der Tabelle 1 gezeigten Vergleichsbeispiel wird ein gesintertes Turbinenrad in ähnlicher Weise wie oben erläutert hergestellt mit der Ausnahme, daß das isostatische Pressen nach der Entfernung des Bindemittels durchgeführt wird.

Tabelle 1

Da erfindungsgemäß der Weichmacher hauptsächlich aus Wasser besteht, kann die verwendete Menge des organischen Bindemittels vermindert werden. In dem Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände, das die Schritte des Spritzgießens eines gekneteten Werkstoffes, Trocknen eines Formkörpers, Entfernung eines organischen Bindemittels aus dem Formkörper und Sintern des Formkörpers umfaßt, enthält der geknetete Werkstoff ein organisches Bindemittel, das aus wasserlöslichen oder wasserabsorbierenden Polymeren besteht, vorzugsweise mit thermogelierenden und abbindenden Eigenschaften, wie z.B. Methylcellulose, und der Formkörper wird durch isostatisches Pressen vor der Entfernung des organischen Bindemittels behandelt, wodurch die Ausbeute nach der Entfernung des Bindemittels im wesentlichen auf 100% verbessert wird.

Formkörper komplexer Konfiguration und mit dicken Wandberei chen konnten nicht in einer Einheit durch herkömmliches Spritzgießen geformt werden. Erfindungsgemäß können aber der artige Formkörper in einer Einheit geformt werden, wodurch fertige keramische Gegenstände in sehr hoher Ausbeute her stellbar sind, da die Formkörper hervorragende Formungs- und Formbeständigkeitseigenschaften aufweisen.

Darüber hinaus erfordert das herkömmliche Spritzgießen lange Zeit, um das Bindemittel zu entfernen. Erfindungsgemäß kann jedoch der Schritt zur Entfernung des Bindemittels innerhalb von zwei Tagen abgeschlossen werden und spritzgegossene Gegen stände mit derselben Genauigkeit und Leistungsfähigkeit wie diejenigen Gegenstände, die nach dem herkömmlichen Spritzguß verfahren hergestellt wurden, können mit hoher Ausbeute herge stellt werden.

Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Herstellung kera mischer Gegenstände durch Spritzgießen keramischer Werkstoffe zur Verfügung, die keramisches Pulver, Sinterhilfsmittel, Wasser und organisches Bindemittel enthalten, um einen Form körper zu bilden. Der Formkörper wird unter hydrostatischem Druck vor der Entfernung des organischen Bindemittels gepreßt, wodurch die Ausbeute des Formkörpers bei den Schritten der Entfernung des organischen Bindemittels und des Sinterns des Formkörpers verbessert wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände, umfassend die Schritte:
Spritzgießen eines gekneteten Werkstoffs, der ein keramisches Pulver, Sinterhilfsmittel und organisches Bindemittel enthält, um einen Formkörper zu bilden;
Trocknen des Formkörpers,
Entfernen des organischen Bindemittels aus dem Formkörper,
isostatisches Pressen des Formkörpers unter hydrostatischem Druck und
Sintern des Formkörpers,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoff vor dem Spritzgießen Wasser in einer Menge von 10 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen keramischen Pulvers zugesetzt wird, und daß das isostatische Pressen der Formkörpers vor dem Entfernen des organischen Bindemittels durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Pulver aus einem oder mehreren Bestandteilen besteht, die aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Sialon, Bornitrid und Zirkoniumdioxid ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Pulver eine Teilchengröße innerhalb des Bereiches aufweist, der durch folgende Formel bestimmt wird:

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterhilfsmittel aus Magnesiumoxid, Berylliumoxid, Cerdioxid, Strontiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid und den anderen Seltenerdoxiden; aus zusammengesetzten Oxiden wie Berylliumtitanat, Zirkoniumtitanat; oder aus mehreren Oxiden zusammengesetzte Oxide wie Mullit, Aluminium- Zirkoniumtitanat und aus einer Kombination daraus ausgewählt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterhilfsmittel in Form von Teilchen verwendet werden, die denjenigen des keramischen Pulvers gleichen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Bindemittel wasserlöslich oder eine wasserabsorbierende Verbindung ist wie Methylcellulose, Hydroxypropylmethyl-Cellulose oder die anderen wasserlöslichen Celluloseether-Derivate; Polyvinylalkohol, Polyethylenglycol oder die anderen wasserlöslichen Hochpolymere oder ihre derivatisierten, wasserabsorbierenden Hochpolymere.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Bindemittel wie Methylcellulose, Hydroxypropylmethyl-Cellulose und Alkenoxid-Cellulosederivate thermogelierende und abbindende Eigenschaften aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Bindemittel in dem gekneteten Werkstoff in einer Menge von 0,1 bis 15 Masseteilen zu 100 Masseteilen des keramischen Pulvers enthalten ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Pulver vorher mit den Sinterhilfsmitteln gemischt und die Mischung des keramischen Pulvers und der Sinterhilfsmittel gemahlen wird, um eine gemahlene Mischung zur Verfügung zu stellen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gemahlene Mischung durch einen Sprühtrockner getrocknet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrostatische Druck 98,1 bis 981 MPa beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrostatische Druck 245,25 bis 784,8 MPa beträgt.