DE19612184C2 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines keramischen FormkörpersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines keramischen Formkörpers mit einer komplizier
ten Form. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Produkts mit
einer komplizierten Form durch Regelung des Gewichts einer
Spritzgußmasse, welche in den Hohlraum einer Spritzgußform ein
gespritzt wird.
Aus dem Stand der Technik ist das Spritzgießen als ein Verfahren
zur Herstellung keramischer Formkörper bekannt, insbesondere ke
ramischer Formkörper, die komplizierte Formen aufweisen. Bei der
Verbesserung der Techniken auf den einschlägigen technischen Ge
bieten wurde in jüngster Zeit die Anwendung des Spritzgießver
fahrens für die Herstellung keramischer Formkörper mit kompli
zierten Formen und neuerdings auch mit großen Abmessungen unter
sucht, wie beispielsweise Laufschaufeln oder Leitschaufeln für
Gasturbinen oder dergleichen. Beim konventionellen Spritzgießen
ist es jedoch schwierig, die Arbeitsweise einer Gießeinrichtung,
den Flüssigkeitszustand der zu vergießenden Gußmasse usw. zu re
geln, wobei als ein Ergebnis hiervon Schwierigkeiten bei der
Einstellung und Ermittlung der optimalen Gießbedingungen auftre
ten, die ein ausreichendes Entbindern und Sintern gewährleisten
können. Darüber hinaus zeigt das vergossene Material in einigen
Fällen Rißbildungen sowie Deformationen während des Entbinderns.
Als einer der Gründe hierfür werden beispielsweise große Dich
teunterschiede im gegossenen Material infolge ungeeigneter Gieß
bedingungen, ungeeignete Entbinderung sowie hoher Bindemittelge
halt in dem gegossenen Material erachtet. Eine adäquate Lösung
hierfür wurde bisher nicht gefunden.
Gegen die vorstehend erwähnten Rißbildung usw., welche während
des Entbinderns auftritt, kann eine längere Entbinderungszeit
eine Lösung sein. Da es jedoch unmöglich ist, die Gießbedingun
gen, welche bei einer Spritzgußmasse erhalten wurden, auf eine
andere Spritzgußmasse zu übertragen, um schnell die Gießbedin
gungen für die andere Spritzgußmasse zu bestimmen, ist die Be
stimmung vorteilhafter Gießbedingungen zeitaufwendig.
Gemäß der DE-Z: keramische Zeitschrift, Nr. 11, 1991 S. 860-862
umfassen die Gießbedingungen u. a. die Einspritzgeschwindigkeit,
die Temperatur sowie Einzelheiten für die Werkzeuggestaltung.
Ferner ist eine genaue Dosierung der Spritzgußmasse erforder
lich, da ein Nachdrücken, wie es beim Spritzgießen von Kunst
stoffen bekannt ist, bei diesen Spritzgußmassen nicht möglich
ist.
Ferner ist aus der DE 41 29 925 A1 ein Verfahren zur Herstellung
anorganischer Sinterformteile bekannt, bei dem die Formgebung
des Grünkörpers durch Spritzgießen erfolgt.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend ge
nannten Probleme des Stands der Technik ausgeführt. Die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effektives Spritz
gießverfahren zu schaffen, bei welchem vorteilhafte Gießbedin
gungen im Vorfeld der Entbinderung bestimmt werden können und
mit dem ein keramischer Formkörper frei von Gießfehlern oder
Entbinderungsfehlern erzeugt werden kann und das eine exzellente
Maßgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des An
spruchs 1 gelöst.
Der Erfinder führte eine Studie bezüglich der Bedingungen des
Spritzgießens sowie bezüglich des Gewichts der eingespritzten
Spritzgußmasse durch. Als ein Ergebnis hiervon fand der Erfinder
die Bedingungen für das Spritzgießen heraus, welches ein stabi
les Entbindern und Sintern ermöglichen, indem das Gewicht, der
Spritzgußmasse, welche in den Hohlraum einer Gußform eingefüllt
wird, auf der Basis der theoretischen Dichte der Spritzgußmasse
und des Volumens des Hohlraumes geeignet geregelt bzw. gesteuert
wird. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren für das
Erzeugen eines keramischen Formkörpers welches die folgenden
Schritte umfaßt: Mischen und Kneten eines keramischen Pulvers
und eines Binders für das Erhalten einer zu vergießenden Spritz
gußmasse, Einspritzen der Spritzgußmasse in den Hohlraum einer
Gießform für das Erhalten eines gegossenen Formkörpers, Entfor
men des gegossenen Formkörpers und Aussetzen des gegossenen
Formkörpers einem Entbinderungs- und Brennprozeß, wobei das Ge
wicht der Spritzgußmasse bereits vor dem Entbinderungsvorgang
eingestellt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung genügt das Gewicht I des gegosse
nen Formkörpers vorzugsweise der folgenden Formel:
0.92×Di×Vc ≦ I ≦ 0.98×Di×Vc
wobei Di die theoretische Dichte (g/cc) der zu vergießende
Spritzgußmasse und Vc das Volumen (cc) des Hohlraumes der Gieß
form ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird bei der vorliegenden
Erfindung das Gewicht der in den Hohlraum einzufüllenden Guß
masse in geeigneter Weise geregelt, basierend auf der theoreti
schen Dichte der zu vergießenden Spritzgußmasse sowie auf dem
Volumen des Hohlraumes. Bei einem derartigen Regeln des Gewichts
des vergossenen Materials hat der gegossene Formkörper eine
gleichförmige Dichte und zeigt weder Gießdefekte noch Entbinde
rungsdefekte. Da die vorstehend erwähnte Regelung ausgeführt
werden kann, bevor der Entbinderungsvorgang stattgefunden hat,
kann durch die vorliegende Erfindung ein gegossener Formkörper
mit hoher Produktivität geschaffen werden verglichen mit her
kömmlichen Spritzverfahren für keramische Formkörper, bei denen
die Bestimmung der Gießbedingungen lediglich nach dem Entbinde
rungsvorgang möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines bevor
zugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen der
eingefüllten Menge und den Bedingungen des entbinderten Formkör
pers darstellt, welcher nach einem ersten Ausführungsbeispiel
erhalten wird.
Fig. 2 einen Graphen, welcher die Bedingungen eines herkömm
lichen Spritzgießens darstellt.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Formkörpers wird nachfolgend beschrieben. Es existiert keine be
sondere Beschränkung hinsichtlich der Art des verwendeten kera
mischen Pulvers. Das keramische Pulver kann beispielsweise Sili
ziumnitrid, Karbonnitrid, Sialon, Zirconia und Aluminium sein.
Es besteht auch keine besondere Beschränkung bezüglich der Art
des Binders. Der Binder bzw. das Bindemittel kann in geeigneter
Weise in Abhängigkeit von dem zu erzeugenden keramischen Form
körper sowie der Art des verwendeten Keramikpulvers ausgewählt
werden. Insbesondere kann das Bindemittel ein Wachs, ein Kunst
harz, ein Tensit oder ähnliches sein.
Es besteht ferner keine Beschränkung bezüglich der Art der ver
wendeten Spritzgießeinrichtung. Die Spritzgießeinrichtung kann
irgendeine der Kolben- oder Schneckenbauart sein.
Es besteht auch keine besondere Beschränkung bezüglich des Ent
binderungsverfahrens. Es kann daher ein Normaldruckentbindern,
Beaufschlagungsdruckentbindern, superkritisches Entbindern usw.
angewendet werden. Die angewendete Atmosphäre während des Ent
binderns kann entweder Luft oder irgendein Inertgas sein. Die
Bedingungen für das Brennen können in geeigneter Weise in Abhän
gigkeit von der Art des verwendeten keramischen Pulvers bestimmt
werden.
Als nächstes wird die Beschreibung bezüglich des Gewichts des
gemäß vorstehender Beschreibung erhaltenen Formkörpers gegeben.
Das Gewicht des Spritzgußmaterials genügt der nachfolgenden For
mel:
0.92×Di×Vc ≦I ≦ 0.98×Di×Vc
wobei Di die theoretische Dichte (g/cc) der verwendeten Spritz
gußmasse und Vc das Volumen (cc) des Hohlraumes der Gießform
ist, in den die Spritzgußmasse eingespritzt wird. Wenn das theo
retische Gewicht (Iw) der Spritzgußmasse DixVc ist, dann beträgt
das Gewicht I der Spritzgußmasse 92 bis 98% des theoretischen
Gewichts (Iw) der Spritzgußmasse. Das Gewicht I der Spritzguß
masse beträgt in weiter bevorzugter Weise 93 bis 97% des theore
tischen Gewichts (Iw) der Spritzgußmasse.
Wenn das Gewicht I der Spritzgußmasse geringer ist als 92% des
theoretischen Gewichts (Iw) der Spritzgußmasse, dann ist der Be
füllungsgrad unzureichend (niedrig), wobei der erhaltene Form
körper eine niedrigere Dichte am Einlaß als an der Oberfläche
aufweist und große Dichteunterschiede aufweist. Wenn der Befül
lungsgrad weiter verringert wird, dann hat der Formkörper Defek
te, wie beispielsweise keine Befüllung, Einschrumpfungen oder
Lunker und ähnliches. Desweiteren tritt eine Rißbildung bei dem
Entbinderungsschritt auf und die Maßgenauigkeit des erhaltenen
keramischen Formkörpers wird unzureichend.
Wenn das Gewicht I der Spritzgußmasse höher als 98% ist, dann
ist der Befüllungsgrad zu hoch, wobei der erhaltene Formkörper
eine höhere Dichte am Einlaß als an der Oberfläche aufweist,
größere Dichteunterschiede aufweist und eine Eigenspannung am
Einlaß hat. Beim Aufschmelzen des Binders in dem Entbinderungs
schritt führt die Eigenspannung zur Ausbildung von Rissen, wo
durch die Maßgenauigkeit des erhaltenen keramischen Formkörpers
beeinträchtigt ist.
Für die Regelung des Gewichts I der Spritzgußmasse innerhalb ei
nes spezifischen Bereichs können gewöhnliche Spritzbedingungen,
wie die Spritzgußmassentemperatur (Temperatur des einzuspritzen
den Materials), Werkzeugtemperatur (Temperatur im Hohlraum),
Spritzdruck, Spritzzeit, Druckhaltezeit usw. verwendet werden
(siehe Fig. 2). Folglich kann bei dem vorliegenden Verfahren im
Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Spritz
gießbedingungen lediglich nach dem Entbinderungsschritt bestimmt
werden können (dieser Schritt benötigt eine lange Zeitspanne),
die für die Bestimmung der Spritzgießbedingungen erforderliche
Zeit signifikant reduziert werden.
Darüber hinaus kann bei dem vorliegenden Verfahren die Form des
gegossenen Formkörpers durch Regeln des Gewichts I der Spritz
gußmasse beeinflußt werden. Aus diesem Grund kann das vorliegen
de Verfahren in besonders vorteilhafter Weise bei der Produktion
von großdimensionierten Formkörpern angewendet werden, in denen
große Dichteunterschiede auftreten können. Der gegossene Form
körper der entsprechend dem Gewicht I erhalten wird, welches ge
mäß vorstehender Beschreibung geregelt wird, wird anschließend
einem gewöhnlichen Entbinderungsschritt, einem gewöhnlichen
Brennprozeß und erforderlichenfalls einem gewöhnlichen Schleif
prozeß unterzogen, um einen keramischen Formkörper zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird im nachfolgenden anhand von Aus
führungsbeispielen beschrieben, auf welche sie jedoch nicht be
schränkt ist.
Ein Siliziumnitridpulver sowie ein Sinterzusatz (wahre Dichte =
3.56) sowie ein Binder (wahre Dichte = 0.94) wurden bei einem
Volumenverhältnis von 48 : 52 gemischt, um eine Spritzgußmasse
vorzubereiten. Die theoretische Dichte Di der Spritzgußmasse be
trug 2.20 g/cc. Das Hohlraumvolumen Vc der Gießform der verwen
deten Spritzgießeinrichtung betrug 400 cc. Somit beträgt das
theoretische Gewicht Iw der Spritzgußmasse 2.20×400 = 880 g.
Die Spritzgußmasse wurde unter den Bedingungen eingespritzt, wie
sie in der Tabelle 1 gezeigt sind, d. h., unter verschiedenen
Gießbedingungen, die eine Kombination der Spritzgußtemperatur,
der Werkzeugtemperatur, dem Spritzdruck, der Befüllungsmenge I
usw. sind. Gegossen wurde jeweils eine Radialturbine mit einem
Durchmesser von 120 mm. Jeder erhaltene Formkörper wurde entgra
tet, wobei anschließend das Gewicht mit einer elektronischen
Waage gemessen wurde.
Um die einzufüllende Menge I exakt zu regeln und die dazu erfor
derliche Gewichtsmessung vorzunehmen, wurde eine Basislinie in
dem Hohlraum der Gießform vorgesehen, wobei der Teil der Spritz
gußmasse, welcher die Basislinie überschritt, beim Entgraten
entfernt wurde. Nach der Gewichtsmessung wurde jeder Formkörper
in einen Brennofen für ein Entbindern unter Druckaufbeschlagung
verbracht und über einen Zeitraum von 10 Tagen entbindert. Jeder
entbinderte Formkörper wurde einem CIP unterzogen und anschlie
ßend bei 1700°C für 3 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre ge
brannt, um jeweils einen keramischen Formkörper zu erhalten. Der
Zustand jedes Formkörpers, der Zustand jedes entbinderten Form
körpers sowie die Maßgenauigkeit jedes fertigen keramischen
Formkörpers wurde untersucht und die Ergebnisse sind in der Ta
belle 1 zusammengefaßt. Die Beziehung zwischen der jeweiligen
Füllmenge I und dem Zustand jedes entbinderten Formkörpers sind
in Fig. 1 gezeigt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird bei dem vorliegenden Ver
fahren das Gewicht der geschmolzenen Spritzgußmasse in geeigne
ter Weise basierend auf der theoretischen Dichte der zu gießen
den Spritzgußmasse und dem Volumen des verwendeten Gießhohlrau
mes geregelt. Als ein Ergebnis hiervon können vorteilhafte, zu
bevorzugende Gießbedingungen vor dem Entbinderungsschritt be
stimmt werden, wobei Gießen, Entbindern und Sintern in zufrie
denstellender Weise eingeleitet und stabil gehalten werden kön
nen. Dadurch kann mit hoher Produktivität ein von Gießfehlern
oder Entbinderungsfehlern freier keramischer Formkörper erhalten
werden, der eine ausgezeichnete Maßgenauigkeit hat.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, mit
den Schritten
Mischen und Kneten eines keramischen Pulvers und eines Bindemittels, um eine Spritzgußmasse zu erhalten,
Einspritzen der Spritzgußmasse in den Hohlraum einer Gießform zur Erzeugung eines gegossenen Formkörpers,
Entformen des Formkörpers,
Aussetzen des gegossenen Formkörpers einem Entbinderungs- und Brennprozeß,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewicht I des Formkörpers vor dem Entbinderungsprozeß der Formel
0,92×Di×Vc ≦ I ≦ 0,98×Di×Vc
genügt, wobei Di die theoretische Dichte [g/cm3] der Spritzgußmasse ist und Vc das Volumen [cm3] des Hohlraums der Gießform ist.
Mischen und Kneten eines keramischen Pulvers und eines Bindemittels, um eine Spritzgußmasse zu erhalten,
Einspritzen der Spritzgußmasse in den Hohlraum einer Gießform zur Erzeugung eines gegossenen Formkörpers,
Entformen des Formkörpers,
Aussetzen des gegossenen Formkörpers einem Entbinderungs- und Brennprozeß,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewicht I des Formkörpers vor dem Entbinderungsprozeß der Formel
0,92×Di×Vc ≦ I ≦ 0,98×Di×Vc
genügt, wobei Di die theoretische Dichte [g/cm3] der Spritzgußmasse ist und Vc das Volumen [cm3] des Hohlraums der Gießform ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gewicht I des Formkörpers 92%-98% des theoretischen Gewichts
des Formkörpers beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gewicht I des Formkörpers 93%-97% des theoretischen Gewichts
des Formkörpers beträgt.
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
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|---|---|
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