DE2123105A1 - Matrizenofen, insbesondere zur Herstellung von Sinterprodukten - Google Patents

Description

PATENTAtJWALT

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a TELEGRAMME: MAYPATENT MCJNOHEN TELEFON CO81O

B 3516.3 PG München, ig, Mai 1971

p- Dr.M./Ma

CP 388/970
CG 388/97Oa

Commissariat ä I^sEnergie Atomique in Paris« Frankreich

Matrizenofen, insbesondere zur Hostellung von Sinterprodukten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche eine Kombination einer Pressmatrize, in der insbesondere ein zu sinterndes Pulver zusammengepreßt werden kann, und eines Heizofens, der das Erhitzen dieses Pulvers auf eine hohe Temperatur ermöglicht, ist und infolgedessen in ein und derselben Vorrichtung die notwendigen Sinterte« dingungen schafft.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, die Leistungen der üblichen Matrizen zu verbessern und insbesondere die Verwendung von Stücken mit größeren geometrischen Abmessungen zu ermöglichen und dabei die Homogenität der Temperaturen durch das Sinterprodukt hindurch zu verbessern, die Wärmegradienten zwischen der Heizquelle und dem Produkt durch die Matrize selbst zu verringern, was die Auswirkungen von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen im Betrieb infolge von TemperaturSchwankungen verringert« Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine einfache und verhältnismäßig billige Einrichtung zu schaffen, die eine Matrize aus feuerfestem Material aufweist, welche sehr oft ohne Gefahr des Festfressens wieder ver-

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wendet werden kann₅ insbesondere bei der Verschiebung von welche in der Matrize das zu sinternde Produkt zusammenpressen. Schließlich soll die Erfindung gemäß einem weiteren Zweck die unmittelbare Anwendung des erfindungsgemäßen Matrizenofens für all© üblichen Sinterverfahren und insbesondere solche ermöglichen, wo die Kompression des zu sinternden Produkts eine mittels eines schmelzbaren Metalls oder Drucktibertragungsmittels erhaltene isostatische !Compression ist, als auch bei solchen, wo diese isostatisch Kompression von einem mechanischen Kriechen durch die Schräge einer Deformation und eine Volumenverringerung einer Zwischen,-isammerbegleitet ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dmrch einen Matrizenofen gelöst, der gekennzeichnet ist durch eine Matrize an sich bekannter Art g die aus aiiaem feuerfesten zylindrischen Element besteht _f eis® die Matrize außen umgebende Bewehrung _s ein zwischen der- Matrize mm fi@j? Bewehrung angeordnetes Füllmaterial ₈ welches auf die Matriss dia diarcli dios© Bewehrung ausgeübte Radialkraft überträgt, und ein© IndüktionsheizvorricJatung, die im Bereich des Füllmaterial ang-i» ■ss»dnst ist und aus einer Primärwicklung mit Kreiswindungen, die außerhalb des Matrizenofens mit einer elektrischen Hochfreque&E=- quelle verbunden sind, und einem Sekundärkreis besteht, der in sick selbst geschlossen ist, die Matrize umgibt, koaxial zur Primärwiclc» lung ist und in dem durch die Primärwicklung ein Strom induziert wird.

Abgesehen von diesen Hauptmerkmalen weist ein erfindungsgemäßer Matrizenofen noch weitere zusätzliche Merkmale auf, die vorzugsweise in Verbindung, gegebenenfalls jedoch auch getrennt angewandt werden können und v/elche insbesondere die folgenden Punkte betreffen

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die Bewehrung besteht aus einer Reihe von offenen, übereinander angeordneten Ringen oder Schleifen» die gegeneinander isoliert sind und mit mechanischen Mitteln zusammenwirken, welche einen Ring mit dem anderen unter Bildung eines starren, nicht verformbaren Blocks verbinden;

die Primärwick lung der Heizvorrichtung besteht aus einem rohrförmig en_v insbesondere wassergekühlten Induktor, und die Durchführung des Primärkreises durch die Bewehrung erfolgt mittels eines koaxialen Durchtritts, wobei der äußere Teil an der Masse liegt, um Induktionserscheinungen in der Bewehrung zu vermeiden; der Sekundärkrais weist mindestens zwei in sich geschlossene konzentrischen Schleifen auf;

die Metallhtille des Sekundärkreises weist Ausschnitte auf, um die Übertragung der Druckkräfte der Bewehrung auf die Matrize mittels des Füllmaterials zu ermöglichen; das Füllmaterial besteht aus einem feuerfesten Körper, insbesondere aus einem Beton, der einen isolierenden Zement im Gemisch mit Körnern von dichtem Aluminiumoxid aufweist. Vorteilhafterweise besitzt der benutzte Beton eine in seiner Masse zwischen der Bewehrung und der Matrize veränderliche Korngrößenverteilung; der Matrizenofen ist mit der gekühlten Innenwand einer dichten, evakuierbaren Außenkammer fest verbunden, die eine Öffnung zur Verbindung mit einer Pumpanlage und dynamische Dichtungen für die Durchführung von axial in die Matrize eindringenden Kolben zum Komprimieren des zu sinternden Produkts durch die Kammerwand aufweist;

das zu sinternde Produkt ist gegebenenfalls von einer unmittelbar in der Matrize angeordneten verformbaren Anordnung (Büchse) umgeben.

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Weitere Eigenschaften und Vorteile eines erfindungsgemäßen Matrizenofens ergeben s5.cn aus der folgenden Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform und mehrerer Anwendungsweisen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig, 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des Matrizenofens; Fig. 2 eine Hälfte des Matrizenofens im axialen Schnitt.

In Fig. 1 weist der insgesamt mit 1 bezeichnete Matrizenofen eine Matrize 2 an sich bekannten Typs auf, die die Form eines feuerfesten kreisförmigen Hohlzylinders aus gesintertem Aluminiumoxid oder jedem anderen, für diesen Zv/eck geeigneten Material hat, an ihren beiden Enden offen ist und in die ein Produkt 3 gegeben werden kann, das unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen zu sintern ist. Dieses Produkt 3 kann entweder ein in der Kälte in geeigneter Weise vorverdichtetes Pulver von feuerfestem Keramikmaterial oder Metall oder ein Pulver der gleichen Art sein, das bei statischem Vakuum in das Innere einer dichten Anordnung (Büchse gebracht ist. Wegen der erheblichen axialen Drücke ,denen das zu sinternde Produkt im Inneren der Matrize 2 unterworfen ist, wobei die Drticteinsbesondere eine Verformung des Produkts hervorrufen und dazu führen, daß dieses einen erheblichen radialen Druck gegen die Innenfläche der Matrize ausübt, muß die Matrize von außen gehalten sein, damit sie den in ihr auftretenden Spannungen widerstehen kann.

Zu diesem Zweck weist erfindungsgemäß der Matrizenofen an seinem Umfang eine Bewehrung 4/ deren Ausführung im einzelnen weiter unten mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wird und die so ausgebildet ist, daß sie dauernd auf die Matrize 2 ein System von auf deren Achse hin gerichteten Kräften ausübt. Der zwischen der Matrize 2 und der

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Bewehrung 4 liegende Bereich ist mit einem Füllmaterial 5 gefüllt, das vorteilhafterweise aus einem feuerfesten Beton besteht, der im beschriebenen Ausführungsbeispiel von isolierendem Zement und Körnern von dichtem Aluminiumoxid gebildet ist.

Ferner und gemäß einer weiteren wesentlichen Maßnahme der Erfindung ist der Matrizenofen 1 funktionell verbunden mit einer Induktionsheizvorrichtung, die aus einer Primärwicklung 6 und einem in sich geschlossenen Sekundärkreis besteht, der bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform von zwei die Matrize 2 umgebenden und untereinander durch radiale Abschnitte 9 und 10 verbundenen koaxia-

wird.,
len Mänteln 7 und 8gebildet/Die Primärwicklung 6 ist vorzugsweise selbstkühlend ausgebildet und besteht aus einem rohrförmigen Leiter 12, in dem ein Kühlmedium 11, vorteilhafterveise V/asser, strömt. Der Durchtritt der Primärwicklung 6 durch die Bewehrung 4 erfolgt durch eine ebenfalls gekühlte Koaxialanordnung 14, wobei die Hochfrequenz in der Mitte zugeleitet wird und die von der Zuleitung durcli einen geeigneten Isolator 13 isolierte Rückleitung nach außen vorteilhaftere ise die Hochfrequenzmasse ist. Diese Durchführungsanordnung vermeidet jede störende Induktion in dor Bewehrung 4. "

Fig. 2 zeigt genauer einige Einzelheiten der Ausführung des erfindungsgemäßen Matrizenofens. Insbesondere sieht man in dieser Figur, daß die äußere Bewehrung 4 von einer Reihe von Ringen 15, beispielsweise Metallringen, gebildet wird, die gegeneinander isoliert, offen und Übereinanderliegend unregelmäßig angeordnet sind und mit einem Mittel zur gegenseitigen Festlegung zusammenwirken, das vom Füllmaterial und/oder Stücken aus dichtem Aluminiumoxid gebildet wird, und die genannten Ringe untereinander unbeweglich festlegt, damit der Umfang des Matrizenofens einen nichtverformbaren

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starren Block bildet. Um die von der erwähnten Bewehrung 4 ausge- . übten Spannkräfte durch das Füllmaterial 5 in Richtung auf die Matrize 2 zu tibertragen, weisen die den Sekundärkreis der Heizvorrichtung bildenden Mäntel 7 und 8 eine Reihe von Durchbrechungen 17 und 18 auf, die in geeigneter tfeise über die Fläche dieser Mäntel verteilt sind.

Der Matrizenofen kann im übrigen so ausgebildet sein, daß die Außenfläche der Bewehrung 4 mit der Wand 19 eine?sie vollkommen umgebenden dichten Kammer 20 verbunden und durch eine Leitung 21 mit einer (nicht gezeigten) Pumpanlage verbunden ist, wodurch im Inneren der Kammer und insbesondere rings um das in die Matrize 2 gegebene zu sinternde Produkt 3 Vakuum erzeugt werden kann. Um die Kompression des Produkts 3 zu bewirken, wirkt die Kammer 20 mit zwei Kolben 22 bzw. 23 zusammen, welche unter Zwischenschaltung von dynamischen Dichtungen 26 und 27 durch die Deckelplatten 24 und 25 der Kammer geführt sind und sich axial in den Innenraum der Matrize 2 passend einschieben. Schließlich sind Temperaturmessgeräte, insbesondere Thermoelemente 28, an verschiedenen Punkten des Matrizenofens 1 und insbesondere in Blindbohrungen 29, die in der Matrize 2 selbst vorgesehen sind, angeordnet.

Bei dem oben beschriebenen Beispiel, wo der Matrizenofen 1 im Inneren einer dichten Kammer 20 angeordnet ist, wodurch das Produkt 3 infolge der Dichtungen 26 und 27 unter dynamischem Vakuum kompri- miert werden kann, erfordert die praktische Ausführung der Vorrichtung, daß die Durchführung der Primärwicklung 6 durch die Wand der Kammer mittels einer vakuumdichten Koaxialdurchführung 30 erfolgt. Als Abwandlung und in einer hinsichtlich des Prinzips des Matrizenofens äquivalenten Weise kann man auf die dichte Kammer 20 verzich-

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ten und das zu sinternde Produkt 3 einfach im Inneren einer ge- schlossenen Büchse 31 anordnen, die selbst dicht ist und im Produkt ein statisches Vakuum aufrechterhält, wobei der Matrizenofen dann in der Umgebungsatmosphäre angeordnet ist. Bei dieser letztgenannten Abwandlung erfolgt die Kompression des Produkts 3 selbstverständlich unter statischem Vakuum,

Per oben beschriebene Matrizenofen ermöglicht die Durchführung jeder beliebigen bekannten Sintermethode unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen, und insbesondere die Durchführung der in der FR-PS 1 548 603 und in den deutschen Patentanmeldungen Nr. P 20 14 163.3 bzw. der Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Nr. G 70 10 939.6 des Anmelders beschriebenen Verfahren bzw. Benutzung der dort angegebenen Vorrichtungen.

Im ersten Fall wird der axiale Druck der in die Matrize eindringenden Kolben mittels eines bei der Arbeitstemperatur geschmolzenen Metalls in einen auf das Produkt wirkenden isostatischen Druck umgewandelt, wobei das Produkt einer einfachen Kompression unterliegt, die zu einer Umordnung durch Kriechen des Produkts führt. Im zweiten Fall wird der axiale Druck mittels eines Druckübertragungsmittels, welches ein bei der Arbeitstemperatur geschmolzenes Metall oder ein hochfeuerfestes Pulver sein kann, in einen auf das Produkt wirkenden isostatischen Druck umgewandelt, während gleichzeitig durch die Schräge eine Verformung und Volumenverringerung der das zu sinternde Produkt umgebenden verformbaren Büchse durch Kriechwirkung stattfindet. Wie bereits angegeben, können die angegebenen Maßnahmen entweder unter dynamischem oder unter statischem Vakuum durchgeführt werden, wobei die zweite Ausführungsform den Vorteil einer Vereinfachung der Vorrichtung insgesamt zur Folge hat und ins-

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besondere die Probleme der Entgasung des Füllmaterials des Matrizenofens selbst vermeidet. Im Fall des gleichzeitig zu einer isostatischen Kompression und einem Kriechen führenden Verfahrens ist das unter Druck zu sinternde Produkt vorteilhaft erweise in der Kälte und unter Vakuum vorverdichtet und dann in einer bei den Arbeitstemperaturen verformbaren Druckbüchse angeordnet, die von geeigneten, ein Druckübertragungsmittel enthaltenden und jede Diffusion desselben in das Produkt selbst verhindernden Büchsen umgeben ist, wobei das Zweitverfahren unter statischem oder dynamischem Vakuum durchgeführt werden kann.

unabhängig von der gewählten Methode erzeugt die Wirkung der Kolben 22 und 23 auf das Produkt 3 im Inneren der Matrize 2 an deren Innenfläche erhebliche Radialdrücke. Die Matrize ist im allgemeinen wegen der Art des feuerfesten Materials, aus dem sie besteht, nur wenig zugfest und infolgedessen mechanisch sehr zerbrechlich. Dieser Nachteil wird vollständig beseitigt durch die Bewehrung 4, welche mittels des Füllmaterials 5 auf die Matrize 2 einwirkt und Radial-, kräfte ausübt, die durch die in den Mänteln 7 und 18 des Sekundärkreises der Heizung vorgesehenen Durchbrüche 17 und 18 leicht übertragen werden.

Der betrachtete Matrizenofen besitzt infolge der besonderen Ausbildung der Heizvorrichtung selbst einen weiteren wesentlichen Vorteil, da so insbesondere die Größe des Wärmegradienten in der eigentlichen Matrize 2 begrenzt werden kann. Die Aufheizung der Sekundärlastschleife durch Widerstandsheizung, gleichzeitig mit der Aufheizung der Anordnung Produkt - Büchse unter der Wirkung von Induktionsheizung ermöglicht, die Matrize in einem Bereich homogener Temperatur zu halten. Andererseits ist es möglich, daß der Sckun-

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därkreis das Produkt selbst durch Induktion aufheizt, insoweit dieses bei der Arbeitsfrequenz Leitereigenschaft hat» und in diesem Fall erfolgt die Erwärmung im Bereich des Produkte selbst·

Der betrachtete Matrizenofen ermöglicht unter den vorher genannten Bedingungen ein kontinuierliches Sintern von beliebigem keramischen feuerfesten oder metallischen MeteT.ial bei hohen Temperaturen, die 1 500 ⁰C oder darüber erreichen können, unter Drücken, die in einem Bereich von einigen kg/cm bis 2000 kg/cm oder darüber liegen können. Außerdem ermöglicht die grundsätzliche Gestaltung der Gesamtvorrichtung ohne weiteres das Entformen des gesinterten Produkts in der Wärme, wobei dieses während seiner Abkühlung in einem von mechanischen Spannungen freien Bereich gehalten wird. Der Ofen ermöglicht, am Produkt und gegebenenfalls im Produkt selbst einen Bereich homogener Temperaturen zu erzeugen. Die Ausführung der Primärwicklung und ihrer an Masse gelegten koaxialen Durchführung durch die Bewehrung vermeidet störende Induktionseffekte,, insbesondere in den Ringen der Bewehrung. Das Füllmaterial kann je nach den von ihm. eingenommenen Bereichen mit einer verschiedenen Korngrööenver-' teilung gewählt sein und insbesondere aus einem Isoliermaterial bestehen, das zur Verbesserung der Blockierung der Ringe der Bewehrung untereinander beiträgt·

Aus der oben gegebenen Beschreibung des Matrizenofens können weitere Vorteile entnommen werden, wovon die hauptsächlichsten im folgenden genannt sind:

Der Aufbau der Heizvorrichtung und die Ausnutzung ihres Transformators und seiner Durchbrüche ermöglicht eine wirksame Bewehrung, während gleichzeitig eine unmittelbare Sinterung von metallischen Materialien unter Belastung oder eine Sinterung von feuerfesten

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oder keramischen Körpern» westn ε=ιώ ein© x^akuumdicfete Kammer oäar

erreicht wird,

©in© nichtdichte Büchse mit Metallcharakter benutzt »/d&t MatriseB» ©£en ermöglicht gleichzeitig eine Vergrößerung der Möglichkeiteaa, einerseits infolge der Bewehrung durch die Konsolidierung durch die; Heizvorrichtung hindurch, und andererseits infolge der Homogenität der Temperaturen ia dor Matrize und dem Produkt durch die gleichseitige Erwärmung der Lastschiffe des Sekundärkreises und der Am." ©rdnisng Produkt - Büchse· Das Sntformeii in der Hitze, das kontiismisrliche Pressen, der Einbau in eine Druck- und Vakuumvorrichtung oder der Einbau in eine aus Standardeinheiten bestehende Heißpressvorrichtung können vorgesehen werden«

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Claims (9)

Patentansprüche

1.) Matrizenofen, insbesondere zur Herstellung von Sinterprodukten, gekennzeichnet durch eine Matrize an sich bekannten Typs, die aus einem feuerfesten zylindrischen Element besteht, eine die Matrize außen umgebende Bev/ehrung, ein zwischen der Matrize und der Bewehrung angeordnetes Füllmaterial, welches auf die Matrize die von der Bewehrung ausgeübten Radialkräfte überträgt, und eine im Bereich des Füllmaterial angeordnete Induktionsheizvorrichtung, die aus einer Primärwicklung mit kreisförmigen Windungen, die außerhalb des Matrizenofens mit einer elektrischen Hochfrequenzquelle verbunden sind, und einem Sekundärkreis besteht, der in sich selbst geschlossen ist, di<* Matrize umgibt und koaxial zur Primärwicklung ist und in dem durch die Primärwicklung ein Strom induziert wird.

a.) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewehrung aus einer Reihe von übereinander angeordneten, gegeneinander isolierten offenen Ringen besteht, die mit Mitteln zum mechanischen Verriegeln eines Ringes mit dem anderen unter Bildung eines nichtverformbaren starren Blocks zusammenwirken·

3·) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung der Heizvorrichtung aus einem wassergekühlten rohrförmigen Induktor (1P.) besteht, die Durchführung des Primärkreises durch die Bewehrung (4) mittels einer Koaxialdurchführung (12,13) erfolgt und deren Außenteil mit der Masse verbunden ist, um Induktionserscheinungen in der Bewehrung zu vermeiden.

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4.) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis mindestens zwei konzentrische, untereinander geschlossene Schleifen (7, 8) aufweist.

5.) Matrizenofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel des Selcundärkreises Durchbrüche (17, 18) für die übertragung von Druckkräften der Bewehrung zur Matrize durch das Füllmaterial aufweist.

6.) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus einem feuerfesten Körper, insbesondere aus einem Beton, welcher einen Isolierzement im Gemisch mit Körnern von dichtem Aluminiumoxid aufweist, besteht.

7·) Matrizenofen nach Anspruch 6-, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Beton eine in seiner Masse zwischen der Bewehrung und der Matrize veränderliche Korngrößenverteilung aufweist.

8.) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit der gekühlten Innenwand einer dichten evakuierbaren Außenkammer fest verbunden werden kann, welche eine Öffnung (21) zur Verbindung mit einer Pumpanlage und dynamische Dichtungen (26, 27) für die Durchführung von Kompressionskolben durch die Wand der Kammer aufweist, wobei die Kolben axial in die Matrize (2) eindringen und dort das zu sinternde Produkt komprimieren.

9.) Matrizenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu sinternde Produkt von einer unmittelbar in der Matrize angeordneten verformbaren Büchse (31) umgeben ist.

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