DE2136349A1

DE2136349A1 - Verfahren zur herstellung von grobkristallinem aluminiumoxid mit hoher bruchfestigkeit

Info

Publication number: DE2136349A1
Application number: DE2136349A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Dr Ing Schmidt
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1971-07-21
Publication date: 1973-02-01
Also published as: DE2136349B2; DE2136349C3

Description

Verfahren zur Herstellung von grobkristallinem Aluminiumoxid mit hoher Bruchfestigkeit.
Bei der Herstellung von Aluminiumoxidwerkstoffen wird zur Erreichung hoher Bruch- und Verschleißfestigkeit ein Gefüge mit geringer Korngröße angestrebt. Andererseits ist es zur Erreichung hoher Kriechfestigkeit, guter Eorrosionsfestigkeit und guter Lichtdurchlässigkeit günstiger, ein gröberes Gefüge mit geringerer Korngrenzfläche zu verwenden. In der Praxis werden daher je nach Anwendungsfall verschiedene Aluminiumoæidwerkstoffe mit unterschiedlichem Gefüge eingesetzt.
Zur Steuerung des Kornwachstums wird allgemein Magnesiumoxid in Mengen bis o,5% zugesetzt, das eine starke Hemmung des Kornwachstums bewirkt. Vor allem verhindert es bereits in Mengen von 0,02% das Auftreten von sogenannten "Riesenkörnern", das sind längliche Kerner bis zu mehreren mm Länge, die unregelmäßig verteilt im Gefüge auftreten können und die die Eigenschaften des Werkstoff es stark verschlechtern. Das 'tRiesenkornwachstum" von A1205 ohne MgO-Zusatz wird außerdem von einer Reihe weiterer Zusätze verhindert, z.B. AlF3, SiO2, BaO, Cr203 ( H.P. Cahoon, C.1. Christensen, I. Amer. Ceram. Soc. 39 (1956), 337 - 344).
Es wurde nun gefunden, daß bei gleichzeitigem Zusatz von MgO und AlF3 ein neuartiger Effekt auftritt: Cegenüber einem Wer stoff, der nur MgO als Zusatz zur Kornwachstumssteuerung enthält, tritt bei gleichen Sinterbedingungen bei Aluminiumoxid mit gleichzeitigem Zusatz von MgO und AlF3 ein stärkeres Kornwachstum auf, ohne dap der sonst bei derartigem Kornwachstum beobachtete Festigkeitsabfall eintritt. Damit ist es möglich, einen grobkristallinen Aluminiumoxidwerkstoff mit hoher Bruchfestigkeit herzustellen. Der Begriff grobkristallin ist hierbei relativ im Vergleich zu einem anderen, ohne A1F,-Zusatz hergestellten A1,0, - Werkstoff mit gleicher Bruchfestigkeit zu verstehen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von grobkristallinem gesintertem Aluminiumoxid mit hoher Bruchfestigkeit, welches dadurch gekennzeichnet ist, dap Alu.miniumoxidpulver mit Zusätzen von AlF3 oder thermisch zu AlF3 zersetzbaren Verbindungen und MgO oder thermisch zu MgO zersetzbaren Verbindungen vermischt und in an sich bekannter Weise kaltgeprept und gesintert wird.
Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die Zusätze von MgO oder von thermisch zu MgO zersetzbaren Verbindungen und von AlF3 oder von thermisch zu A12; zersetzbaren Verbindungen in solchen Mengen erfolgen, daß sie 0,05 - 0,5 Gew.-% MgO und 0,1 - 5 Gew.-% AlF3 entsprechen.
Besonders günstige Ergebnisse werden erhalten, wenn die Sinterung im Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 1500 und 18500C und bei Sinterzeiten zwischen 0,5 und 5 h durchgeführt-wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in' einem neuen Aluminiumoxidwerkstoff, welcher durch Anwendung einer -oder mehrerer der beschriebenen neuen Verfahrensmaßnahmen zugänglich wird.
Der Effekt der gleichzeitigen Ausbildung von Grobkristallinität mit hoher Bruchfestigkeit kann durch einen substitutionellen Pluorioneneinbau in Sauerstoffteilgitter des Al2 O3 gedeutet werden, der durch die fast gleichen Ionenradien von O2- und B erleichtert werden könnte. Aus Gründen der ladungsneutralität werden mit einem solchen Einbau Leerstellen im Kationengitter verbunden. Die dadurch hervorgerufenen lokalen elastischen Gitterverzerrungen können die Rißausbreitung behindern und damit zu einer Erhöhung der Bruchfestigkeit gegenüber einem Werkstoff gleicher Korngroße ohne AlF3 -Zusatz führen.
Beispiel 500 g Al203-Pulver, Reinheit 99,98%, Korngröße c l/um, 0,5 g MgO-Pulver, Korngröße < 1 µm und 1,6 g AlF3 . 3H2Q-Piilver wurden in einem Kunststeffgefäß nap gemischt. Der Schlicker wurde anschließend getrocknet, mit einem temporären organischen Bindemittel vermengt und mit einem Druck von 1 Np/cm2 in Stahlformen zu Prüfkörpern verpreßt. Das organische Bindemittel wurde an Luft bei 10000C ausgebrannt, anschliepend wurden die Proben in Wasserstoff bei 17500C 2 h gesintert.
Vergleichsproben ohne AlP5-Zusatz wurden auf entsprechende Weise hergestellt. Die Eigenschaften der Prüfkörper wurden auf entsprechende Weise hergestellt. Die Eigenschaften der Prüfkörper sind in folgender Tabelle zusammengestellt.
Zusatz Bruchfestigkeit (kp/mm ) MgO AlF3 Dichte Mittelwert von je Korn (Gew.%) (Gew.%) (g/cm ) 10 Proben ( µm) 0,1 0 3,96 14,8+ 1,3 9 0,1 2 3,97 19,2+ 2,0 19 Die korngrößen wurden an polierten und thermisch geätzten Proben nach dem Durchmesserverfahren bestimmt. Die Dichtemessung erfolgte nach der Auftriebsmethode, theoretische Dichte 3,99 g/cm3. Die Bruchfestigkeit wurde an sorgfältig geschliffenen und geläppten planparallelen Platten von 30 mm und 1,5 mm Dicke nach dem "Symmetrical central bending test" (T.R. QJilshaw, I. Amer. Ceram. Soc. 51 (1968), 111) bestimmt. Um Oberflächeneffekte auszuschalten, wurden die Proben vorher sorgfältig im Vakuum von 10-4 Torr bei 240°C entgast, die Messung erfolgte im Vakuum bei Raumtemperatur Trotz gröberem Xorn haben die Proben mit Zusatz von 2% A1F3 noch eine merklich höhere Bruchfestigkeit als Proben ohne diesen Zusatz. Die Absolut-.
werte der gemessenen Festigkeiten sind wegen der unterschiedlichen Belastungsart bei der angewandten Prüfmethode etwa um den Faktor 3 geringer als bei Messungen an stabförmigen Proben an 3-Punkt-Biegebelastung.
Patentansprüche

Claims

Patentansprüche.

1. Verfahren zur Herstellung von grobkristallinem gesin-' terten Aluminiumoxid mit hoher Bruchfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxidpulver mit Zusätzen von AlF3 oder thermisch zu AlF3 zersetzbaren Verbindungen und L¢gO oder thermisch zu I;gO zersetzbaren Verbindungen vermischt und in an sich bekannter Weise kaltgepreßt und gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze von MgO oder von thermisch zu MgO zersetzbaren Verbindungen und von AlF3 oder von thermisch zu AlF3 zersetzbaren Verbindungen in solchen Mengen erfolgen, daß sie 0,05 - 0,5 Gew.-dO MgO und 0,1 - 5 Gew.-% AlF3 entsprechen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dap die Sinterung in Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 1500 und 18500C und bei Sinterzeiten zwischen 0,5 und 5 h durchgeführt wird.

4. Aluminiumoxidwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3 hergestellt wird.