DE2314442A1 - Verfahren zum herstellen einer hochverschleissfesten al tief 2 o tief 3-keramik - Google Patents

Description

Verfahren zum Herstellen einer hochverschleißfesten A^O^-Keramik.

Die Erfindung betrifft' ein neues Verfahren zum Herstellen von außergewöhnlich verschleißfestem Aluminiumoxid-Material

Durch kleine Zuschläge, zum Beispiel von Erdalkali-Oxiden, zu Versätzen aus nahezu reinem Al₂O,. hat man nach üblichem keramischen Sintern bereits ziemlich verschleißfeste Körper erzielt. Werden diese durch mechanische Beanspruchung auf

Abrieb (^ /G) geprüft, so erzielt man je Stunde jedoch lediglich Werte, wie sie in der anliegenden Zeichnung durch die Kurve 2_ dargestellt sind. (Die weitere Erläuterung der Zeichnung erfolgt im Anschluß an die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens).

Weiterhin ist es bereits bekannt (DAS 2 164 301 der Nippon-Ltd.), verschleißfeste keramische Körper mit einem Al O.Gehalt bis zu 80 Gew.-% herzustellen. Jedoch enthalten diese Materialien nicht kleine, sondern wesentliche Zusätze, und zwar an SiC und an Glasphase; und als "Verschleiß" wird nicht der durch mechanische Beanspruchung bewirkte Materialverlust bezeichnet und gemessen, sondern der Verlust unter dem korrosiven Einfluß benachbarter, schmelzflüssiger Stoffe, z. B. bei der Verwendung als Schmelzofen-Material.- Außerdem sind die fertig-gesinterten Körper nicht frei von unerwünschten Beimengungen, da als Bindemittel Teer, Pech oder dergleichen verwendet wurde.

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Diesem Bekannten'gegenüber wird durch die Erfindung angestrebt, definiert zusammengesetzte Körper hohen Reinheitsgrades und hohen Al₉O' -Gehaltes zu erstellen, die sich durch einen stark verminderten Materialverlust (Δ /g) je Stunde bei mechanischer Oberflächen-Beanspruchung auszeichnen. Mit der so definierte'n "Verschleißfestigkeit" sollen weitere -wertvolle Eigenschaften erfindungsgemäßer Körper verbunden bzw. automatisch verknüpft sein: feines und gleichmäßiges Korn, große Härte, nahezu theoretische Dichte und hohe Oberflächengüte.

Diese Aufgabe konnte durch Anwenden des an sich bekannten Heißpreß-Verfahrens gelöst werden, wobei erfindungsgemäß in eine bekannte Heißpresse eine Mischung aus mindestens 98-%igem Al₂O₃~Pulver handelsüblicher Feinheit und aus einem kohlenstoffhaltigen·Piastifizierungs-, Lösungs- oder Verdünnungsmittel, dessen vorzeitiges Abdampfen verhindert wird,eingebracht wird. Dieses Verfahren ist durch die zeitliche Aufeinanderfolge der folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Mischen von 100 Gew.-Teilen mindestens 98--%igem Al_O₃-Pulvers handelsüblicher Feinheit mit TO bis 50 Gew.-Teilen eines kohlenstoffhaltigen Plastifizierungsmittels, Lösungsmittels oder dergleichen.

b) Vorpressen eines Formlings,

c) Erhitzen der Mischkörper innerhalb einer Heißpresse bis auf einen Temperaturbereich zwischen 1280 und 1500⁰C sowie Drucksintern mit einer Haltezeit von mindestens 5 min im höchsten Temperaturpunkt,

d) Abkühlen,

mit der Maßgabe, daß der Verfahrensschritt b) entfallen kann.

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Das kohlenstoffhaltige Mittel ist vorzugsweise ein gelöster Polyvinyl-Alkohol (PVA).

Nach dem Schritt a) kann die etwas getrocknete Mischung durch ein Sieb gegeben werden, um Klumpen abzuscheiden oder im Sieb zu zerkleinern.

Anstatt den Preßdruck - wie im allgemeinen üblich - im kalten Zustand aufzubringen, ist alternativ ein Druckbeaufschlagen erst bei angenähertem Erreichen der jeweiligen Hochst-Temperatür möglich.

Die Aufheiz-Geschwindigkeit sollte etwa 50 C/min nicht unterschreiten, um ein vorzeitiges Abdampfen des beim Verfahrensschritt a) genannten organischen Mittels zu verhindern.

Das Al₂0o-Pulver kann auch 100-%ig rein sein.

Die fertigen Preßlinge werden im allgemeinen zertrennt und/oder oberflächig nachbearbeitet. - Zum Ermitteln der nachstehend erwähnten Oberflächengüte wurde wie folgt vorgegangen:

Vorschleifen mit SiC-Papier bis zum Verschwinden der dem Auge noch erkennbaren Unebenheiten; Nachschleifen während 45 min Dauer mit SiC-Papier 320;'

Nachschleifen während 45· min Dauer mit SiC-Fapier 600.

Sodann wird die Oberflächengüte mittels eines Perthometers, Typ WVE, der Firma Perthen, Hannover, bestimmt.

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Beispiel 1

10Og feines AIpO„-Pulver (handelsüblicher, hochreaktiver Typ, 98-%ig) werden mit 10g einer 10-^igen PVA-Lösung in einer Reibsehale gründlich vermischt, sodann 15 min im Schrank getrocknet und durch ein DIN-4188-Sieb (0,5 -mm-Maschenweite) gegeben. Das Feingut wird zu zylindrischen Stäben von 9,8 mm 0 und 24 mm Länge kalt vorgepreßt. Die Preßlinge werden in einer Heißpresse (Induktionsheizung mit Grafit-Matrizen) bereits im kalten Zustand mit 350 kp/cm Druck beaufschlagt und sodann mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 150°/min auf 1280°C gebracht. Diese Temperatur wird 5 min gehalten, worauf die Körper 25 min in der Presse abkühlen. Nach dem end-' gültigen Abkühlen in Umgebungsluft erfolgt die Schleif-Nachbehandlung zwecks Ermitteins der Oberflächengüte -, wie vorstehend angegeben. - "

Technische Daten der fertigen Körper:

Farbe	: schwarz	gleich-
Dichte	' 3,93 g/cm3
Härte (Rockwell HRC 45)	: 91	0,06 μ
/Korngröße	: 1 bis 2 μ, sehr
	mäßig
Oberflächengüte	: R. = 0,6 Ji; R, = C el

Abrieb-Verschleißfestigkeit i siehe Zeichnung, Kurve Die Kurven 1 bis 4 wurden mit einem Fliehkraft-Scheuer-Aggregat, der Firma Jansen, aufgenommen. Gegenüber der am günstigsten' liegenden Vergleichskurve ^ ist eine Verminderung des Abriebs um rund 40 % erkennbar. Kurve 3 wurde an ebenfalls heißgepreßten AlpOg-Körpern von 100 % Reinheit, deren Bindemittel vorangehend"ausgeheizt worden war, gemessen.

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Me Kurven 1_ bis 4 sind somit wie folgt zuzuordnen: 1 : 100-%iges Al₀O,,, im normalen keramischen

■■■* ^ c. O

Sinterprozeß erstellt;

2. : 99,5-^iges Al₂O₃, mit Zuschlagen von Erdalkali-Oxiden zwecks Abrieb-Verminderung, ebenfalls im normalen keramischen Sinterprozeß erstellt;

3 : 100-^iges Al₀0_Q, heißgepreßt, jedoch Bindemittel

vorangehend durch Aufheizen ausgetrieben;

4 : fast 100-/£iges Al₂O₃, erfindungsgemäß.

Die weiteren Eigenschaften der der Kurve 3 zuzuordnenden Versuchskörper sind: weiße Farbe, Dichte und Härte übereinstimmend mit erfindungsgemäßen Körpern, Korngröße 2 bis 3 p, Oberflächengüte mit E. = 1 μ und E = 0,1 Ji.

Hieraus ergibt sich die folgende Arbeits-Hypothese, die jedoch noch nicht voll bestätigt ist und die den erfinderischen Gehalt des gekennzeichneten neuen Verfahrens unbeeinflußt läßt: Aus der kohlenstoffhaltigen Mischungskomponente spaltet sich beim Einhalten der erfindungsgemäßen Verfahrensvorschriften feinstverteilter, evtl. atomarer Kohlenstoff ab. Er bewirkt die. Schwarzfärbung, und als Inhibitor des Korngrößenwachstums ist -er der unmittelbare Verursacher der hohen Gleichmäßigkeit und Feinheit im Korngrößenbild. Hieraus ergeben sich sekundär die hohe Oberflächengüte, primär und sekundär die ungewöhnlich hohe Abrieb-Festigkeit. Die Eichtigkeit dieser Arbeits-Hypothese würde auch den umgekehrten Schluß zulassen: Aus einem gleichzeitigen Vorhandensein von hoher Oberflächengüte und sehr großer mechanischer Abriebfestigkeit eines dichten keramischen Körpers läßt sich eine hohe Gleichmäßigkeit und Feinheit seines Korngrößenbildes vermuten.

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Beispiel 2: βίΟ^^ΟΠ^θη QIIl ^U

Die Ausgangsmischung besteht aus 10Og Al₀O^, Qualität wie bei Beispiel 1, und 15 g 10-%iger PVA-Lösung. Die Versuchskörper werden in analoger Weise wie die des Beispiels 1 hergestellt, jedoch wird der Druck auf 400 kp/cm erhöht; die Maximal-Temperatur wird auf 1400 C gesteigert. Eigenschaften dieser Versuchskörper: .

Farbe Dichte · Härte (Rockw. HEC 45.) Korngröße Oberflächengüte Abrieb-Festigkeit

schwarz 3,95 g/cm³

u, sehr gleichmäßig wie bei Beispiel 1 siehe Zeichnung, Kurve 4*

Beispiel 3:

Die Mischung besteht aus 100 g des gleichen Al₉O₀ -Pulvers und 20 g PVA-Lösung. Die Versuchskörper werden in analoger Weise wie die des Beispiels 1 hergestellt, jedoch mit folgenden Daten:

Druck : 450 kp/cm ;

Höchsttemperatur :· 1450° C; H Haltezeit bei dieser

Temperatur s 1.0 min;

Abkühldauer innerhalb

der Presse : 30 min.

Eigenschaften dieser Versuchskörper: .

Farbe Dichte H'ärte (Rockw. HRC 45.) Korngröße Oberflächengüte .Abriebfestigkeit

schwarz
3,95 g/cm³

■iÄs> !'pt. sehr gleichmäßig wie bei Beispiel 1 siehe Zeichnung, Kurve 4

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Beispiel 4: '

Die Mischung ist die gleiche wie laut Beispiel 2, jedocb erfolgt.das Beaufschlagen der Preßlinge mit 400 lcp/cm Druck erst beim ungefähren Erreichen der Höchst-Temperatur (135O°C). Die Haltezeit bei dieser Temperatur beträgt 10 min» die Abkühlzeit innerhalb der Presse 25 min. Eigenschaften dieser Versuchskörper:

Farbe Dichte Härte (Rockw. HRC 45) torngröße Oberflächengüte Abrieb-Festigkeit

schwarz 3,96 g/cm³

1 Ji,. sehr gleichmäßig wie bei Beispiel 1 siehe Zeichnung, Kurve 4.

Beispiel 5'

Die Mischung besteht aus 100 g des gleichen Al₂0„-Pulvers und 50 g PVA-Lösung, Die Druckbeaufschlagung setzt mit Beginn des Aufheizens (Geschwindigkeit 100°C/min) sogleich mit dem Höchstwert von 400 kp/cm ein. Die Höchsttemperatur von 1450⁰C wird 5 min lang beibehalten. Eigenschaften dieser Versuchskörper:

Farbe Dichte Härte (Rockw.-HRC 45) Korngröße Oberflächengüte Abrieb-Festigkeit

schwarz 3,94 g/cm³

1 μ, sehr gleichmäßig wie bei Beispiel 1 siehe Zeichnung, Kurve 4.

Gegen-Beispiel: Um zu demonstrieren, daß die untere Grenze der Aufheizgeschwindigkeit mit 50°C/min eine kritische Grenze darstellt, die keinesfalls unterschritten werden sollte, wurden die folgenden Versuchskörper mit nur 45°C/min aufgeheizt. Die benutzte Mischung und die Behandlungs-Daten sind

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- 8 - Selb, den 19.3.1973

im übrigen die gleichen wie beim Beispiel 4. Eigenschaften dieser Versuchslcörper:

Farbe Dichte Härte (Rockw. HEC 45) Korngröße Abrieb-Festigkeit

dunkel grau 3,95 g/cm³ 90

siehe Zeichnung, Vergleichskurve 3.

Die erfindungsgemäßen Körper sind in hervorragendem Maße für alle Verwendungszwecke geeignet, bei denen ein sehr niedriger Abrieb ausschlaggebend ist und bei denen die genannten Härtegrade, die hohe Oberflächengüte und/oder die große Dichte zusätzlich unterstützende Eigenschaften sind: Schneidwerkzeuge für spanabhebende Bearbeitung, Zieh-Matrizen, Faden- und Draht-Führer, Mahlwerkzeuge, insbesondere für Mahlgut, das in empfindlicher Weise auf Fremdbeimengungen reagiert.

Die technische Fortschrittlichkeit der vorliegenden Erfindung ist außer durch die bereits genannten erzielbaren guten Eigenschaften der Keramik-Körper noch dadurch gegeben, daß das seither zwecks Erzielens dichter Sinterkörper erforderliche Ausheizen des Binde- bzw. Plastifizierungsmittels als gesonderter Verfahrensschritt entfällt.

Patentansprüche - 9 -

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Claims (11)

1. - 9 - Selb, den 19. 3. 1973

   Ee/Dr.Kl./li

   St.P. 1287

   Patentansprüche

   Qj Verfahren zum Herstellen von hochverschleißfesten Körpern aus AlgO^-Keramik, gekennzeichnet durch die zeitliche Aufeinanderfolge der folgenden Verfahrensschritte:

   a) Mischen von 100 Gew.-Teilen mindestens 98-%igem AIpO„-Pulvers handelsüblicher Feinheit mit 10 bis 50 Gew.-Teilen eines kohlenstoffhaltigen Plastifizierungsmittels, Lösungsmittels oder dergleichen.

   b) Vorpressen eines Formlings,

   c) Erhitzen der Mischkörper innerhalb einer Heißpresse bis auf einen Temperaturbereich zwischen 12 80 und 1500°C sowie Drucksintern mit einer Haltezeit von mindestens 5 min im höchsten Temperaturpunkt,

   d) Abkühlen,

   mit der Maßgabe, daß der Verfahrensschritt b) entfallen kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiges Bindemittel Polyvinylalkohol (PVA) in Lösung gewählt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 100-%iges AlgO^-Pulver gewählt wird.
4. 4· Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizgeschwindigkeit mindestens zu etwa 50°c/min gewählt wird.

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   -10 -'■■ Selb, den 19.3.1973
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 sowie 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbeaufschlagen der Preßlinge bereits bei kalter oder nur mäßig erwärmter Presse beginnt.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 oder 3 sowie 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbeaufschlagen der Preßlinge erst mit angenähertem Erreichen der Maximaltemperatur beginnt.
7. 7. Dichter keramischer Aluminiumoxidkörper, hergestellt nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche.
8. 8. Die Verwendung von Körpern gemäß Anspruch 7 als Mahlkörper.
9. 9. Die Verwendung von Körpern gemäß Anspruch 7 als Schneidkörper.
10. 10. Die Verwendung von Körpern gemäß Anspruch 7 als Führungskörper.
11. 11. Die Verwendung von Körpern gemäß Anspruch 7 als Matrizenkörper, beispielsweise als Drahtzieh-Matrize oder für ähnliche Zwecke.

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