DE4212605C2 - Verfahren zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens eines Sinterkörpers und Dilatometer zur Durchführung eines derartigen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens eines Sinterkörpers aus einem Sintermaterial, der in einem Sintermaterial ent­ haltenden Sintergefäß untergebracht ist und einem Sin­ terprozeß unterzogen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Dilatometer zur Durchführung eines solchen Verfah­ rens sowie die Verwendung eines Dilatometers zum Ermit­ teln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens eines Sinter­ körpers.

Zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens von Sinterkörpern während des Sinterungsprozesses bedient man sich sogenannter Dilatometer. Allerdings wird mit solchen Dilatometern nicht das Verdichtungsverhalten des zu sinternden Sinterkörpers (Sintergutes) selbst gemes­ sen, sondern das Verdichtungsverhalten wird vielmehr aus dem Dehnungs-/Schwindungsverhalten eines Referenzproben­ körpers ermittelt, der gemeinsam mit dem Sinterkörper dem Sinterprozeß ausgesetzt ist. Der Referenzprobenkör­ per und der Sinterkörper bestehen aus dem gleichen Sin­ termaterial. Bei dem Sintermaterial handelt es sich bei­ spielsweise um ein Gemisch aus einem keramischen Pulver und einem Sinterhilfsmittel in Form von Glasbildnern, bei denen es sich um Metalloxide handeln kann, die während der Sinterung schmelzflüssige Phasen bilden. Während der Sinterkörper in pulverförmigem Material, dessen Zusammensetzung ähnlich derjenigen des Sinter­ materials ist, eingebettet und in einem Sintergefäß aus vorzugsweise ebenfalls diesem Sintermaterial unterge­ bracht ist, befindet sich der Referenzprobenkörper in dem Probenaufnahmeraum des Dilatometers. Das Dilatometer ist mit einem Meßstab versehen, der federnd an dem Referenzprobenkörper anliegt und sich aufgrund der Federkraft bei sich verdichtendem Referenzprobenkörper bewegt. Die Bewegung wird beispielsweise induktiv erfaßt und in ein Meßsignal umgewandelt. Werden Referenzproben­ körper mit definierter Dichte und Geometrie verwendet, so ist die Schwindung und damit über geometrische Be­ ziehungen der Zustand des eigentlich zu untersuchenden Sinterkörpers genau beobachtbar. Die Kenntnis des Ver­ dichtungsverhaltens kann zur Optimierung des von vielen Parametern abhängigen Sinterprozesses eines Materials beitragen.

Aus FR 2 524 644 ist ein Differential-Dilatometer be­ kannt, bei dem das Dehnungs-/Schwindungsverhalten anhand der Differenz des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens zweier Proben gleicher geometrischer Gestalt jedoch aus ge­ gebenenfalls unterschiedlichem Material ermittelt wird.

Wie sich herausgestellt hat, geben die Dilatometer das Dehnungs-/Schwindungsverhalten des Sinterkörpers leider recht ungenau wieder. Dies liegt daran, daß der Proben­ aufnahmeraum nicht über eine abgeschlossene Fein­ atmosphäre (Gleichgewichtspartialdruck) verfügt, ins­ besondere die Bedingungen im Probenaufnahmeraum nicht denjenigen im Sintergefäß entsprechen, da hier schmelz­ flüssige Phasen unkontrolliert verdampfen können. Der Sintermechanismus der Referenzprobe ist aufgrund des Abdampfens der Sinteradditive nicht mit dem Sinter­ mechanismus des Sinterkörpers vergleichbar, was sich in unterschiedlichen Sinterdichten zeigt. Die Messungen, die eigentlich dazu dienen sollen, das Sinterverhalten des Sinterkörpers zu beschreiben, haben somit lediglich einen geringen Aussagewert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens eines Sinterkörpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen, bei denen das durch Messung ermittelte Sinterverhalten des Referenz­ probenkörpers in hohem Maße den Verhältnissen des eigentlich zu untersuchenden Sinterkörpers entsprechen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem in den Probenaufnahmeraum des Dilatometers zusätz­ lich zum Referenzprobenkörper Sintermaterial eingebracht wird und der derart präparierte Probenaufnahmeraum zu­ sammen mit dem Sintergefäß dem Sinterprozeß unterzogen wird.

Nach der Erfindung wird in den Probenaufnahmeraum zu­ sätzlich zum Referenzprobenkörper ein Material (Sinter­ material in Pulverform) eingebracht, das die gleiche Zusammensetzung wie das Material des Referenzprobenkör­ pers aufweist. Bei dem Material handelt es sich also um das Sintermaterial, aus dem auch der Referenzprobenkör­ per besteht. Da nun der Probenaufnahmeraum die gleichen Materialien enthält wie das Sintergefäß, stellt sich in beiden Räumen die gleiche Sinteratmosphäre mit den gleichen Gleichgewichtspartialdrücken ein. Die Gewichts­ verluste des Referenzprobenkörpers sind mit denjenigen des Sinterkörpers nahezu identisch, da auch im Proben­ aufnahmeraum für einen Ausgleich der Partialdrücke ge­ sorgt wird und diese Sinteratmosphäre "gefangen" gehal­ ten wird. Damit entspricht das Verdichtungsverhalten des Referenzprobenkörpers demjenigen des Sinterkörpers.

Anhand der Untersuchung des Sinterverhaltens an Si₃N₄- Proben ist die Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens im Labor untersucht worden. Die Si₃N₄-Proben bestanden zu ca. 95 Gew.-% aus Si₃N₄, während der verbleibende Ge­ wichtsanteil Sinterhilfsmittel wie z. B. Al₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂ usw. war. Dieser Sinterkörper wurde zusammen mit dem Referenzprobenkörper derselben Zusammensetzung einem Sinterprozeß mit Temperaturen bis zu 1.925 °C und einem maximalen Druck von ca. 100 bar ausgesetzt. Als Gas wurde Stickstoff in den Sinterofen eingelassen. Der Stickstoff bildete mit dem Si₃N₄ und den Sinterhilfs­ mitteln in dem Probenaufnahmeraum und im Sintergefäß (Si₃N₄-Tiegel mit Sinterbett) vergleichbare Fein- oder Sinteratmosphären (die Gleichgewichtspartialdrücke innerhalb des Probenaufnahmeraums waren mit denjenigen innerhalb des Sintergefäßes vergleichbar). Bei derarti­ gen Prozessen konnte zwischen dem gesinterten Sinter­ körper und dem gesinterten Referenzproben­ körper ein Dichteunterschied von kleiner 1% an Ver­ sätzen erzielt werden, wenn im gesinterten Zustand ge­ schlossene Porosität erreicht wurde. Dies zeigt, wie genau das Sinterverhalten des Sinterkörpers durch Me­ ssung des Sinterverhaltens des Referenzprobenkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden kann.

Durch diese extrem genaue Nachbildung des Sinterverhal­ tens des Sinterkörpers anhand des Referenzprobenkörpers läßt sich überdies die Gefügebildung und -entwicklung gezielt beobachten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte eine wesentlich bessere Auflösung der drei nach Kingery beim Sintern von Si₃N₄ auftretenden Sinter­ mechanismen Lösung/Ausscheidung, Umlagerung und Diffu­ sion gefunden werden. Die Beobachtung der Gefügeentwick­ lung und -bildung ist derart genau, daß Abbruchzyklen exakt gefahren werden können. Wird also durch Messung des Verdichtungsverhaltens des Referenzprobenkörpers beispielsweise der erste Sintermechanismus nach Kingery detektiert und der Sinterprozeß abgebrochen, so hat sich bei anschließender Untersuchung des Sinterkörpers herausgestellt, daß dieser bezüglich seines Gefüges dem­ jenigen des Referenzprobenkörpers im hohen Maße gleicht.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß das Sintermaterial, das innerhalb des Proben­ aufnahmeraums für die Schaffung einer der Feinatmosphäre des Sintergefäßes entsprechenden Sinteratmosphäre ver­ antwortlich ist, physikalisch getrennt von dem Referenz­ probenkörper angeordnet wird. Hierdurch werden Probleme bezüglich der Übertragung des Dehnungs-/Schwindungsver­ haltens des Referenzprobenkörpers auf die Mechanik des Dilatometers verhindert. Vorzugsweise ist zwischen dem Referenzprobenkörper und dem Sintermaterial ein Trenn­ material angeordnet, daß bei den zum Sintern erforder­ lichen Bedingungen chemisch neutral ist. Beim Sintern von Si₃N₄ hat sich Bornitridpulver als ein geeignetes Trennmaterial erwiesen, da es keine Affinität zu den umgebenden Materialien aufweist, wenn es den zum Sintern von Si₃N₄ erforderlichen Bedingungen ausgesetzt wird.

Das zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens eingesetzte Dilatometer weist einen Probenaufnahmeraum auf, der derart ausgelegt ist, daß er neben dem Refe­ renzprobenkörper auch Material für ein Sinterbett auf­ nehmen kann. Das Sinterbett, das aus dem gleichen Mate­ rial wie der Referenzprobenkörper besteht, schafft dabei die Sinteratmosphäre mit Gleichgewichtspartialdrücken so, wie sie im Sintergefäß anzutreffen sind.

Vorteilhafterweise ist der Probenaufnahmeraum mit einer Keramikauskleidung versehen. Die Keramikauskleidung be­ steht aus dem gleichen Material wie der Referenzproben­ körper, dessen Material gleich dem Sinterkörper ist, dessen Schwindungs-/Dehnungsverhalten nachempfunden werden soll.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß oberhalb des Referenzprobenkörpers eine erste Trennschicht aus einem bei den Bedingungen des Sinter­ prozesses chemisch neutralen Trennmaterial angeordnet ist; auf diesem Trennmaterial befindet sich das Sinter­ bett, über dem eine zweite Lage Trennmaterial angeordnet ist. Die Trennmaterialschicht zwischen dem Sinterbett und dem Probenreferenzkörper sorgt dafür, daß kein Sin­ termaterial an dem Referenzprobenkörper haftet, die Mechanik des Dilatometer-Meßsystems also nicht beein­ trächtigt wird. Der Einschluß des Sinterbetts durch die oberhalb von diesem angeordnete Trennmaterialschicht bewirkt, daß die Feinatmosphäre innerhalb des Probenauf­ nahmeraums aufrechterhalten bleibt, da die obere Trenn­ materialschicht den Atmosphärenaustausch zwischen Pro­ benaufnahmeraum und Sinterofeninnenraum erschwert. Zu­ sätzlich ist die Beschickungsöffnung des Probenaufnahme­ raums verschließbar.

Nachfolgend wird anhand der Figuren der Meßkopf eines erfindungsgemäßen Dilatometers zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Meßkopf mit Proben­ aufnahmeraum eines Dilatometers und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Meßkopf gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeils II bei abgenommenem Ver­ schlußdeckel und ohne Sinterbett sowie Sinter­ hilfsmittel.

In den Figuren ist der Einfachheit halber lediglich der Meßkopf 10 eines Dilatometers in Schnittansicht und Draufsicht dargestellt. Mit Hilfe des Dilatometers wird das Schwindungsverhalten eines Referenzprobenkörpers 12 ermittelt, der aus dem gleichen Sintermaterial besteht wie ein Sinterkörper, dessen Sinterverhalten es zu er­ mitteln gilt. Der Dilatometer-Meßkopf 10 und das den Sinterkörper aufnehmende Sintergefäß sind gemeinsam in einem Sinterofen untergebracht, in dem die für den Sin­ terprozeß erforderlichen Bedingungen, insbesondere die erforderliche Temperatur und der erforderliche Druck, herrschen.

Mit dem Dilatometer, dessen Meßkopf 10 in den Figuren dargestellt ist, soll das Sinterverhalten eines Si₃N₄- Sinterkörpers untersucht werden. Bei Si₃N₄ handelt es sich um einen keramischen Werkstoff, der von sich aus nicht sintert, wenn er den Sinterbedingungen ausgesetzt wird. Daher ist dem Si₃N₄ ein Sinterhilfsmittel hinzu­ gefügt. Das Sinterhilfsmittel, bei dem es sich um ein Metalloxid (Glasbildner), beispielsweise Al₂O₃, Y₂O₃ oder ZrO₃ usw. handelt, macht etwa 5 Gew.-% des Sinter­ körpers aus. Der Referenzprobenkörper 12 weist dieselbe Materialzusammensetzung auf wie der eigentlich zu unter­ suchende Sinterkörper. Der Referenzprobenkörper 12 liegt genauso wie der Sinterkörper in einem Zustand vor, in dem die Dichte des Materials etwa 60% der theoretisch erreichbaren Dichte beträgt.

Der Meßkopf 10 weist ein Rohr 14 auf, in dem ein koaxial angeordneter Hohlraum 16, ausgebildet ist. Der Hohlraum 16 ist zu dem einen Ende 18 des Rohres 14 hin durch einen Schraubverschluß 20 verschlossen. Diese Öffnung ist konstruktionsbedingt, um vom Ende 18 des Rohres 14 her den Hohlraum 16 im Rohr 14 auszubilden und zu be­ schicken. Zwischen dem anderen Ende 22 des Rohres 14 und dem Hohlraum 16 besteht eine Verbindung über eine Durch­ gangsbohrung 24, an die sich eine Durchgangsbohrung 26 mit geringerem Durchmesser die Durchgangsbohrung 24 an­ schließt und bis zum Hohlraum 16 führt. Durch die Boh­ rungen 24, 26 ist ein Meßstab 28 geführt, der federnd in Richtung auf den Hohlraum 16 vorgespannt ist und teil­ weise in diesen hineinragt.

Der Hohlraum 16 weist eine Auskleidung 30 aus Si₃N₄ auf. Das Rohr 14 ist mit einer radialen Öffnung 32 versehen, die bis in den Hohlraum 16 hineinreicht. Auf die Öffnung 32 aufgesetzt ist ein Hohlkörper 34 mit rechteckigem Querschnitt, der mit dem Rohr 14 dicht verbunden ist und dessen Längsachse senkrecht zur Längsachse des Rohres 14 verläuft. Das Rohr 14 erstreckt sich quer durch den Hohlkörper 34 hindurch. Das dem Rohr 14 abgewandte Ende 36 des Hohlkörpers 34 ist durch einen Verschlußdeckel 38 verschlossen. Der Hohlkörper 34 besteht aus Bornitrid- Pulver und weist eine Auskleidung 40 aus ebenfalls Si₃N₄ auf.

Zur Präparierung des Meßkopfes 10 wird wie folgt ver­ fahren. Zunächst wird der Verschlußdeckel 38 abgenommen, die Auskleidung 40 herausgezogen und der Si₃N₄-Referenz­ probenkörper 12 in den durch die Auskleidung 30 bestimm­ ten Probenaufnahmeraum 31 eingeführt. Der verbleibende Ringraum um den Referenzprobenkörper 12 wird mit Bor­ nitridpulver ausgefüllt und die Auskleidung 40 in das offene Ende des Hohlkörpers 34 hineingeschoben. An­ schließend wird bei abgenommenem Deckel 38 in den Hohl­ körper 34 Bornitrid-Pulver eingefüllt. Die dadurch ent­ stehende Bornitrid-Pulverschicht ist in Fig. 1 mit 42 bezeichnet. Auf die Bornitrid-Pulverschicht 42 wird nun das Material für das Sinterbett 44, also eine Mischung aus Si₃N₄ und Sinterhilfsmitteln, aufgebracht. Auf diese vergleichsweise dicke Lage wird wiederum Bornitridpulver aufgebracht, das den Raum 46 ausfüllt. Anschließend wird der Verschlußdeckel 38 auf das Hohlkörper-Ende 36 aufge­ legt.

Beim anschließenden Sinterprozeß entsteht aufgrund des Sinterbettes 44 in dem Hohlkörper 34 um den Referenz­ probenkörper 12 herum eine Sinteratmosphäre mit Gleich­ gewichtspartialdrücken, die denjenigen im Sintergefäß gleichen, in dem neben dem Sinterkörper ebenfalls ein Sinterbett untergebracht ist. Das den Referenzproben­ körper 12 umgebende Bornitrid hat im wesentlichen fixie­ rende Funktion. Fixierende Funktion hat überdies auch das gesamte in den Meßkopf 10 eingebrachte Pulvermate­ rial (Bornitrid und Sinterbett). Der Referenzprobenkör­ per 12 ist also innerhalb des Meßkörpers 10 exakt den­ jenigen Bedingungen, was die Gleichgewichtspartialdrücke angeht, ausgesetzt, wie der Sinterkörper im Sintergefäß. Bei bekannter Geometrie und Dichte des Referenzproben­ körpers 12 kann also aus dessen Verdichtungsverhalten auf das Sinterverhalten des Sinterkörpers geschlossen werden, wobei diese Übertragung extrem genau ist und zu genauen Ergebnissen führt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungs­ verhaltens eines Sinterkörpers aus einem Sinter­ material, der in einem Sintermaterial enthaltenden Sintergefäß unterbracht ist und einem Sinterprozeß unterzogen wird, bei dem

• - ein Referenzprobenkörper (12), der aus dem gleichen Sintermaterial wie der Sinterkörper besteht, in einen Probenaufnahmeraum (31) ein­ gebracht wird,
• - in dem Probenaufnahmeraum (31) zusätzlich Sin­ termaterial (44) eingebracht wird,
• - der Referenzprobenkörper (12) dem gleichen Sin­ terprozeß wie der Sinterkörper ausgesetzt wird und
• - das Dehnungs-/Schwindungsverhalten des Sinter­ körpers anhand des gemessenen Dehnungs-/Schwin­ dungsverhaltens des Referenzprobenkörpers (12) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial (44) in dem Probenaufnahme­ raum (31) physikalisch getrennt von dem Referenz­ probenkörper (12) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Referenzprobenkörper (12) und dem Sintermaterial (44) bei den zum Sin­ tern erforderlichen Bedingungen chemisch neutrales Trennmaterial (42) angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial (44) in den Probenaufnahme­ raum (31) zwischen zwei Schichten (42, 46) aus Trennmaterial angeordnet wird.

5. Dilatometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem verschließ­ baren Probenaufnahmeraum (31) für den Referenzpro­ benkörper (12), wobei in den Probenaufnahmeraum (31) neben dem Referenzprobenkörper (12) auch Sin­ termaterial (44) eingebracht ist.

6. Dilatometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sintermaterial (44) von dem Referenz­ probenkörper (12) getrennt in den Probenaufnahme­ raum (31) angeordnet ist.

7. Dilatometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Referenzprobenkörper (12) durch ein bei den Sinterbedingungen chemisch neutrales Trennmaterial (42) von dem Sintermaterial (44) ge­ trennt ist.

8. Dilatometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Referenzprobenkörper (12) mit einer Schicht aus Trennmaterial (42) versehen ist, auf die das Sintermaterial (44) aufgebracht ist, und daß das Sintermaterial (44) durch eine weitere Schicht aus Trennmaterial (46) bedeckt ist.

9. Dilatometer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Probenaufnahmeraum (31) mit gesintertem Sintermaterial ausgekleidet ist.

10. Verwendung eines Dilatometers zum Ermitteln des Dehnungs-/Schwindungsverhaltens eines in einem Pro­ benaufnahmeraum angeordneten Referenzprobenkörpers aus einem Sintermaterial zwecks Ermittlung des Dehnungs-/ Schwindungsverhaltens eines Sinterkörpers aus Sintermaterial, der in einem Sintermaterial aufweisenden Sintergefäß angeordnet ist, wobei in dem Probenaufnahmeraum (31) Sintermaterial (44) eingebracht wird und das den Referenzprobenkörper (12) und das Sintermaterial (44) enthaltende Dila­ tometer zusammen mit dem den Sinterkörper und das Sintermaterial enthaltende Sintergefäß dem Sinter­ prozeß zum Sintern des Sinterkörpers ausgesetzt wird.