DE69122124T2

DE69122124T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines pulverwerkstückes durch isostatisches pressen

Info

Publication number: DE69122124T2
Application number: DE69122124T
Authority: DE
Inventors: Marianne Collin; Bertil Mattson; Jan Nilsson
Original assignee: Asea Cerama AB; Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB; Saint Gobain Advanced Ceramics AB
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2011-12-13
Also published as: ATE142547T1; EP0563197A1; SE469467B; KR930703104A; IL100321A; IL100321A0; JP3176920B2; SE9004134D0; WO1992011107A1; EP0563197B1; JPH06504585A; SE9004134L; US5284616A; KR960012868B1; DE69122124D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus einem pulverisierten Material durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen eines aus dem pulverisierten Material vorgeformten porösen Körpers.
Wenn ein vorgeformter poröser Körper durch isostatisches Pressen und Sintern verdichtet und kompakt gemacht wird, erhält man die erwünschte Dichte durch Umgeben des Pulverkörpers mit einem dichten verformbaren Gehäuse. Das Gehäuse verhindert, daß das verwendete Druckmedium, normalerweise ein Gas, in den Pulverkörper eindringt. Als Gehäuse wird oftmals ein Glas verwendet, welches in der Form von Teilchen angebracht wird. Ähnlich wird in Verbindung mit bestimmten pseudoisostatischen Verdichtungsverfahren ein vor geformter Körper mit einem dichten verformbaren Gehäuse umgeben, das auch in der Lage ist, als ein druckübertragendes Medium zu fungieren.
Nachdem das Glas um den Körper herumgebracht wurde, werden der Körper und das Glaspulver, gewöhlich unter Vakuum, auf eine solche Temperatur erhitzt, daß die Glasteilchen ein dichtes zusammenhängendes Gehäuse um den vorgeformten porösen Körper herum bilden. Probleme entstehen, wenn Glas in die Poren des porösen Körpers eindringt und/oder mit an der Oberfläche liegenden Bereichen des Körpers während des anschließenden isotatischen oder pseudoisostatischen Pressens reagiert.
Spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren bei der Aufbringung von Schichten durch Tauchen. Die Schichten sollen primär als Barriere und/oder Schutzschichten dienen und verhindern, daß Glas aus dem Gehäuse in die Poren des vorgeformten porösen Körpers eindringt und/oder mit an der Oberfläche liegenden Teilen des Körpers reagiert. Nachfolgend werden diese Schichten als Zwischenschichten bezeichnet, doch betrifft die Erfindung auch die Aufbringung anderer Typen von Schichten, die die Zwischenschichten ergänzen, z. B. Schichten, die Materialien umfassen, welche das Lösen der Zwischenschicht(en) und des Glasgehäuses von dem verdichteten und gesinterten Körper verbessern sollen und nachfolgend als Ergänzungsschicht(en) bezeichnet werden.

Hintergrundstechnik

In Verbindung mit isostatischem Pressen zu einem vollständig dichten Körper, wobei man von einem pulverisierten Material ausgeht, wird ein poröser Körper durch Spritzguß, Gesenkpressen, Schlickergießen oder irgendeine andere geeignete Formungsmethode vorgeformt. Alternativ wird das Pulver in einen Behälter gefüllt, der nach dem isostatischen Pressen einen Körper der erwünschten Form und Größe ergibt. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch ein Verfahren beim isostatischen Pressen eines vorgeformten porösen Körpers. Die oben erwähnten Vorformungsverfahren können in Verbindung mit pseudoisostatischem Pressen verwendet werden.
Um während isostatischen Pressens eines porösen Körpers einen im wesentlichen dichten Körper zu erhalten, wird der Körper in ein zusammenhängendes dichtes Gehäuse oder eine Umhüllung eingeschlossen, um zu verhindern, daß das verwendete Druckmedium in das Porensystem des Körpers eindringt. Gewöhnlich wird ein Glas oder ein glasbildendes Material verwendet, das in pulverisiertem Zustand aufgebracht wird. Vor dem Verdichten durch isostatisches Pressen werden der poröse Körper und das Glaspulver erhitzt, wobei das pulverisierte Glas oder glasbildende Material so ein dichtes zusammenhängendes Gehäuse um den porösen Körper herum bildet. Probleme entstehen, wenn Glas aus dem Gehäuse in unterschiedlichem Ausmaß in den porösen Körper eindringt und/oder mit Oberflächenbereichen des porösen Körpers in Verbindung mit dem Verdichten des porösen Körpers oder während der poröse Körper verdichtet wird, reagiert.
Während pseudoisostatischen Pressens wird ein mechanischer Druck mit Hilfe eines oder mehrerer Stempel auf ein pulverisiertes oder flüssiges Medium ausgeübt, welches die Druckkraft von den Stempeln in einen im wesentlichen isostatischen Druck umformt, der auf den vorgeformten Körper einwirkt.
Aus der schwedischen Patentschrift SE-B-456 651 ist es bekannt, eine oder mehrere Schichten, die pulverisiertes Material umfassen, auf dem porösen Körper aufzubringen. Die Schichten werden auf den äußeren Oberflächen des porösen Körpers aufgebracht, die Glas ausgesetzt werden sollen. Nachfolgend werden diese Oberflächen als äußere Oberflächen bezeichnet. Äußere Oberflächen in diesem Kontext sind alle Oberflächen, die die Form des Körpers begrenzen, d.h. auch Oberflächen in offenen Hohlräumen, Vertiefungen und größeren Löchern, aber nicht innere Oberflächen, wie Oberflächen in dem Porensystem. Die Schichten werden primär aufgebracht, um das Eindringen von Glas in die Poren zu verhindern und/oder Reaktionen zwischen dem Glas und dem porösen Körper zu verhindern, Zwischenschichten. Schichten werden aber auch für andere Zwecke aufgebracht, z. B. um die Entfernung des Glasgehäuses von dem verdichteten, gesinterten, im wesentlichen vollständig dichten Körper zu erleichtern, Ergänzungsschichten.
Es ist wichtig, daß das Pulver in einer Zwischenschicht, gegebenenfalls nach bestimmter Umsetzung mit dem umgebenden Glas, bei der Preßtemperatur als eine dichte, vollständig abdeckende Barriere gegen die Eindringung von Glas in den vorgeformten Körper wirkt.
Die Aufbringung einer Zwischenschicht durch Aufsprühen kann funktionieren, doch sind die Materialverluste beachtlich, und daher ist das Verfahren zu teuer in der Produktion.
Die Aufbringung einer Zwischenschicht durch Tauchen, was eine bevorzugte Methode zur Aufbringung vom Standpunkt der Produktion aus ist, führt jedoch oftmals zu Problemen mit Blasen- und Lunkerbildung, was zu Löchern in der Zwischenschicht führt. Die Blasen- oder Lunkerbildung ist auf das Porensystem zurückzuführen und wird durch grobe oder ungleichmäßig verteilte Poren verstärkt. Ein solches Porensystem erhält man unter anderem bei Verwendung von sprühgetrocknetem Pulver. Ein besonders ungünstiges Porensystem erhält man in Material, das Whisker oder nadel- oder scheibenförmige Einkristalle oder Fasern enthält. Versuche, diese Probleme mit herkömmlichen Maßnahmen, wie durch Schließen von Oberflächenporen mit organischem Material, durch Eintauchen unter Vakuum oder Abwandlungen des Tauchverfahrens, wie Eintauchen in gekühlte Flüssigkeit und/oder oszillierendes Eintauchen, auszuschalten, führten nur zu bescheidenen Verbesserungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung beabsichtigt, eine Lösung der obenbeschriebenen Probleme mit der Blasenbildung und den begleitenden Fehlern in dem verdichteten Körper durch die folgenden Stufen während der Herstellung von Gegenständen aus einem pulverisierten Material durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen zu bekommen:
- Vorformung eines porösen Körpers aus einem pulverisierten Material, wobei dieser Körper offene Poren in Berührung mit äußeren Oberflächen umfaßt,
- Aufbringung wenigstens einer pulverisierten Schicht, einer Zwischenschicht oder Ergänzungsschicht, auf den äußeren Oberflächen des porösen Körpers durch Tauchbeschichten,
- Bedecken des vorgeformten und beschichteten Körpers mit einem Glasgehäuse, das außerhalb dieser Schicht angeordnet ist,
- Undurchdringbarmachen des Gehäuses für das Druckmedium durch Erhitzen und
- Verdichten und Verfestigen des vorgeformten Körpers zu einem im wesentlichen dichten Körper durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern des Körpers,
wobei es sich als möglich erwies, einen im wesentlichen dichten Körper frei von den Fehlern zu erzeugen, welche mit Blasen- und Bläschenbildung verbunden sind, welche aus einer ungünstigen Porenstruktur oder Porenverteilung stammt, durch die folgenden Stufe nach der Erfindung, wenn die Schicht durch Tauchen aufgebracht wird:
- Evakuieren des Porensystem des vorgeformten porösen Körpers durch Aufbringung eines Unteratmosphärendruckes,
- Aufbringung dieses Unteratmosphärendrückes mit Hilfe wenigstens eines Saugnapfes, wobei dieser Saugnapf oder diese Saugnäpfe auf einer oder mehreren der zu beschichtenden äußeren Oberflächen des vorgeformten porösen Körpers aufgebracht werden, und
- Aufbringung dieses Unteratmosphärendruckes in Verbindung mit dem Tauchen oder während des Tauchens des Körpers in einen Schlamm von in der Schicht eingeschlossenen pulverisierten Materialien.
Der auf der äußeren Oberfläche aufgebrachte Saugnapf dient zweckmäßig gleichzeitig als ein Halter für die Handhabung des Körpers in Verbindung mit dem Tauchen und während des Tauchens des vorgeformten porösen Körpers in einem Schlamm von pulverisiertem Material, das in der Schicht eingeschlossen ist. Unter einem Saugnapf versteht man nachfolgend eine Saugeinrichtung, die enge Berührung mit der zu beschichtenden äußeren Oberfläche herstellt, entweder indem man den Saugnapf aus einem flexiblen Material gestaltet, wobei der Saugnapf dann selbst gegen die äußere Oberfläche des vorgeformten Körpers abdichtet, oder indem man irgendeine Form von Dichtung zwischen der Saugeinrichtung und der erwähnten Oberfläche anordnet.
Durch Aufbringung eines Saugnapfes auf der äußeren Oberfläche des vorgeformten Körpers nach der Erfindung und seine Aufbringung in Verbindung mit dem Tauchbeschichten oder während des Tauchbeschichtens, um den vorgeformten Körper zu handhaben, während gleichzeitig ein Unteratmosphärendruck in dem Porensystem des Pulverkörpers angelegt wird, bekommt man eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Schicht im Vergleich mit Tauchen unter den gleichen Bedingungen mit dem vorgeformten Körper, der mit einer Pinzette oder mit anderen mechanischen Greif- und Stützeinrichtungen gehalten wird. Auch für poröse Materialkörper mit ungünstigen Porensystemen erhält man eine im wesentlichen gleichmäßige und blasenfreie Schicht. Dieser günstige Effekt nimmt jedoch mit der Entfernung von dem Saugnapf ab, und daher wird vorzugsweise beim Tauchbeschichten großer Körper eine Anzahl von Saugnäpfen gleichmäßig über die zu beschichtende(n) äußere(n) Oberfläche(n) verteilt aufgebracht.
Beim Eintauchen des vorgeformten porösen Körpers in einen Schlamm von Materialien, die in einer Zwischenschicht oder einer Ergänzungsschicht enthalten sind, wird das Porensystem des porösen Körpers mit einem ausreichenden Unteratmosphärendruck evakuiert, indem man wenigstens einen Saugnapf auf einer oder mehreren der Oberflächen des vorgeformten porösen Körpers aufbringt, die beschichtet werden sollen. Außer daß die Blasen- und Bläschenbildung, die durch ein ungünstiges Porensystem in dem Körper verursacht wird, ausgeschaltet wird, bekommt man durch die Aufbringung des Saugnapfes auch eine vernünftige Handhabung der vorgeformten Körper während der Aufbringung der Zwischenschicht und/- oder der Ergänzungsschicht. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erhalten, wird das Porensystem zweckmäßig mit einem Unteratmosphärend ruck in dem Saug napf zwischen 100 und 800 mbar evakuiert. Eine Schicht von erwünschter Dicke erhält man durch Wiederholung des Tauchens in mehreren Tauchoperationen mit oder ohne Zwischentrocknen. Um einen vollständig deckenden Überzug der gesamten äußeren Oberfläche oder aller äußeren Oberflächen zu gewährleisten, werden der Saugnapf oder die Saugnäpfe bewegt und in einer anderen Position wieder auf der äußeren Oberfläche oder den äußeren Oberflächen aufgebracht und wird das erforderliche Tauchen wiederholt. Vorzugsweise wird oder werden der Saugnapf oder die Saugnäpfe zu einem bereits beschichteten Teil der äußeren Oberfläche(n) bewegt und dort wieder aufgebracht. Nach dem Trocknen wird der vorgeformte poröse Körper mit einem Glasgehäuse oder einem Material, welches beim Erhitzen Glas bildet, auf der Außenseite der Schicht bedeckt. Bevor der vorgeformte Körper durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern verdichtet und verfestigt wird, wird das Gehäuse durch Erhitzen für das Druckmedium undurchdringbar gemacht.
Die Zwischenschichten sollen das Eindringen von Glas in den porösen Körper, vor allem das Eindringen von Glas in offene Poren, die in Verbindung mit der Außenoberfläche stehen, in Verbindung mit dem Verdichten und Verfestigen des porösen Körpers verhindern Bei den meisten Anwendungen ist es bevorzugt, daß die Zwischenschicht in allen wesentli chen Teilen einen kristallinen Zustand in Berührung sowohl mit dem Glasgehäuse als auch mit dem porösen Körper bei der Verdichtungstemperatur behält. Beispiele von Materialien für die Verwendung als solche oder in Kombinationen, die für die Zwischenschicht geeignet sind sind:
- intermediäre Phasen in dem System Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;, von welchen Mullit 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2;, Sillimanit Al&sub2;O&sub2; SiO&sub2; und Kyanit Al&sub2;O&sub3; SiO&sub2; (eine Hochdruckmodifikation von Sillimanit) erwähnt werden können, und
- ein pulverisiertes Material, das eine oder mehrere Substanzen, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Titannitrid oder Bornitrid, umfaßt. Besonders geeignet für die Zwischenschicht sind Materialien, die in dem porösen vorgeformten Körper enthalten sind. Ein hochschmelzendes Glas, welches nicht oder nur unbedeutend mit dem Material in der Zwischenschicht reagiert, kann verwendet werden. Als Beispiele anwendbarer hochschmelzender Glasarten können Quarzglas und ein Glas erwähnt werden, das 96,7 Gew.% SiO&sub2;, 2,9 Gew.% B&sub2;O&sub3; und 0,4 Gew.% Al&sub2;O&sub3; (Vycor ) enthält.
Bei einer Ausführungsform wird die Zwischenschicht durch eine Innenschicht ergänzt, die im folgenden als Ergänzungsschicht bezeichnet wird und die neben einer Verhinderung des Eindringens von Glas in den vorgeformten porösen Körper auch als Trennmittel dient. Die Ergänzungsschicht wird dem Körper am nächsten angeordnet und umfaßt im wesentlichen Bornitrid, um die Entfernung der Zwischenschicht und des Glasgehäuses nach dem Verdichten und Sintern zu verbessern. Bornitrid hat eine unbedeutende oder überhaupt keine Neigung, mit den festen keramischen und metallischen Materialien zu reagieren, die gewöhnlich für die Herstellung von Gegenständen durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen ausgehend von Pulver verwendet werden, und wird daher von dem verdichteten und gesinterten Körper leicht entfernt, da Bornitrid relativ geringe Festigkeit hat. Bornitrid handelsüblicher Qualitäten, das Verunreinigungen, insbesondere Boroxid in Gehalten von bis zu 2 Vol.% enthält, ist für diesen Zweck gut geeignet. Als Alternative für Bornitrid ist es je nach dem zu verdichtenden Material möglich, andere Substanzen mit einer geschichteten Struktur, wie Graphit, sowie auch mit Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Titannitrid, Titanborid usw. vermischtes Bornitrid zu verwenden.
Die Teilchengröße des Pulvers in der Zwischenschicht wird geeignet zwischen 0,1 und 200 µm, vorzugsweise kleiner als 150 µm ausgewählt, und das Material wird so aufgebracht, daß es eine Schicht mit einer Dicke zwischen 0,1 und 3 mm und vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm bildet.
Für die Ergänzungsschicht, die innerhalb der Zwischenschicht aufgebracht wird, wird die Teilchengröße zweckmäßig so ausgewählt, daß sie zwischen 0,1 und 100 µm, vorzugs weise geringer als 45 µm ist. Die Schicht wird zweckmäßig so aufgebracht, daß sie eine Dicke zwischen 0,1 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6 mm bildet.
Sowohl die Zwischenschicht als auch die Ergänzungsschicht wird gemäß der Erfindung auf dem porösen vorgeformten Körper durch Tauchen in einen Schlamm der pulverisierten Materialien, die in den betreffenden Schichten enthalten sind, aufgebracht. Der Schlamm wird zweckmäßig durch die Zugabe eines Lösungsmittels, wie von Cyclohexan, eines Ketons, von Ethanol oder eines anderen Alkohols, bis zu einem Gehalt von 80 bis 92 Volumenteilen zu dem pulverisierten Material hergestellt. Geeignete das Dispergieren und Suspendieren fördernde Mittel sowie andere oberflächenaktive Mittel werden natürlich zugesetzt, um zu gewährleisten, daß ein im wesentlichen vollständig bedeckender und gleichmäßiger Überzug des Schlammes auf dem Körper bleibt. Auf das Tauchen folgt ein Trocknen, bei dem das Lösungsmittel ausgetrieben wird, und man bekommt eine deckende gleichmäßige Schicht der erwünschten Dicke. Natürlich können mehrere Tauchoperationen mit oder ohne Zwischentrocknung durchgeführt werden, um die erwünschte Dicke der Schicht zu erhalten. Um einen gleichmäßigen und deckenden Überzug der gesamten äußeren Oberfläche(n) zu gewährleisten, werden der Saugnapf oder die Saugnäpfe bewegt und in einer anderen Position auf der äußeren Oberfläche oder den äußeren Oberflächen wieder aufgebracht und wird das erforderliche Tauchen wiederholt. Vorzugsweise wird oder werden der Saugnapf oder die Saugnäpfe zu einem bereits überzogenen Teil der äußeren Oberfläche(n) bewegt und dort wieder aufgebracht.
Das pulverisierte Material, aus welchem der Gegenstand hergestellt wird, umfaßt vorzugsweise ein keramisches oder ein metallisches Material, kann aber auch intermetallische Materialien oder Verbundwerkstoffe umfassen, die ein metallisches und ein keramisches Material umfassen.
Als Beispiele keramischer Materialien, auf die die Erfindung anwendbar ist, können zusätzlich zu den beispielhalber nachfolgend angegebenen Materialien Borcarbid, Titancarbid, Siliciumcarbid usw. erwähnt werden.
Keramische Materialien, für welche die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, sind sprühgetrocknete keramische Pulver oder keramische Pulver mit Zusätzen von Whiskern oder anderen nadel- und/oder scheibenförmigen Einkristallen oder Fasern. Whiskerverstärkte keramische Gegenstände, wie Verschleißteile oder Werkzeuge für maschinelle Bearbeitung, werden weiter im einzelnen in den Beispielen beschrieben. Die keramische Matrix besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid und Keramikmaterialien auf Aluminiumoxidbasis, aus Zirkonoxid und Keramikmaterialien auf Zirkonoxidbasis sowie aus Siliciumnitrid und Keramikmaterialien auf Siliciumnitrid basis. Die nadel- und/oder scheibenförmigen Einkristalle bestehen vorzugsweise aus Siliciumcarbid oder Carbiden, Boriden und Nitriden von Titan, Hafnium, Tantal oder Niob. Zu diesen Materialien werden gegebenenfalls Sinterhilfsmittel, Kornwachs tumsinhibitoren usw. zugegeben.
Die Erfindung ist bei der Herstellung von Gegenständen, für welche gute Oberflächen eigenschaften, wie Oberflächenhärte und Verschleißbeständigkeit, ein unerläßliches Erforder nis sind und wo Oberflächenfehler, wie Unregelmäßigkeiten, Abspanungen oder andere Brüche in der Oberflächenschicht, nicht toleriert werden können, von besonderem Wert. Beispiele von Produkten mit solchen Erfordernissen sind:
- Lagerteile, die hauptsächlich keramische Materialien, wie Aluminiumoxid und keramische Materialien auf Aluminiumoxidbasis, Zirkonoxid und keramische Materialien auf Zirkonoxidbasis, Siliciumnitrid und keramische Materialien auf Siliciumnitridbasis Borcarbid und keramische Materialien auf Borcarbidbasis sowie Titanborid und keramische Materialien auf Titanboridbasis, umfassen,
- Verschleißteile, die in der Hauptsache keramische Materialien, wie Aluminiumoxid oder keramische Materialien auf Aluminiumoxidbasis, Zirkonoxid oder keramische Materialien auf Zirkonoxidbasis, Siliciumnitrid oder keramische Materialien auf Siliciumnitridbasis, Borcarbid oder keramische Materialien auf Borcarbidbasis, Titanborid oder keramische Materialien auf Titanboridbasis oder Siliciumcarbid oder keramische Materialien auf Siliciumcarbidbasis, umfassen,
- Teile eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise solche, die Siliciumnitrid oder keramische Materialien auf Siliciumnitridbasis umfassen,
- Teile einer Gasturbine, vorzugsweise solche, die Siliciumnitrid oder keramische Materialien auf Siliciumnitridbasis umfassen,
- Einsätze zur maschinellen Bearbeitung, die hauptsächlich keramische Materialien, wie Aluminiumoxid oder keramische Materialien auf Alumiumoxidbasis, Siliciumnitrid oder keramische Materialien auf Siliciumnitridbasis oder Titanborid oder keramische Materialien auf Titanboridbasis, umfassen.
Keramische Einsätze für maschinelle Bearbeitungsverfahren, die ein keramisches Material auf der Basis von hauptsächlich Aluminiumoxid unter Zugabe von Whiskern oder Fasern aus Siliciumcarbid oder Carbiden, Boriden oder Nitriden von Titan, Tantal, Hafnium oder Niob mit Gehalten zwischen 4 und 55 Vol.% umfassen und mit Spanbrechern und Einrichtungen zum Verklammern, wie beispielsweise in der Form von Löchern oder Vertiefungen vorgeformt sind werden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ohne teures und zeitraubendes Schleifen herge stellt und erfüllen dennoch die hohen Anforderungen bezüglich der Oberflächeneigenschaften, insbesondere bezüglich einer Abwesenheit von Oberflächenfehlern, was ein Muß bei den Anwendungen mit hoher Anforderung ist, wo keramische Einsätze verwendet werden.
Metallische Materialien, für welche die Erfindung geeignet ist, sind Legierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis sowie hitzebeständige Metalle, wie Molybdän, Tantal, Wolfram usw., oder Legierungen auf der Basis hitzebeständiger Metalle. Zusätze beispielsweise von Whiskern oder Kornwachstumsinhibitoren sind üblich.
Die Erfindung ist auch auf intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise Aluminide von Titan oder Nickel, anwendbar.
Unter den Glastypen, die für das Gehäuse um den vorgeformten Körper herum verwendet werden können, können ein Glas, das 80,3 Gew.% SiO&sub2;, 12,2 Gew.% B&sub2;O&sub3;, 2,8 Gew.% Al&sub2;O&sub3;, 4,0 Gew.% Na&sub2;0, 0,4 Gew.% K&sub2;0 und 0,3 Gew.% CaO (Pyrex ) enthält, ein Glas, das 20 bis 60 Gew.% B&sub2;O&sub3;, 80 bis 40 Gew.% SiO&sub2; und 0 bis 6 Gew.% Al&sub2;O&sub3; umfaßt, weiterhin ein Aluminiumsilikat, das 58 Gew.% SiO&sub2;, 9 Gew.% B&sub2;O&sub3;, 20 Gew.% Al&sub2;O&sub3;, 5 Gew.% CaO und 8 Gew.% MgO enthält, und Teichengemische von Substanzen, wie SiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3; und Alkali- und Erdalkalioxid, die beim Erhitzen Glas bilden, erwähnt werden. Weiterhin kann ein Glas erwähnt werden, das 96,7 Gew.% SiO&sub2;, 2,9 Gew.% B&sub2;O&sub3; und 0,4 Gew.% Al&sub2;O&sub3; enthält (Vycor ), sowie auch Teilchengemische, die beim Erhitzen Glas bilden.
Der Druck und die Temperatur für das isostatische oder pseudoisostatische Pressen und das Sintern eines pulverisierten Materials hängen natürlich von den Materialien ab. Normalerweise beträgt der Druck wenigstens 100 mPa, während die Temperatur zwischen 1000 und 2100 ºC, vorzugsweise höchstens bei 1800 ºC liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen und Zeichnungen

Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen und die beiliegende Zeichnung erklärt.
Als eine Alternative zum Verdichten und Verfestigen durch isostatisches Pressen in einem Hochdruckofen, wie in den folgenden Beispielen beschrieben, kann ein mechanischer Druck auf die Glasschmelze auch mit einem oder mehreren Stempeln ausgeübt werden, wobei die Glasschmelze dann den Druck als einen im wesentlichen isostatischen Druck auf den vorgeformten Körper überträgt. Eine solche pseudoisostatische Verdichtung wird bei im wesentlichen dem gleichen Druck und der gleichen Temperatur durchgeführt, wie sie während des isostatischen Pressens in dem Hochdruckofen angewendet werden. Beispiel 1
Pulverisiertes Siliciumnitrid mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 2 µm und mit einem Zusatz von 2,5 Gew.% Y&sub2;O&sub3; und 0,5 Gew.% Fe&sub2;O&sub3; wurde in eine Kunststoffkapsel, bei spielsweise aus weichgemachtem Polyvinylchlorid oder Polyurethan, gegeben. Die Kapsel hatte im wesentlichen die gleiche Form wie der Körper, der vorgeformt wurde. Die Kapsel wurde dicht verschlossen und danach bei Raumtemperatur und bei einem Druck um 300 MPa während einer Zeitdauer von 5 min verdichtet. Nach abgeschlossener Verdichtung wurde die Kapsel entfernt und der vorgeformte poröse Körper zu der erwünschten Form und Abmessung, beispielsweise einem Körper von kugeliger Form, maschinell bearbeitet.
Der so erhaltene und in Fig. 1a gezeigte poröse Pulverkörper 10 mit offenen Poren in Verbindung mit einer Außenoberfläche hatte eine kugelige Form. Die Außenoberfläche des vorgeformten porösen Körpers wurde zunächst mit einer Ergänzungsschicht 11 aus Bornitrid beschichtet, und auf der Außenseite dieser Bornitridschicht 11 wurde eine Zwischenschicht 12 aufgebracht, die 48 Volumenteile pulverisiertes Bornitrid und 52 Volumenteile pulverisiertes Glas Vycor umfaßte. Die Schichten sind in den Figuren mit stark übertriebener Dicke gezeigt. Für die Aufbringung der Bornitridschicht 11 (siehe Fig. 3a und 3b) wurde der vorgeformte poröse Körper 10 in einen Schlamm 20 getaucht, der 27,5 Gew.% Bornitrid mit einer Teilchengröße von weniger als 45 µm, 4,6 Gew.% eines Acrylbindemittels und 67,9 Gew. % 2-Isopropanol enthielt. Die Bornitridschicht 11 wurde frei von Bläschen- und Blasenbildung durch Evakuieren des Porensystems des Körpers 10 in Verbindung mit dem Eintauchen des porösen Siliciumnitridkörpers 10 und während dessen Eintauchens in den beschriebenen Schlamm 20 mit Hilfe wenigstens eines Saugnapfes 21 aufgebracht. Der Saugnapf 21 wurde auf der äußeren Oberfläche des zu beschichtenden Körpers 10 aufgebracht. Der kugelige Siliciumnitridkörper 10 wurde so, daß sein Porensystem evakuiert wurde, mit Hilfe eines Saug napfes ergriffen, dessen Durchmesser wenigstens 3/5 des Durchmessers des Körpers 1 war. Der kugelige Körper 10 wurde zu mehr als 50 % in den Schlamm 20 eingetaucht, welcher gut entlüftet und gerührt war. Der Unteratmosphärendruck in dem Saugnapf war 550 mbar. Das Tauchen wurde dreimal wiederholt, bis die Schicht 11 0,4 mm dick war. Die Schicht 11 auf dem halbbeschichteten Körper 10 wurde mit einem Mittelwelleninfraroterhitzer getrocknet. Nach dem Trocknen wurde der Körper 10 umgewendet und wiederum ergriffen, wobei sein Porensystem so bei Wiederanlegen des Saugnapfes 20 evakuiert wurde. Der Saugnapf 21 wurde auf der äußeren Oberfläche des beschichteten Teils des Siliciumnitridkörpers 10 wieder angelegt. Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde die andere Hälfte des Siliciumnitridkörpers 10 mit einem Überlappen zwischen den Schichten von 1 bis 2 mm überzogen.
Danach wurde eine Zwischenschicht 12, die 48 Volumenteile Bornitrid und 52 Volumenteile Glas Vycor umfaßte, außen auf die Bornitridschicht 11 ähnlich durch Eintauchen und unter Benutzung der Erfindung aufgebracht. Der Körper 10 wurde in einen Schlamm eingetaucht, der 10,5 Gew. % Vycor mit einer Teilchengröße kleiner als 45 µm, 9,7 Gew.% Bornitrid mit einer Teilchengröße kleiner als 45 µm, 5,1 Gew.% eines Acrylbindemittels und 74,7 Gew.% Ethylmethylketon umfaßte. Nach dem Trocknen hatte die Zwischenschicht 12 eine Dicke von 0,6 mm.
Der vorgeformte kugelige Körper 10 mit der aufgebrachten Bornitridschicht 11 und der Zwischenschicht 1 2, die ein Gemisch von Bornitrid und des pulverisierten Glases Vycor umfaßte, wurde, wie in Fig. 2 gezeigt, mit einem Gehäuse 1 3 aus Glas versehen. Das Glasgehäuse 13 wurde hergestellt, indem der Körper 10 zusammen mit Glasteilchen in einem Graphitschmelztiegel 14 angeordnet wurde, der innen mit einer Bornitridschicht 15 versehen war. Das Glas umfaßte 80,3 Gew.% SiO&sub2;, 12,2 Gew.% B&sub2;O&sub3;, 8,2 Gew.% Al&sub2;O&sub3;, 4, Gew.% Na&sub2;O, 0,4 Gew.% K&sub2;O und 0,3 Gew.% CaO. Der Schmelztiegel 14 mit seinem Inhalt wurde in einen Ofen gegeben, in welchem die Bindemittel in Schichten 11 und 12, die Acrylate, im Vakuum entfernt wurden, während die Temperatur nach und nach auf 600 ºC gesteigert und auf diesem Wert während einiger Stunden gehalten wurde. Danach wurde der Schmelztiegel 14 mit dem vorgeformten Körper 10 und den Glasteilchen 1 3 in einen Hochdruckofen gegeben, in welchem der Druck durch die Zufuhr eines gasförmigen Druckmediums, wie beispielsweise Argon, erzeugt werden kann und in welchem die erforderliche Temperatur mit herkömmlichen Heizeinrichtungen erreicht wurde.
Zunächst wurde der Schmelztiegel 14 auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1200 ºC bei Atmosphärendruck gebracht, so daß das Glasgehäuse 13 eine Schmelze bildete und undurchdringbar für das gasförmige Druckmedium wurde. Sodann wurden der Druck auf 1 50 mPa und die Temperatur auf zwischen 1700 und 1750 ºC angehoben, und diese Bedingungen wurden während einer Zeitdauer von 1 h gehalten.

Beispiel 2

Das gleiche Verfahren, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde zur Herstellung von Gegenständen aus Siliciumnitrid mit höheren Gehalten an sinterungsfördernden Mitteln, 6 Gew.% Y&sub2;O&sub3;, 2 Gew.% Al&sub2;O&sub3;, wobei der Rest aus Siliciumnitrid bestand, angewendet.

Beispiel 3

Das gleiche Verfahren, wie in Beispiel 1, wurde verwendet, um Siliciumnitrid blätter für Gasturbinen unter Zusatz von 4 Gew.% Y&sub2;O&sub3;, 0,2 Gew.% Fe&sub2;O&sub3; und 0,5 Gew.% SiO&sub2; herzustellen. Die Blätter wurden mit Hilfe mehrerer Saugnäpfe 21, die gleichmäßig über der oberen Außenoberfläche der Blätter 10 verteilt waren, während und in Verbindung mit der Aufbringung der Bornitridschicht 11 und der Zwischenschicht 12 durch Tauchen ergriffen und ihr Porensystem wurde dabei evakuiert.

Beispiel 4

Das gleiche Verfahren, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde verwendet, um Gegenstände, wie beispielsweise keramische Schneidwerkzeuge oder keramische Einsätze, eines Keramikmaterials auf Siliciumnitridbasis herzustellen, das 97 Gew.% Siliciumnitrid, 2,5 Gew.% Yttriumoxid und 0,5 Gew.% Eisenoxid umfaßte.

Beispiel 5

Zu pulverisiertem Aluminiumoxid wurden 25 Gew.% Siliciumcarbid in der Form von Whiskern zugegeben, worauf zwei Gemische, eines mit und eines ohne Preßmittel, zu Agglomeraten mit einer Größe von etwa 50 µm sprühgetrocknet wurden.
Agglomeriertes Material ohne Preßmittel wurde durch uniaxiales Heißpressen bei 1 850 ºC und 30 MPa zu einer Scheibe gepreßt und gesintert. Aus dieser Scheibe wurden Rohlinge für Einsätze geschnitten und zu runden Einsätzen mit einem Durchmesser von 6 mm und einem Spanwinkel von 5º geschliffen.
Agglomeriertes Material mit Preßmittel wurde zu einem Körper 10 mit einer speziellen Geometrie in einem Werkzeug geformt. Der vorgeformte Körper 10 wurde in einem kombinierten Zyklus mit Bindemittelentfernung und Vorsinterung mit einer Endtemperatur von 1300 ºC hitzebehandelt. Der vorgesinterte Körper 10 wurde mit einem Saugnapf 21 ergriffen, und das Porensystem des Körpers wurde durch Anlegung eines Unteratmosphärendruckes von 550 mbar evakuiert. Der Unteratmosphärendruck wurde durch den Saugnapf 21 angelegt. Der Körper 10 wurde dann gemäß der Beschreibung des Beispiels 1 getaucht, das Porensystem des Körpers 10 wurde während des Tauchens und in Verbindung mit dem Tauchen zunächst in einem Schlamm 20 von Bornitrid und dann in einem Schlamm 20 von Mullit evakuiert gehalten. Der mit zwei Schichten 11, 12 versehene Körper 10 wurde danach in ein Glaspulverbett 13 gegeben, das in einem Graphitschmelztiegel 14 eingeschlossen war. Der Schmelztiegel 14 mit seinem Inhalt wurde in einen Hochdruckofen überführt, die Bindemittel in den Schichten wurden gemäß Beispiel 1 entfernt, und die Temperatur wurde auf 1000 bis 1200 ºC bei Atmosphärendruck gesteigert, so daß das Glas 13 schmolz und für das Druckmedium undurchdringbar wurde. Der Druck wurde auf 160 MPa und die Temperatur auf 1550 ºC angehoben, und diese Bedingungen wurden 1 h gehalten.
Nach dem Kühlen wurden die Glas- und die Schutzschicht entfernt, und das Schneidteil des Körpers 10 wurde zu einem Durchmesser von 6 mm geschliffen.
Vor einem Testsprayen erhielten beide Einsatztypen eine Kantenrundung von 30 pm Der Drehtest wurde mit einem hitzebeständigen Material, INCONEL 718, bei einer Schneidge schwindigkeit von 200 m/min mit einer Schneidtiefe von 1 mm und einem Vorschub von 0,1 5 mm/U durchgeführt. Beide Einsatztypen zeigten gleich gute Flanken- und Kerbverschleißzähig keit und keine Neigung zum Abspanen oder Brechen der Kanten.
Die durch heißes isostatisches Pressen nach der Erfindung hergestellten Einsätze zeigten keine Oberflächenfehler, die gewöhnlich auftreten, wenn die Oberfläche des Einsatzes durch das Eindringen von Gas in Verbindung mit dem heißen isostatischen Pressen verletzt wurde.
Dieser Test zeigt, daß durch Aufbringung der Schutzschichten nach der Erfindung Einsätze erhalten werden, die den hohen Anforderungen genügen, denen sie durch Metallschneidverfahren ausgesetzt sind, und daß nach der Erfindung hergestellte Einsätze im wesentlichen frei von Fehlern sind, die aus dem Herstellungsverfahren stammen. Außerdem können die Einsätze direkt mit der erwünschten Geometrie, wie mit Spanbrechern und Einrichtungen zum Verklammern in der Form von Löchern oder Vertiefungen, geformt werden, die normalerweise teure und zeitraubende anschließende maschinelle Bearbeitung der Rohlinge erfordern würden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus pulverisiertem Material durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen, bei dem

- ein poröser Körper (10) mit offenen Poren in Verbindung mit einer äußeren Oberfläche aus einem pulverisierten Material vorgeformt wird,

- wenigstens eine Schicht (11, 12) eines pulverisierten Materials auf der äußeren Oberfläche des vorgeformten porösen Körpers durch Tauchbeschichten aufgebracht wird,

- darauf der vorgeformte poröse Körper mit einem Gehäuse (13) aus Glas oder einem beim Erhitzen glasbildenden Material, das auf der Außenseite dieser Schicht angeordnet wird, bedeckt wird,

- das Gehäuse durch Erhitzen für das Druckmedium undurchlässig gemacht wird und

- der vorgeformte Körper durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern zu einem im wesentlichen dichten Körper verdichtet und verfestigt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Porensystem des vorgeformten porösen Körpers (10) durch Anlegen eines Unteratmosphärendruckes evakuiert wird,

- der Unteratmosphärendruck mit Hilfe wenigstens eines Saugnapfes (21) angelegt wird, wobei dieser Saugnapf auf einer oder mehreren der zu beschichtenden äußeren Oberflächen aufgebracht wird, und

- der Unteratmosphärendruck in Verbindung mit dem Tauchen und während des Tauchens des Körpers in einen Schlamm (20) pulverisierter Materialien, die in den Schichten (11, 12) enthalten sind, angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Porensystem des vorgeformten porösen Körpers (10) mit einem Unteratmosphärendruck in dem Saugnapf (21) zwischen 100 und 800 mbar evakuiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des vorgeformten porösen Körpers (10) mit einer Zwischenschicht (1 2) in der Form eines pulverisierten Materials beschichtet wird, das als eine Barriere oder Schutzschicht wirkt und Glas daran hindert, in die Poren des Körpers einzudringen und/oder mit dem Oberflächenbereich des Körpers zu reagieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des vorgeformten porösen Körpers (10) mit einer ergänzenden Schicht (11) überzogen wird, die im wesentlichen ein Trennmittel für das Glasgehäuse darstellt und vorzugsweise ein Material umfaßt, welches keine oder unbedeutende Neigung hat, mit dem Körper unter den Sinterbedingungen zu reagieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine ergänzende Schicht (11) in unmittelbarer Berührung mit der äußeren Oberfläche des vorgeformten porösen Körpers (10) angeordnet wird und die ergänzende Schicht so beschaffen ist, daß sie leicht von dem Körper zusammen mit der äußeren Schicht (12) in dem Glasgehäuse (1 3) nach dem isostatischen oder pseudoisostatischen Pressen entfernt wird, und die ergänzende Schicht wenigstens Bornitrid oder eine andere kristalline Substanz mit einer Schichtstruktur, wie Graphit, enthält.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeformte poröse Körper (10) mit der auf dem Körper aufgebrachten Schicht (11, 1 2) in einem Schmelztiegel (14) mit pulverisiertem Glas (13) oder einem glasbildenden Material angeordnet wird, die verwendeten Bindemittel und anderen organischen Substanzen entfernt werden, die Temperatur auf 1000 bis 1200 ºC gesteigert wird, wobei das Glas so um den Körper ein Gehäuse bildet, welches für das verwendete Druckmedium undurchdringbar ist, und danach der Körper isostatisch oder pseudoisostatisch bei einem 100 mPa übersteigenden Druck und bei einer Temperatur zwischen 1000 und 2100 ºC verdichtet und verfestigt wird.

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen zu einem Lagerteil verdichtet und verfestigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerteil eine Kugel ist und die Kugel im wesentlichen Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Titanborid oder ein keramisches Material auf der Basis eines oder mehrerer dieser Materialien umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern zu einem Verschleißteil verdichtet und verfestigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschleißteil im wesentlichen Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Titanborid, Siliciumcarbid und/oder ein keramisches Material auf der Basis eines oder mehrerer dieser Materialien umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschleißteil ein Verbundwerkstoff von keramischen Materialien ist und das keramische Material Fasern oder nadelförmige und/oder scheibenförmige Einkristalle enthält, die beispielsweise Siliciumcarbid oder Carbide, Boride und Nitride von Titan, Tantal, Hafnium oder Niob umfassen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern zu einem Teil eines Verbrennungsmotors verdichtet und verfestigt wird und das keramische Material vorzugsweise auf Siliciumnitrid basiert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern zu einem Teil einer Gasturbine verdichtet und verfestigt wird und das keramische Material vorzugsweise auf Siliciumnitrid basiert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) durch isostatisches oder pseudoisostatisches Pressen und Sintern zu einem Werkzeugeinsatz verdichtet und verfestigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugeinsatz im wesentlichen Siliciumnitrid oder Titanborid umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugeinsatz im wesentlichen Aluminiumoxid umfaßt.

1 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkzeugeinsatz Fasern oder nadelförmige und/oder scheibenförmige Einkristalle, die vorzugsweise Siliciumcarbid oder Carbide, Boride und Nitride von Titan, Tantal, Hafnium oder Niob umfassen, in Gehalten zwischen 4 und 55 Vol.% umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Einsatz mit Spanbrechern versehen ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Einsatz mit Verklammerungseinrichtungen vesehen ist.