DE4206007A1 - Hochtemperatur-sinterhilfsmittel - Google Patents

Description

1. Diskussion Stand der Technik 1.1. Sintern

In der Pulvermetallurgie bezeichnet man als Sintern eine Wärmebehandlung von zuvor gepreßtem, geschüttetem oder gewalztem Metallpulver bei Temperaturen, die entweder unterhalb der absoluten Schmelztemperatur für reine Metalle und bei Mischungen einer Temperatur dicht unter dem Schmelzpunkt der am höchsten schmelzenden Pulverart entsprechen.

Bei hohen Temperaturen setzen Diffusionsvorgänge ein, bei welchen die einzelnen Teilchen an ihren Berührungsstellen zusammenwachsen. Die Sintertemperaturen liegen z. T. bei 1300-1600°C, je nach Pulverzusammensetzung.

In der Keramik führt das Sintern zur Verdichtung und Härtung einer geformten Rohmasse oder - bei technischer oder sog. High-Tech-Keramik - zu einer Phasenreaktion an den Kornoberflächen, danach zu einer Oberflächendiffusion längs der Korngrenzen und schließlich zur Sammelkristallisation.

Beim sog. Schmelzsintern werden die Rohstoffe bis zum Erreichen einer eutektischen Schmelze erhitzt.

1.2. Sinterhilfsmittel

Zum Sintern werden sog. Brenn- oder Sinterhilfsmittel benötigt. Das sind Unterlagen und/oder Stützen, die während des Hochtemperatur-Sinterprozesses dem Sintergut eine Auflage dergestalt gewähren, daß während des Durchschreitens der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur einzelner Metallpulver- bzw. keramischer Komponenten, das Sintergut seine geometrische Gestalt behält.

Sinterunterlagen müssen daher nicht nur eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, d. h. auch bei hohen Temperaturen eine hohe mechanische Stabilität aufweisen, sondern auch hohe Anforderungen im Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erfüllen. Außerdem sollen sie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und sich nicht an den bei hohen Temperaturen einsetzenden Diffusions- und Reaktionsprozessen des jeweiligen Sintergutes beteiligen.

Gute Erfahrungen liegen mit solchen Sinterunterlagen auf Graphit-, Siliciumcarbid- oder Cordieritbasis vor. Allerdings ist Cordierit nur bis ca. 1350°C einsetzbar, Siliciumcarbid ist bis 1500°C in oxidierender, in neutraler und schwach reduzierender Atmosphäre bis 1700°C, einsetzbar.

Alle der angeführten, geeigneten Sinterhilfsmittelwerkstoffe sind mit einer gewissen Porosität ausgestattet, um insbesondere die geforderte Temperaturwechselbeständigkeit zu gewährleisten.

2. Nachteile der üblichen Sinterhilfsmittel

Sinterhilfsmittel reagieren bei hohen Temperaturen oft chemisch mit dem darauf befindlichen Sintergut. Außerdem bewirkt die wegen der hohen Temperaturwechselbeständigkeit geforderte Porosität Kapillarkräfte, die in allen Fällen, in welchen eine Flüssigphasensinterung (beim sog. Schmelzsintern) stattfindet, zu einem "Aufsaugen" der Flüssigphasenanteile führt.

Diesen Nachteilen wird in der Praxis dadurch begegnet, daß auf die mechanischen Kräfte aufzunehmenden hochtemperaturfesten Unterlagen, Zwischenlagen aufgebracht werden, die das Sintergut vor einer direkten Berührung mit der Unterlage bewahren. Diese Zwischenschichten sollen eine Trennung zwischen Sintergut, Brennhilfsmittel (Unterlage) bewirken und eine chemische Reaktion sowie das Wirksamwerden von Kapillarkräften verhindern. Dies geschieht durch Aufstreuen von hochtemperaturbeständigen, inerten anorganischen Pulvern oder durch Aufstreichen von mit ebensolchen Eigenschaften ausgestatteten anorganischen Streichmassen. Nachteilig ist bei der vorbereitenden Behandlung solcher Unterlagen, daß das Aufstreuen oder Aufstreichen mit einem hohen wirtschaftlichen Aufwand verbunden ist, weil sowohl zusätzliche Arbeitsgänge als auch ein Einmalverbrauch von z. T. sehr teuren Pulvern (z. B. Zirkonoxid) erforderlich ist. Außerdem ist das Risiko des Mißlingens des Sintervorganges dann gegeben, wenn insbesondere das Aufstreuen nicht gleichmäßig und flächendeckend erfolgt. Das Entfernen der Pulver - oder Aufstrichreste - von dem gewöhnlich wiederverwendbaren Unterlagen erfordert ebenfalls zusätzliche Arbeitsgänge.

3. Aufgabe

Die Erfindung beruht auf der Aufgabenstellung, eine einfache, wirtschaftliche Lösung zu finden, mit deren Hilfe die geschilderten Nachteile auszuschalten sind, nämlich die Schaffung wiederverwendbarer Sinterunterlagen, die jeweils chemisch inert sind, d. h. keine chemische Reaktion mit dem Sintergut eingehen, die temperaturwechselbeständig sind und keine Kapillarwirkungen zulassen und die ausreichend mechanisch belastbar und hochtemperaturbeständig sind.

4. Lösung

Die Lösung der Aufgabe soll dadurch bewerkstelligt werden, daß hochreine, chemisch inaktive, anorganische Pulver (z. B. Al₂O₃, ZrO₂) mit Hilfe von Zugabe von 20-30 Gew.-% Wasser und Zugabe von zwischen 5-50 Gew.-% organischen Bindern (z. B. auf Acetat- oder Acrylatbasis), in einer Kugelmühle aufgerührt und homogenisiert wird.

Die entstehende hochviskose Masse wird anschließend aus einem Behälter durch eine Ausgießdüse auf ein umlaufendes, der Breite der Schlitzdüse entsprechendes Stahlband in einer Dicke von 0,3-2 mm aufgegossen. Dieses Verfahren entspricht bis dahin dem bekannten Prinzip des Foliengießens oder Folienziehens (siehe auch: Richard E. Mistler, "Tape Casting: The Basic Process for Meeting the Needs of the Electronics Industry", Ceramic Bulletin, Vol. 69, No. 6, 1990 und deutsches Patent Nr. 17 71 216 "Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von keramischen Tonerde-Gußschichten und Tonerdekörpern", patentiert für Western Electric Co., Inc., New York).

Anstatt eines wäßrigen Schlickers kann die Aufbereitung auch durch lösungsmittelhaltige Bindersysteme erfolgen.

Unmittelbar nach dem Austreten der hochviskosen flüssigen Masse wird auf die Oberfläche des sich gebildeten, flachen, breiten endlosen Bandes aus einem Keramik-/Wasser-/Bindergemisch oder Keramik-/Lösungsmittel-/Bindergemisch anorganisches Pulver gleichmäßig über eine Sieb- oder Rüttelvorrichtung aufgebracht.

Die einzelnen Pulverkörner sinken nun - durch Schwerkraft - z. T. in die Oberfläche ein und werden bei der anschließenden Trocknung von dem in der Masse befindlichen Bindersystem gehalten. Beim späteren keramischen Brand werden sie durch Sinterreaktionen mit dem Grundkörper fest in der Oberfläche des dünnen, flächigen Keramikbandes verankert (siehe Fig. 1).

So erhält man ein Flächengebilde, das für die Aufgaben als Sinterhilfsmittel folgende Funktionen erfüllt:

• - Hohe mechanische Festigkeit (Keramikplatte).
• - Verhindern chemischer Reaktionen mit dem Brenngut durch Verwendung besonders geeigneter, inerter Keramikkörner auf der Oberfläche der Keramikplatte als Kontaktschicht.
• - Hohe Wirtschaftlichkeit, da die Hauptaufgabe durch das aufgestreute und in der Oberfläche verankerte Korn erfolgt. Nur dieses braucht aus hochwertigem, teurem Keramikmaterial zu bestehen und nicht - wie bisher - auch die Platte selbst.
  - Verhindern von Kapillarwirkung durch die Erzeugung eines Abstandes "a" (s. Fig. 1) zwischen Oberfläche des Sintergutes und wirksamen Kapillaren der Keramikplatte.
• - Wegfall der Vorarbeiten durch Engobieren (Bestreichen) oder Abstreuen der Oberfläche der Brenn-/Sinterunterlage.
• - Beibehaltung einer gleichmäßigen Beschichtungsstärke auch nach mehrfacher Verwendung.

Claims (6)

1. Sinterunterlage als dünne Platte (zwischen 0,5 und 2 mm Dicke) mit geringer Wärmekapazität.

2. Sinterunterlage nach Fig. 1 aus Keramik.

3. Sinterunterlage mit einer Schicht Keramikpulver, wobei die Körner z. T. überstehen und einen Abstand (Abstand "a" in Fig. 1) zwischen Kornoberkanten und Oberkante Keramikunterlage bilden.

4. Sinterunterlage mit einer Schicht Keramikpulver (wie 3.), wobei die Keramikkörner aus dem gleichen Material wie die Grundplatte bestehen.

5. Sinterunterlage mit einer Schicht aus Keramikkörnern (wie 3.), die aus einem anderen Keramikmaterial als das der Grundplatte bestehen.

6. Sinterunterlage aus Keramik (wie 3.), mit aufgestreuten Metallpulvern (z. B. Molybdän).