GÜNSTER, Jens (Schulstr. 29, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
RASCHKE, Daniel (Torgauer Strasse 10, Bad Düben, 04849, DE)
GAHLER, André (Am Rathaus 4, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
ENGLER, Sven (Am Rathaus 4, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
HEINRICH, Jürgen, G. (Seilerstrasse 11, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
GÜNSTER, Jens (Schulstr. 29, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
RASCHKE, Daniel (Torgauer Strasse 10, Bad Düben, 04849, DE)
GAHLER, André (Am Rathaus 4, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
ENGLER, Sven (Am Rathaus 4, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
Patentansprüche
1. Schlickerdruckgussverfahren zur Herstellung von Pressungen (5) mit den Schritten:
a) Hinzufügen eines Segregationsmittels zu einem Stoffpartikel enthaltenden Schlicker (1), wobei das Segregationsmittel aus Nano- partikeln besteht, die nicht aus pyrogener Kieselsäure gebildet sind, und die Stoffpartikel eine größere Partikelgröße als die Na- nopartikel haben, b) Einführen des das Segregationsmittel enthaltenden Schlickers (1) in eine Form (2), c) Pressen eines Presslings (5) in der Form (2, 3) unter Druck derart, dass im Schlicker (1 ) enthaltendes Wasser mindestens teilweise aus dem Pressung (5) herausgepresst wird und eine Ungleichverteilung der Stoff- und Nanopartikel bewirkt wird, so dass der Anteil von Nanopartikeln im Kernbereich kleiner als im Außenbereich des Presslings (5) und die Dichte des Presslings (5) an der Oberfläche größer als im Kernbereich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus einem Stoff derselben Art wie die Stoffpartikel bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel technische Keramiken mit kristalliner Struktur sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel und Nanopartikel aus der Gruppe von Aluminiumoxid (AI 2 O 3 ), Zirkonoxid (Zrθ 2 ) und Siliziumnitrid
(Si 3 N-O ausgewählt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel eine mittlere Agglomeratgröße von weniger als 500 nm und bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 50 nm haben.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel eine mittlere Größe von mehr als 1 μm und bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 μm haben.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nanopartikeln bis zu 15 Gew.-% des Feststoffanteils des Schlickers (1) beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich- net durch Hinzufügen eines organischen Binders zu dem Schlicker
CO-
9. Pressung (5), der im Schlickerdruckgussverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, und Stoffpartikel und Na- nopartikel aus einem Stoff derselben Art, wie die Stoffpartikel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoff- und Nanopartikel ungleich im Pressung (5) verteilt sind, derart, dass der Anteil von Nanopartikeln im Kernbereich kleiner als in den Außenbereichen des Presslings (5) und die Dichte des Presslings (5) an der Oberfläche größer als im Kernbereich ist.
10. Pressung (5) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel technische Keramiken mit kristalliner Struktur sind.
11. Pressung (5) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel aus der Gruppe von Aluminiumoxid (AbOs) 1 Zir- konoxid (Zrθ 2 ) und Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) ausgewählt sind.
12. Pressung (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel eine mittlere Agglomeratgröße von weniger als 500 nm und bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 50 nm haben.
13. Pressung (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpartikel eine mittlere Größe von mehr als 1 μm und bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 μm haben.
14. Pressung (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nanopartikeln bis zu 15 Gew.-% des Feststoffanteils des Schlickers (1) beträgt.
15. Pressung (5) nach einem der Ansp/üche 9 bis 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Schlicker (1 ) einen organischen Binder enthält. |
Presslinge und Schlickerdruckgussverfahren zur Herstellung von Pressungen
Die Erfindung betrifft ein Schlickerdruckgussverfahren zur Herstellung von Pressungen sowie ein im Schlickerdruckgussverfahren hergestellter Pressung.
Schlickerdruckgussverfahren zur Herstellung großvolumiger silikatkeramischer Körper, wie sie zum Beispiel für Geschirr und Sanitärkeramiken zum Einsatz kommen, sind hinreichend bekannt. Beim Schlickerdruckguss wird eine Sus- pension keramischer Partikel, Schlicker genannt, zwischen zwei poröse Formteile mit bis 40 bar überdruck gepresst. Der Schlicker ist üblicherweise auf wässriger Basis. Im Pressvorgang scheidet sich der Feststoffanteil des Schlickers als keramischer Pressung an den porösen Formteilen ab, wobei der flüssige Anteil von den Formteilen aufgenommen wird. Der flüssige Anteil ist DbIi- cherweise Wasser mit organischen Additiven. Nach dem Pressvorgang wird die Form geöffnet und die positive Form von der negativen Form getrennt. Hierbei bleibt der Pressung typischerweise an einer der Formteile haften. Um den Pressung von der Form zu trennen, wird Luft / Wasser in die Form derart gepresst, dass in einem den Pressvorgang umgekehrten Prozess das Wasser aus der Form wiederherausgepresst wird. Hierbei löst sich der Pressung von der Form und kann auf einem Halter, Suszeptor genannt, abgesetzt werden. Auch für technische Keramiken, wie Aluminiumoxid AI 2 O3, Zirkonoxid Zrü 2 oder Siliziumoxid Siü 2 (Quarz) ist das Schlickerdruckgussverfahren geeignet. Dabei können allerdings bislang nur kleinere, flache Bauteile gepresst werden. Dies liegt hauptsächlich an der Tatsache, dass sich diese Keramiken nach dem Pressvorgang schlecht oder gar nicht von der Druckgussform trennen (entformen) lassen.
Es besteht das Problem, dass beim Entformen Wasser in den Pressung durch das Herauspressen von Wasser aus der Form wieder eindringt. Der im Pressvorgang dargestellte Pressung, der an der Form anhaftet, löst sich durch das
Herauspressen von Wasser aus der Form wieder auf. Dieser Vorgang ist im Prinzip reversibel zum Pressvorgang, der eine keramische Suspension zu einem kompakten Pressung überführt.
Aus J. Günster, S. Engler und J. G. Heinrich: A novel route for the production of ultra pure Siθ 2 crucibles, in: Glass Sei. Technol. 78 (2005) No. 1 , Seiten 18 bis 22 und J. Günster und J. G. Heinrich, F. Schwertfeger: Laser Sintering of Ultra- Pure Siθ 2 Crucibles, in: International Journal of Applied Ceramic Technology, 3 [1] 68-74 (2006) ist offenbart, durch einen Zusatz anorganischer Additive die Reinheit zu verbessern und die Produktionskosten zu senken. Dem Schlicker werden Siθ 2 -Nanopartikel (Fumed Silica) zugeführt, die als anorganischer Binder in dem System wirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Schlickerdruck- gussverfahren zur Herstellung von Pressungen, insbesondere von Pressungen aus technischen Keramiken, sowie einen mit dem Schlickerdruckgussverfahren hergestelten Pressung zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit dem Schlickerdruckgussverfahren zur Herstellung von Pressungen gelöst durch die Schritte:
a) Hinzufügen eines Segregationsmittels zu einem Stoffpartikel enthaltenden Schlicker, wobei das Segregationsmittel aus Nanopartikeln besteht, die nicht aus pyrogener Kieselsäure gebildet sind, und die Stoffpartikel eine größere Partikelgröße als die Nanopartikel haben, b) Einführen des das Segregationsmittel enthaltenden Schlickers in eine Form, c) Pressen eines Presslings in der Form unter Druck derart, dass ein im Schlicker enthaltendes Wasser mindestens teilweise aus dem Press- ling herausgepresst wird und eine Ungleichverteilung der Stoff- und
Nanopartikel bewirkt wird, so dass der Anteil von Nanopartikeln im Kernbereich kleiner als im Außenbereich des Presslings und die Dich-
te des Presslings an der Oberfläche größer als im Kernbereich ist, und d) Herausnehmen des Presslings aus der Form zur Sinterung.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden keine Nanopartikel hinzugefügt, um einen anorganischen Binder zu schaffen, sondern es werden Nanopartikel als Segregationsmittel derart hinzugefügt, dass im Pressvorgang die Nanopartikel an die Außenbereiche des Presslings befördert werden und damit an der Oberfläche des Presslings eine höhere Dichte als im Kernbereich des Press- lings ist.
Durch die dichtere Oberfläche wird dann erreicht, dass beim Herausnehmen des Presslings aus der Form mittels Herauspressen von Wasser aus der Form in Richtung Pressung dieses Wasser kaum in den Pressung wieder eindringen kann. Der Pressung bleibt somit stabil, und es lassen sich auch großformatige Presslinge aus technischen Keramiken herstellen.
Die Segregation (Ungleichverteilung) der Stoff- und Nanopartikel kann dadurch erreicht werden, dass die Nanopartikel aus einem Stoff derselben Art wie die Stoffpartikel bestehen. Insbesondere wird dies erreicht, wenn die Stoffpartikel technische Keramiken mit kristalliner Struktur sind.
Die Stoffpartikel und Nanopartikel sind vorzugsweise aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliziumnitrid ausgewählt. Andere technischen Ke- ramiken oder Mischkeramiken vorzugsweise mit kristalliner Struktur sind aber auch gleichermaßen geeignet.
Die Nanopartikel haben vorzugsweise eine mittlere Agglomeratgröße von weniger als 500 nm. Vorzugsweise liegt die mittlere Agglomeratgröße im Bereich von 300 nm bis 50 nm.
Die Stoffpartikel haben vorzugsweise eine mittlere Größe von mehr als 1 μm. Bevorzugt liegt die mittlere Größe der Stoffpartikel im Bereich von 10 bis 30 μm.
Der Anteil an Nanopartikeln sollte bis zu 15 Gew.-% des Feststoffanteils des Schlickers betragen und vorzugsweise mindestens 5 Gew.-% des Feststoffanteils des Schlickers sein, um eine ausreichende Dichte der Oberfläche des Presslings zu erhalten.
Die Aufgabe wird weiterhin mit dem Pressung mit den Merkmalen des An- spruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 - Skizze des Formens eines Presslings im Schlickerdruck gussverfahren und Entformen von der Form, an die der
Pressung anhaftet.
Die Figur 1 lässt eine Skizze des Schlickerdruckgussverfahrens erkennen, bei dem Schlicker 1 in eine negative Form 2 eingefüllt wird. Der Schlicker 1 enthält dabei Stoffpartikel aus einem technischen Keramikmaterial mit kristalliner Struktur sowie einen Anteil von Nanopartikeln aus derselben technischen Keramik. Die mittlere Agglomeratgröße der Nanopartikel liegt vorzugsweise im Bereich von 300 nm bis 50 nm, während die mittlere Größe der Stoffpartikel mehr als 1 μm beträgt und vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 μm liegt.
In dem auf der linken Seite der Figur 1 dargestellten Schritt wird ein Pressung gepresst, indem in den Zwischenraum zwischen einer positiven Form 3 und einer negativen Form 2 ein Schlicker 1 über eine Leitung 4 gepresst wird. Die Formen 2, 3 sind porös und nehmen im Pressvorgang einen flüssigen Anteil des Schlickers 1 , der im wesentlichen Wasser mit organischen Additiven enthält, auf.
Nach dem Druckformen des Presslings 5 haftet dieser beispielsweise an der positiven Form 3 an. Durch Herauspressen von Wasser aus der positiven Form 3 wird der Pressung 5 von der Form 3 gelöst.
Durch die sich beim Pressen des Presslings 5 in der Form 2, 3 aufgrund der Nanopartikel in Verbindung mit dem Pressvorgang ergebenen Ungleichverteilung der Stoff- und Nanopartikel derart, dass der Anteil von Nanopartikel im Querschnitt des Scherbens betrachtet im Kernbereich kleiner als in den oberflächennahen Außenbereichen des Presslings ist und die Dichte des Presslings 5 an der Oberfläche größer als in dem Kernbereich ist, wird verhindert, dass das
aus der positiven Form 3 herausgepresste Wasser wieder in den Pressung 5 eindringt und diesen aufweicht.
Im dargestellten Schlickerdruckgussprozess findet somit eine Sedimentation im keramischen Schlicker 1 bzw. Pressung 5 senkrecht zur Formenoberfläche statt. Bei dieser Sedimentation werden die Partikel, die beim Abscheiden des Presslings 5 an der Formenoberfläche eine hohe Beweglichkeit aufweisen und auf die maximale Kräfte relativ zur Partikelgröße wirken, d.h. kleinste Partikel, vorzugsweise zur Formenoberfläche abgeschieden. Hierdurch baut sich ein Gradient im Pressung 5 derart auf, dass eine höhere Konzentration an kleineren Partikeln an der Formenoberfläche, d.h. an der Oberfläche des Presslings 5 zu finden ist.
Durch die Verwendung der nanodispersen Partikel im keramischen Schlicker 1 , wie z.B. aus der Gasphase abgeschiedenes Aluminiumoxid AI 2 O 3 , Zirkonoxid Zrθ2 oder Siliziumoxid Siü2 mit einem Anteil von bis zu 15 Gew.-% des Feststoffanteils des Schlickers 1 wird erreicht, dass die Oberfläche des Presslings 5 im Schlickerdruckgussprozess hochverdichtet wird und ein Eindringen von Wasser in den Pressung 5 beim Entformen vermieden wird. Damit lassen sich großvolumige dünnwandige Bauteile aus technischen Keramiken herstellen.