DE1277099B

DE1277099B - Verfahren zur Herstellung von ueberwiegend aus Aluminiumoxid bestehenden Formkoerpern

Info

Publication number: DE1277099B
Application number: DEF44865A
Authority: DE
Inventors: Dr Walther Dawihl; Dipl-Phys Dr Eberhard Doerre; Dr Emil A Klingler
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1964-10-31
Filing date: 1964-10-31
Publication date: 1968-09-05
Also published as: NL6502442A

Description

Verfahren zur Herstellung von überwiegend aus Aluminiumoxid bestehenden Formkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von überwiegend aus Aluminiumoxid großer Reinheit bestehenden Formkörpern durch Sintern feinteiliger Ausgangsstoffe bei Temperaturen über 1400° C.
Sinterprodukte aus Aluminiumoxid zeichnen sich insbesondere durch ihre große Widerstandsfähigkeit gegenüber starken mechanischen und technischen Beanspruchungen aus. Bei Verwendung sehr reinen Aluminiumoxids als Ausgangsmaterial und Einhaltung ganz bestimmter Sinterbedingungen lassen sich Formkörper herstellen, die transparent sind und damit ganz neue Anwendungsgebiete ergeben.
Hergestellt werden bisher solche Formkörper aus fein vermahlenem Aluminiumoxid hoher Reinheit, wobei die Oberfläche der einzelnen Körner unregelmäßig begrenzt ist. Aus diesem Ausgangspulver hergestellte Formlinge sintern bei Temperaturen oberhalb 1400° C, bei sehr reinem Aluminiumoxid oberhalb 1700° C zu einem polykristallinen anisotropen Körper zusammen.
Die Verarbeitung faseriger Materialien, wie Mullit, zu Formkörpern durch Brennen ist an sich bekannt. Dabei handelt es sich aber um Ausgangsmaterialien, die von Natur aus schon diese faserige Kristallstruktur haben. Aluminiumoxid dagegen liegt als solches in Korn- oder Pulverform vor, wobei keine Raumrichtung besonders bevorzugt ist.
überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich bestimmte, bisher nicht erzielbare Eigenschaften durch ein Verfahren zum Herstellen von überwiegend aus Aluminiumoxid bestehenden Formkörpern durch Sintern der Ausgangsstoffe bei Temperaturen über 1400°C erhalten lassen, wenn das Ausgangsmaterial in einer Raumform verwendet wird, bei der eine oder zwei Dimensionen wesentlich kleiner sind als die andere bzw. anderen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise das Aluminiumoxidpulver in Form von Blättchen, Stäbchen oder Fasern verwendet.
Die Herstellung solcher blättchen-, stäbchen- oder faserähnlichen Einkristalle aus Aluminiumoxid kann in an sich bekannter Weise z. B. dadurch erfolgen, daß Aluminiumdampf in einer Trägeratmosphäre, z. B. Wasserstoff, unter Zusatz sauerstoffabspaltender Gase, wie z. B. Wasserdampf, bei Temperaturen von etwa 1200° C zu Aluminiumoxid umgesetzt wird, das sich an kälteren Stellen der Apparatur gegebenenfalls unter Benutzung von Keimen zu den gewünschten länglichen Teilchen absetzt. Bei einem anderen Verfahren kann in an sich bekannter Weise Aluminiumchloriddampf in einer Trägeratmosphäre, beispielsweise Stickstoff, unter Zusatz von Sauerstoff oder Wasserdampf zu Aluminiumoxid umgesetzt werden, wobei auch in diesem Fall das gebildete Aluminiumoxid sich an kälteren Stellen oder an Keimen in Blättchen-, Stäbchen- oder Faserform abscheidet. Solchen Blättchen, Stäbchen oder Fasern aus Aluminiumoxid, die vorzugsweise als Einkristalle ausgebildet sind, kommt in Richtung ihrer größeren Längsdimensionen eine wesentlich höhere Festigkeit zu als in der kleinsten, so daß Formkörper daraus in ihren Festigkeitseigenschaften solche aus Körnern rundlicher Gestalt erheblich übertreffen.
Wird von reinen Substanzen ausgegangen, so tritt durch den Verdampfungsvorgang eine weitere Reinigung ein, so daß auf diesem Wege hochreines Aluminiumoxid erhalten wird, das zusammen mit der Einkristallform, wie entsprechende Versuche gezeigt haben, eine wesentlich größere Eigenfestigkeit zeigt, als es die wie üblich etwa aus der Schmelze abgeschiedenen Kristalle aufweisen.
Von ganz besonderem Einfiuß sind die erfindungsgemäß verwendeten Stäbchen, Blättchen oder Fasern auf Formkörper, die zum überwiegenden Teil aus pulverförmigen Ausgangsmaterialien gesintert werden und in denen die im Sinterprodukt zusätzlich enthaltenen Stäbchen oder Blättchen eine Art verstärkendes Gerüst bilden und in solchen Sinterkörpern immer vorhandene Spannungen beseitigen. Diese verstärkende Wirkung wird zusätzlich dadurch unterstützt, daß die pulverförmige Masse beim Sinterprozeß schwindet, die blättchen- oder stabförmigen Gebilde jedoch nicht, so daß die Masse auf diese aufschrumpft und auf diese Weise ein sehr festes Gefüge entsteht. Je nach den geforderten Eigenschaften der auf der Grundlage der blättchen-, stäbchen- oder faserförmigen Aluminiumoxidkristalle herzustellenden Sinterkörper können diese Kristalle nach verschiedenen Verfahren weiter verarbeitet werden. Die blättchen-, stäbchen- oder faserförmigen Kristalle können beispielsweise ohne weitere Zusätze durch Sintern unter gleichzeitiger Druckeinwirkung etwa bei Temperaturen von 1500° C und Drucken von etwa 10 kp/mm2 zu gewünschten Formkörpern verarbeitet werden, die sich durch wesentlich höhere Zug- und Biegefestigkeit und höheren Widerstand gegen schwingende Beanspruchung auszeichnen. Es kann aber auch so gearbeitet werden, daß die blättchen-, stäbchen- oder faserförmigen Kristalle mit Zusatz von niedrigeren schmelzenden Stoffen, wie beispielsweise Kieselsäure oder Silikaten, vermischt, zu Formen gepreßt und anschließend bei Temperaturen oberhalb 1500° C durch Sintern zu Formkörpern verschiedener Art verarbeitet werden. Geeignete Mischungen bestehen beispielsweise zu 95 Gewichtsprozent aus blättchen-, stäbchen- oder faserförmigen Kristallen von Aluminiumoxid und zu 5 Gewichtsprozent eines Gemisches aus gleichen Teilen von Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Kieselsäure. Schließlich kann es für manche Zwecke auch vorteilhaft sein, Gemische zu Formkörpern zu sintern, die beispielsweise zu 50 Gewichtsprozent aus blättchen-, stäbchen- oder faserförmigen Kristallen und zu 50 Gewichtsprozent aus rundlichen, feinkörnigen Aluminiumoxidteilchen üblicher Herstellungsart bestehen, wobei dem Gemisch zur Beeinflussung des Kornwachstums zweckmäßig noch Zusätze von Magnesiumoxid in Höhe von 0,25 Gewichtsprozent gegeben werden können.
Wenn vom Verwendungszweck her erhöhte Beanspruchungen des Formkörpers in einer bestimmten Raumrichtung auftreten, sind in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Blättchen oder Stäbchen bevorzugt in einer Richtung angeordnet.
Eine solche Ausrichtung wird in einem gewissen Ausmaß bereits bei der Formgebung erfolgen und läßt sich durch geeignete Maßnahmen noch unterstützen. Ein bevorzugte Maßnahme für diese Ausgestaltung besteht darin, daß man die Stäbchen oder Blättchen in einer Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemischen sedimentieren läßt.
Nach einem anderen zweckmäßigen Verfahren zur Ausrichtung der Teilchen preßt man die plastifizerte, d. h. mit einer Flüssigkeit bzw. Bindemitteln, wie Polystyrol, angeteigte Masse ein- oder mehrmals, vorzugsweise beiTemperaturen von 100 bis 200° C durch Düsen und erreicht dadurch eine bevorzugte Ausrichtung in Strömungsrichtung. Dabei kann der letzte solche Auspreßvorgang gleichzeitig der Formgebung dienen.
Die Maßnahmen zur Ausrichtung der Teilchen in einer bevorzugten Richtung lassen sich zweckmäßig noch durch zusätzliche Schwingungseinwirkungen, beispielsweise durch Schall oder Ultraschall, unterstützen, wobei der Frequenzbereich den Eigenschaften der Suspension, insbesondere ihrer Viskosität, angepaßt wird.
Ganz besondere Vorteile haben die Formkörper nach der Erfindung bei Sinterprodukten, bei denen es erheblich auf die Eigenschaft der Transparenz ankommt, weil durch das Verfahren die Anisotropie zwischen den einzelnen Kristallen beeinflußt und dadurch eine Textur erhalten wird. Die Lichtstreuung ist aber an Korngrenzen gleicher Gitterebene erheblich geringer als beim Zusammentreffen verschiedener Gitterebenen, so daß erfindungsgemäß hergestellte Körper transparenter sind als die bisher bekannten.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, die aus Aluminiumoxid großer Reinheit bestehen, durch Sintern der feinteiligen Ausgangsstoffe bei Temperaturen über 1400° C, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial ganz oder teilweise in einer Raumform verwendet wird, bei der eine oder zwei Dimensionen wesentlich kleiner sind als die andere bzw. anderen.
2. Verfahren zum Herstellen von Formkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung durch Sedimentation aus einer Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemischen erzielt wird.
3. Verfahren zum Herstellen von Formkörpern nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung durch ein- oder mehrfaches Ausströmen der plastifizierten Masse durch Düsen erzielt wird.
4. Verfahren zum Herstellen von Formkörpern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung durch zusätzliche Schwingungseinwirkung begünstigt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 929113; deutsche Auslegeschriften Nr. 1030 753, 1141577; Salmany, »Die Keramik«, 1954, S. 106, 107, 109, 111, 191.