DE102011120547A1 - Kiln furniture useful as carrier for components during heat treatment, comprises three-dimensional structure with webs, where kiln furniture is made of ceramic material and kiln furniture is designed as monolith or several separate elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Brennhilfsmittel, als Träger für Bauteile bei einer Wärmebehandlung. Bei der Wärmebehandlung handelt es sich im Wesentlichen um die Sinterung von metallischen oder keramischen Bauteilen. Die Erfindung kann aber auch bei anderen Wärmebehandlungen, insbesondere im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Brennhilfsmittel werden dabei in der Regel dazu genutzt, um Bauteile innerhalb eines Ofens zu positionieren und die Bauteile werden dabei auf oder auch zwischen Brennhilfsmitteln, dann in gestapelter Form, platziert. Es können auch mehrere Bauteile einem Brennhilfsmittel zugeordnet sein.The invention relates to kiln furniture, as a carrier for components in a heat treatment. The heat treatment is essentially the sintering of metallic or ceramic components. However, the invention can also be used in other heat treatments, in particular in the high temperature range. Kiln furniture are usually used to position components within a furnace and the components are placed on or between kiln furniture, then in a stacked form. It can also be assigned to a kiln furniture several components.
Dabei werden verschiedene Anforderungen an die Brennhilfsmittel gestellt. Selbstverständlich müssen sie ausreichend temperaturstabil sein und den hohen Temperaturen bei der Wärmebehandlung mit ausreichender Festigkeit widerstehen. Sie müssen temperaturwechselbeständig sein und es sollen möglichst geringe Wärmespannungen bei Temperaturwechsel auftreten. Sie sollen aus einem Werkstoff gebildet sein, der eine Beeinflussung des Bauteilwerkstoffs bei der Wärmebehandlung vermeidet. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wärmekapazität, die möglichst klein gehalten werden soll, um den erforderlichen Energieverbrauch nicht weiter nachteilig zu beeinflussen. Der Wärmeeintrag in den Bauteilwerkstoff sollte ebenfalls günstig beeinflusst werden, um einen homogenen Werkstoff zu erhalten bzw. auch beizubehalten.Various requirements are placed on the kiln furniture. Of course, they must be sufficiently temperature stable and withstand the high temperatures during the heat treatment with sufficient strength. They must be resistant to thermal shock and the lowest possible thermal stresses should occur during temperature changes. They should be formed of a material that avoids influencing the component material during the heat treatment. Another important aspect is the heat capacity, which should be kept as small as possible in order not to adversely affect the required energy consumption. The heat input into the component material should also be favorably influenced in order to obtain or maintain a homogeneous material.
So wurden in der Vergangenheit Brennhilfsmittel aus keramischen Werkstoffen eingesetzt.For example, kiln furniture made of ceramic materials has been used in the past.
In
Bei dieser bekannten technischen Lösung ist auch die Handhabbarkeit nachteilig, wenn eine mehrlagige gestapelte Anordnung von Bauteilen in einem Ofen erfolgen soll. Hierfür ist eine Ständeranordnung vorgesehen, bei der Ständer zwischen zwei Platten angeordnet werden können. Dies erfolgt in losem Verbund aus mehreren einzelnen Teilen, was eine erhöhte Geschicklichkeit von einem Bediener erfordert.In this known technical solution, the handling is disadvantageous when a multi-layer stacked arrangement of components in an oven should be made. For this purpose, a stator assembly is provided, can be arranged in the stator between two plates. This is done in loose composite of several individual parts, which requires increased skill by an operator.
Die Handhabbarkeit stellt auch ein Problem bei dem in
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Brennhilfsmittel zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Wärmekapazität, eine geringe Eigenmasse bei ausreichender mechanischer Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Außerdem sollen sie einfach handhabbar sein und eine einfache Beschickung eines Ofens ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide kiln furniture available which have a low heat capacity, a low intrinsic mass with sufficient mechanical strength and thermal shock resistance. In addition, they should be easy to handle and allow easy loading of a stove.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Brennhilfsmittel, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.According to the invention this object is achieved with a kiln furniture, which has the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.Advantageous embodiments and further developments can be achieved with features described in the subordinate claims.
Ein erfindungsgemäßes Brennhilfsmittel ist vollständig aus keramischem Werkstoff und als ein Teil ausgebildet. Es weist eine dreidimensionale Struktur mit Stegen auf. Es kann als Monolith oder aus mehreren einzelnen Elementen, die stoffschlüssig durch Sinterung miteinander verbunden sind, ausgebildet sein.An inventive firing aid is made entirely of ceramic material and as a part. It has a three-dimensional structure with webs. It can be formed as a monolith or from a plurality of individual elements, which are materially interconnected by sintering.
Dabei sollten besonders vorteilhaft sämtliche Stege oder einzelnen Elemente eine maximale Dicke/Wandstärke von 2,5 mm, bevorzugt von maximal 2 mm aufweisen. Dadurch können eine sehr geringe Masse und Wärmekapazität eingehalten werden. Lokale Werkstoffanhäufungen sind reduziert und beschränken sich im Wesentlichen auf Sinterbrückenbereiche, insofern solche Bereiche überhaupt an einem erfindungsgemäßen Brennhilfsmittel vorhanden sind.In this case, particularly advantageously all webs or individual elements should have a maximum thickness / wall thickness of 2.5 mm, preferably of not more than 2 mm. As a result, a very low mass and heat capacity can be maintained. Local material accumulations are reduced and are essentially limited to sintered bridge areas, insofar as such areas are present at all on a kiln furniture according to the invention.
Dies ist insbesondere nicht der Fall, wenn ein monolithisches Brennhilfsmittel als ein verformtes dreidimensionales Gebilde ausgebildet ist. Dabei kann beispielsweise ein plattenförmiger Grünkörper, wie dies vorteilhaft eine keramische Grünfolie sein kann, verformt werden. Es kann eine wellen-, mäander-, trapez- oder keilförmige Geometrie ausgebildet und diese Geometrie nach der Sinterung beibehalten werden. Ein so geformter Monolith kann bereits als Brennhilfsmittel eingesetzt werden. Dabei können geeignete Bauteile aufgesetzt und in einem Ofen der Wärmebehandlung unterzogen werden.This is especially not the case when a monolithic kiln furniture is formed as a deformed three-dimensional structure. In this case, for example, a plate-shaped green body, as may advantageously be a ceramic green sheet, be deformed. It can be a wave, meander, trapezoidal or wedge-shaped geometry formed and this geometry can be maintained after sintering. Such a shaped monolith can already be used as a kiln furniture. In this case, suitable components can be placed and subjected to heat treatment in an oven.
Ein monolithisches Brennhilfsmittel kann auch ein Keramikschaumkörper sein, der eine planare Oberfläche aufweisen kann, auf der Bauteile aufgesetzt werden können. Die Oberfläche kann auch konturiert sein und Bauteile dann mit Hilfe von Konturelementen in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen lagestabiler auf dem Brennhilfsmittel gehalten werden. Ein Keramikschaumkörper sollte offenporös sein und möglichst große Poren aufweisen. Die die Poren stützenden Stege oder Wandbereiche sollten eine Dicke bzw. Durchmesser aufweisen, wie dies oben bereits erwähnt worden ist. A monolithic kiln furniture can also be a ceramic foam body, which may have a planar surface on which components can be placed. The surface can also be contoured and components can then be held on the kiln furniture with the aid of contour elements in the form of depressions and / or elevations in a more stable manner. A ceramic foam body should be open-pored and have the largest possible pores. The pores supporting ridges or wall portions should have a thickness or diameter, as already mentioned above.
Es besteht aber auch die Möglichkeit an mindestens einer Oberfläche eines Keramikschaumkörpers ein ebenes planares Element durch Sinterung zu befestigen, so dass eine ebene Abstellfläche für Bauteile erhalten wird. Der Keramikschaumkörper bildet dann eine Stützstruktur. Für das planare Element kann ebenfalls eine keramische Grünfolie eingesetzt werden.However, it is also possible to attach at least one surface of a ceramic foam body a planar planar element by sintering, so that a flat storage space is obtained for components. The ceramic foam body then forms a support structure. For the planar element can also be used a ceramic green sheet.
Es besteht auch die Möglichkeit, das Brennhilfsmittel mit mindestens einem plattenförmigen Element, an dem senkrecht oder in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtete stab-, faser-, rohrförmige oder verformte nichtplanare plattenförmige Elemente stoffschlüssig befestigt sind, herzustellen.It is also possible, the kiln furniture with at least one plate-shaped element, are attached to the vertically or at an obliquely inclined angle aligned rod, fiber, tubular or deformed non-planar plate-like elements materially connected to produce.
Das eine plattenförmige Element kann dabei eine Basis bilden und Bauteile können dann auf die nach oben weisenden Stirnbereiche der mit dem plattenförmigen Element verbundenen Elemente aufgesetzt oder auch in Zwischenräume eingesetzt werden.The one plate-shaped element can form a base and components can then be placed on the upwardly facing end portions of the elements connected to the plate-shaped element or used in spaces.
Werden solche Elemente zwischen zwei plattenförmigen Elementen angeordnet und mit ihren Stirnflächen durch Sinterung mit ihnen verbunden, bilden sie eine Stützstruktur mit Abstandshaltefunktion.If such elements are arranged between two plate-shaped elements and connected with their end faces by sintering with them, they form a support structure with spacer function.
Durch die geringe Dicke oder Wandstärke dieser Elemente kann die Wärmekapazität klein gehalten und dabei gute Strömungsverhältnisse der Atmosphäre innerhalb des Ofens eingehalten werden, was eine gute und gleichmäßige Erwärmung und auch wieder Abkühlung von Bauteilen ermöglicht.Due to the small thickness or wall thickness of these elements, the heat capacity can be kept small while maintaining good flow conditions of the atmosphere within the furnace, which allows a good and uniform heating and cooling of components again.
Außerdem können die entsprechend erhöhten mechanischen Widerstandsmomente der an plattenförmigen Elementen befestigten Elemente, in der Hauptbelastungsachse der Brennhilfsmittel, ausgenutzt werden, um eine ausreichende mechanische Festigkeit bei kleinster Masse und Volumen für diese Elemente, zu gewährleisten.In addition, the correspondingly increased mechanical moments of resistance of the elements attached to plate-shaped elements, in the main load axis of the kiln furniture, can be exploited to ensure sufficient mechanical strength at the lowest mass and volume for these elements.
Bei einer Entbinderung von Bauteilen während der Wärmebehandlung ist es günstig, wenn ein plattenförmiges Element, auf dem ein Bauteil bei einer Wärmebehandlung abgestellt ist oder mit dem Bauteil in berührendem Kontakt steht, porös ausgebildet ist und/oder es Durchbrechungen aufweist. Dadurch können die frei gesetzten gasförmigen Bestandteile durch das jeweilige plattenförmige Element hindurch strömen und auch über dieses abgeführt werden, wodurch der Vorgang der Entbinderung in den Bauteilen homogener gestaltet werden kann. Außerdem können durch eine Porosität die mechanischen Spannungen oder Spannungsgradienten reduziert werden. Bei vorhandenen Durchbrechungen und ggf. auch bei einer Porosität wird die Schwindung von Bauteilen bei einer Sinterung als Wärmebehandlung weniger behindert. Eine reduzierte Kontaktfläche zwischen der Oberfläche eines Brennhilfsmittels und dem darauf angeordneten Bauteil führt auch zu einer reduzierten Reibung.In a debindering of components during the heat treatment, it is advantageous if a plate-shaped element on which a component is placed in a heat treatment or is in touching contact with the component, is porous and / or has openings. As a result, the released gaseous constituents can flow through the respective plate-shaped element and can also be removed therefrom, as a result of which the process of debindering in the components can be made more homogeneous. In addition, porosity can reduce mechanical stress or stress gradients. With existing openings and possibly also with a porosity, the shrinkage of components during sintering as a heat treatment is less hindered. A reduced contact surface between the surface of a kiln furniture and the component disposed thereon also leads to a reduced friction.
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit, unterschiedliche keramische Werkstoffe für unterschiedliche Elemente einzusetzen, die die jeweiligen unterschiedlichen erforderlichen Eigenschaften berücksichtigen. So kann ein Brennhilfsmittel, das aus mindestens einem plattenförmigen Element mit mindestens einem daran befestigten Element gebildet ist, mit einem ersten keramischen Werkstoff für das/die plattenförmige Element(e) und einem zweiten keramischen Werkstoff für das/die daran befestigten Elemente(s) hergestellt sein. Dabei kann der erste Werkstoff besonders inert in Bezug zu dem Bauteilwerkstoff sein und der zweite Werkstoff kann eine entsprechend erhöhte mechanische Festigkeit aufweisen.In the invention, it is possible to use different ceramic materials for different elements, taking into account the respective different required properties. Thus, a kiln furniture formed of at least one plate-shaped member having at least one member attached thereto may be manufactured with a first ceramic material for the plate-shaped member (s) and a second ceramic material for the member (s) attached thereto be. In this case, the first material may be particularly inert with respect to the component material and the second material may have a correspondingly increased mechanical strength.
Geeignete Werkstoffe für plattenförmige Elemente sind beispielsweise: Al2O3, Calcium-Aluminat, Cordierit, Mullit, SiC, SiSiC, RSiC, Al2O3-SiO2 und ZrO2(MgO-PSZ, CaO-FSZ). Dabei steht PSZ für teilweise stabilisiertes und FSZ für vollständig stabilisiertes Zirkonoxid.Suitable materials for plate-shaped elements are, for example: Al 2 O 3 , calcium aluminate, cordierite, mullite, SiC, SiSiC, RSiC, Al 2 O 3 -SiO 2 and ZrO 2 (MgO-PSZ, CaO-DSZ). PSZ stands for partially stabilized zirconia and FSZ for fully stabilized zirconia.
Für daran befestigte Elemente können die gleichen keramischen Werkstoffe eingesetzt werden. Dabei sollten die zweiten Werkstoffe im Gegensatz zu den ersten Werkstoffen dicht gesintert werden, da es bei ihnen im Wesentlichen auf die mechanische Festigkeit ankommt. Die ersten Werkstoffe können zu einem porösen Werkstoff verarbeitet werden.For attached elements, the same ceramic materials can be used. In contrast to the first materials, the second materials should be densely sintered, since they essentially depend on mechanical strength. The first materials can be processed into a porous material.
Bei der Auswahl können die jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und auch das Schwindungsverhalten berücksichtigt werden. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich eine nahezu vollständige Übereinstimmung zu erreichen bzw. einzuhalten. Bei der Auswahl können natürlich auch die Werkstoffkosten berücksichtigt werden und lediglich teure Werkstoffe für Elemente eines Brennhilfsmittels genutzt werden, für die dies auch erforderlich ist.In the selection, the respective thermal expansion coefficients and the shrinkage behavior can be taken into account. It is not absolutely necessary to achieve or comply with an almost complete agreement. In the selection, of course, the material costs are taken into account and only expensive materials for elements of a kiln furniture are used for which this is required.
So kann beispielsweise eine geeignete Verformung eines plattenförmigen Elements, beispielsweise eine konkave Wölbung, die bei der Sinterung auftritt, toleriert oder gar bewusst ausgenutzt werden, um eine entsprechend gewölbte Ablagefläche eines Brennhilfsmittels zu erhalten. Thus, for example, a suitable deformation of a plate-shaped element, for example a concave curvature which occurs during sintering, can be tolerated or even deliberately exploited in order to obtain a correspondingly curved storage surface of a kiln furniture.
Ein mit einem plattenförmigen Element verbundenes Element kann eine vor direkter Wärmestrahlung schützende Ummantelung bilden. Hierbei kann eine entsprechend geformte keramische Grünfolien mit einer Stirnfläche auf eine weitere keramische Grünfolie oder ein keramisches plattenförmiges Element vor dem Sintern aufgesetzt und bei geringer Druckkraftbeaufschlagung die beiden Teile ge- und miteinander versintert werden. Analog können natürlich auch andere bereits vorab beschriebene Elemente durch Sinterung stoffschlüssig miteinander verbunden werden.An element connected to a plate-shaped element can form a jacket which protects against direct thermal radiation. In this case, a correspondingly shaped ceramic green sheets with an end face placed on another ceramic green sheet or a ceramic plate-shaped element before sintering and at low Druckkraftbeaufschlagung the two parts are GE and sintered together. Analogously, of course, other elements already described above can also be connected to one another by sintering.
Eine Ummantelung kann ebenfalls porös und/oder mit Durchbrechungen ausgebildet werden.A jacket can also be formed porous and / or with openings.
Die bereits angesprochenen verformten nichtplanaren Elemente sollten eine Gesamtlänge in eine Richtung aufweisen, die mindestens dem 1,15-fachen der Länge von einer Stirnkante bis zu einer gegenüberliegenden Stirnkante in der Richtung, die senkrecht zu den Verformungen ausgerichtet ist, aufweist. Dadurch kann eine ausreichende Größe der dreidimensionalen Gestalt eines Brennhilfsmittels, eine ausreichende dauerhafte Festigkeit wegen der ausreichend großen Krümmungsradien in Eck- oder Kantenbereichen der Konturierung gesichert werden.The deformed non-planar elements already mentioned should have an overall length in a direction at least 1.15 times the length from one end edge to an opposite end edge in the direction perpendicular to the deformations. As a result, a sufficient size of the three-dimensional shape of a kiln furniture, a sufficient permanent strength due to the sufficiently large radii of curvature in corner or edge regions of the contouring can be secured.
Bei der Erfindung kann auf einfache etablierte Herstellungsverfahren und auch geeignete Halbzeuge, wie dies die bereits erwähnten keramischen Grünfolien sind, zurück gegriffen werden. Eine gewünschte Formgebung kann im Grünzustand leicht erfolgen und dabei die unterschiedlichen oben genannten Elemente und Anordnungen berücksichtigt bzw. ausgebildet werden.The invention can be based on simple established production methods and also suitable semi-finished products, such as the already mentioned ceramic green sheets. A desired shaping can be carried out easily in the green state and the different elements and arrangements mentioned above can be taken into account or formed.
Nach dem Sintern ist vorteilhaft, dass in der Regel keine weitere formgebende Nachbearbeitung erforderlich ist.After sintering is advantageous that usually no further shaping post-processing is required.
Es ist eine einfache Anpassung, bei der Herstellung der Brennhilfsmittel, an die durch die jeweiligen Bauteile bedingten Anforderungen, was die Geometrie und Dimensionierung betrifft, möglich. Dabei kann auch die erforderliche Festigkeit und die für die Wärmebehandlung günstige Gestaltung der Brennhilfsmittel an die jeweiligen zu behandelnden Bauteile berücksichtigt werden.It is a simple adaptation, in the production of the kiln furniture, to the requirements of the respective components requirements, as regards the geometry and dimensioning, possible. In this case, the required strength and favorable for the heat treatment design of kiln furniture to the respective components to be treated can be considered.
Die Brennhilfsmittel können, was ihr Volumen und ihre Wärmekapazität betrifft, optimiert werden. Die einzelnen Teile, Bereiche und Elemente aus keramischem Werkstoff können sehr klein dimensioniert sein und trotzdem für die Anwendung eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Dadurch können auch Temperaturgradienten klein gehalten werden.The kiln furniture can be optimized in terms of their volume and their heat capacity. The individual parts, areas and elements made of ceramic material can be very small in size and still have sufficient strength for the application. As a result, temperature gradients can be kept small.
Die erfindungsgemäßen Brennhilfsmittel sind thermoschockbeständig, so dass höhere Heiz- und Kühlraten nutzbar sind.The kiln furniture according to the invention are thermoshock resistant, so that higher heating and cooling rates are available.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigen:Showing:
In den
Die plattenförmigen Elemente
Die Rohrförmigen Elemente
An Stelle der rohrförmigen Elemente
An einem Brennhilfsmittel
Es kann auch auf das hier oben angeordnete plattenförmige Element
Bei dem in
Dabei kann ein einziges entsprechend geformtes nichtplanares Element
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf ein oberes plattenförmiges Element
In
Das in
Mit dem in
Eine ähnliche Wirkung, wie mit der in
Für die Elemente
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