Injection-molded ceramics: Critical aspects of the binder removal process and component fabrication

Abstract

An injection-molding process for silicon nitride ceramics with a wax-based thermoplastic binder system is critically evaluated to determine the binder removal mechanisms and the role of the binder removal process on the cracking of components. Binder removal is described in terms of three mechanisms: binder loss due to melting and thermal expansion, wicking of liquid binder due to capillary pull from the setter bed, and binder volatilization. Burnout cracking could easily be eliminated from small cross-section (<1 cm ) parts with small volume to surface ratio (e.g. modulus of rupture (MOR) bars). However, variations of the wicking and volatilization environment by changes of setter bed and thermal cycle, including substantial slowing down of the cycles, could not eliminate cracking from large cross-section parts such as a radial turbine rotor. Significant changes in cracking pattern in rotors as a result of enhanced wicking indicated that wicking-induced particle rearrangement during binder burnout played a key role in component cracking. Ein Druckgußverfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid-Keramiken mit einem thermoplastischen Bindersystem auf Wachs-Basis wird kritisch beurteilt, um die Mechanismen der Entfernung der Binderphase und die Rolle dieses Entfernungsvorganges auf die Rißbildung von Komponenten zu bestimmen. Die Entfernung des Binders wird mittels dreier Mechanismen beschrieben: Binderverlust infolge von Aufschmelzen und thermischer Ausdehnung, Herausziehen des flüssigen Binders aus dem Pulverbett aufgrund kapillarer Kräfte und Abdampfen des Binders. Die Bildung von Rissen, die beim Brennen der Keramik entstehen können, konnte bei Teilen mit geringem Querschnitt (≤1 cm) und geringem Volumen zu Oberflächenverhältnis (z.B. bei MOR-Stäbchen) leicht vermieden werden. Bei Teilen mit großem Querschnitt, wie beispielsweise bei einem Radial-Turbinenrotor, konnten Risse aufgrund von Veränderungen der äußeren Bedingungen beim Herausziehen und Verdampfen des Binders, die auf ein verändertes Pulverbett und thermische Zyklen—das entscheidende Verlangsamen der Zyklen mit eingeschlossen—zurückzuführen sind, nicht eliminiert werden. Signifikante Veränderungen im Rißbild von Rotoren infolge verstärkten Herausziehens der Binderphase zeigten, daß die hierdurch herbeigeführte Umordnung der Teilchen beim Ausbrennen des Binders eine Schlüsselfunktion bei der Rißbildung von Komponenten einnimmt. Cet article présente l'évaluation critique d'une technique de moulage par injection de céramiques en nitrure de silicium, utilisant un système de liants thermoplastiques à base de cires, afin de déterminer les mécanismes d'élimination des liants et le rôle du déliantage sur la fissuration des composants. Le déliantage est décrit sur base de trois mécanismes: la perte de liant due à la fusion et à la dilatation thermique, la succion capillaire du liant liquide dans le lit-support et la volatilisation. Les fissures engendrées par la combustion peuvent être facilement éliminées lorsque l'on traite des composants à faible section (<1 cm ) et à faible rapport volume sur surface (par exemple: des barres de mesure du module de rupture). Cependant, on ne peut pas éliminer les fissures lorsque l'on traite des composants à grande section, comme des turbines radiales de rotor, même en modifiant la succion capillaire et la volatilisation, en jouant sur les caractéristiques du lit et du cycle thermique, y compris par un traitement à beaucoup plus basse température. On remarque que le réarrangement des particles dû à l'augmentation de la succion capillaire durant le déliantage joue un rôle clé dans la fissuration des composants, comme l'indiquent les modifications significatives constatées sur les cartes de fissuration des rotors.