DE3444407A1 - Keramisches formteil mit gradientenfoermiger porositaet und dessen verwendung zur herstellung von verbundwerkstoff-formteilen - Google Patents

Keramisches formteil mit gradientenfoermiger porositaet und dessen verwendung zur herstellung von verbundwerkstoff-formteilen

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Rudolf Dr. 6500 Mainz Ganz
Peter Dr. 6229 Walluf Jeschke
Gerd Dr. 6272 Niedernhausen Willmann
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Description

—3 —
Beschreibung PA 3452
Die Erfindung betrifft ein keramisches Formteil, das aus hochtemperaturbeständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern und feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien und gegebenenfalls anderen üblichen Zusatzstoffen hergestellt ist.
Es sind bereits keramische Formteile dieser Art bekannt, bei bekannten Formteilen wurde jedoch immer angestrebt, daß die Verteilung der feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern über den Querschnitt des Formteiles möglichst homogen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein keramisches Formteil mit besonderen Festigkeitseigenschaften, wobei dieses keramische Formteil insbesondere als Verstärkungskörper Verwendung finden soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das keramische Formteil der genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) seine Porosität in einer Raumrichtung des Formteils gradientenförmig von unter 20 % bis auf über 70 % fortlaufend und stetig zunimmt,
b) die Bereiche mit geringer Porosität im wesentlichen aus den feinkörnigen feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien aufgebaut sind,
c) die Bereiche mit hoher Porosität im wesentlichen aus einer Faserkeramik auf der Basis von Fasern aus Al2O-,, SiO2, ZrO2, C, SiC oder Mischungen hiervon aufgebaut sind, und
d) die mittleren Bereiche aus Mischungen der Faserkeramik und der feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien aufgebaut sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% SiO , und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% SiO2, aufgebaut.
5
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die
Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% ZrO7, und die Bereiche mit hoher Porositat aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% ZrO~, ^q aufgebaut.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% Al2O3, und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% Al3O3, aufgebaut.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien mit über 80 Gew.-% Glasphase und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien mit über 80 Gew.-% kristalliner Phase aufgebaut.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines sol-O5 chen keramischen Formteiles zur Herstellung von mit organischen Harzen, Pech, Teer, Metallen, Metallegierungen oder Gläsern getränkten oder infiltrierten Verbundwerkstoff-Formteilen, insbesondere von mit Aluminiumlegierungen infiltrierten Kolben für Verbrennungsmotoren.
Ein solches erfindungsgemäßes, keramisches Formteil kann dadurch hergestellt werden, daß einzelne Mischungen aus hochtemperaturbeständige, feuerbeständige oder feuerfeste Fasern und feinkörnige feuerbeständige oder feuerfeste Materialien in unterschiedlichen Verhältnissen, sowie gegebenenfalls andere übliche Zusatzstoffe enthaltende, insbesondere wässrige Dispersionen oder Suspensionen hergestellt und diese Mischungen mit den unterschiedlichen Verhältnissen von
_5_ 3UUQ7
Fasern zu feuerfesten Materialien nacheinander in eine die Absaugung des Dispersionsmitteis bzw. Suspensionsmittels, insbesondere des Wassers, ermöglichende Form eingegossen werden.
Als feuerbeständige oder feuerfeste Fasern können zur Herstellung des keramischen Formteiles die auf dem Fachgebiet • an sich bekannten Fasern, welche auch als mineralische Fasern bezeichnet werden, verwendet werden. Beispiele
■iQ für solche Fasern sind Aluminiumsilikatfasern, Aluminiumoxidfasern, Quarzfasern, Kohlefasern, SiC-Fasern oder auch ZrO2 enthaltende Fasern. Selbstverständlich ist es auch möglich, Mischungen von verschiedenen Fasern zu verwenden. Hochtemperaturbeständige Fasern sind z.B. Aramidfasern, d.h. organische Fasern, welche Temperaturen von bis zu 6000C zumindest kurzzeitig aushalten.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Formteile können als feinkörnige, feuerbeständige oder feuerfeste Materialien die üblichen auf dem Fachgebiet verwendeten Materialien verwendet werden, beispielsweise Materialien auf Basis von Al2O3 wie Korund, gebrannter Bauxit, Tabular-Tonerde usw., Aluminiumsilikate, Materialien wie Cordierit, Sillimanit, Mullit, usw., SiO2-Materialien wie Quarz,ZrO2, SiC, Cr2O2 oder Mischungen hiervon. Diese können, zumindest teilweise, auch in kolloidaler Form eingesetzt werden. Als Beispiele für übliche Gegebenenfalls-Zusatzstoffe seien grenzflächenaktive Stoffe, Verdickungsmittel wie Stärke, Ausflockmittel wie organische Polymere, z.B. Polyacrylatdispersionen genannt.
Die Korngröße der feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien liegt vorteilhafterweise unterhalb von 0,09 mm, damit eine gute Dispersion der Mischung aus Fasern und feinkörnigem Material sichergestellt wird.
Bei der Herstellung der keramischen Formteile ist es auch nöglich, zu Beginn bzw. zum Ende des Herstellungsvorganges eine Disperson zu verwenden, welche nur hochtenperaturbeständige, feuer-
3UU07
-ο-Ι beständige oder feuerfeste Fasern und Gegebenenfalls-Zusatzstoffe bzw. nur feinkörnige, feuerbeständige oder feuerfeste Materialien und Gegebenenfalls-Zusatzstoffe enthält, damit bei der Herstellung der keramischen Formteile auf der einen Seite des Formteiles nur Fasern und auf der anderen Seite nur feinkörnige, feuerbeständige oder feuerfeste Materialien vorliegen, wodurch ein besonders hoher Porositätsgradient erreicht wird.
Bei der Herstellung der keramischen Formteile werden die Dispersionen bzw. Suspensionen der hochtemperaturbeständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern einerseits und/oder der feinkörnigen, -feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien üblicherweise mit Wasser angesetzt. Es ist jedoch auch möglich,
■je hierzu organische Lösungsmittel zu verwenden.
Beim Eingießen der verschiedenen Mischungen in eine das Aufsaugen der Dispersionsflüssigkeit bzw. Suspensionsflüssigkeit ermöglichende Form muß vermieden werden,
2Q daß sich die Schichten unkontrolliert miteinander vermischen, d.h. daß diese eventuell untereinander fließen. Dies kann durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise langsames Eingießen oder unter Verwendung eines groben Siebes, das in die Gießform eingeführt wird und auf das die gerade einzugießende Dispersion oder Suspension vorsichtig aufströmen gelassen wird, erreicht werden, wobei eine bereits eingegossene Schicht ihre Lage weitgehend beibehält. Nach dem Eingießen der betreffenden Schicht kann das Sieb angehoben werden, um die nächste Schicht einer Dispersion oder Suspension mit einer anderen Zusammensetzung aufzugießen. Selbstverständlich muß das Herausnehmen des Siebes so vorsichtig erfolgen, daß eine Durchwirbelung der einzelnen Schichten möglichst vermieden wird.
Nach dem Einfüllen aller Schichten in die Gießform wird vorteilhafterweise eine Vibriereinwirkung auf die in der Gießform vorliegenden Schichten ausgeübt, bis sich die
-Ί-
Schichten an den Grenzflächen gleichmäßig miteinander vermischt haben, so daß eine fortlaufende und stetige Änderung der Zusammensetzung der Suspension hinsichtlich hochtemperaturbeständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern einerseits und feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien andererseits erreicht wird.
Anschließend können die einzelnen, gleichmäßig an ihren Grenzen miteinander vermischten Schichten noch bis zu
IQ 100 Stunden in der Form stehengelassen werden, üblicherweise ist jedoch nur eine Standzeit unter 2 Stunden erforderlich. Die Gießform kann eine poröse Gießform, z.B. aus Gips, sein, welche die Dispersionsflüssigkeit bzw. Suspensionsflüssigkeit in sich aufsaugt. Der Gießling wird
IQ dann entformt.und üblicherweise bei Temperaturen zwischen 80°C und 150°C während 2 bis 48 Stunden getrocknet. Nach dem Trocknen wird der Gießling bei geeigneter Temperatur, wobei diese von der Grenzanwendungstemperatur der verwendeten Fasern und den Sinter- bzw. Schmelztemperaturen der feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien abhängig ist, gebrannt. Bei diesem Brennen findet eine Reaktion zwischen den feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien und/oder den hochtemperaturbeständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern, je nachdem welcher Bestandteil in welcher Schicht vorliegt, statt. Auf diese Weise entstehen durch Reaktion der hochtemperaturbeständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern eine sogenannte Faserkeramik, dies bedeutet, daß Fasern durch Sinterung oder chemische Reaktion vernetzt, d.h. an ihren Kontaktflächen verklebt sind, wobei die Faserkeramik der vorliegenden Erfindung aus 90-100 % Fasern und als Rest anorganischem Bindemittel, d.h. bis zu 10 Gew.-% Bindemittel, besteht.
Durch die zuvor beschriebene Hersteiiungsweise der keramischen Formteile ist die Porosität in einer Raumrichtung des Formteils, nämlich senkrecht zu den in die Form nacheinander eingeführten Schichten,verschieden, wobei die Porosität in der Richtung der Schichten, welche aus Dispersionen oder Suspensionen mit nur oder überwiegend feinkörnigen feuerbeständigen oder feuerfesten Materia-
.bestehen,
lien/zu den Schichten aus Dispersionen oder Suspensionen nur oder überwiegend aus feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern gradientenförmig,fortlaufend und stetig zunimmt.
Durch die Zusammensetzung der zur Herstellung der keramischen Formteile verwendeten Dispersionen bzw. Suspensionen aus Mischungen aus Fasern und feinkörnigen Materia- ^5 lien ist es möglich, daß auf einer Seite des Formteiles eine Porosität unter 20 % vorliegt, während auf der gegenüberliegenden Seite die Porosität Werte über 70 % erreichen kann.
Bei der Herstellung der keramischen Formteile ist es weiterhin noch möglich, als Gegebenenfalls-Zusatzstoffe auf dem Fachgebiet bekannte, anorganische oder organische Bindemittel zu verwenden, wobei als Bindemittel auch sogenannte chemische Bindemittel, z.B. Phosphate, verwendet werden können, d.h. Bindemittel, welche beim Brennen des Formteiles eine chemische Reaktion zwischen den Einzelbestandteilen bewirken.
Die erfindungsgemäßen Formteile eignen sich besonders zur Herstellung von getränkten oder infiltrierten Verbundwerkstoff—Formteilen. Durch die unterschiedliche Porosität in einer Raumrichtung des Formteiles ist das Ausmaß der Tränkung oder Infiltration mit den betreffenden Stoffen, wie organischen Harzen, Metallen, Metallegierungen oder Gläsern verschieden, so daß ein keramisches Formteil erhalten wird, welches einen dieser Porosität im wesentlichen parallel verlaufenden, gradientenförmigen
Tränkungsanteil bzw. Infiltrationsanteil aufweist. Statt organischer Harze kann man auch Pech oder Teer verwenden, nach dem Kracken bei höheren Temperaturen, z.B. 400 bis 6000C, erhält man sogenannte kohlenstoffinfiltrierte Verbundformteile. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen keramischen Formteile zur Herstellung von mit Aluminiumlegierungen infiltrierten Kolben für Verbrennungsmotoren, da durch den unterschiedlichen Anteil der infiltrierten Aluminiumlegierung auf der einen Seite des KoI-
-^q bens eine überwiegend die Aluminiumlegierung enthaltende Fläche erreicht wird, während auf der gegenüberliegenden Seite die Menge der infiltrierten Aluminiumlegierung, jeweils bezogen auf eine Raumeinheit des keramischen Formteiles, sehr viel geringer ist. Auf diese Weise ist es möglich,
je daß ein auf diese Weise hergestellter infiltrierter Kolben für Verbrennungsmotoren auf der einen Seite mehr die Eigenschaften der Aluminiumlegierung, d.h. eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit besitzt, während auf der anderen Seite des Kolbens eine sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit bei noch höherer mechanischer Festigkeit erreicht wird. Der Vorteil solcher Kolben, deren physikalische Parameter, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit, über ihren Querschnitt gradientenförmig sich verändern, weist den Vorteil der Erhöhung der Brennraumtemperatur und Verringerung des Kühlaufwandes
2g der Kolben auf. Das Imprägnieren von porösen Keramikformkörpern mit Metallen oder Legierungen ist in der britischen Patentschrift 1 567 328 sowie der britischen Patentanmeldung
GB 2 088 761 A beschrieben.
Die Herstellung eines keramischen Formteiles wird anhand des folgenden Beispieles näher erläutert.
Zunächst wurden verschiedene Mischungen' aus feuerbeständigen Fasern mit einer Grenzanwendungstemperatur von 126O°C (AIugg miniumsilikatfasern) und aus SiO2-Schlicker in Wasser, wobei der Schlicker 50 Gew.-% Feststoff enthielt, in den folgenden Verhältnissen hergestellt. Zur Erzielung einer gewissen Grünfestigkeit des gegossenen und entformten Formteiles wurden
# · φ Ib ο β
noch 5 % Stärke", bezogen auf die eingesetzten, trockenen Feststoffe, in den Schlicker eingegeben.
Fasern SiO^-Schlicker ( Gew.-%) (''Gew.-I) Mischung 2: 94 6
» 3: 86 14
4: 64 36
"5: 49 51
Weiterhin wurde noch eine Mischung 1 hergestellt, welche aus einer Aufschlämmung von 10 % der Fasern in Wasser bestand. Eine weitere Mischung 6 bestand nur aus dem zuvor beschriebenen SiO^-Schlicker.
Diese Mischungen 1 bis 6 wurden nacheinander in eine poröse Gipsform eingegossen. Hierzu wurde zunächst die Mischung 1, welche nur die Fasern enthielt, eingefüllt. Dann wurden nacheinander unter Verwendung eines grobmaschigen Siebes, das das Vermischen der Einzelschicht beim Eingießen untereinander verhinderte, die Mischungen bis 5 nacheinander aufgegossen. Abschließend wurde eine Schicht des reinen SiC>2-Schlickers der Mischung 6 aufgegossen, so daß der Gießkörper aus insgesamt sechs Schichten aufgebaut war. Die theoretische Zusammensetzung der Schichten, abgesehen von einem geringen Vermischen an den Grenzflächen während des Eingießens war wie folgt:
Schicht I 30 schicht II Schicht III Schicht IV Schicht V Schicht VI 35
Fasern SiO2-Schlicker
(Gew.-%) (Gew.-%)
100 0
94 6
86 14
64 36
49 51
0 100
Die mit den Schichten gefüllte Gießform wurde für 5 Minuten auf einen Vibrationstisch vibriert, bis sich die Schichten an den Grenzflächen gleichmäßig miteinander vermischt hatten. Bei Vorversuchen in einer durchsichtigen Glasform wurde festgestellt, daß ein solches 5-minütiges Vibrieren hierzu ausreichte.
Nach einer Standzeit von 10 Stunden bei Zimmertemperatur wurde der Gießling aus der Form herausgenommen und zunächst IQ 10 Stunden bei 8O°C und dann 12 Stunden bei 11O0C getrocknet. Nach dem Trocknen wurde der nunmehr weitgehend von Wasser befreite Gießling bei einer Temperatur von 1000°C während 4 Stunden gebrannt.
^g Die Wärmeleitfähigkeit und die Porosität auf der einen
Seite des Formteiles lagen bei 1,0 W/mk bei 800°C bzw. 15 %, während auf der anderen Seite des keramischen Formteils eine Porosität von 80 % und eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,16 W/mk bei 800°C gemessen wurde.

Claims (7)

PA 3452 DIDIER-WERKE A.G. Lessingstrasse 16 6200 Wiesbaden Patentansprüche
1. Keramisches Formteil, hergestellt aus hochtemperatur-•|_5 beständigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Fasern und feinkörnigen, feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien und gegebenenfalls anderen üblichen Zusatzstoffen, dadurch gekennzeichnet , daß
a) seine Porosität in einer Raumrichtung des Formteils gradientenförmig von unter 20 % bis auf über 70 % fortlaufend und stetig zunimmt,
b) die Bereiche mit geringer Porosität im wesentlichen aus den feinkörnigen feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien aufgebaut sind,
c) die Bereiche mit hoher Porosität im wesentlichen aus einer Faserkeramik auf der Basis von Fasern aus Al2O Si0„, Zr0~, C, SiC oder Mischungen hiervon aufgebaut sind, und
d) die mittleren Bereiche aus Mischungen der Faserkeramik und der feuerbeständigen oder feuerfesten Materialien aufgebaut sind.
2. Keramisches Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% SiO,,, und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% SiO2, aufgebaut sind.
344U07
3. Keramisches Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% ZrC>2, und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% ZrO2, aufgebaut sind.
4. Keramisches Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien, bestehend aus über 90 Gew.-% Al2O3, und
die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien, bestehend aus unter 60 Gew.-% Al2O3, aufgebaut sind.
5. Keramisches Formteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit geringer Porosität aus Materialien mit über 80 Gew.-% Glasphase und die Bereiche mit hoher Porosität aus Materialien mit über 80 Gew.-% kristalliner Phase aufgebaut sind.
6. Verwendung des keramischen Formteils nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von mit organischen Harzen, Pech, Teer, Metallen, Metallegierungen oder Gläsern getränkten oder infiltrierten Verbundwerkstoff-Formteilen .
7. Verwendung nach Anspruch 6 zur Herstellung von mit Aluminiumlegierungen infiltrierten Kolben für Verbrennungsmotoren .
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