CH360014A - Keramischer Verbundkörper, insbesondere für den Maschinenbau und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

  Keramischer Verbundkörper, insbesondere für den     Maschinenbau     und Verfahren zu seiner Herstellung    Der Einführung keramischer Werkstoffe in den  allgemeinen Maschinenbau stehen bisweilen zwei  Stoffeigenschaften hindernd im Wege. Die     geringe     Zugfestigkeit und die hieraus resultierende geringe  Biegefestigkeit sowie eine geringe Wärmeleitfähigkeit.  Verläuft die Zugbeanspruchung in einer oder zwei  bevorzugten Richtungen, so können Drähte, Draht  geflechte, Bänder, Rohre oder dergleichen, die in  keramisch richtiger Weise mit dem keramischen  Grundwerkstoff verbunden wurden, unter gewissen  Voraussetzungen eine merkliche Verbesserung in  bezug auf die Zug- und     Biegebeanspruchbarkeit     eines solchen Verbundkörpers erbringen.

   Die Ver  wendung solcher Drähte oder dergleichen aus metal  lischem Werkstoff     erbringt    für manche Anwendungs  fälle den zusätzlichen Vorteil, dass gute     Wärme-          fliesswege    geschaffen werden. Da keramische Stoffe  im allgemeinen ein relativ schlechtes     Wärmeleitver-          mögen    besitzen und dies in bekannter Weise durch  Zusatz von metallischem Pulver oder von Metall  spänen zwar etwas, aber nicht grundlegend verbes  sert werden kann, so erbringen Drähte, Netze oder  dergleichen aus Metall den im Maschinen- oder  Apparatebau oft erwünschten     zusätzlichen    Vorteil,  dass stetige, ununterbrochene     Wärmefliesswege    ge  schaffen werden.  



  Die Erfindung betrifft einen keramischen Ver  bundkörper, insbesondere für den Maschinenbau,  bestehend aus gebrannten mineralischen Stoffen und  Einlagen, die     mindestens    überwiegend innerhalb des  keramischen Grundmaterials liegen, der dadurch  gekennzeichnet ist, dass der gebrannte keramische  Werkstoff im unbelasteten Zustand dadurch auf  Druck vorgespannt ist, dass die Einlagen, deren  Werkstoff einen grösseren     Abkühlungs-Kontraktions-          Koeffizienten    als der keramische Werkstoff     aufweist,       auf Zug mit mindestens     annähernd    10 % seiner  Bruchspannung vorgespannt sind.  



  Die     Erfindung    betrifft ferner ein Verfahren     zum     Herstellen eines Verbundkörpers.  



  Bekannt ist das Vorspannen von Stahlstäben oder       -drähten    innerhalb von Betonmasse. Hierbei muss  jedoch eine Anwendung mechanischer Spannmittel  erfolgen, und die Stäbe oder Drähte müssen nach  dem Abbinden des Betons untereinander verschweisst  werden, um     Widerlager    zu     schaffen.    Im Gegensatz  hierzu wird das     vorstehend    genannte Vorspannen der  Drähte oder dergleichen innerhalb der Keramik  durch bewusste Ausnutzung derjenigen thermischen  Spannungen bewirkt, die entstehen, wenn zwei mit  einander mechanisch oder     oberflächig-chemisch    ver  bundene Stoffe verschiedener linearer Wärmedehnung  gemeinsam abkühlen oder gemeinsam     erwärmt     werden.  



  Bekannt ist auch das. Einbringen von Drähten  oder von Drahtgeflechten in Glaskörper, jedoch wird       hierbei    ebenfalls nicht das Prinzip benutzt, ther  mische Spannungen bewusst in einer bestimmten       Hinsicht    für maschinentechnische Zwecke einzu  setzen und hierzu die Drähte für die     normalen    mitt  leren Temperaturen, bei welchen der Verbundkörper  eingesetzt wird, in einen vorgespannten Zustand zu  bringen.  



  In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel  eines Verbundkörpers nach der     Erfindung    und     ein     Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des  Verfahrens     dargestellt.    Es zeigen       Fig.    1 einen als keramischen Verbundkörper  ausgebildeten     Stift    einer     Stiftmühle,    und       Fig.    2 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen       Herstellen    von     Verbundkörpern    im     Strangpressver-          fahren.         Für das Mahlen von     geschmacksempfindlichen     Genussmitteln, wie z. B.

   Kakao oder gewissen Früch  ten, oder von     Arzneimitteln    oder chemisch reinen  Stoffen, ist die Verwendung von im Betrieb sich  abnutzenden     Metallteilen    unerwünscht. Trotzdem hat  man bisher     derartige    Mahlstifte vorzugsweise aus       hochwertigen        Metall-Legierungen    gefertigt, um die  starken Zentrifugalkräfte beherrschen zu können und       um    gegebenenfalls die beim Mahlen entstehende  Wärme besser abführen zu können.

   Der in     Fig.    1  dargestellte Stift besteht aus dem     Hartporzellan-          Körper    1 und den     miteingebrannten    Drähten 2,  beispielsweise aus einer warmfesten     Nickel-Stahl-          Legierung    oder aus Wolfram, Titan,     Molybdän    bzw.       entsprechenden    Legierungen.

   An den Stellen 3 und 4  sind die Drähte vor ihrem Einbetten in die Keramik       angeätzt    worden oder ihre     Obergfäche    ist hier auf  sonstige geeignete Weise stark     aufgerauht    worden  und gegebenenfalls anschliessend mit einer Ober  flächen-Schutzschicht überzogen worden, die nach  bekannten Verfahren eine bindende     Übergangsschicht     von der metallischen     Oberfläche    zum     keramischen     Material darstellt. Vor dem Brand werden die  Drähte 2 in gestrecktem, aber spannungsfreiem  Zustand in die weiche keramische Masse eingebettet.

    Die     Mischkristallbildung    respektiv die Bildung einer  gemeinsamen     oxydischen    Phase (Glas) längs der  Oberflächen der Partien 3 und 4 wird erst während  der beginnenden Erstarrung bei der Abkühlung nach  dem Brande     mechanisch    wirksam: Erst wenn die  Drähte 2 an diesen Stellen 3 und 4 mit dem angren  zenden Werkstoff schubfest geworden sind, wirkt sich  das stärkere thermische Schrumpfen der Drähte 2  allmählich aus, indem diese an den Stellen 3 und 4  innerhalb der Keramikmasse eingespannt bleiben und  somit thermische     Dauer-Zugspannungen    aufnehmen.  - Teil 5 ist die rotierende Mahlscheibe, Teil 6 eine  bei der Montage des Stiftes mit den Drähten 2 fest  verbundene     Gegenhaltsscheibe.     



       Innerhalb    der Bohrung 7 für diesen Mahlstift  werden die Drähte     zusammengeführt,    nachdem sie  vorher auf galvanischem Wege oder durch     Auftrags-          Lötung,        -Schweissung    oder dergleichen derart ver  stärkt wurden, dass sie die Bohrung ausfüllen.

     Somit ist dieser Mahlstift durch seine keramischen  Aussenschichten sehr verschleissfest, und er liefert  bei     seiner    Abnutzung während des     Mahlens    einen  Verschleisstaub, der auf die meisten Stoffe indiffe  rent wirkt ; er besitzt die gute Druckfestigkeit des       Hartporzellans,    ausserdem aber auf Grund der leich  ten     Vorspannung    der     hochwarmfesten    Drähte eine  gute     Zugfestigkeit,    insgesamt also auch eine bessere  Biegefestigkeit, als sie der beste keramische Werk  stoff haben würde.

   Mit Rücksicht auf die ange  strebte Steigerung der     Biegefestigkeit    sind die Drähte  2, wie es die Zeichnung darstellt, ausserhalb der  Längsachse des Körpers angeordnet. Zugleich dienen  diese metallischen Drahteinlagen zur Befestigung des  Stiftes im Teil 5 und zur Verbesserung der Wärme  abfuhr bzw. -Zufuhr, je nachdem, ob die     Art    des    Mahlgutes und die Temperaturbeeinflussbarkeit der       Mahlbarkeit    eine     Wärmeabfuhr    vom Mahlgut zur  Mahlscheibe hin oder eine Wärmezufuhr in der  umgekehrten Richtung als wünschenswert erscheinen  lässt.  



  Die Haftung der Verbindung an den Stellen 3  und 4 zwischen der Drahtoberfläche und den kera  mischen Innenoberflächen kann durch vorbereitende  Massnahmen verbessert werden. Ausser einer künst  lichen     Aufrauhung    oder     Anätzung    dieser Stellen ist  eine     Titanisierung    der     Oberflächen    besonders günstig,  da Titan durch Oxydierung und durch anschliessende  Mischkristall- und/oder     Mischglas-Bildung    mit dem  Metall als auch mit der Keramik mechanisch feste  Verbindungen während des Brandes eingeht.

   - Ein  anderes Hilfsmittel ist das Aufspritzen von schmelz  flüssigem     A1203,        ZrO.    oder anderen Oxyden mittels  einer     Flammspritzpistole.     



  In Fällen, in denen die Brenntemperatur und/oder  die     Wärmedehnzahlen    zu ungünstig hinsichtlich der  beiden gewählten Hauptwerkstoffe liegen, wird man  die Keramik mit vorbereiteten Öffnungen, die im  ungebrannten Zustand angebracht werden, auf übli  chem Wege brennen, nach der Abkühlung sodann die  Drähte oder Bänder in gestrecktem oder in leicht       gewendeltem    oder geknicktem Zustande, einbringen,  eine     Schlicker-    oder     Emaille-Masse        hinzuspritzen     bzw. eindrücken und sodann einen zweiten Brand als  Befestigungsbrand im vorgenannten Sinne, bei vor  zugsweise niedrigerer Temperatur als der des ersten  Brandes, durchführen.  



  Das     Hinzupressen    einer     Schlicker-    oder Glasur  masse kann auch so gelenkt werden, dass diese Masse  nur an diejenigen Stellen, die als künftige Einspann  stellen (3 und 4) in der Abbildung genannt sind,  zwischen die Drähte und die keramische Bohrungs  wand gelangt.  



  Die Einlagen können ausser aus metallischen  Drähten, Seilen, Rohren oder Geflechten auch aus  Glasfäden oder aus keramischen Fäden bestehen  oder zusammengesetzt sein, z. B. in Form von Gar  nen, Seilen oder Tauen. Fäden aus geschmolzenem  Quarz     (SiO,)    in Durchmessern bis zu 0,001 mm  herunter sind in der physikalischen Praxis als hoch  zugfeste und elastische Einzelfäden schon seit vielen  Jahren in Benutzung (vgl. das Buch von E. v.     Ange-          rer,      Technische Kunstgriffe bei physikalischen  Untersuchungen  , B. Auflage,<B>1952,</B> Seite 50 und  Seiten 116-118 ; maximale Bruchlast : 800     kg/mm2).     - Fasern aus keramischen Werkstoffen werden ferner  in den Vereinigten Staaten von Amerika bereits her  gestellt.

   Sie bestehen beispielsweise aus reinem     A103,     aus reinem     SiO,    oder aus einem Gemisch aus etwa  50 %     A1,03    und etwa 50 %     SiO,.    Entwicklungs  arbeiten in den USA betreffen ferner die Herstellung  von Fasern aus reinem     TiO.,        Zr0"    oder aus     Be0.     Es ist bereits heute möglich, die vorgeschlagenen Ein  lagen in Form von relativ starken Seilen, z. B.        Fiberfrax-Tau      der     Caborundum        Company    zu       verwenden,    die mindestens 1200  C     Brenntemperatur         aushalten.

   Fasern aus     A1203    überstehen mindestens  1600 C, ohne ihre Fasergestalt zu verlieren, da der  Schmelzpunkt oberhalb 20000 C liegt. Bemerkens  wert ist die hohe Bruchfestigkeit bei Beanspruchung  im     Zug-Zerreissversuch,    die bei reinen Oxyden     Werte          zwischen    600 und 800     kg/mm2    erreichen, was das  2-     3-fache    des entsprechenden Wertes von     Hochlei-          stungsstählen    bedeutet.  



  Bei Verwendung von relativ steifen Einlage  drähten ist auch das keramische     Strangpressverfahren     zur Herstellung von solchen Verbundkörpern an  wendbar. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses  Verfahrens ist in     Fig.    2 dargestellt.  



  Die keramische Rohmasse tritt     kontinuierlich    in  die Vorkammer 21 vor dem Pressen-Mundstück 27  ein,     gefördert    durch mindestens zwei Schnecken 22a  und 22b. Mehrere solcher Schnecken können in  Stern-Anordnung, um die Achse der Presse in glei  chen Winkelabständen verteilt, angeordnet sein, alle  von gleicher Förderleistung und synchronem Lauf.  Die Einlagen, Drähte oder Kabel 2, kommen von  den Vorratstrommeln 23 und 24 und laufen zwischen  mehreren     Geradrichtungsrollen    25 hindurch, um  vorhandene Krümmungen im Draht zu beseitigen.

    Jeweils das vorderste Paar 25a dieser Rollen ist  angetrieben und auf richtige Drehzahl eingeregelt,       derart,    dass die hier erzeugte     Vorschub-Geschwindig-          keit    der Drähte unter sich gleich und ausserdem  gleich ist der     Austritts-Geschwindigkeit    des kera  mischen Stranges 28 aus dem Mundstück 27. Da im  Raum 21     Überdruck    herrscht, muss ein Austreten  der Masse durch die     Zulauf-Öffnungen    für die     Drähte     in der Rückwand     verhindert    werden. Dies geschieht  durch das     Packungs-Material    26, das jeden der  Drähte 2 an der genannten Stelle vollständig umhüllt.

    Durch die dargestellte     stopfbüchsenartige    Vorrichtung  wird das Material 26 je nach Erfordernis unter  leichten Pressdruck gesetzt. Die     angetriebenen    Rollen  25a sind mit einer scharfen Riffelung der Draht  führungsflächen versehen, um bei Verwendung ober  flächenglatter Drähte als Einlagen 2 diesen eine  gewisse     Rauhigkeit    künstlich einzuprägen. Die Unter  teilung des Stranges 28 nach erwünschten Abschnitt  längen kann vor oder nach dem keramischen Brennen  erfolgen.

   Man kann aber auch nach Fertigstellung  des Stranges nur die     Überlängen    am Kopf und am  Schwanz abschneiden oder absägen, nämlich dann,  wenn man nach dem     Strangpressverfahren    lange  Balken für Bauzwecke herstellen will, die dann also  im endgültigen Zustand vorgespannte Balken mit  hoher Biegefestigkeit darstellen, obwohl sie aus  Ziegel- oder Klinkenmasse bestehen.  



  Eine derartige oder ähnliche Herstellung des  Verbundwerkstoffes in Form langer Stränge gestattet  auch die Herstellung von Schrauben erhöhter     Zug-          oder    Biegefestigkeit, insbesondere wenn der kera  mische Werkstoff ein nachträglich leicht     bearbeit-          barer    Werkstoff ist.  



  Das in der Natur vorkommende Mineral   Speck  stein   lässt sich beispielsweise auf erhöhte Zug- oder    Biegefestigkeit bringen, wenn die, wie beschrieben,  vorbereiteten Drähte oder Fäden in     künstlich    ge  schaffene Bohrungen eingebracht werden,     Schlicker-          oder    Glasunmasse hinzugegeben wird und sodann ein  Verbindungsbrand durchgeführt     wird.     



  Bei Kolben oder dergleichen Teilen von Wärme  kraftmaschinen, die auch auf Biegung beansprucht  werden, bettet man     zweckmässigerweise    in die kera  mische Grundmasse Drahtgeflechte oder dergleichen  ein, ebenfalls unter     Vorspannung    der     Kett-    und/oder  der Schussfäden des. Gewebes auf die vorstehend  beschriebene Weise. Diese Fäden bestehen bei Ge  flechten für den Kolbenboden, etwa eines Verbren  nungsmotors, aus einem Werkstoff von zugleich guter  Zugfestigkeit im warmen Zustande und guter Wärme  leitfähigkeit, z. B. aus sogenannter Leitbronze.

   Hier  durch dienen diese     Geflechte    sowohl der Verbesse  rung des Kolbenkörpers in bezug auf     Biege-    und  Schlagbiegefestigkeit als auch der Verbesserung der  Wärmeleitfähigkeit. Denn diejenige Wärme, die trotz  der     Wärmedämmwirkung    des     keramischen    Materials  bis zur Mitte der Wand des Kolbenbodens geflossen  ist, muss möglichst rasch in Richtung der     gekühlten     Zylinderwand abgeführt werden.  



  Bei Einbettung von Bronze oder ähnlichem       Werkstoff    wird die Zusammensetzung der kera  mischen Grundmasse     derart    gewählt, dass ihre     Brenn-          temperatur    und ihr chemisches Verhalten während  des Brennens und     Abkühlens    keine tiefgreifenden  schädlichen Veränderungen des Drahtmaterials her  vorrufen.

   Hingegen wählt man für     Maschinenteile,     die     hochfeuerfest    sein sollen und deren keramisches  Grundmaterial dementsprechend bei relativ hohen  Temperaturen zu brennen ist, anstelle von Bronze  drähten solche aus     Wolfram,        Molybdän    oder aus  ähnlichen Metallen bzw.     Legierungen    hohen Schmelz  punktes und geringer chemischer     Angreifbarkeit    ihrer       Oberflächen    bei hohen     Temperaturen,    also soge  nannte     hochhitzefeste    und zugleich     hochzunderbe-          ständige    Drähte oder dergleichen.  



  Die     Vorspannung    des Werkstoffes der Drähte  oder dergleichen soll bei mittlerer Umgebungstem  peratur mindestens annähernd 10 % ihrer Bruch  festigkeit betragen. Da die lineare     Wärmedehnung     von Metallen rund das     10-fache    derjenigen üblicher  keramischer     Stoffe    beträgt, besteht die Gefahr einer  zu hohen     Vorspannung    dieser Drähte. Diese kann  dadurch vermieden werden, dass entweder kera  mische Mischungen bekannter Art     mit    einer relativ  hohen Wärmedehnung oder metallische Legierungen  mit einer relativ kleinen Wärmedehnung gewählt  werden, oder dass der keramische Brennvorgang     bzw.     der eigentliche keramische Verbindungsvorgang (z.

   B.  bei einem     Einemaillieren    von Drähten) derart gelenkt  wird, dass das bereits erwähnte Einspannen der  Drähte an zwei bevorzugten Stellen erst bei einer  relativ niedrigen Temperatur während des     Abkühlens     nach dem Verbindungsbrand eintritt.  



  Für manche Anwendungsfälle kann es erstre  benswert sein, Teile der eingebauten Drähte oder      dergleichen wieder zu entfernen, um Kanäle oder  Sacklöcher für den Zutritt von Gasen oder Flüssig  keiten zu schaffen, oder um saugend wirkende kapil  lare Gänge im keramischen Material zu     schaffen.     Das     Entfernen    kann in an sich bekannter Weise  durch Ätzen, Schmelzen, Lösen oder dergleichen  erfolgen.  



  Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung im  Maschinenbau beschränkt. Z. B. ergibt sich bei be  kannten Isolatoren der Hochspannungstechnik, wel  che hohe     elektrische    Durchschlagsfestigkeit und  zugleich gute     überschlagsfestigkeit        aufweisen    müssen,  eine     vorteilhafte    Anwendungsmöglichkeit. Solche Iso  latoren werden mechanisch oft durch Zug- oder  Biegekräfte beansprucht. Bei einem     Miteinbrennen     von Fäden aus Quarz oder dergleichen wird die  Durchschlagsfestigkeit in elektrischer Hinsicht nicht  oder nur wenig     herabgemindert,    die Zugfestigkeit  kann aber erheblich     gesteigert    werden.

   Will man eine  ähnliche Steigerung durch     Miteinbrennen    von metal  lischen Drähten oder Rohren erreichen, die etwa  einen     Abspannisolator    in Richtung einer Längsachse  durchsetzen, so vermindern diese Drähte natürlich  die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Verbund  körpers.

   Nun ist es aber bei der beschriebenen  Anordnung metallischer Drähte oder eines Rohres  nicht notwendig,     diesen    die gleiche Länge, wie die       Hauptachsenlänge    des Isolators beträgt, zu geben,  sondern - ähnlich wie an der linken Seite der       Fig.    1 - die Endköpfe derart aus keramischem  Material zu formen, dass in     Durchschlagsrichtung     reines und     durchschlagsfestes    keramisches Material  ausreichender Wandstärke liegt.

   Die konstruktive       Gestaltung    der Aussenform erfolgt in bekannter  Weise unter Berücksichtigung der Erzielung einer  ausreichenden     überschlagsfestigkeit.    Mit Rücksicht  auf die     verbesserte    Zug- und Biegefestigkeit kann nun  ein     derartiger        Abspannisolator    mit einem Strunk  geringeren Durchmessers als vergleichbare     rein-kera-          mische    Isolatoren der gleichen Beanspruchungsgruppe  versehen sein.  



  Es ist somit möglich, je nach Lage des betreffen  den Anwendungsfalles Ersparnisse an Werkstoffen  und Gewichten oder eine Verminderung des     Ver-          schleisses    zu erzielen und keramische     Werkstoffe    mit  hoher chemischer und thermischer Widerstands  fähigkeit in solchen Fällen einzusetzen, in denen  seither ein solcher Einsatz wegen einer     nicht-aus-          reichenden    mechanischen Festigkeit nicht     möglich     war.

   In Fälle, in denen sich bisher die Anwendung       erwünscht    hoher Temperaturen mit Rücksicht auf die  bevorzugt benutzten Werkstoffe metallischer Art  verbot,     gestatten    die beschriebenen Verbundkörper  jetzt die Anwendung solcher höheren Temperaturen  und damit die Erzielung besserer thermischer Wir  kungsgrade oder die Durchführung chemischer Ver  fahren in intensiverer Weise bzw. in kürzerer Zeit.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Keramischer Verbundkörper, insbesondere für den Maschinenbau bestehend aus gebrannten mine ralischen Stoffen und Einlagen, die mindestens über wiegend innerhalb des keramischen Grundmaterials liegen, dadurch gekennzeichnet, dass der gebrannte keramische Werkstoff im unbelasteten Zustand da durch auf Druck vorgespannt ist, dass die Einlagen, deren Werkstoff einen grösseren Abkühlungs-Kon- traktions-Koeffizienten als der keramische Werkstoff aufweist, auf Zug mit mindestens annähernd 10 % seiner Bruchspannung vorgespannt sind. Il.

   Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers gemäss Patentanspruch I, gekenn zeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte a) Behandlung der Einlagen zur Verbesserung der Haftung zwischen den Einlagen und der kera mischen Masse des herzustellenden Verbund körpers. b) Einbetten dieser Einlagen in das keramische Material des, herzustellenden Verbundkörpers. c) Brennen dieses Verbundkörpers. UNTERANSPRÜCHE 1. Keramischer Verbundkörper nach Patentan spruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen aus Metall bestehen. 2. Keramischer Verbundkörper nach Patentan spruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen aus Glasfasern bestehen. 3. Keramischer Verbundkörper nach Patentan spruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen aus Keramikfasern bestehen. 4.

   Keramischer Verbundkörper nach Patentan spruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser von mindestens annähernd 0,001 mm aufweisen. 5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass in einem keramischen Körper Bohrungen angebracht werden und Einlagen in diese Bohrungen eingebracht werden, dass dann mindestens an den zukünftigen Einspannstellen eine Schlicker- masse in die Zwischenräume zwischen Einlagen und Keramikkörper eingepresst wird, und dass hierauf ein Verbindungsbrand durchgeführt wird. 6.

   Verfahren nach Patentanspruch 1I zur For mung eines Verbundkörpers im Strangpressverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen konti nuierlich zusammen mit der ungebrannten Masse des keramischen Grundkörpers in den Vorraum vor dem Mundstück einer Strangpresse einlaufen und das Mundstück gemeinsam mit der stranggepressten Grundmasse durchlaufen, worauf die stranggepressten Körper bzw. Abschnitte derselben gebrannt werden.