CN1836054A - 构件的托架及用于制造这种托架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种在热处理过程中用于托住构件的托架(10、38)，包括一个具有支腿(12、14、16、18)的框架(11)和从该框架出发由交叉的线束组成的格网(20)。为了在强大的热负荷或者温度波动时，托架也能保持无扭曲变形，提出框架(11)由耐高温材料制成，线束由碳纤维或者陶瓷纤维制成，它从框架的支腿(12、14、16、18)出发构成格网(20)。托架在强大的热负荷或者温度波动时也无扭曲变形。通过附加的表面涂层可防止在待处理构件和托架或者格网之间的接触反应。

Description

构件的托架及用于制造这种托架的方法
本发明涉及到一种在热处理过程中用于托住构件的托架，它包括至少一个框架和从该框架出发由交叉的线束组成的格网，其中框架由一个或多个、优选的是构成多角形的支腿组成。
为了对细长的金属或者陶瓷构件在热处理过程中定位或者固定，在支撑框架中使用了这种托架。在热处理过程中，例如涉及到烧结过程、淬火过程、调质过程或者焊接过程。通常的加工温度在700℃和2600℃之间，其中通常在800℃和1600℃之间工作。
根据现有技术具有相应格网的框架由金属制成。与此同时格网由例如直径2mm的圆形线材构成。然而相应的支撑装置表现出下列可明显看到的缺陷：
---在热循环时扭曲变形，
---由于温度的作用整个结构蠕变，
---自重大，
---热容大，
---由于脆化寿命低，
---为了延长可使用性，校正费用高，
---由于支撑装置的扭曲变形，被处理件的废品多。
尤其是由于形状稳定性的降低，相应的支撑装置借助于机械手如机器人进行装卸时，经常引起问题。
由DE-A-19957906已知一种在格网结构下的纤维复合件，它在高温炉和高温设备中，在淬火技术或者烧结技术中作为炉排来使用。在制造中使用了尤其是按照TFP(Tailored Fiber Placement)技术制造的纤维预制品，然后热解，即碳化或者石墨化。
在DE-U-29512569中描述了一种淬火材料用的托架。此外该托架由碳纤维增强碳材料(CFC材料)组成，它具有一层SiC、BN或者TiN的保护层。托架包括可插在一起的、带有相互排成直线的、待淬火材料可以通过的槽的侧支腿。
由DE-A-19737212已知一种用于工件热处理的工件托架。工件的托架可以由一个整体的框架组成，用于支撑工件的弯成钩状的铁丝可挂在上边。为了缠绕相互构成一定间隔的纤维束，根据替代的实施方式，托架由管状结构组成。
本发明要解决的技术问题是，提供一种在开头时提到类型的托架以及制造该托架的方法的替代方案，这样在强大的温度负荷或者剧烈的温度波动时，也能提供一种无扭曲变形的托架，从而能够在热处理希望的范围内托住构件。从另外的角度说应该确保防止在待处理构件和托架或者格网之间的接触反应。托架或者格网应以结构简单的方法制造。
根据本发明该问题通过在开头时提到类型的托架中主要通过以下措施获得解决，框架由耐高温材料制成，线束由碳纤维或者陶瓷纤维制成，这些线束从框架的支腿出发构成格网。尤其是由被称为纤维束的纤维组成的线束在支腿或者框架支腿部分之间布置成经纬网结构。因此得到一个粗的网形结构，它的网眼宽度可单独设计，以支撑希望尺寸的构件。
当框架由一个支腿组成时，它将具有弧形的曲线延伸，以便例如绷紧成椭圆形或者圆形。
托架可以由一个唯一的框架或者由多个垂直的或者相互平行延伸的框架组成，它们类似于一个单侧敞开的筐。
格网可以由单层或者多层纤维束、或者搓成绳的纤维、或者捻成的绳线，以例如线绳的形式构成。也可以使用预制的格网织物，或者借助于TFP制造的格网结构。
在使用纤维束时尤其要考虑，格网由唯一的在框架支腿间延伸的、近似于连续的纤维束构成。
关于是否使用单层或者多层的纤维束、或者搓成绳的纤维、或者捻成的绳线作为纤维束，需分开考虑。纤维束由碳纤维或者陶瓷纤维组成。按照实施方式框架的支腿纵向边缘侧具有槽，为了格网的张紧这些槽被纤维束段穿过。尤其是这些槽本身在各纵向边缘构成梳形几何形状。
另一种选择方案是支腿带有被纤维束穿过的通孔如钻孔。根据槽或者通孔的位置或者其使用，格网间隔、即格网的网孔宽度可以简单的办法改变。
此外在网结构中敷设的纤维束在支腿之间预张紧，以此保证做好的格网不会下垂，即绷紧成一个平面。
作为纤维材料尤其可采用Al2O3、SiC、BN、C或者B4C和/或者它们的组合。
框架优选是由CFC、石墨或者陶瓷纤维组成。框架可以具有在TFP技术下制造的支腿，它们可以通过插接装配。但是也存在这种可能性，例如借助于水刀由碳纤维增强碳板中切割出一个框架。也可以将相应的板的部分装配成一个框架。
如果托架具有一个近似两维的几何形状，那就是说由一个带有从它的支腿出发的格网的唯一的框架组成，优选的是每个支腿绷紧成一个平面，它垂直于由格网构成的平面。当框架的支腿由平板件组成时，因此它的平面侧应该垂直于格网延伸。
当托架具有一个筐形几何结构时，例如是一个单侧敞开的长方体，托架由底部框架和侧面框架组成，它们分别是格网的支架。
与此同时优选的是，每个侧面框架的上部支腿是一个平板件和/或者下部支腿是一个角形件和/或者垂直于侧面框架的侧面支腿分别是圆形件。
此外构成支腿的平板件以它的侧面展开一个平面，由框架撑开的格网位于该平面中。
成直角或者近似直角的彼此相邻的平板支腿可以通过插接相互连接，这种插接本身在一个圆形件内部延伸。与此同时框架的各个平板支腿在圆形支腿的各个端面外部纵向边缘侧的过渡要齐平。
作为纤维材料尤其可采用Al2O3和/或者SiC和/或者BN和/或者C或者它们的一种或者多种的组合。
此外可以设有由下面的材料：碳、B4C、Al2O3、SiC、Si3N4或者这些材料的组合组成的网状结构方阵。此时方阵可借助于CVD和/或者CVI由气相沉积，或者通过前体材料如酚醛树脂、呋喃树脂或者硅前体的热解制造。相应的加工工序的组合同样是可以的。
为了避免在热处理构件和托架或者格网之间的接触反应，还可以在陶瓷纤维支撑结构上涂覆一种表面涂层。这种表面涂层可以由化学元素周期表中的第三和第四主族和/或第三到第六副族的氧化物、氢化物和/或碳化物和或碳制成。
做好的格网的吊杆直径典型的在1mm-10mm之间，优选的是在2mm-4mm之间。
框架优选的是具有支腿长度最高为2000mm和/或者高度在10mm到300mm之间的正方形或者长方形。典型的尺寸可以是：
450×450×50mm3或者
900×600×40mm3。
框架的其它几何形状，如圆形或者椭圆形同样是可以的。在这种情况下例如框架可以由相应的弯成弧形的支腿组成，或者由例如两个可组合成一个相应的几何形状的支腿组成。
根据本发明提供一种由框架和格网组成的陶瓷纤维支撑结构，用该支撑结构使金属和/或者陶瓷构件在热处理过程中可以定位或者固定。此外尤其是在格网结构的基础上存在这种可能性，细长的构件可以如希望的方式进行垂直装料。为此要相应的布置格网的网孔宽度。此外格网到每个框架支腿的纵向边缘要保持一定距离。
基于本发明的原理获得一种尽管有热循环，但无扭曲变形的托架，因此不产生校正费用。根据本发明的托架显示出一种抗温度突变性，低密度和微小的热容，同样没有蠕变倾向。此外要特别指出的优点是不产生脆化，还可以保证长的使用寿命。与金属支撑装置相比可显著降低废品。
本发明的其它优点是格网结构的良好通流性。由此在淬火技术使用中，例如在油淬火或者气体淬火时，带来很大的好处。
前面所说明的优点不仅仅涉及到托架本身，而且也涉及到它的组成部分，尤其是可以作为单独构件使用的格网。因此本发明也涉及到使用框架的情况下，由碳纤维或者陶瓷纤维通过线束交叉制造格网的方法，线束从框架出发相应的张紧成希望的格网结构，然后构成纤维方阵，紧接着格网从框架去掉。此外格网可与从框架出发的部分分离如切断。如果线束是从边缘侧的槽处出发，格网也可以作为单元从框架去掉。
方阵可以由气相沉积和/或者通过前体材料的热解形成。此外在格网从框架去掉之前可进行表面涂层。为此作为材料可以使用由化学元素周期表中的第三和第四主族和/或者第三到第六副族的氧化物、氮化物和/或者碳化物，和/或者碳，或者这几种材料的组合。
作为纤维材料尤其可采用Al2O3、SiC、BN、C或者它们的组合或者部分组合。作为方阵材料可以使用碳、B4C、Al2O3、SiC、Si3N4或者这些材料的组合或者部分组合。
相应的格网具有本发明的特征。
本发明的其它细节、优点和特征不仅由权利要求书获得，单个的特征和/或组合的特征，而且由接下来对附图中所示优选实施例的说明获得。
附图说明
图1所示是托架的第一种实施例，
图2所示是托架的第二种实施例，
图3所示是托架的第三种实施例的第一个视图，
图4所示是根据图3所示的托架的第二个视图。
图1和图2所示是根据本发明的近似两维的托架的实施方式，图3和图4所示是构成敞开的筐的三维托架，它具有一个长方体的几何形状。
图1仅从原理上表示了托架10，它作为陶瓷纤维的支撑结构，尤其是用于例如金属或者陶瓷构件在热处理过程中的定位或固定。在热处理过程中例如涉及到烧结过程、淬火过程、调质过程或者焊接过程，它们在700℃和2600℃之间的温度下，典型的在800℃和1600℃之间进行。
为了使托架10在产生热循环的情况下无扭曲变形，托架由碳纤维增强的碳材料或者陶瓷纤维组成，并且包括带有支腿12、14、16、18的框架11，以及从支腿出发或者确切的说是绷紧在支腿上的格网20。格网20在图1所示的实施例中通过支腿12、14、16、18上部纵向边缘22、24、26、28的梳形结构构成的突出部分30、32、34、36张紧，并且优选的是由连续碳纤维束组成。陶瓷纤维束也可以。
尤其是涉及到一种单层或者多层纤维束。
构成格网20的纤维束，尤其是作为纤维材料具有Al2O3、SiC、BN、C或者它们的组合或者确切的说是它们的部分组合。
支腿12、14、16、18也由CFC或者陶瓷材料组成，它们相应于图2所示的实施例相互插在一起，或者以其它型式相连接。也存在这种可能性，支腿连贯的、也就是说框架构成一个整体，例如由碳纤维增强的碳板借助于水刀落料。
只要格网20具有方阵形式，它可以由气相(例如CVD/CVI)沉积，或者通过前体材料，例如酚醛树脂、呋喃树脂、或者Si前体热解形成。
作为方阵材料，碳、B4C、Al2O3、SiC、Si3N4或者它们的组合或者部分组合是合适的。
另外为了防止在支撑结构和热处理构件之间的接触反应，可附加设有一个表面涂层，它可由化学元素周期表中的第三和第四主族和/或者第三到第六副族的氧化物、氮化物和/或者碳化物，和/或者碳，或者这些材料的组合或者部分组合组成。支撑结构理解为框架11和/或者格网20。
图2所示的托架38同样包括一个带有支腿42、44、46、48的框架40，它们互相插在一起，并且在它们之间张紧有格网50。为此支腿42、44、46、48具有钻孔52、54，它们被单层或者多层纤维束或者根据前面进行的说明由碳纤维或者陶瓷纤维捻成的线穿过。
尤其是由单层或者多层纤维束或者捻成的纤维束(绳)组成的碳纤维为了形成格网20、50编成网状结构，其中依赖于由支腿12、14、16、18或者42、44、46、48出发并且使用的突出部分32、34、36、30或者钻孔52、54可预先确定希望的绳子之间的间隔。以此构成格网20、50的绳子、尤其是纤维束或者捻成的绳编成网状结构(经线和纬线)。
图3和图4所示是筐形的托架100，它由侧框架102、104、106、108以及底部框架110和张紧在其上的格网112、114、118和120组成。相应的托架100例如用于支撑要经受热处理过程的金属或者陶瓷的构件。
侧框架102、104、106、108由上部平板件121、122、124和125以及底板侧构成底部框架110的角形件126、128、130、132组成。圆形件134、136、138、140构成侧框架102、104、106、108的侧支腿。
此外图3和图4所示，纵向支腿121、122、124、125、126、128、130、132通过插接相互连接，所述插接在圆形件134、136、138、140内延伸，并且如图示所说明的，外侧平齐的过渡。
如借助于图1和图2所示，格网112、114、116、118由单层或者多层纤维束构成。就这一点可参阅有关的实施例。
此外构成格网的线束穿过未进一步说明的在侧支腿121、122、124、126上的孔，以及在其平面中延伸的角形件126、128、130和132的支腿部分142、144、146、148。沿着格网120延伸的角形件126、128、130、132的部分沿着格网120的外表面延伸，并且因此作为筐100的支架。
格网112、114、116、118、120或者确切的说它们的纤维束，尤其作为纤维材料具有Al2O3、SiC、BN、C或者它们的组合或者部分组合。只要各个格网112、114、116、118、120具有方阵形式，就可以由气相(例如CVD/CVI)沉积或者通过前体材料，如酚醛树脂、呋喃树脂、或者硅前体的热解来构成。
作为方阵材料，碳、B4C、Al2O3、SiC、Si3N4或者它们的组合或者部分组合是合适的。
此外为了防止在支撑结构和热处理构件之间的接触反应，可以设有表面涂层，它由元素周期表中的第三和第四主族，和/或者第三到第六副族的氧化物、氮化物和/或者碳化物，和/或者碳，或者它们的组合或者部分组合组成。
支撑结构可理解为各个框架112、114、116、118、120和/或者在其上绷紧的格网102、104、106、108、110。
支腿121、122、124、125、126、128、130、132、134、136、138、140可以由CFC或者陶瓷材料组成。
如果托架10、38或者筐100可用于热处理过程中托起构件的定位或固定，那么也存在这种可能性，各格网20、50本身单独使用。为此可以从框架11、40上解下来。因此在图1所示的实施例中只需要将格网20与突出部分30、32、34、36相分离，即从突出部分30、32、34、36上脱开。根据图2所示，为了格网50的使用，要分离穿过孔52、54的部分。
此外值得一提的是，碳纤维增强碳主体，可以是格网、可以是框架，通过硅化借助于例如用液体硅的毛细或者液体浸渍过程转换成C-SiC或者C/C-SiC。

Claims (33)

1.在热处理过程中用于托住构件的托架(10、38、100)，它包括至少一个框架(11、40、102、104、106、108、110)和从该框架出发由交叉的线束组成的格网(20、50、112、114、116、118、120)，其中框架由一个或多个、优选的是构成多角形的支腿(12、14、16、18、42、44、46、48、121、122、124、125、126、128、130、132、134、136、138、140)组成，其特征在于，框架(11、40、102、104、106、108、110)由耐高温材料制成，线束由碳纤维或者陶瓷纤维制成，这些线束从框架的支腿(12、14、16、18、42、44、46、48、121、122、124、125、126、128、130、132、134、136、138、140)出发构成格网(20、50、112、114、116、118、120)。
2.根据权利要求1所述的托架，其特征在于，托架(100)由多个三维体构成的框架(102、104、106、108、110)组成。
3.根据权利要求2所述的托架，其特征在于，三维体具有筐形几何形状。
4.根据权利要求1所述的托架，其特征在于，构成格网(20、50)的碳纤维增强碳材料或者陶瓷材料是单层或者多层纤维束、或者捻成绳线形式下的纤维束，并且纤维束以经纬网结构在框架支腿(12、14、16、18、42、44、46、48)间延伸。
5.根据至少权利要求1或者4所述的托架，其特征在于，格网(20、50)由一般在框架支腿(12、14、16、18、42、44、46、48)间延伸的、连续的纤维束构成。
6.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，支腿(12、14、16、18)在其相应的纵向边缘具有槽，为了格网(20、50)的张紧，槽被纤维束段穿过。
7.根据权利要求6所述的托架，其特征在于，槽在框架支腿(12、14、16、18)各纵向边缘(24、26、28、30)构成梳形几何形状。
8.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，框架(40)的支腿(42、44、46、48)具有被纤维束穿过的通孔如钻孔(52、54)。
9.根据至少权利要求4所述的托架，其特征在于，在网结构中敷设的纤维束在支腿(12、14、16、18、42、44、46、48)之间预张紧。
10.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，框架(11、52)由碳纤维增强碳板整体切割而成。
11.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，构成框架(40)的支腿(42、44、46、48)借助于插接装配。
12.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，框架(11、38)或者其支腿(12、14、16、18、42、44、46、48)的基础是借助于TFP技术制造的热解纤维预制品。
13.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，框架(11、40)由碳纤维增强碳板、如CFC板，尤其是借助于由水刀切割分离的部分组成。
14.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，格网(20、50)借助于TFP方法制造。
15.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，纤维材料由Al2O3和/或者SiC和/或者BN和/或者C组成，或者包含有这些材料。
16.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，格网(20、50)具有方阵结构，它由碳、B4C、Al2O3、SiC、Si3N4和/或者它们的组合组成，或者包含有这些材料。
17.根据权利要求16所述的托架，其特征在于，方阵由气相沉积和/或者通过前体材料的热解形成。
18.根据权利要求17所述的托架，其特征在于，前体材料是指酚醛树脂、和/或者呋喃树脂、和/或者硅前体。
19.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，至少格网具有由化学元素周期表中的第三和第四主族和/或者第三到第六副族的氧化物、氮化物和/或者碳化物、和/或者碳形成的、或者包含这几种材料的表面涂层。
20.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，框架(11、40)由碳纤维增强的碳、陶瓷纤维或者石墨制成。
21.根据至少权利要求1所述的托架，其特征在于，托架(100)是一个由底部框架和侧面框架(102、104、106、108、110)组成的单侧敞开的长方体，底部框架和侧面框架分别是格网(112、114、116、118、120)的支架。
22.根据至少权利要求21所述的托架，其特征在于，每个侧面框架(112、114、116、118)的上部支腿(121、122、124、125)是一个平板件和/或者每个侧面框架的下部支腿(126、128、130、132)是一个角形件和/或者垂直于侧面框架的侧面支腿(134、136、138、140)分别是圆形件。
23.根据至少权利要求22所述的托架，其特征在于，平板件以它的侧面展开一个平面，由框架(102、104、106、108)撑开的格网(112、114、116、118)位于该平面中。
24.根据至少权利要求22所述的托架，其特征在于，侧面框架(112、114、116、118)的各个平板件(121、122、124、125)在圆形件(134、136、138、140)的各个端面外部纵向边缘侧的过渡要齐平。
25.根据至少权利要求22所述的托架，其特征在于，成直角或者近似直角的彼此相邻的框架(102、104、106、108)平板件通过插接相互连接，插接本身在圆形件(134、136、138、140)中的一个内部延伸。
26.用于通过使用一个或多个支腿装配成的框架、由碳纤维或者陶瓷纤维通过线束交叉制造构件的方法，线束从框架出发相应的张紧成希望的格网结构，然后构成纤维方阵，并且紧接着格网从框架去掉。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，格网与从框架出发的部分分离如切断。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，方阵由气相沉积和/或者通过一种或多种前体材料的热解形成。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，格网在去掉框架之前和/或者之后进行表面涂层。
30.根据至少权利要求26所述的方法，其特征在于，作为纤维或纤维材料可采用Al2O3和/或者SiC和/或者BN和/或者C。
31.根据至少权利要求26所述的方法，其特征在于，作为方阵材料使用碳和/或者B4C和/或者Al2O3和/或者SiC和/或者Si3N4和/或者这些材料的组合。
32.根据至少权利要求26所述的方法，其特征在于，格网可用由化学元素周期表中的第三和第四主族和/或者第三到第六副族的氧化物、氮化物和/或者碳化物和/或者碳进行表面涂层。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的格网或者用于格网制造的方法。
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