DE10141660A1 - Keramische Verbundkörper - Google Patents

Keramische Verbundkörper

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine keramischen Verbundkörper aus einer äußeren Mantelkeramik und wenigstens einem eingesinterten keramischen Material, bei dem sich Mantelkeramik und eingesintertes Material in ihren elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften unterscheiden, sowie daraus hergestellte Bauteile.

Description

  • Die Anmeldung betrifft keramische Verbundkörper, aus einer äußeren Mantelkeramik und wenigstens einem eingesinterten Material, sowie dessen Verwendung.
  • Die Kombination von zwei verschiedenen Phasen oder Werkstoffen mit dem Ziel, einen Werkstoff mit neuen oder besseren Eigenschaften zu erhalten, ist nicht neu. So besteht Holz im wesentlichen aus festen Zellulosefasern, die durch Lignin verbunden werden. Es entsteht ein Werkstoff mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Zugfestigkeit in der Faserrichtung zur Dichte, der auch durch die neueste Entwicklung künstlich hergestellte Verbundstoffe kaum übertroffen wird. Die geringe Zugfestigkeit keramischer Stoffe wie Beton und Fensterglas kann verbessert werden, wenn sie mit Metallen kombiniert werden. Dies führt mit dem Stahlbeton und dem metalldrahtverstärkten Glas zu Verbundwerkstoffen, die Zugspannungen ausgesetzt werden können.
  • Viele Neuentwicklungen gehen von dem Ziel aus, Werkstoffe mit sehr günstigen Verhältnissen von Zugfestigkeit zu Dichte, mit hoher Warmfestigkeit und/oder besonderen Eigenschaften der Werkstoffoberfläche oder des Werkstoffs an und für sich zu entwickeln. So erfolgt der Einsatz von Verbundwerkstoffen zusehends in Bereichen, in denen die herkömmlichen Werkstoffe nur eine geringe Lebenserwartung und/oder Leistungsfähigkeit besitzen.
  • Gleitlager bestehen aus zwei relativ zueinander bewegten Teilen. Im Fall drehender Anordnung ist zumeist die Welle bewegt, während die Lagerschale oder Lagerbuchse feststeht. Derartige Gleitlager finden sich auch in Anwendungen, die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit erfordern. So wurden auf besondere Anforderungen abgestimmte selbstschmierende und wartungsfreie Sinterlager aus Bronze entwickelt. Eine besondere Anforderung an Lagerbronzen und Festschmierstoffe stellen beispielsweise hohe oder tiefe Betriebstemperaturen und Betrieb bei Mangelschmierung oder im Vakuum dar, bzw. der Betrieb in niedrigviskosen oder chemisch aggressiven Medien.
  • So bedürfen Gleitlager während des Betriebs der kontinuierlichen Schmierung. Soweit sie in Pumpen zum Einsatz kommen, kann vielfach das umgepumpte Fluid als Flüssigschmierstoff dienen. Problematisch ist in diesen Fällen allerdings häufig die Anfahr- und Auslaufphase, in denen der Schmierstoffdruck an den Punkten des Schmierspaltes mit der geringsten Schmierspalthöhe nicht mehr ausreicht. In diesen Phasen kann es zum Heißlaufen des Lagers kommen, was zu erhöhtem Verschleiß und schließlich zur Zerstörung des Lagers führt. Thermische Deformation und Fehlausrichtung der Gleitpartner in Betrieb kann diesen Prozeß noch unterstützen. Um dem entgegenzuwirken dient als bekannter Festschmierstoff Graphit, insbesondere an Stellen, wo es zu erhöhter Reibung zwischen Welle und Buchse kommen kann. Durch thermische und mechanische Einflüsse lösen sich Graphitpartikel, die die erforderliche Schmierwirkung bringen, bis die Schmierung durch das gepumpte umgebende Medium greift.
  • Aufgrund der zumindest temporär nicht vorhandenen Kühlung der feststoffgeschmierten Lager durch ein flüssiges Schmiermittel sind diese Lager, insbesondere bei hohen Lagerlasten und hohen Lagerverlustleistungen, einer großen thermischen Belastung ausgesetzt. Dieses gilt auch im Bereich chemisch aggressiver Flüssigkeiten. Chemisch aggressive Medien können Gleitlager allein durch Korrosion oder auch parallel auftretenden Verschleiß in kurzer Zeit zerstören. Eine gute elektrische Leitfähigkeit wirkt sich gerade bei der Elektrokorrosion negativ aus.
  • Gleitlager herkömmlicher Bauart haben, insbesondere in der Anlaufphase, Schwierigkeiten mit niedrigen Betriebstemperaturen. Dies trifft sowohl bei Flüssigschmierung durch das umgebende kalte Medium als auch bei Anlauf in kalten Schmierstoffen zu.
  • Keramische Bauteile werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt, u. a. als widerstandsfähige Düsen für fließfähige Materialien. Auch für solche Zwecke wäre Heizbarkeit in speziellen Fällen wünschenswert. Direkt beheizbare keramische Verbundkörper dieser Art sind bisher nicht bekannt geworden.
  • Es wäre deshalb wünschenswert, chemisch beständige keramische Verbundkörper zur Verfügung zu stellen, die nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweisen und sowohl eine erhöhte Temperaturbeständigkeit als auch eine erhöhte Beständigkeit gegenüber korrosiven, aggressiven oder verschleißenden Medien besitzen und deren Temperatur beeinflußbar ist.
  • Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen keramischen Verbundkörper so auszugestalten, daß er Temperaturen bis 1000°C standhalten kann, eine höhere Beständigkeit gegenüber korrosiven, abrasiven und aggressiven Medien besitzt und dessen Temperatur beeinflußbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem keramischen Verbundkörper der eingangs genannten Art gelöst, bei dem sich Mantelkeramik und eingesintertes Material in ihren mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften unterscheiden.
  • Als Mantelkeramik kommt, abhängig vom Anwendungszweck, sowohl eine Oxidkeramik wie auch eine Nichtoxidkeramik in Frage. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Verbundkörpers besteht die Mantelkeramik aus einer Nichtoxidkeramik.
  • Die Techniken zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Werkstoffen sind bekannt und weitgehend beschrieben. Für erfindungsgemäße Zwecke können insbesondere keramische Verbundkörper auf Basis von Siliciumcarbid (SiC), Borcarbid (B4C), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumdioxid (ZrO2) Bornitrid (BN), BN-Mischkeramiken, insbesondere mit Titandiborid und anderen, Graphit, Metaphasengraphit, silizierter Kohle, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Sialonen, im weitesten Sinne, auch mit Anteilen dritter Elemente, wie Yttrium, Magnesium und Lanthan, oder Mischungen davon eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Mantelkeramik aus Siliciumcarbid, Borcarbid oder Mischungen davon.
  • Das einzusinternde Material besteht vorzugsweise aus Bornitrid und Graphit, wobei die Leitfähigkeit des nichtleitenden BN durch Dotierung mit Titandiboride (TiB2) oder dergleichen gezielt erzeugt werden kann.
  • Die erfindungsgemäßen Verbundkörper ermöglichen in ihrer Ausgestaltung mit einer nichtleitenden Mantelkeramik und einem eingesinterten leitenden Kern die Herstellung elektrisch beheizbarer oder kühlbarer Bauteile. Durch Anlegen eines Stroms kann der Kern des Bauteils im Weg der Widerstandsheizung auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden und damit das gesamte Bauteil auf einem einstellbaren Temperaturniveau halten. Dies ist insbesondere bei Gleitlagern, die bei tiefen Temperaturen zum Einsatz kommen, von Vorteil, aber auch bei keramisch gefertigten Düsen. Gleichermaßen kann auf dem beschriebenen Wege über die Schaltung des leitenden Kerns des keramischen Verbundteils als Teil eines Peltier-Elements eine Kühlung bzw. effektive Wärmeabfuhr bei Anwendungen unter hohen Temperaturen oder als Schutz vor Heißlaufen herbeigeführt werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der erfindungsgemäße keramische Verbundkörper eine äußere Mantelkeramik aus einer nichtoxidischen Keramik, bevorzugt aus SiC oder B4C und einer eingesinterten Schicht aus dotiertem BN oder Graphit.
  • Voraussetzung für die Ausbildung eines wirksamen festen Verbundes und zur dauerhaften Einbindung der Keramik ist es sinnvoll, daß die Keramik ein sinterbedingtes Aufschwinden der Mantelkeramik zulassen. Gleichzeitig zur Vermeidung von Spannungsrissen während der Abkühlphase, müssen die Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) der auf diese Weise zusammengesinterten Komponenten genau aufeinander abgestimmt sein. So eignet sich für die Mantelkeramik z. B. SiC mit einem WAK von 4,5 × 10-6K-1 Dazu paßt heißgepreßtes BN mit einem WAK von, je nach Kristallausrichtung und Typ, 2,0 bis 9,0 × 10-6K-1. Durch geeignete Auswahl der Mantelkeramik und der Kernkeramik kann der Mantel dauerhaft sinterschwindungsbedingt auf den Kern aufgeschrumpft werden.
  • Unterschiedliche mechanische Eigenschaften des eingesinterten Materials beruhen vor allem auf dessen Bearbeitungseigenschaften. Keramik selbst ist schlecht bearbeitbar, insbesondere mit spanabhebenden Methoden. Besonders Graphit und Bornitrid als eingesintertes Material können dagegen ohne weiteres gebohrt oder geschnitten werden und ermöglichen dadurch beispielsweise die Anlage von elektrischen Verbindungen in dem fertigen Verbundkörper oder das Schneiden von Gewinden für eine Fixierung des Verbundkörpers.
  • Für den Einsatz von Gleitlagern in chemisch aggressiven Medien oder unter Bedingungen, in der einer Elektrokorrosion entgegengewirkt werden muß, ist es sinnvoll, das eingesinterte Material der Kernkeramik als Opferanode auszubilden, die als Elektronenspender die umgebende Mantelkeramik vor Elektrokorrosion schützt.
  • Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist es auch ohne weiteres möglich, das Kernmaterial als Nichtleiter auszubilden und die Mantelkeramik elektrisch leitend auszugestalten. Die Mantelkeramik kann in diesem Falle aus den vorstehend dafür beschriebenen Materialien bestehen, wobei die elektrische Leitfähigkeit z. B. durch entsprechende Dotierung herbeigeführt wird.
  • Vorzugsweise wird im Falle von dotierten Nichtleitern die Dotierung mit einer elektrisch leitenden Verbindung so vorgenommen, daß das damit dotierte Material einen definierten elektrischen Widerstand erhält. Keramische Verbundkörper eingangs beschriebener Art aus einer elektrisch leitenden und einer nichtleitenden Komponente können beispielsweise als hochtemperaturfeste Kondensatoren eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäßen keramischen Formkörper sind insbesondere als beheizbare Gleitlager für niedrigviskose, chemisch aggressive Flüssigkeiten geeignet, wie auch als widerstandsbeheizbare hochverschleißfeste Bauteile, wie sie beispielsweise als Düsen eingesetzt werden. Eingesinterte Opferanoden in SiC-Keramiken können beispielsweise für Gleitlager oder keramische Gleitringdichtungskomponenten eingesetzt werden. Versinterte Mehrschichtmaterialien, vorzugsweise mit BN, BN-Mischkeramiken bereits beschriebener Art und Siliciumcarbid kommen u. a. als Kondensatoren in Frage.
  • Die Erfindung wird durch die beiliegende Abbildung (Fig. 1) näher erläutert.
  • Der Verbundkörper 1 gemäß Fig. 1 stellt eine Lagerbuchse mit einer umgebenden Mantelkeramik 2 und 3 im Längsschnitt dar. Sie kann aus unterschiedlichen keramischen Materialien bestehen, im vorliegenden Fall insbesondere aber aus einem drucklos gesinterten und elektrisch nichtleitenden Siliciumcarbid. In der zentralen Bohrung 4 verläuft die Welle des Lagers (nicht dargestellt).
  • Innerhalb der Mantelkeramik 2/3 befinden sich eingesinterte und eingeschrumpfte Stifte aus einem elektrischen Leiter, im vorliegenden Fall vorzugsweise elektrisch leitender BN-Mischkeramik, die regelmäßig über den gesamten Umfang verteilt sind.
  • Während der Sinterung werden die elektrisch leitenden Stifte 5 von der Mantelkeramik 2 und 3 eingeschrumpft, so daß eine feste Haftung von Mantel und Kernen aneinander gegeben ist. Der Verbundkörper kann aufgrund der Dotierung der Stifte 5 als beheizbares Bauteil verwendet werden, wobei die Anschlüsse in die Stifte nachträglich eingearbeitet werden können.
  • Das nachfolgende Beispiel soll die Erfindung näher erläutern.
    • Beispiel 1
  • Ein als Lagerbuchse verwendbares Formteil gemäß Fig. 1 wurde durch Zusammensintern eine SiC-Mantelkeramik und darin eingelagerten Stiften einer BN-Mischkeramik bei Temperaturen von 1980-2040°C, vorzugsweise 1990°C hergestellt. Es ergab sich eine Lagerbuchse mit 48 mm äußerem Durchmesser, 30 mm freiem inneren Durchmesser, sowie einer Höhe von 20 mm und in die Buchse eingelagerten 4 mm starken Stiften der leitenden BN-Mischkeramik, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die Stifte hatten einen elektrischen Widerstand von 500 bis 1000 moc.

Claims (20)

1. Keramischer Verbundkörper aus einer äußeren Mantelkeramik und wenigstens einem eingesinterten Material, dadurch gekennzeichnet, daß sich Mantelkeramik und eingesintertes Material in ihren mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften unterscheiden.
2. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkeramik aus einer Nichtoxidkeramik besteht.
3. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Mantelkeramik Siliciumcarbid, oder Borcarbid oder eine Mischung der beiden untereinander oder mit Dritten ist.
4. Keramischer Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material aus Bornitrid, einer Bornitridmischkeramik oder Graphit besteht.
5. Keramischer Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material durch Sinterschwindung in die Mantelkeramik eingeschrumpft ist.
6. Keramischer Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkeramik als Isolator und das eingesinterte Material als elektrischer Leiter ausgebildet ist.
7. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material aus einer elektrisch leitenden Bornitridmischkeramik oder aus Graphit besteht.
8. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die BN-Mischkeramik ein elektrisch leitendes Titandiborid enthält.
9. Keramischer Verbundkörper nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Titandiboriddotierung einen definierten elektrischen Widerstand vorgibt.
10. Keramischer Verbundkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkeramik aus drucklos gesintertem SiC besteht.
11. Widerstandsbeheizbares keramisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Lagerbuchse, Lagerwelle oder Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Keramischer Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkeramik elektrisch leitend ausgebildet ist und das eingesinterte Material einen Isolator darstellt.
14. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkeramik aus einer elektrisch leitenden SiC-Keramik besteht und das eingesinterte Material aus nichtleitendem BN.
15. Temperaturbeständiger Kondensator nach Anspruch 13 oder 14.
16. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material als Opferanode ausgebildet ist.
17. Gleitlager oder Gleitringdichtungskomponete nach Anspruch 16.
18. Keramischer Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material eine eingearbeitete innere Struktur aufweist.
19. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Struktur ein Gewinde, eine Nut oder eine Bohrung ist.
20. Keramischer Verbundkörper nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesinterte Material BN oder Graphit ist.
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