DE19526924A1 - Keramikbauteil mit metallischem Anguß - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikbauteil, insbesondere ein Keramik­ rohr, mit metallischem Anguß, insbesondere mit angegossenem Metallflansch.

Keramische Formteile weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, wie Temperatur­ beständigkeit, Härte, geringe Dichte, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, geringe thermische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit usw., die sie für eine Vielzahl von Anwendungen im Hochtemperaturbereich, bei Temperaturwechsel­ beanspruchung, auch in korrosiver Umgebung usw. prädestinieren. Beispielsweise sind keramische Rohre hervorragend für den Einsatz in der Metallurgie geeignet, da sie durch metallische Schmelzen nicht angegriffen werden.

Aufgrund des Herstellungsprozesses für keramische Bauteile, ausgehend von gegebenenfalls granulierten Pulvern, Formgebung durch Trockenpressen oder Spritzgießen oder Schlickergießen, Ausheizen bzw. Ausbrennen des Formgebungshilfsmittels und Sintern, insbesondere aufgrund der damit verbundenen Volumenänderungen, lassen sich keramische Bauteile nur innerhalb gewisser Toleranzen maßgenau herstellen, so daß regelmäßig mechanische Nachbearbeitungen erforderlich sind, die aufgrund der großen Härte keramischer Bauteile technisch aufwendig sind.

Ferner erfordert der Herstellungsprozeß und die hohe Sprödigkeit keramischer Formteile, daß diese aus relativ einfachen, geschlossenen Strukturen bestehen und scharfe Kanten, insbesondere Innenkanten mit Querbeanspruchung bei der Anwendung, vermieden werden.

Andererseits verlangt der Einsatz keramischer Bauteile regelmäßig, daß diese mit anderen, z. B. metallischen Bauteilen lösbar verbunden werden, z. B. daß kera­ mische Rohre zur Förderung metallischer Schmelzen Flansche aufweisen.

Im Prinzip ist es möglich, metallische Flansche mit keramischen Rohren derart zu verbinden, daß die Flansche in Form von Halb- oder Drittelflanschen um das Keramikrohr herumgelegt werden und gegen dieses verspannt werden, so daß die Teilflansche kraft- und formschlüssig an dem Keramikrohr anliegen. Dies erfordert allerdings eine Bearbeitung der Oberfläche des Keramikrohres in dem Bereich, in dem die Flanschhülse am Rohr anliegt. Die Verspannung der Teilflansche muß eine gewisse Elastizität zur Kompensation der erheblichen Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die relativen Längenänderungen von Keramikteil und Metallflansch beim Einsatz in der Metallurgie können im Bereich von einigen Promill bis Prozent erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Keramik-Metallverbund zur Ver­ fügung zu stellen, der eine mechanische Bearbeitung der Keramik nicht erfordert, d. h. der es erlaubt, die Keramik nach dem Sintern ohne mechanische Bearbeitung der Kontaktfläche zwischen Metall und Keramik einzusetzen. Insbesondere ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metall-Keramikverbund zur Verfügung zu stellen, bei dem das Metall an die mechanisch unbearbeitete Keramikfläche angegossen wird, wobei als Metall vorzugsweise Grauguß eingesetzt wird. Insbe­ sondere handelt es sich bei dem Keramikteil um ein Keramikrohr und bei dem Metallteil um einen Flansch.

Es wurde gefunden, daß ein Keramikrohr ohne weiteres in der Lage ist, die bei der Abkühlung eines angegossenen Flansches, insbesondere der Flanschhülse, auf­ tretenden Schrumpfkräfte flächig aufzunehmen, ohne daß es zur Zerstörung der Keramik kommt, wenn zu starke Spannungsgradienten auf der Oberfläche des Keramikrohrs vermieden werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Keramik-Metall-Ver­ bund, wobei der Verbund durch Angießen des Metalls an die Keramik erzeugt wurde, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest im Bereich der Ansatzkante des Metalls an der Keramik Mittel zur Abschwächung von thermischen Span­ nungen zwischen Keramik und Metall vorgesehen sind.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Keramikrohr mit ange­ gossenem Metallflansch, wobei zumindest im Bereich der Flanschansatzkante am Keramikrohr Mittel zur Abschwächung von thermischen Spannungen zwischen Keramikrohr und Flansch vorgesehen sind.

Vorzugsweise sollen die Mittel zur Abschwächung von thermischen Spannungen eine allmähliche Reduktion von Spannungen zur Flanschansatzkante hin gewähr­ leisten.

Ein Mittel zur Reduktion der thermischen Spannungen besteht darin, daß die Flanschansatzkante mit achsenparallelen Schlitzen versehen ist, wobei die durch die Schlitze gebildeten Stege beim Abkühlen unter Öffnung der Schlitze eine allmäh­ liche Abschwächung der thermischen Spannungen von der Flanschhülse aus er­ möglichen.

Vorzugsweise wird im Verlauf der Schlitze gleichzeitig die Materialstärke des an­ gegossenen Metalls reduziert.

Ein weiteres Mittel zur Abschwächung von thermischen Spannungen besteht darin, daß das Keramikrohr vor dem Anguß des Metalls zumindest im Bereich des Metallansatzes mit einer komprimierbaren hitzebeständigen Schicht umgeben wird. Die hitzebeständige Schicht kann aus Feuerfestpapier, Keramik- oder Glasfaser­ vlies bestehen.

Vorzugsweise wird das Keramikrohr über die gesamte Kontaktfläche der Metall­ hülse mit Faservlies bzw. Feuerfestpapier umwickelt.

Dabei wird die Dicke des Vlieses bzw. des Feuerfestpapiers in Abhängigkeit von der Dichte von dem Durchmesser des Keramikrohres so gewählt, daß nach dem Abkühlen der angegossenen Metallhülse auf die spätere Gebrauchstemperatur das Vlies bzw. das Feuerfestpapier "Block" gepreßt ist, d. h. bis zum Beginn der Faser­ zerstörung.

Typischerweise können Faservliese einer Dichte von 00,5 bis 0,9 g/cm³ entsprechend einer Volumenerfüllung von 2 bis 25% eingesetzt werden. Die Dicke des Faservlieses kann typischerweise zwischen 0,1 und 5 mm liegen. Geeignete Materialien für das Faservlies sind Fasern auf Basis von Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid oder anderen anorganischen Fasern, die gegen die Metallschmelze widerstandfähig sind und von dieser nicht oder nur gering benetzt werden. Die Fasern des Vlieses können Durchmesser von 3 bis 20 µm aufweisen, wobei die Länge der Fasern das 10- bis 100-fache ihres Durch­ messers beträgt.

Als Keramikmaterialien geeignet sind Si₃N₄, MN, BN, SiC, B₄C, die Übergangs­ metallcarbide, -nitride, -silicide, -boride, die Oxide Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, La₂O₃, Seltenerdoxide, Cr₂O₃, TiO₂, Titanate, Ferrite sowie beliebige Mischungen dieser Verbindungen oder Mischphasen aus diesen Verbindungen, insbesondere wenn die entsprechenden Formkörper durch Sintern hergestellt wurden. Insbesondere bevorzugt sind Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Zirkonoxid, Siliciumcarbid und Mischungen davon.

Für den Einsatz in der Metallurgie, insbesondere bei Aluminiumschmelzen in Form von Steigrohren usw. wird bevorzugt Aluminiumtitanatkeramik eingesetzt, insbesondere wie in den DE 38 14 079 A1 und DE 40 29 166 A1 beschrieben, eingesetzt.

Als Metallguß wird vorzugsweise Grauguß eingesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Keramikrohr 1 weist eine angegossene Metallhülse 2 mit Flansch 3 auf, wobei im Bereich der Ansatzkante 5 der Hülse achsenparallele Schlitze 4 vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt eine Fig. 1 entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung, wobei jedoch beide Flanschansatzkanten 5 und 6 mit Schlitzen versehen sind.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Flanschansatzkante 5 vor dem Flanschanguß mit einer keilförmigen komprimierbaren keramischen Schicht 4 versehen wurden.

Fig. 4 zeigt ein Keramikrohr 1, mit einer angegossenen Metallhülse 2 mit Gieß­ schnabel 10, wobei die Kontaktfläche der Hülse 2 mit dem Keramikrohr 1 vor dem Anguß mit einem Keramikvlies 4 umwickelt wurde.

Fig. 5 zeigt das Kompressionsverhalten eines keramischen Faservlieses. Darge­ stellt ist die Kraft F, die erforderlich ist, um das Vlies um die Dicke -L zu komprimieren. Die Dimensionierung des erfindungsgemäß einsetzbaren Faservlieses soll so erfolgen, daß bei der vorgesehenen Einsatztemperatur des Keramikrohres das Vlies nach Erstarrung der Metallschmelze und auf­ grund der Abkühlung bereits derart komprimiert ist, daß der weitere Kraft­ anstieg im exponentiellen Bereich liegt, etwa angedeutet durch durch den Pfeil A.

Fig. 6 zeigt in teilweise perspektivischer und teilweise geschnittener Darstellung ein Keramikrohr 1, das in dem Bereich, in dem die angegossene Metall­ hülse das Keramikrohr über den gesamten Umfang umgibt, eine Zwischen­ schicht aus Faservlies oder Keramikpapier 4.1 aufweist und ferner in einem Bereich, in dem das Metall direkt an das Keramikrohr angegossen ist Stege 4.2 aufweist, die durch Schlitze 4.3 getrennt sind.

Claims (8)

1. Keramik-Metall-Verbund, wobei der Verbund durch Angießen des Metalls an die Keramik erzeugt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Bereich der Ansatzkante des Metalls an die Keramik Mittel zur Ab­ schwächung von thermischen Spannungen zwischen Keramik und Metall vorgesehen sind.

2. Keramikrohr mit angegossenem Metallflansch, wobei zumindest im Bereich der Flanschansatzkante Mittel zur Abschwächung von thermischen Span­ nungen zwischen Keramikrohr und Flanschhülse vorgesehen sind.

3. Keramikrohr mit Metallflansch nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metall­ flansch im Bereich der Flanschansatzkante in Form einer mit achsenparallelen Schlitzen versehenen Hülse mit sich zur Kante hin verringender Wand­ stärke ausgebildet ist.

4. Keramikrohr mit Metallflansch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen Rohr und Flansch eine kompressible hitzebeständige Schicht vor­ gesehen ist.

5. Keramikrohr mit Metallflansch nach Anspruch 4, wobei sich die kom­ pressible hitzebeständige Schicht von der Flanschansatzkante in axialer Richtung keilförmig verjüngt.

6. Keramikrohr mit Metallflansch nach Anspruch 4 oder 5, wobei die kom­ pressible hitzebeständige Schicht ein Keramik- bzw. Glasfaservlies ist.

7. Keramikrohr mit Metallflansch nach Anspruch 4 oder 5, wobei die kom­ pressible hitzebeständige Schicht ein Feuerfestpapier ist.

8. Keramikrohr mit Metallflansch nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Dicke der kompressiblen hitzebeständigen Schicht in Abhängigkeit von der Dichte und dem Durchmesser des Keramikrohres so bemessen ist, daß sie bei der maximalen Gebrauchstemperatur des Keramikrohres bis in den Bereich des exponentiellen Härteanstieges komprimiert ist.