DE202005011631U1

DE202005011631U1 - Zusammengesetztes Graphitbauteil

Info

Publication number: DE202005011631U1
Application number: DE200520011631
Authority: DE
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2015-07-21

Abstract

Bauteil, welches aus aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente mit Verbindungselementen aus CFC fixiert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus mehreren, aus Graphit bestehenden, Bauelementen zusammengesetztes Bauteil, welches durch Verbindungselemente aus CFC zusammengehalten wird. Durch zusätzliche thermische Vorkonditionierung der Einzelteile können zusammengesetzte Bauteile hergestellt werden, welche auch nach häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln formstabil sind.
Polykristalliner synthetischer Graphit wird zunächst durch Herstellung des sogenannten Grünkörper über verschiedene herkömmliche Formgebungsverfahren, wie etwa isostatischem Pressen, Strangpressen oder Gesenkpressen gefolgt von Brennen, Imprägnieren und Graphitieren hergestellt. Als Ausgangsstoffe kommen hier vornehmlich Petrolkoks und Pech in Frage. Zusätzlich können optional noch Additive wie etwa aufgemahlenes Sekundärmaterial, Anthrazit, Ruß, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanopartikel und/oder Metall- und Keramikpartikel zugesetzt sind. Daneben kann zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften das Graphitmaterial mit Metallen imprägniert sein.
Durch die oben genannten Produktionstechnologien werden in der Regel Halbzeuge aus polykristallinem synthetischen Graphit erzeugt welche rechteckige oder zylindrische Dimensionen aufweisen. Üblicherweise einteilig hergestellte, aus polykristallinem synthetischen Graphit bestehende, Bauteile mit ungünstigen Dimensionen, wie etwa Rahmen und Tiegel, resultieren in einen vergleichsweise schlechten Nutzungsgrad des eingesetzten Graphit-Halbzeugs da große Materialmengen aus dem Halbzeugblock herausgefräst werden müssen. Rahmen, Gestelle, Tiegel oder andere Bauteile, die aus einzelnen Segmenten aufgebaut sind, bieten eine erhebliche Verbesserung des Nutzungsgrades des Materials. Man kann so unter nur geringem Materialverlust aus dem Halbzeug endkonturnahe Segmente herausfräsen.
So ist aus US 4,687,185 ein mehrteiliger Graphitrahmen als Werkstückhalter bekannt. Aus JP 58223689 A2 ist ein aus mehreren Graphitelementen zusammengesetzter Tiegel zum Kristallziehen bekannt.
Aus US 4,382,113 ist eine Methode zum Verbinden von Graphitelementen durch Verschweißen mit einem dazwischengelegten thermoplastischen Material bekannt. In der Praxis werden des Weiteren verschiedene Hochtemperaturkleber meistens auf der Basis von Kunstharzen zum dauerhaften kraftschlüssigen Verbinden von Graphitelementen eingesetzt.
Oft unterliegen jedoch so hergestellte Bauteile aus Graphit in der Anwendung häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln, wodurch die Klebeverbindung schnell geschwächt wird und die Bauteile auseinander fallen.
Aus US 4,860,306 sowie US 4,856,022 ist bekannt, Graphitbolzen zur Verbindung von Graphitelementen im Ofenbau zu verwenden. Die thermophysikalische Belastung tritt in diesem Fall jedoch vornehmlich entlang der Bolzenachse auf. Würde die thermophysikalische Belastung vornehmlich quer zur Bolzenachse auftreten, hätte dies aufgrund der werkstofftypischen Zugfestigkeit des Graphits Bolzenbrüche zur Konsequenz.
Die Bolzen erfahren aufgrund der, durch die Heizzyklen ausgelösten, Materialdehnung der durch sie zusammengehaltenen Elemente eine entlang der Bolzenachse auftretende Kraft, welche zum allmählichen Herausschieben der Bolzen führt. Erfindungsgemäß wurde das Problem durch den Einsatz von Unterlegscheiben aus Graphitfolie gelöst, welche diese Dehnung abfedern.
Wären diese Bolzen passgerecht, also mit sehr engen Toleranzen, ausgeführt worden, würden an diesen Verbindungsstellen aufgrund bereits geringer Unterschiede im CTE (Coefficient of Thermal Expansion) zwischen den Bolzen und durch sie zusammengehaltenen Elementen Materialspannungen auftreten, die ultimativ zum Bersten entweder der Bolzen oder der Blöcke führen.
Es wird dem Fachmann keine Methode nahe gelegt, aus Graphit bestehende Bauelemente zu Bauteilen, wie etwa Rahmen, Gestelle oder Tiegel, so zusammenzusetzen, dass solche Bauteile auch bei häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln formstabil bleiben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aus mehreren aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetztes Bauteil bereitzustellen, welches auch bei häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln formstabil bleibt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein, aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetztes, Bauteil mit Verbindungselementen aus CFC bereitgestellt wird.
Zunächst wurde versucht, die Aufgabe dadurch zu lösen, indem man formstabile Bauteile aus Graphit mittels formschlüssiger Verbindungen, etwa einer Schwalbenschanz-Verbindung, baut. Dabei treten jedoch zwischen den zusammengehaltenen Elementen Materialspannungen auf, die zu Rissen und ultimativ zum Bersten der Elemente an den Verbindungsstellen führen.
Des Weiteren wurde versucht, formschlüssig zusammengesetzte Graphitbauteile durch Stifte oder Bolzen aus Graphit zusammenzuhalten. Dazu wurden vier Graphitleisten für einen rechteckigen Rahmen hergestellt, welche an Ihren Verbindungskanten abwechselnd mehrere rechteckige Aussparungen und Nuten aufwiesen, welche exakt in die korrespondierenden rechteckigen Aussparungen und Nuten der benachbarten, rechtwinklig dazu anliegenden, Leisten passten. Die Leisten wurden zunächst mittels eines Klebstoffs zu einem Rahmen verbunden. In den, in horizontaler Position liegenden, Rahmen wurde dann jeweils im Mittelpunkt der vier sich überlappenden Verbindungsstellen der Leisten ein vertikales Loch eingebracht. In diese Löcher wurden anschließend Stifte oder Bolzen aus Graphit eingebracht.
Es zeigte sich jedoch, dass die, vornehmlich quer zur Bolzenachse (Scherung) auftretende, thermophysikalische Belastung aufgrund der werkstoffimmanenten Zugfestigkeiten Brüche sowohl der Bolzen als auch der Leisten an den Verbindungsstellen zur Konsequenz hatte, wenn die Bolzen passgerecht, also mit engen Bearbeitungstoleranzen, eingepasst wurden. Andererseits wurden Rahmen mit weniger eng gepassten Bolzen im Einsatz locker und somit unbrauchbar. Der, die Wärmedehnung teilweise ausgleichende, Einsatz von um die Bolzen gewickelter Graphitfolie hatte zwar einen mildernden Effekt, jedoch musste gleichzeitig entweder der Durchmesser der Bolzen verkleinert oder der Durchmesser der Bohrungen vergrößert werden, was sich wiederum negativ auf die Stabilität der Verbindung auswirkte.
Es wurde überraschend gefunden, dass man Bolzen aus CFC, anstatt aus Graphit, verwenden konnte. Da es für den Fachmann offensichtlich nicht trivial war, eine passgerechte Verbindung unter Einsatz der gleichen Materialien, also Graphit, mit gleichem CTE zu erstellen, war der Einsatz eines anderen Materials nicht nahe liegend.
Mit Kohlenstofffasern verstärkter Kohlenstoff bzw. carbon fiber reinforced carbon (CFC oder auch carbon-carbon composite) wird im Allgemeinen durch Carbonisierung einer Matrix aus Kohlenstofffasern, welche in der Regel mit Pech oder mit einem Kunstharz mit hohem Kohlenstoffanteil imprägniert ist, erzeugt. Bei der Temperaturbehandlung oberhalb von 750 °C in inerter Atmosphäre wird das Imprägniermittel durch Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen in reinen Kohlenstoff umgewandelt. Die Matrix aus Kohlenstofffasern kann verschiedene Formen aufweisen, am gängigsten sind jedoch Filze oder gewobene Matten.
Diesem Prozess schließt sich oft eine Verdichtung der so erhaltenen porösen Struktur durch Kohlenstoffabscheidung aus der Gasphase (CVI) oder durch Wiederholung des Imprägnierungs-Carbonisations-Zyklusses an. Im Anschluss kann der so erhaltene, eventuell nachverdichtete, Kohlenstoffkörper bei 2000 bis 2500 °C graphitiert werden.
CFC zeichnet sich gegenüber polykristallinem synthetischen Graphit durch wesentlich höher Festigkeiten aus. So weist Graphit eine Biegefestigkeit von höchstens 100 MPa auf, während CFC-Bauteile bis zu 300 MPa erreichen können. Aufgrund der Vielzahl der Einflussparameter bei der Herstellung von CFC-Bauteilen ist eine genaue Vorhersage von deren Eigenschaften anhand der Parameterauswahl so gut wie unmöglich. Dem Fachmann stehen lediglich die eigene Praxiserfahrung sowie neuerdings zusätzlich auch komplexe Berechnungsmodelle (Yu. I. Dimitrienko, Composites, Part A 30 (1999) 221 – 230)) zur Verfügung, um die Eigenschaften von CFC-Bauteilen zu steuern. CFC-Bauteile weisen einen CTE von 0,1 bis 1 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C) auf, während polykristalliner synthetischer Graphit CTEs von 0,5 bis 5 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C) aufweist.
Diese CTE-Inkompatibilität zwischen beiden Materialien führt beim Bau eines, aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetzten, Bauteils, welches durch Verbindungselemente aus CFC zusammengehalten wird, an den Verbindungsstellen entweder zu Brüchen oder zu deren Lockerung, wenn man nicht die Materialeigenschaften aufeinander abstimmt.
Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass die Herstellung eines formstabilen zusammengesetzten Graphitbauteils durch geeignete Abstimmung des CTE der aus Graphit bestehenden Bauelemente mit dem CTE der Verbindungselemente aus CFC ermöglicht wird. Hierzu verwendet man polykristallinen synthetischer Graphit mit einem CTE von maximal 2 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C) und CFC-Verbindungselemente mit einem CTE von 0,5 bis 1 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C).
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, dass man formstabile zusammengesetzte Graphitbauteile durch separate Wärmebehandlung (Vorkonditionierung) sowohl der Graphitelemente als auch der CFC-Verbindungselemente bei 2000 bis 3000 °C über einen Zeitraum von 2h bis 24 h, gefolgt von anschließender mechanischer Endbearbeitung der die CFC-Verbindungselemente aufnehmenden Bohrungen oder Aussparungen der Graphitelemente sowie der CFC-Verbindungselemente erhält.
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, dass man formstabile zusammengesetzte Graphitbauteile durch Wärmebehandlung (Vorkonditionierung) nur der CFC-Verbindungselemente bei 2500 bis 3000 °C über einen Zeitraum von 24 Stunden erhält.
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, dass man formstabile zusammengesetzte Graphitbauteile durch, in Bohrungen an den sich überlappenden Verbindungsstellen der Graphitelemente eingesetzte, Stifte oder Bolzen aus CFC erhält.
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, dass man formstabile zusammengesetzte Graphitbauteile durch, in korrespondierende Aussparungen an den sich nicht überlappenden Verbindungsstellen der Graphitelemente eingesetzte, CFC-Verbindungselemente in Form eines doppelten Schwalbenschwanzes, doppelten T-Stücks oder ähnlicher bekannten Formen zur formschlüssigen Verbindung von zwei Bauelementen, erhält.
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, dass man formstabile zusammengesetzte Graphitbauteile durch Beschichtung der CFC-Verbindungselemente an den, mit den Graphitelementen in Kontakt stehenden, Flächen mit Naturgraphit, Graphitexpandat oder Graphitfolie erhält.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung.
Dabei zeigen:
1 einen Chargierrahmen für Sinterwerkstücke, der durch Stifte aus CFC fixiert ist
2 den Chargierrahmen von oben
3 eine detaillierte Schnittansicht einer überlappenden Verbindungsstelle des Chargierrahmens entlang der Schnittkante A-A
4 eine Schnittansicht einer Ecke eines Chargierrahmen für Sinterwerkstücke, der durch doppelt schwalbenschwanzförmige Verbindungselemente aus CFC fixiert ist
In 1 ist ein Chargierrahmen 1 für Sinterwerkstücke dargestellt, welcher aus insgesamt vier Graphitleisten 2 und 2' besteht, welche an ihren überlappenden Verbindungen 3 jeweils durch einen Stift 4 aus CFC fixiert sind. Die beiden Graphitleisten 2 weisen an Ihren Verbindungskanten abwechselnd mehrere rechteckige Aussparungen 5 und Nuten 6 auf, welche exakt in die korrespondierenden rechteckigen Aussparungen 5' und Nuten 6' der beiden benachbarten, rechtwinklig dazu anliegenden, Graphitleisten 2' passen. Die Graphitleisten 2 und 2' können aus Halbzeugen aus extrudiertem Graphit oder isostatisch gepresstem Graphit durch bekannte mechanische Bearbeitungsverfahren gefertigt werden. Je nach Form und Kraftbeaufschlagung der CFC-Verbindungselemente sind verschiedene bekannte Ausgangsstrukturen und Verfahrensschritte möglich. Die Stifte 4 aus CFC werden bevorzugt aus einer CFC-Stange gefräst, welche durch Wickeln eines mit Phenolharz getränkten unidirektionalen Kohlenstofffasergeleges geformt wird.
2 zeigt den Chargierrahmen 1 von oben, wobei an einer überlappenden Verbindungsstelle 3 des Chargierrahmens 1 bzw. der Graphitleisten 2 und 2' die Schnittkante A-A angedeutet wird.
3 eine detaillierte Schnittansicht einer überlappenden Verbindung 3 des Chargierrahmens 1 entlang der Schnittkante A-A. Man erkennt deutlich die sich abwechselnden Nuten 6 und 6' der Graphitleisten 2 und 2' sowie die zu den Nuten 6' der Graphitleiste 2' korrespondierenden Aussparungen 5 der Graphitleiste 2. Die so erhaltene überlappende Verbindungen 3 wird durch einen Stift 4 aus CFC fixiert.
In 4 ist eine Ecke eines Chargierrahmen 1 für Sinterwerkstücke dargestellt, dessen rechtwinklig ausgerichteten Graphitleisten 2 und 2' sich in diesem Fall nicht überlappen sondern auf Stoß gelegt sind und durch doppelt schwalbenschwanzförmige Verbindungselemente 7 bzw. Federn aus CFC fixiert ist. Die Graphitleisten 2 und 2' weisen korrespondierende V-förmige Aussparungen 8 und 8' auf. Der Rahmen wird durch durch Arrangieren der Graphitleisten 2 und 2' in Rechteckform, gefolgt vom Einsetzen der doppelt schwalbenschwanzförmigen Verbindungselemente 7 bzw. Federn aus CFC in die korrespondierenden V-förmigen Aussparungen 8 und 8' der Graphitleisten 2 und 2' gefertigt. Die Verbindungselemente 7 können optional an den, mit den Graphitleisten 2 und 2' in Kontakt stehenden, Flächen mit Naturgraphit, Graphitexpandat oder Graphitfolie beschichtet sein um starke Zugspannungen abzumildern.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele dargelegt, welche zusätzlichen Einblick in die Erfindung geben.
Es wurden Chargierrahmen 1 aus Leisten 2 und 2' aus verschiedenen Graphittypen hergestellt. Die Leisten 2 waren 438 mm und die Leisten 2' waren 350 mm lang. Ihre Höhe betrug 44 mm und Ihre Dicke betrug 10 mm.
Im Satz 1 wurden abwechselnde Aussparungen 5 und 5' und Nuten 6 und 6' entsprechend der Wandstärke der Leisten 2 und 2' eingearbeitet. Entlang der Höhenachse der Leisten 2 und 2' wurde durch die Nuten 6 und 6' eine Bohrung von 5 mm Durchmesser durchgeführt, in die später die Stifte 4 aus CFC oder Graphit eingesetzt wurden.
Im Satz 2 wurden V-förmigen Aussparungen 8 und 8' entsprechend der Wandstärke der Leisten 2 und 2' eingearbeitet, in die später doppelt schwalbenschwanzförmige Verbindungselemente 7 bzw. Federn aus CFC oder Graphit eingesetzt wurden. Die Verbindungselemente 7 bzw. Federn aus CFC wurden teilweise mit einer 100 μm dicken Schicht aus Graphitexpandat überzogen.
Als CFC-Material wurde immer CFC Type 1001 G der SGL Carbon GmbH verwendet. Die teilweise durchgeführte Vorkonditionierung erfolgte bei 2500 °C über 24 Stunden. Der Graphit wurde zum einem als istostatisch gepresster Graphit Type R7340 der SGL Carbon GmbH, als auch als extrudierter Graphit Type HLM der SGL Carbon GmbH bereitgestellt. Die teilweise durchgeführte Vorkonditionierung erfolgte bei 2200 °C über 24 Stunden.
Die so zusammengesetzten Chargierrahmen 1 wurden in einem Ofen unter Luftabschluss einem Temperaturtest unterzogen. Dabei wurde jeder Chargierrahmen 1 insgesamt fünf mal innerhalb von 15 min auf 2200 °C aufgeheizt. Nach dem Abkühlen wurden die Chargierrahmen 1 auf ihre Integrität untersucht. Die Ergebnisse sind Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Ergebnisse des Temperaturtests an Chargierrahmen
Wie man aus Tabelle 1 entnehmen kann sind die Chargierrahmen 1, welche ausschließlich aus Graphit hergestellt wurden, nicht für den Einsatz unter den Testbedingungen geeignet. Wenn jedoch die Graphitleisten 2 durch Verbindungselemente aus CFC zusammengehalten werden, konnte unter den Testbedingungen ein zufriedenstellendes Ergebnis vermerkt werden. Zu Satz 2 ist noch anzumerken, dass die doppelt schwalbenschwanzförmigen Verbindungselemente 7 aus CFC sich teilweise lockerten, die Chargierrahmen 1 jedoch ihre Integrität beibehielten. Durch Beschichtung der Verbindungselemente 7 aus CFC mit Graphitexpandat konnte dieser Nachteil jedoch behoben werden.
Weitere Untersuchungen in der Praxis ergaben, dass eine zusätzliche thermische Notkonditionierung der Einzelteile für die zusammengesetzten Bauteile vor allem dann sinnvoll ist, wenn diese Bauteile besonders häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln ausgesetzt werden.
Die Erfindung wird wie folgt zusammengefasst:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus mehreren aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetztes Bauteil, welches durch Verbindungselemente aus CFC zusammengehalten wird. Durch thermische Vorkonditionierung der Einzelteile können zusammengesetzte Bauteile hergestellt werden, welche auch nach häufigen und/ oder extremen Temperaturwechseln formstabil sind.

1: Chargierrahmen
2, 2': Graphitleisten
3: überlappende Verbindungen
4: Stift
5, 5': rechteckige Aussparungen
6, 6': Nuten
7: rechtwinklige doppelt schwalbenschwanzförmige Verbindungselemente
8, 8': korrespondierende V-förmige Aussparungen

Claims

Bauteil, welches aus aus Graphit bestehenden Bauelementen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente mit Verbindungselementen aus CFC fixiert sind.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baulemente aus polykristallinem synthetischen Graphit mit einem CTE von maximal 2 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C) hergestellt werden und die CFC-Verbindungselemente einen CTE von 0,5 bis 1 x 10^–6/K (im Bereich von 0 bis 1000 °C) aufweisen.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in senkrechte Bohrungen an den sich überlappenden Verbindungsstellen der Bauelemente Stifte oder Bolzen als Verbindungselemente eingesetzt sind.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in korrespondierende Aussparungen an den sich nicht überlappenden Verbindungsstellen der Bauelemente Verbindungselemente in Form eines doppelten Schwalbenschwanzes, doppelten T-Stücks oder ähnlicher bekannten Formen zur formschlüssigen Verbindung eingesetzt sind.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine sowohl die Bauelemente als auch die Verbindungselemente einer separaten Wärmebehandlung bei 2000 bis 3000 °C über einen Zeitraum von 2 bis 24 Stunden, gefolgt von mechanischer Endbearbeitung der die Verbindungselemente aufnehmenden Bohrungen oder Aussparungen der Bauelemente sowie der Verbindungselemente, unterlagen.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Verbindungselemente einer Wärmebehandlung bei 2500 bis 3000 °C über einen Zeitraum von 24 Stunden, gefolgt von mechanischer Endbearbeitung, unterlagen.
Zusammengesetztes Bauteil gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente an den, mit den Bauelementen in Kontakt stehenden, Flächen mit Naturgraphit, Graphitexpandat oder Graphitfolie beschichtet sind.