DE2351782A1

DE2351782A1 - Isotropes verbundkeramikmaterial mit dispersionsfasern und verfahren zur herstellung dieses materials

Info

Publication number: DE2351782A1
Application number: DE19732351782
Authority: DE
Inventors: Henri Carbonnel; Michel Marchais
Original assignee: Alsacienne Atom
Current assignee: Alsacienne Atom
Priority date: 1972-10-24
Filing date: 1973-10-16
Publication date: 1974-05-02
Also published as: SU482940A3; CA1018190A; FR2203788B1; AU477144B2; SU651688A3; JPS4980107A; NO137009C; NO137009B; FR2203788A1; AU6141873A; GB1428711A; IT998953B; JPS5644038B2; CH584667A5

Description

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(Frankreich)

ISOTBOTES VEBBIMDKEBAMIKMATEBIAL MIT DISPEBSIONSfASEBN UND VEBJ¹AHEEN ZUE HEBSTELLUNG DIESES MATEBIALS

Die Erfindung betrifft Verbundkeramik mit Dispersionsfasern und das dazugehörige Herstellungsverfahren.

Der Fortschritt bei verschiedenen Techniken, bei denen Hochtemperaturmedien verwendet werden, h'ängt zu einem gewissen Grad von der Schaffung von Materialien ab, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig sehr hoher Beständigkeit gegenüber Wärmeschocks aufweisen. Bekanntlich lassen sich diese beiden Eigenschaften nur' schwer miteinander vereinbaren; zwar bietet Keramik den Vorteil, im allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu besitzen, jedoch ist ihre Beständigkeit gegenüber Wärmeschocks relativ klein.

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Es ist auch "bekannt, dass der von einem Keramikelement "bestimmter Form maximal ausgehaltene Wärmeschock proportional zur Bruchfestigkeit S und umgekehrt proportional zum Produkt aus dem Ausdehungskoeffizienten < und dem Young*sehen Modul E ist. Um den Young'sehen Modul E erheblich zu verringern und dadurch die Beständigkeit gegenüber Wärmeschocks zu erhöhen, hat man vorgeschlagen, Keramikwerkstoffe herzustellen, die einen plastischen Zustand bewahren; aber die Erfahrung zeigte dann, dass dadurch gleichzeitig die Bruchfestigkeit S verringert wird, wodurch solch ein Keramikwerkstoff für zahlreiche Nutzanwendungen ungeeignet und sein Widerstand gegenüber ?/ärmeschocks nicht entscheidend verbessert wird.

Es ist ebenfalls bekannt, dass Tonerde- und Zirkonerdefasermatten hergestellt werden, bei denen die Fasern in ihrer Mehrheit senkrecht zur Oberfläche der Matte ausgerichtet sind, auf die dann eine Keramikmasse gegossen wird. So können bei Bedarf Oberflächen hergestellt werden, die eine sehr gute Widerstandskraft gegenüber Wärmeschocks und gleichzeitig eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit in einer bevorzugten Richtung aufweisen. Mit diesem Verfahren können keine Teile hergestellt werden, deren mechanische Festigkeit isotrop (in mehreren Richtungen gegeben) sein soll; auch können keine Teile mit komplexer Form gegossen werden, die sowohl eine gute™ Beständigkeit gegenüber Wärmeschocks als auch eine erhöhte mechanische Festigkeit in allen Beanspruchungsrichtungen aufweisen. Nun stösst man jedoch auf zahlreiche Probleme, bei

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denen es wünschenswert wäre, empfindliche Elemente, die in ein aggressives Milieu gebracht werden sollen, dessen Temperatur schlagartig erhöht wird, gegen Wärme "und gleichzeitig chemische Einflösse schlitzen zu können, wobei diese Elemente zusätzlich noch gute mechanische Eigenschaften aufweisen. .

Überraschenderweise hat es sieh gezeigt, dass es möglich ist, isotrope Materialien herzustellen, die einen geringen Young· sehen Modul E aufweisen und'folglich einen wesentlich höheren Wärmeschock auffangen können, indem in einem Bindemittel verschiedene Keramikfasern verteilt werden. Die Erhöhung des Widerstandes gegenüber Wärmestössen wird besonders deutlich, wenn der Prozentsatz von Keramikfaserrr 20$ des Gesamtgewichts Überschreitet.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Verbund-Keramikmaterial mit Dispersionsfasern, das einen hohen Widerstand gegenüber Wärmeschocks aufweist, und aus einem wässerigen Bindemittel aus Kalzium-Aluminat mit darin verteilten Keramikfasern besteht, deren Anteil mehr als 20$ des Gesamtgewichts des Endprodukts ausmacht.

Keramikfasern wurden auf der Grundlage verschiedener Materialien wie beispielsweise Tonerde, Zirkonerde oder Bor hergestellt. Auch lässt sich ohne Schwierigkeiten im Händel eine Keramikfaser finden, deren Tonerdegehalt etwa 88$ beträgt und die im übrigen Siliziumdioxyd SiO₂ enthält. Solche Pasern werden in ein wässeriges Bindemittel auf der Basis von Kalziumaluminat

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verbracht, nachdem sie gemäss der weiter unten gegebenen Beschreibung vorbehandelt worden sind. So erhält man ein isotropes Keramikmaterial, dessen Young'scher Modul E etwa 20 mal kleiner ist als in bekannten Keramikstoffen. Der Ausdehnungskoeffizient O^ nimmt erheblich ab, während gleichzeitig die Bruchfestigkeit S konstant bleibt, so dass der Widerstand gegenüber Wärmeschocks beträchtlich verbessert ist.

Darüber hinaus ist festzuhalten, dass die Korrosionsbeständigkeit eines solchen Produktes im allgemeinen sehr ähnlich der des verwendeten wässrigen Bindemittels ist. Im vorliegenden Falle, wo die eingebettete Paser auf der Basis von Tonerde hergestellt ist und wo der verwendete wässrige Binder Kalziuaaluminat ist, weist das neue Keramikmaterial dieselben Korrosionsbeständigkeit unter Wärmeeinfluss auf, wie bei Keramikmaterialien auf der Basis von Tonerde und Kalziumaluminat. ■ ·

Das Herstellungsverfahren für diese Art von isotropen Verbundkeramikmaterial mit wässrigem Bindemittel ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass beim Mischen der Bestandteile ein Gewichtsanteil hinzugegeben werden muss, der praktisch genauso gross ist wie das Gewicht der festen Bestandteile, und dadtirch, dass die. Mischung ,sehr schnell gerührt werden muss. Im allgemeinen werden dagegen wesentlich geringere Wasserzusätze verwendet. Dieses Merkmal ist. einfach daraus zu erklären, dass die Fasern gleichmässig im Material

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verteilt werden müssen, ohne heterogene Kerne zu bilden und ohne eine "bevorzugte Richtung einzunehmen.

Das Herstellungsvsrfahren wird im folgenden im einzelnen an Hand eines Ausfüihrungsbeispiels be schrieben, ausgehend von einer handelsüblichen Keramikfaser _? deren Tonerdegehalt 88$ und deren SiOg^Gehait 12$ beträgt, wobei die Toleranz für den Tonerde gehalt bei 1 bis 4$ liegt.

Diese Paser wird mit einem Gewiehtsanteil von mehr als 20$ der festen Bestandteile in ein aus Kalziumaluminat gebildetes wässriges Bindemittel gerührt· Das Mis.oh.en erfolgt in einem beliebigen bekannten Mischer, wobei ein Gewichtsanr· teil Wasser hinzugefügt wird, der mindestens gleich dem Ge-? wichtsanteil des Bindemittels ist. Das Mischen erfolgt sehr schnell, Dnter diesen Bedingungen ist es möglich, bis zu 80$ des Gesamtgewichts in Form von Fasern hinzuzufügen, indem nach.utid nach die notwendige Wassermenge hinzugegeben wird, Die erhaltene Mischung wird gegossen und gerüttelt. Dabei tritt das Wasser an der Oberfläche aus und muss vollkommen entfernt werden. Werden mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsgänge ausgeführt, so muss dem Keramikteil unbedingt nach jedem Euttelvorgang das Überschüssige Wasser entzogen werden, bevor eine weitere Menge von frischem Mischmaterial hinzugefügt wird. Das Rütteln wird abgebrochen, wenn das Material die Konsistenz von Rohkeramik annimmt. Danach muss man warten, dass die Wasserabbindung erfolgt, was mehrere Stunden dauern kann.

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Das Trocknen erfolgt dann entsprechend den dem Fachmann bekannten Techniken bei Temperaturen, die für die Formen und Abmessungen des jeweiligen Teils geeignet sind.

So kann bei Teilen mit kleinem Durchmesser die Temperatur pro Stunde um 20° erhöht werden und während einiger Stunden auf 100? C und 300° C gebracht werden.

Für Teile mit grossen Abmessungen muss die Temperaturerhöhung langsamer vorgenommen werden. Im allgemeinen werden mit lOfo pro Stunde gute Resultate erzielt.

Das Brennen erfolgt anschliessend bei Temperaturen von 1000 bis 1300° C mit einer Temperatursteigerung, wie sie oben angegeben ist. Das erhaltene Produkt stellt ein Verbundkeramikmaterial dar, dessen Dispersionsstruktur halb faserig und halb zementiert ist und das einen Young'sehen Modul von etwa 20000 kg/cm2 anstelle von 500000 bis 800000 kg/cm2 aufweist, während die Zugfestigkeit bei etwa 11 kg/cm2 und die Druckfestigkeit bei etwa 100 kg/cm2 liegt; der Ausdehnungskoeffizient hat für eine gegebene Temperaturdifferenz um etwa 25% abgenommen. Dagegen lässt sich feststellen, dass der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient extrem gering ist und etwa 0,2 bis 0,4 W/mgrd beträgt.

Es· muss auch auf eine besonders bemerkenswerte Eigenschaft des so erhaltenen Materials hingewiesen werden: Sein Schwund beim Abbinden und Brennen ist vernachlässigbar.

Ein Keramikmaterial mit noch verbesserten Eigenschaften

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wurde mit demselben Verfahren erzielt, indem eine Faser auf der Basis von stabilisierter Zirkonerde verwendet wurde, die beispielsweise 98fo an Yttriumoxyd stabilisierte Zirkonerde enthält und in Kalziumaluminat, das auch hier die Bolle des wässerigen Bindemittels spielt, gebracht wird.

Die Dispersion von Keramikfasern in wässerigen Bindemitteln wird durch die Aufnahme eines grossen Anteils von Wasser begünstigt. Trotzdem wurde diese Dispersion von Keramikfasern auch in trockenem Zustand bei -ausgezeichneten Bedingungen erzielt, wenn die Mischung des wässerigen Bindemittels mit der Keramikfaser völlig im Trockenen in einem beispielsweise v-förmigen Mischer vorgenommen wurde. Das Wasser wird dabei in einer späteren Phase hinzugegeben.

Das erfindungsgemässe Keramikmaterial findet in erster Linie Anwendung bei der Herstellung von Keramikteilen, die um die Mägnetkreise von elektromagnetischen Tauchpumpen herumgegossen werden sollen. Dadurch erhält man Vorrichtungen, die beim Einfuhren der Pumpe in ein flüssiges Metallbad hoher Temperatur, beispielsweise bei Transport oder Behandlung von Aluminium, den Wärmeschock auffangen kann. Die so geschützten Pumpen widerstehen genauso gut auch der plötzlichen Temperaturveränderung beim Abkühlvorgang.

Dieses Keramikmaterial kann auch besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Gussformen für Aluminiumgiessereien ver-wendet werden, weil es keinerlei Schrumpfung oder Ausdehnung bei der Herstellung der Form aufweist.

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Es ist auch möglich, Formen aller Typen, Leitungen, feuerfeste Steine, Giessrinnen für flüssige Metalle, aber auch Ofenauskleidungen, GiesspfannenbeSchichtungen, Auslassleitungen für sehr heisse und besonders reaktionsfähige Flüssigkeiten oder Gase herzustellen.

- Patentansprüche 4 09818/0871

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Isotropes Verbundkeramikmaterial mit sehr hohem Widerstand gegenüber Wärmeschocks,, dadurch gekennzeichnet, dass es aus KeramikfaseiSi besteht, die mit einem Gewichtsanteil von mehr als 20$ des Gesamtgewichts des Endprodukts in einem aus Kalziumaluminat gebildeten wässerigen Bindemittel verteilt werden.

2. Verbundkeramikmateria1 gemäss Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionskeramikfasern im wesentlichen aus Tonerde gebildet werden.

3. Verbundkeramikmaterial gemäss Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionskeramikfasern im wesentlichen aus stabilisierter Zirkonerde gebildet werden.

4. Verbundkeramikmaterial gemäss Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die Dispersionskeramikfasern mehr als 85$ Tonerde und weniger als 15$ Siliziumdioxyd enthalten.

5. Verbundkeramikmaterial gemäss Anspruch 3, d a durch gekennzeichnet, dass die Dispersionskefamikfasern mehr als 98$ an Yttriumoxyd stabilisierte Zirkonerde enthalten. ·

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6. Herstellungsverfahren für isotropes Verbundkeramikmaterial gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn die Keramikfasern im wässerigen Bindemittel unter Hinzufügen eines in etwa dem Gewicht der festen Bestandteile entsprechenden Gewichtsanteils Wasser verteilt werdan und dass die so erhaltene Mischung schnell gerührt wird.

7. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 6, d a — durch gekennzeichnet, dass nach der Dispersion der Keramikfasern im wässerigen Bindemittel unter Hinzufügen eines in etwa dem Gewichtsanteil des Bindemittels gleichen Gewichtsanteils Wasser das erhaltene Produkt gerüttelt werden und vom überschüssigen Wasser befreit werden muss.

8. Verfahren zur Herstellung von isotropem verbundkeramikmaterial mit einem sehr hohen Widerstand gegenüber Wärmestössen, aus Keramikfasern und Kalzium, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikfasern in trockenem Zustand in Kalziumaluminat gebracht werden, wobei ihr Gewichtsanteil mehr als 20$ des Gesamtgewichts des Endprodukts beträgt und das Wasser in einer späteren Phase hinzugefügt wird.

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