DE2354254A1

DE2354254A1 - Verfahren zur herstellung eines waermeisolierenden gusserzeugnisses

Info

Publication number: DE2354254A1
Application number: DE19732354254
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Hibino; Yasuhisa Kaneko; Yasuhiko Komatsu; Yasuo Okada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-09
Also published as: DE2354254B2; US3939897A; AU6195973A; CA1004436A; DE2354254C3; JPS4966533A; JPS5116168B2

Description

Verfahren zur Herstelliung eines warmeisollereadeη GuBerzeugTiisses

Die Erfindoiag !betrifft eiia ¥eri5aüirea zur Herstellung eines, warmeisollerenden

Die Abgase von Automoblleia stellen eine Quelle der Luftverschmutzung dar, weil sie eine große Menge senädllctier unver*- brannter Gase wie fKoölenstoffiriDnoxid und KoklenwasSierstöf fe enthalten^ Wenn man diese schädlichen Gase vor der Abgabe in die Atmosphäre mit einer geeigneten Henge sekundärer Luft mischt, findet erneut eine Verbrennung statt, in der fast alle ünverbrannten Gase verbrannt.werden* Anordnungen hierzu sind als Auskleidungen bekannt geworden, diie Im AuslaBberelch von Zylinderköpfen Wärme aufnehmen; es gibt ferner Abgassammelleitungen mit sehr. .gcoBer Kapazität;, Ahgassammelleitungs— Reaktoren und Naehbrenner» ■ '■

Diese Anordnungen haben j'edööh verschiedene Na-chtellei Der adiab at Ische Effekt ±st sehr gerjLng^ die Leistung bei der Reinigung von Abgasen, sowie die Dauerhaftigkeit

— 9 ·»

lange Benutzungszeiträume bei hohen Temperaturen ist ebenfalls ■ nur gering. Die Anordnungen sind ferner kompliziert und ihre Herstellung wirtschaftlich nicht möglich; ihre Herstellung aus haupxsäcJiIieh metallischem Material eignet sich nicht für diedie Herstellung großer Stückzahlen und/oder verursacht hohe Kosten.

Man hat versucht, die Schwierigkeiten durch die Verwendung keramischen Materials, dessen thermische Leitfähigkeit geringer als die des metallischen Materials ist und das bei hohen Temperaturen in Kombination mit metallischem Material eine längere Lebensdauer aufweist, zu überwi nden. Bei diesen Anordnungen wird lediglich die äußere Oberfläche eines hohlen keramischen Kerns porös gemacht; der Kern wird dann von einer Metallschmelze umgössen. Die Schmelze erstarrt an der Außenfläche des Kerns und bildet zusammen mit diesem eine rohrförmige Struktur, die nach Erstarren des Metalls an der Übergangsstelle von metallischem Teil -und keramischen Teil ein Mischverbund von Metall und Keramik darstellt.

Bei Herstellen eines derartigen Mischverbundes muß man aber darauf achten, daß beim Erstarren und/oder Erkalten weder der metallische noch der keramische Teil fehlerhaft wird. Daher wird lediglich die äußere Oberfläche des keramischen Teils porös gemacht; der keramische Teil wird in eine Form eingesetzt und die Form als Ganzes erhitzt. Das Metall dringt in die durch die Porosität gebildeten Höhlungen bzw» Öffnungen in der Oberfläche des keramischen Teiles wie eine Art Imprägnierung ein.

Die bei Erstarrung und Erkaltung der Metallschmelze auftretende Kompressionskraft entspannt sich danach infolge eines Fließ-Phänomens j das örtlich an der Stelle der mechanischen Verbindung zwischen der in das Metall eindringenden Keramik und dem Metall auftritt. Zunächst weist diese Mischstruktur aus keramischem

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Teil und metallischem Teil im Verbindungsbereich auch keinen ersichtlichen Fehler auf.

Nichtsdestoweniger befindet sich der Mischverbund in einem Fließzustand, in dem potentiell feinste Risse an der Stelle der mechanischen Verbindung von keramischen Materials und Metall bestehen» obwohl sie offensichtlich zunächst noch nicht erkennbar oder feststellbar sind. Wird dieser Mischverbund jedoch in einem System verwendet, das ganz erheblichen Vibrationen ausgesetzt ist, z.B. in -einem Automobilmotor o.a., dann, entwickeln" sich" sehr schnell Risse zwischen dem keramischen Teil und dem metallischen Teil, Versuche haben gezeigt, daß die Dauerhaftigkeit eines derart hergestellten wärmeisoliereriden Gußerzeugnisses bei mechanischen Vibrationen außerordentlich s chlecht ist. .

Lediglich auf ihrer äußeren Oberfläche poröse keramische Teile sind ferner nur mit einem sehr komplizierten· Verfahren herzustellen, deshalb ist es auch schwierig, komplizierte Teile eines Abgasleitungssystems für Automobilmotoren auf diese Weise mit relativ dünnwandigen Auskleidungen zu versehen.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen wärmeisolierenden Gußstückes zu schaffen, das die vorerwähnten Nachteile hinsichtlich Haltbarkeit unter mechanischer Belastung nicht aufweist. .

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein flexibler 'rohrförmiger keramischer Teil mit glatter äußerer Oberfläche, einem Elastizitätsmodul von 200 bis 5000 kg/mm , einer Biegefestigkeit von 8 bis 200 kg/cm und einer Wandstärke von weniger als 1/4 seines Innendurchmessers mit einer Metallschmelze umgössen wird.

Das Verfahren eignet sich zur Auskleidung einer Abgas- oder Abgassammelleitung für interne Verbrennungsmotoren und begünstigt

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die Nachverbrennung schädlicher noch unverbrannter Gase, -so insbesondere vonKohlenstoffmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gußerzeugnis; Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf; Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine AbgasSammelleitung.

Wie schematisch aus Fig. 1 zu ersehen, stellt man zunächst einen rohrförmigen keramischen Teil !her, dessen Elastizitätsmodul gering ist, dessen Biegefestigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt und dessen äußere Oberfläche glatt ist. Der rohrförmige Teil 1 wird dann in eine Gußform eingesetzt, und dann mit einer Metallschmelze umgeg ossen .Die Schmelze bildet nach Erstarren undErkalten auf dem rohrförmigen Teil 1 einen metallischen Teil 2 in Form einer den keramischen Teil umgebenden Schicht. - .

Dabei ist es wichtig, die Wandstärke, den inneren Durchmesser des rohrförmigen keramischen Teiles 1, den Elastizitätsmodul,sowie die Biegefestigkeit des Materials des keramischen Teils optimal aus zuwählen (siehe dazu weiter unten). Ferner muß die äußere Oberfläche des rohrförmigen keramischen Teils 1 glatt sein. Sie darf keine Öffnungen,Poren oder Löcher aufweisen, in die die Metallschmelze eindringen kann.

Erfüllt das keramische Material diese Anforderungen, so erhält man rohrförmige Erzeugnisse wie das in Fig. 1 gezeigte, die 'dauerhaft und fehlerfrei sind, ohne daß sich zwischen dem keramischen und dem metallischen Teil zumindest potentiell Risse oder Sprünge bilden können in Form eines doppelwandig strukturierter

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Erzeugnisses aus einein metallischen und einem keramischen Teil».

Die Haltbarkeit und Fehlerlosigkeit dieser doppelwandigen Struktur beruht auf folgenden Gründen: Die Metällumgießung der Außenfläche des keramischen rohrförmigen Teils führt während des Erstarrens und Erkaltens natürlicherweise zu einer Kontraktion» Am keramischen Teil 1 wird eine Kompfessionskraft und am metallischen Teil 2 eine Dehnungskraft wirksam*

Da herkömmliche keramische Materialien einen hohen Elastizitätsmodul haben, kommt es im Bereich der auftretenden elastischen Kräfte kaum zu einer Verformung; da andererseits die Kompressions~ kraft jedoch sehr hoch ist* wird am metallischen Teil eine hohe Dehnungskraft wirksam, die häufig zu Brüchen und/oder Rissen in diesem führt. ^r ■ -

Ist die. Wandstärke des keramischen Teiles jedoch gering und die Kompressionskraft ebenfalls' relativ gering, dann führt die Kompressionskraft zum Brechen des keramischen Teiles.

Daher ist es notwendig> den Elastizitätsmodul des keramischen Materials soweit herabzusetzen,daß sieh ein geeigneter Bereich der Biegefestigkeit ergibt; ferner muß die Wandstärke des keramischen Teils dem Elastizitätsmodul, der Biegefestigkeit, und der Kompressionskraft -der· Metallschmelze im Zeitpunkt der Erstarrung und Erkaltung entsprechen. Der innere Durchmesser des keramischen rohrförmigen Teils 1 kann sich innerhalb der -Elastizitätsgrenzen bei Auftreten der Kontraktion durch die Gußschmelze bei der Erstarrung der Schmelze vermindern, so daß diese Belastung vom keramischen Teil aufgenommen und abgebaut werden kann; ein Bruch kann nicht mehr auftreten; der metallische Teil bleibt unbeschädigt und fehlerfrei.

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Die Verbindung des rohrförmigen keramischen Teils mit demmstallischen Teil in dem Bereich in dem beide Teile aneinandergrenzen, ist keine mechanische Verbindung, wie sie z.B. durch Eindr5.ngen von Metall in den keramischen Teil entstehen würde; es entsteht also nicht die Gefahr eines potentiellen Burches. Die Verbindung des keramischen Teils mit dem metallischen Teil ist vielmehr im vorliegenden Fall eine Art Schrumpfsitz, der durch Kontraktion des Metalls während der Erstarrung und Erkaltung entsteht; es ergibt sich demzufolge ein Gleichgewicht zwischen Kompressionsbelastung und Dehnungsbelastung innerhalb der Elastizitätsgrenzen. Daher kann die Verbindung mechanische Vibrationen mit hinreichender Standfestigkeit auf Dauer aushalten. Auch bei wiederholter Erhitzung und Erkaltung der Verbindungsstelle durch das durch das Innere des rohrförmigen Teils hindurchgeleitete Gas wird die'am keramischen Teil wirksame Kompressionskraft, nicht auf den Wert Null reduziert, solange das Metall nicht schmilzt. Auf diese Weise wird ein genügender gegenseitiger Eingriff ohne Fehlergefahr sichergestellt.

Im folgenden werden die aufeinanderfolgenden Herstellungsvorgänge erläutert:

Eine Möglichkeit der Herstellung von keramischem Material mit geringe Elastizitätsmodul besteht darin,, eine Anhäufung feuerfesten Materials zu verwenden, dessen größte Korngröße kleiner als 3/H der kleinsten Wandstärke des keramischen rohrförmigen Teils ist.

100 Teile (hier und im folgenden bedeutet dies: Gewi chtsteile) dieser Anhäufung werden mit 10 bis 40 Teilen Tonerdezement als Bindemittel zusammengegeben; zu 100 Teilen dieser Mischung werden 15 bis 30 Teile Wasser zugegeben. Es wird dann umgerührt: und gründlich gemischt, so daß man eine schlammartige Überzugsmasse erhält.

Als hitzebeständige Materialien kommen in Frage: Lehmhaltige Schamotte, Tonerde (Aluminiumoxid), Siliziumoxid, Sillimanit,

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Mullit i Zirkon,Chromit, Magnesia-Sinterschlaeke, (Magnesia-Klinker), Siliziumkarbid, Elektrokorund, Quarzgut, Kyanit, Magnesia, Chrom, geschmolzener Spinell, Siiiziumnitid, Chrommagnesia, Chrommagnesit, Vermikulit, Vermikulitasbest, Baryt, gebrannte Diatomeenerde, Bimsstein, usw.

Dann wird ein geeigneter Kern zur.Bildung des' Hohlraumes in der Gußform aus Holz, synthetischem Harz, Gips, usw. hergestellt. Die erwähnte Oberzugsmasse wird dann schnell in die Gußförm eingegossen. Die Gußform selbst oder im Falle keramischer Teile mit komplizierten Formen auch den Kern kann man leicht aus Materialien wie aufgeschäumten Polystyrol usw. herstellen, die in organischen Lösungsmitteln, z.B. Azeton, Benzol, Toluol, Methylethylketon usw. lösba.r sind. ' .

Das Eingießen der Überzugsmasse .wird erleichtert, wenn die Gußform, als ganzes dabei einer leichten Vibration ausgesetzt wird; dadurch wird das Auftreten-großer Blasen an der Oberfläche des keramischen Teils vermieden. Besonders bei dicker Wand des keramischen Teils ist auch die Anwendung von Druck, beim Eingießen zu, empfehlen._; .

Nach dem Eingießen läßt man die überzugsmasse M- bis 24- Stunden lang in der Gußform aushärten. Ist die gewünschte Festigkeit erreicht, dann nimmt man den Überzug und gleichzeitig.auch den Kern heraus. Danach wird die geformte Überzugsmasse zunächst bei Temperaturen von 70 bis 105 C getrocknet; man muß jedoch dabei Sorgfalt walten lassen: Die Temperatur darf nicht zu schnell erhöht werden, um das Auftreten von Sprüngen und/oder Rissen zu vermeiden.

Zum Abschluß-erfolgt dann eine Hochtemperatur-Erhitzung. Da der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit von der Temperatur bei dieser Erhitzung abhängen, müssen die Bedingungen"bei der Erhitzung je nach Qualität des Materials, Form des keramischen Teils und Material der Gußschmelze in geeigneter Weise bestimmt werden.

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Es ist zu empfehlen, den keramischen Teil zumindest bis zur Gußtemperatur der Metallschmelze zu erhitzen, Gußfehler, wie z.B. Gußblasen, beim Eingießen des Metalls zur Umhüllung des keramischen Teils zu vermeiden. Wird die Temperatur jedoch zu hoch gewählt, dann beginnt die Anhäufung des wärmebeständigen Materials selbst zusammenzubacken und es erfolgt demgemäß eine Veränderung des Elastizitätsmoduls und der mechanischen Festigkeit; faner schrumpft dann der keramische Teil sehr stark. Man muß daher Vorkehrungen treffen, um dies zu vermeiden. Strebt man eine besondere Hochtemperatur-Fes "fcigkeit an, so empfiehlt es sich die Verwendung eines Phosphat-Bindemittels, z.B. primäres Aluminiumphosphat. Um den keramischen rohrförmigen Teil in vorbestimmter Position in eine Gußform einzusetzen, muß an beiden Enden des keramischen Teils ein Bereich für Kernmarken vorgesehen werden; diese können mit dem Kern einen Teil bilden oder durch das Formen von Sand mit Hilfe des Kohlendioxid-Verfahrens, des Schalengußverfahrens, des Ölsandverfahrens usw. hergestellt werden.

Hat der rohrförmige keramische Teil eine nur dünne Wand und besteht deshalb die Möglichkeit der Zerstörung der Wand infolge des Druckes der Gußs chmelze während des Gießens, kann man dem dadurch begegnen, daß das hohle Innere des keramischen Teils in der bereits erwähnten Weise mit Formsand gefüllt wird.

Danach wird dann die Gußschmelze ih die Gießform, in die das keramische Teil eingesetzt worden ist, eingegossen.

Hinsichtlich der Qualität der Gießschmelze bestehen keine Einschränkungen. Es können z.B. verwendet werden: Grauguß, Kugelgraphit guß, legiertes Gußeisen, Gußstahl, legierter Gußstahl, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen usw.. . ·

Die Bestimmung von Bigefestigkeit, Elastizitätsmodul, Wandstärke des keramischen Teils, Querschnitt desselben und Art der Gußschmelze muß unter Beachtung der oben erwähnten Gesichtspunkte erfolgen.

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Für das in Fig. 1 dargestellte rohrförmige Erzeugnis sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 die bei Experimenten verwendeten bzw;festgestellten Daten angegeben. ·

Tabelle 1

Umhüllung des keramischen Rohres mit einem metallischen Teil aus einer Aluminiumlegierung

Art der Keramik	Biegefestigkeit kg/cm	Elastizitäts modul« . kg/cm	Wandstärke mm	Ergebnis
Siliziumhaltig	80	3. 500	12	kleine Risse au der Keramik
Sil-iziumhaltig	80	3.500 "■- .	8	keine Fehler
Tonerdehaitig	150	5.000	11	feine Risse auf der Keramik
Tonerdehaltig	150	5.000	6	keine Fehler
Tonerdenaltig	500	10*000	8	unbrauchbare Keramik
Tonerdehaltig	500	10.00.0	5	große Risse auf der Keramik

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Tabelle 2

Umhüllung des keramischen Rohres mit einer Umhüllung aus Grauguß

Art der Keramik	Biegefestigkeit kg/cm	Elastizitäts modul 2	Wandstärke . Ergebnis	kleine Ri se auf der Keramik
Silxzxumhaltig	10Ö	H.000	15	keine Fehler
Siliziumhaltig	100	H. 000	10	kleine Risse auf der Keramik
Ton erdehartig	150	5.000	12	keine Fehler
Tonerdenaltig	150 .	5.000	8 -	sowohl Metall al auch Keramik fehlerhaft
Tonerdehalt ig	300	15.000	10	Keramik fehler haft
Tonerdehaltig	700	15.000	5

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Bei den in den Tabellen 1 und 2 dargestellten Versuchen war der innere Durchmesser des rohrförmigen keramischen Teils 40 ran; die Wandstärke des umhüllenden metallischen Teils war bei der Aluminiumlegierung 6 mm und beim Grauguß 1,5 mm.

Eine Auswertung der Ergebnisse nach Tabelle 1 und 2 zeigt, daß für den keramischen Teil des Erzeugnisses folgende Bedingungen gegeben sein müssen, um damit ein doppelwandig strukturiertes Erzeugnis zu erhalten, das fehlerfrei ist:,

(1) Der Elastizitätsmodul muß im Bereich von 200 bis 5.000 kg/mm

legen. -

2 Ist der Elastizitätsmodul kleiner als 200 kg/mm , dann ist der keramische rohrförmige Teil zu leicht verbiegbar und das Erzeugnis aus diesem Grunde praktisch nur von sehr fragwürdiger Haltbarkeit, obwohl es zunächst, soweit festeilbar, fehlerfrei ist. Ist der

Elastizitätsmodul größer als 5000 kg/mm , ist die Verformung nicht ausreichend; der keramische Teil hat die Tendenz zu r>eißen bzw. zu springen. Man erhält keine fehlerfreien Erzeugnisse mehr.

(2) Die Wandstärke muß weniger als ein Viertel des inneren Durchmessers an der betreffenden Stelle betragen.

Ist die Wandstärke größer, dann i'st die Verformung selbst dann schwierig, wenn der Elastizitätsmodul gering genug ist; man erhält keine fehlerfreien Erzeugnisse mehr. .

Hat der rohrförmige keramische Teil einen rechteckigen Querschnitt, dann wird anstelle des Durchmessers die Länge der Diagonale des Querschnitts in Betracht gezogen.

(3) Die Biegefestigkeit muß im Bereich von 8bis 200 kg/cm

liegen.

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Eine geringere Biegefestigkeit führt zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Haltbarkeit; eine höhere Biegefestigkeit führt jedoch selbst dann zu nicht mehr» fehlerfreien Erzeugnissen, wenn der Elastizitätsmodul und die Wandstärke innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Die genannten Grenzen der Biegefestigkeit sichern.eine hinreichende Flexibilität des keramischen rohrförmigen Teiles.

(4) Die äußere Oberfläche des rohrförmigen keramischen Teils, die Kontakt mit dem metallischen Teil hat,.muß glatt sein, d.h., sie darf nicht so porös sein, daß das Metall in sie eindringen kann.

Über das gesamte Proudkt muß eine gewisse Homogenität des Elastizitätsmoduls, der Biegefestigkeit, der Porösität und der weiteren mechanischen Eigenschaften gewährleistet sein. Ist z.B. die Biegefestigkeit an einer bestimmten örtlichen begrenzten Stelle nicht zufriedenstellend, wird sich die mechanische Belastung auf diese Stelle konzentrieren und deshalb das Kräftegleichgewicht nicht mehr gewährleistet sein, so daß das Erzeugnis fehlerhaft wird.

Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Erzeugnis beschleunigt bei seinem Einsatz hinter dem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotor führendes Rohr eine Nachverbrennung, weil der keramischeTeil viel weniger wärmeleitend/das Metall ist und hervorragende adiabatische Eigenschaften hat, so daß die Wärme des durch sein Inneres hindurchgeführten Gases mit sehr viel höherem Wirkungsgrad aufgenommen und gehalten werden kann. Das keramische Material hat.auch eine sehr hohe Wärmekapazität. Deshalb hält der Wandbereich des Erzeugnisses eine hohe Temperatur auch dann, wenn sich die Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors ändern und die Temperatur des bei der Verbrennung entstehenden Abgases sinkt; so kann man auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen eine Nachverbrennung aufrechterhalten. Deshalb können die schädlichen unverbrannten Gase im Abgas verbrannt werden.

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Für Haltbarkeit bzw. Dauerfestigkeit ist maßgebend, daß der keramische Teil einen geringen Elastizitätsmodul hat und daher mechanische Vibrationen leicht absorbiert; die aneinander angrenzenden Bereiche des keramischen und des metallischen Teils bilden eine Art Schrumpfsitz als Folge des Gleichgewichts der Kompression.skraft und der Dehnungskraft; das ermöglicht die Verwendung der Erzeugnisse in einer Umgebung, die ganz erheblichen Vibrationen ausgesetzt ist und wie z.B. bei Motoren vorliegt. In -thermischer Hinsicht .ergeben sich keine Etobleme, da keramische Materialien insoweit Metallen überlegen sind.

Je nach ihrer Qualität sind einige keramische Materialien bei Temperaturen um.1000 C instabil. Verwendet man solche Materialien, soist es zweckmäßig, ihre innere Oberfläche mit wärmebeständigem Material zu beschichten oder sie mit einem wärmebeständigen Bindematerial zu imprägnieren, so z.B. mit kolloidem Siliziumoxid, Aethylsilikat, primärem Aluminiümphosphat, usw.. Das kann vor oder nach dem Umhüllen des keramischen Teiles durch Umgießen mit Metall geschehen.

Ein wie beschrieben hergestelltes doppelwandig struktui'iertes rohrförmiges Erzeugnis kann als Auskleidung, Futter oder Einsteckrohr für eine Abgasleitung vom Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors zu der Abgas-Abgabeöffnung im Zylinderkopf, als Abgassammelleitung mit großer Kapazität, als Außenbehälter eines Abgassammelleitung-Reaktors oder als Außenbehälter eines Nachbrenners verwendet werden.

Die wie beschrieben hergestellten Erzeugnisse sind nicht nur bei 2- oder 1-Takt-Benzinmotoren, sondern bei allen internen Verbrennungsmaschinen einschließlich Reaktions- und Dieselmotoren. einsetzbar. Neben der Abgasreinigung können sie auch zufriedenstellen zum Wärmeentzug von Gasen verwendet werden. -

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Im folgenden werden einige Herstellungsbeispiele angegeben:

Beispiel 1;

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die Auskleidung eines Zylinderkopfes eines 1600 ecm ^-Zylinder-Benzinmotors ergab, der im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Der die Auskleidung bildende keramische Teil 3 hatte eine Wandstärke von H mm, entlang der Mittellinie eine Gesamtlänge von 90 mm und einen rechteckigen Querschnitt von 27 χ 32 mm.

Das keramische Material wurde wie folgt hergestellt: 20 Teile Tonerdezement wurden mit 75 Teilen Quai^gut zusammengegeben, bei dem die größte Korngröße 2,5 mm betrug. Danach wurden 22 Teile "Wasser mit 100 Teilen dieser Mischung gemischt und umgerührt, so daß man die schlammartige Überzugsmasse erhielt. In eine Gußform aus Harz, die entsprechend der äußeren Kontur der Auskleidung ■ erstellt wurde, wurde ein Kern aus aufgeschäumten Polystyrol mit den Abmessungen der Innenkontur der Ausk3.eidung eingesetzt. Die Überzugsmasse wurde dann eingegossen. Dabei wurde die Gußform als Ganzes Vibrationen ausgesetzt. Die Überzugsmasse wurde ungefähr 16 Stunden stehengelassen; sie wurde dann aus der Gußform herausgenommen. Der Kern wurde mit Azeton herausgelöst- Der gegossene Teil wurde danach zunehmend 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 70 bis 200 C getrocknet; dann folgte eine Hochtemperaturtr»ocknung für die Dauer von 24 Stunden, bei der die Temperatur auf 850 C erhöht wurde.

Der so gewonnenWieixhatte eine Biegefestigkeit von 100 kg/cm ,

einen Elastizitäts modul von 950 kg/mm , ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 1.60. Es ergab sich eine Dimensionsabweichung von -0,5 %.„

Dieser geformte Teil wurde auf einen Holzrahmen aufgesetzt. Der Teil für die Kernmarken wurde mit dem Gießkern als ein Teil nach dem Kohlenstoffdio>cid~Verfahren gebildet. Dieser Gußkern wurde in eine Metallgußform eingesetzt. Dann wurde der Zylinderkopf gegossen,

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Es wurde eine Aluminiumlegierung verwendet. Der Guß erfolgte bei 750 C und niederem Druck. Die Aluminiumlegierung enthielt 3,5 % Kupfer, 9,5 % Silizium, 0,5 % Magnesium und den Rest Aluminium. Nach dem Gießen wurde der Kernsand entfernt, es folgte eine Wärmebehandlung (japanische Industrienormen -J5) bei 200⁰C für die Dauer von 3 Stunden zur Erhöhung der Festigkeit der Aluminiumlegierung., .-.'.-

Der· mit .dem keramischen Teil als. Auskleidung versehene Zylinder-,kopf wurde in einen Motor eingebaut. Die untersuchung von Zusammensetzung und die Temperatur des Auspuffgases zeigte, daß der Gehalt anKohlenstoffmpnoxid und Kohlenwasserstoffen in Vergleich mit herkömmlichen Auskleidungen 50 % ,geringer und die Temperatur in Umgebung der Auslaßöffnung der Auskleidung um 150⁰C höher war. Unter voller Last wurde bei 6000 Upm ein 100-Stunden- · Dauertest vorgenommen. Es ergaben sich keine Fehler.

Beispiel 2:

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die Auskleidung eines.Zylinderkopfes eines 2QQÖ ecm ^-Zylinder-Benzinmotors ergab. Der keramische Teil hatte eine Wandstärke von 4,5 nun,entlang der Mittellinie eine Gesamtlänge von 110 mm und einen rechteckigen Querschnitt von 32 χ h0 mm.. Das keramische Material wurde wie folgt hergestellt: 20 Teile Tonerdezement wurden mit 20 Teilen aluminiumoxidhaltigen Material zusammengegeben, bei dem die größte Korngröße 3,0 mm betrug. Danach wurden 20 Teile Wasser mit 100 Teilen dieser Mischung gemischt und zu einer Oberzugsmasse geknetet, '

Die weitere Herstellung-bis zum Herausnehmen des keramischen Teiles aus der Gußform waren gleich wie bei Beispiel 1. Die .Trocknung erfolgte zunächst bis 200°C, danach bis 1400°C; bei dieser Tempex»atur wurde der keramische Teil **8 Stunden lang belassen.

; ■ - 16

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— Ib —

Die Biegefestigkeit des so gewonnenen keramischen Teiles war

2 2

450 kg/cm , der Elastizitätsmodul 1500 kg/mm , spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) 2,80; es ergab sich eine Dimensionsabweichung von -0,65 %.

Dieser geformte keramische Teil wurde in eine erwärmte Metallform eingesetzt. Durch Einblasen von Formsand erhielt man einen Schalenmodellkern für den Gußvorgang, der als ein einziger Teil auch die Kernmarken mit umfaßte. Dieser Kern wurde in eine ungebrannte Sandform eingesetzt. Dann wurde der Zylinderkopf gegossen. Es wurde Grauguß verwendet. Die Temperatur der Schmelze betrug 13 8O⁰C. Die Zusammensetzung der Schmelze war.c 3,3 % Kohlenstoff„ 2,0 % Silizium, 0,7 % Mangan, Rest Eisen.

Der mit dem keramischen Teil ausgekleidete Zylinderkopf wurde auf einein Verbrennungsmotor montiert. Die Untersuchung des Abgases ergab, daß dessen Gehalt an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Vergleich mit herkömmlichen Auskleidungen etwa 40 % geringer war. Um die Haltbarkeit zu untersuchen, wurde die Umdrehungszahl des Motors 100.000 mal sehr schnell von 1000 auf 6000 Upm erhöht und jeweils sofort wieder auf 1000 Upm reduziert. Es ergaben sich keine Fehler.

Beispiel 3: ' ,

15 Teile primäres Aluminiumphosphat wurden mit 100 Teilen aluminiumoxidhaltigem Material zusammengegeben und wie Beispiel 2 weiterverarbeitet, um die Überzugsmasse zu erhalten.

Die weitere Herstellung bis zur Entfernung des keramischen Teiles aus der Gußform erfolgte wie in Beispiel 1» Die Trocknung erfolgte zu nächst bis zu 200 C, dann für .die Dauer von 24 Stunden bei einer Temperatur vaa 1200 C. Der so gewonnene keramische Teil hatte

2
eine Biegefestigkeit von 190 kg/cm , einen Elastizitätsmodul von

2
4800 kg/mm , ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 2,75 und eine Dimensionsabweichung von -0,63 %.

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Die weiteren Schritte der Herstellung der Auskleidung eines Zylinderkopfes waren dieselben wie in Beispiel 2. Nach Montage des Zylinderkopfes erhielt-man dieselben Testergebnisse,für Leistung und Standfestigkeit wie in Bespiel 2.

Beispiel 4:

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die. Auskleidung einer AbgasSammelleitung großer Kapazität für einen 2000 ecm 4-Zylinder-Benzinmotpr ergab, wie dies in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist. Der keramische-Teil 4hat die Form eines Mehrfachrohres. Die Wandstärke betrug 6 mm, der innere Durchmesser an den Einlaßöffnungen 5 35mm, 'der an der Auslaßöffnung 6 42 mm.

Das keramische Material wurde durch Zugabe von 20 Teilen Tonerdezement zu 80 Teilen alumxnximoxidhaltxgem Zuschlagstoff gewonnen, dessen größte Korngröße 4mm betrug. Zu 100 Teilen dieser Mischung wurden 20 Teile Wasser beigegeben, um die schlammartige Überzugsmasse zu bilden. Sie wurde wie in Beispiel 1 in eine vorbereitete Form eingegeben; man erhielt so den nach Art eines Mehrfachrohres ausgebildeten" keramischen Teil 4. Dieser wurde bis zu einer Temperatur von 1550 C erhitzt. Der so gewonnene keramische Teil hatte eine

Biegefestigkeit von 180 kg/cm , einen Elastizitätsmodul von 4800

2 ·

kg/mm , ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 2,85 und eine Dirnensionsäbweichung von -0,70%. ,Der keramische Teil wurde mit dem eigentlichen Gußkern zusammen nach dem Kohlendioxidverfahren als ein Teil ausgebildet und in kne Gußform eingesetzt. Bei einer Temperatur von 1350 C wird eine Kugelgraphiteisenschmelze eingegossen, Die Zusammensetzung des Kugelgraphiteisens war: 3,8.% Kohlenstoff, 2,7'% Silizium, 0,5 % Mangan, 0,04 % Magnesium, Rest Eisen.. Die AbgasSammelleitung wurde in einem Motor montiert. Test zeigten, daß der Kohlenmonoxidgehalt um 60 % und der Gehalt an Kohlenwasserstoffen um 35 % im Vergleich zu herkömmlichen Abgassammelleitungen abnahm. Ein Betrieb dieses Motors in einem Dauertest über 50.000 km bei hoher Geschwindigkeit ergab keine Fehler.

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Patentansprucne:

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines wärmeisolierenden Gußerzeugnisses, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibler rohrförmiger keramischer Teil (1,3,4) mit glatter äußerer Oberfläche, einem Elastizitäts-

2
modul von 200 bis 5000 kg/mm _s einer Biegefestigkeit von 8 bis

2
200 kg/cm und einer Wandstärke von weniger als 1/4 seines Innendurchmessers , mit einer Metallschmelze umgössen wird*

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze aus der Gruppe folgender Materialien erstellt wird: Grauguß, Kugelgraphiteisen, legiertes Eisen, Stahlguß, legierter Stahlguß, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen, "Zinklegerungen.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Teil (1,3,4) aus hitzebeständigem Material mit einer Korngröße von weniger als 3/4, der geringsten Wandstärke des Teiles (1,3,4) hergestellt wird.

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4. Verfahren nach .Anspruch 3^ dadurch gekennzeichnet:, daß das hitzebeständige Material aus folgender Gruppe ausgewählt ist: lehmhaltige Schamotte, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Sillimanit, Mullit, Zirkon, Chormit, Magnesia-Klinker, Siliziumkarbid, Elektrokor_und Quarzgut, Kyanit, Magnesia, Chrom, geschmolzener . Spj.nell, Siliziumnitrid, Chrommagnesia, Chrommagnesit, Vermikulit, Vermikulitasbest, Baryt, gebrannte Diatomesierde, Bimsstein. .

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Teil (1,3 ,if) derart hergestellt wird, daß aus keramischem Material eine Überzugsmasse gebildet, in eine Gußform gegossen, darin ausgehärtet" und nach Entnahme aus der Gußform unter Wärmeeinwirkung getrocknet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung

und für eine Dauer von ca. 4-24 Stunden erfolgt/ während eines Teils dieses Zeitraumes dxe^lwxscnen 70 und 200°C beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200°C ca. 24 Stunden lang und danach 24 bis 48 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 850 und 1550°C erfolgt. -

V--

8. Verfahren nach Anspr-uch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Zeitraum-die Erhitzung auf mindestens die Temperatur der Gußschmelze erfolgt.

9. Verwendung eines naeh Anspruch 1 oder einem der folgenden hergestellten Erzeugnisses als Abgas- oder Abgassammelleitung bei Verbrennungsmotoren derart * daß der keramische Teil eine' Auskleidung der Abgas--oder AbgasSammelleitung bildet.

409819/0892

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