DE2403999C2 - Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen Oberfläche und Material aus solchem hitzebeständigen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material sowie die Verwendung des Materials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen Oberfläche eines geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisendes Materials wie Keramik, die wiederholt in ein sehr heißes korrosives Medium wie schmelzflüssiges Aluminium getaucht wird und deshalb wiederholten Wärmeschocks ausgesetzt ist

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Material mit hitzebeständiger Oberfläche geringerer Wärmeleitfähigkeit wie Keramik, das geeignet ist, wiederholt in sehr heißes korrosives Medium wie schmelzflüssiges Aluminium getaucht zu v/erden.

Schließlich hat die Erfindung noch die Anwendung auf den Schutz der Unterseite eine;, .otationszylindrischen Blocks aus hitzebeständigem Material der genannten Art zum Gegenstand.

Praktisch geht es um die Bildung von Oberflächenschutzstrukturen gegen wiederholte Wärmestößc, denen die Oberfläche von Werkstücken ausgesetzt ist, wenn sie disktontinuierlich einem Hochtemperaturmedium in engem Kontakt ausgesetzt werden.

Es ist bekannt, daß beim Eintauchen eines Blocks aus Keramikmaterial, des eine hohe Bruchspannung, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen geringen Elastizitätsmodul und eine kleine Poisson-Zahl aufweist, in ein Hochtemperaturmedium wie beispielweise flüssiges Aluminium die Temperatur in einer dünnen Schicht an der Oberfläche dieses keramischen Materials sehr stark ansteigt. Wegen der oben angegebenen Materialeigenschaften weitet sich diese Schicht nur langsam aus. während der Rest der Innenmasse des keramischen Materials weiterhin seine Anfangstemperatur beibehalt. Unter dem Einfluß dieser Wärme hat die dünne Oberflächenschicht des keramischen Materials zwar die Tendenz, sich auszudehnen, kann sich jedoch, da sie einen integrierenden Bestandteil des keramischen Materials bildet, nicht von ihm lösen; darum ist sie einer Kompression ausgesetzt, die extrem hohe Werte erreichen kann. In entsprechender Weise kommt es beim Herausnehmen des keramischen Materials aus dem Hochtcmpcralurmilieu und beim Eintauchen in eine Umgebung mit wesentlich geringerer Temperatur /uniichst zu einer oberflächlichen Abkühlung, bei der Zug-

kräfte auftreten, die auf die äußerste Schicht begrenzt sind. Man weiß, daß diese abwechselnden Kompressions- und Traktionskräfte, wenn sie wiederholt auftreten, zur Entstehung von Rissen führen. Diese Erscheinung tritt umso deutlich auf, ie schlechter das verwendete Material Wärme leitet und je geringer sein Widerstand gegen Kompression und Zugkräfte ist Dies trifft insbesondere auf Werkstücke zu, die aus hitzebeständigem Material geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, beispielsweise aus Keramik. Außerdem trifft dies zu bei Geräjen, die eine Keramikbeschichtung aufweisen und bei der Verarbeitung und Handhabung von geschmolzenen Metallen eingesetzt werden, wobei dann das feuerfeste Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit den Wärmeschutz Obernimmt. In diesem Fall ist die Zugfestigkeit des Materials besonders gering, und es kommt sehr leicht beim Herausnehmen des Geräts aus dem flüssigen Metall zu Rißbildungen.

Es ist ebenfalls bekannt, daß derartige Probleme unter anderen Umständen auftreten, insbesondere beim Heißwerden von bestimmten Metallwerkzvjgen, und daß eine Lösung vorgeschlagen wurde, die darin bestand, die Oberflächenteile des Werkzeugs mit Schlitzen zu versehen, durch die die Zug- und Kompressionskräfte an der Oberfläche verringert werden können.

Ferner ist bekannt, daß bei anderen Fällen, insbesondere bei der Herstellung von Wärmeschilden, die der Aufheizung ausgesetzten zu schützenden S'ellcn der Materialoberfläche von sublimierbaren, nicht dicht aneinandergefügten Plättchen bedeckt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Risse aufgrund der oben erwähnten abwechselnden Kompressions- und Zugkräfte bei Wärme schlecht leitenden Werkstücken zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art überraschend dadurch, daß die Oberfläche des Materials durch Fugen unterteilt wird und diese Fugen dann mit einem besser als die Keramik zusammenu-ückbaren und für das Medium undurchlässigen Material gefüllt werden, wobei dieses Füllmaterial aus sehr feinen und dicht gepackten hitzebeständigen Fasern gewählt wird.

Vorzugsweise ist in das Material ein Netz von Schlitzen eingebracht.

Zweckmäßig läuft jeder Schlitz an seinem Ende in eine abgerundete Bohrung aus.

Nach einer anderen Ausführungsform können aber auch kleine Platten, die praktisch die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie das keramische Material, aus hitzebeständigem Material, jedoch von geringerer Dichte, dk. durch Fugen voneinander getrennt werden, mit einem zusammenpreßbaren für das Metall undurchlässigen Material angefüllt sind, auf die Oberfläche des Materials aufgebracht werden.

Das Material zum Ausfüllen der Fugen ist durch folgcndc Eigenschaften charakterisierbar: ausreichende Zusammendrückbarkeit, um keine zusätzlichen Spannungen auftreten zu lassen; Undurchlässigkeit für das Hochtemperaturmedium, damit jegliches Zurückhalten dieses Mediums vermieden wird. Solche Stoffe sind im Handel in Form von Filzen oder Wollen aus Glas — Tonerde oder anderen feuerfesten Fasern — erhältlich.

Zweckmäßig wird das Ende jedes von vornherein im keramischen Maicri<il vorgesehenen Schlitzes mit einer zylindrischen Bohrung versehen.

Die Grenzlinie der Vvirmewelle beim Eindringen in die heiße anfängliche vorhandene Oberflächenschicht in Richtung auf seine Körnermitte hängt von der Schlitztiefe ab und ist dann nicht mehr so starr wie in dem Augenblick, wo die äußerste Oberflächenschicht des keramischen Materials auf hohe Temperatur gebracht wurde. Die dabei im Material hervorgerufenen Spannungen nehmen jetzt langsamer zu, so daß die Gefahr einer Zerstörung des Materials geringer wird Trotzdem stellt der Boden der Schlitze eine Diskontinuität dar, die neue Spannungen auftauchen lassen können, was durch die am Ende des Schlitzes vorgesehenen abgerundeten Bohrungen vermieden wird.

Vorzugsweise kann die glatte Oberfläche eipes hitzebeständigen Materials mit nicht fugenlos verlegten kleinen Platten aus solch hitzebeständigem Material versehen werden, daß weniger kompakt ist als das Material des Werkstücks und deshalb eine geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist Diese Plättchen werden mit dem Material des Werkstücks mit Hilfe einer Klebmasse verbunden, die aus gemahlenen hitzebeständigen Fasern besteht, die mit einem anorganischen i'-nd einem keramischen Binder in flüssiger oder Pastenform gemischt werden. Die durch den Zwischenraum zwischen die kleinen Platten gebildete Fuge wird wie in der vorgenannten Weise mit einer Wolle oder einem Filz aus hitzebeständigen Fasern gefüllt Diese Füllung sorgt in diesem Falle für doppelten Schutz: einerseits verhindert sie, daß das heiße Medium mit der Unterschicht in Wärmekontakt tritt, und andererseits verhindert sie den Kontakt des Mediums mit der Klebmasse, mit der die Platten befestigt sind und die evtl. unter dem Einfluß des verwendeten Mediums reagieren kann.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden; diese zeigt in

F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Konduktionspumpenkörpers, der gemäß den oben erwähnten ersten beiden Verfahrensmaßnahmen bearbeitet wurde;

F i g. 2 das untere keramische Material des Pumpenkörpers, das gemäß der Verfahrensmaßnahme bearbeitet -.vurde.

Es sind Konduktionspumpen für korrosive geschmolzene Metalle bekannt, deren Pumpenkörper aus einem hitzebesiändigen Material aus einer bestimmten Anzahl von lcitcrplattenförmigen Elementen 3 gebildet wird, durch die die Leitung für das flüssige Metall verläuft und in die mehrere Aussparungen für die Magnetkreise eingearbeitet sind. Dieses keramische Material aus hitzebeständigem Material schützt die Magnetkreise gegen die korrosiven Einflüsse der geschmolzenen Metalle und ermöglichen es, aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit der gewählten hitzebeständigen Stoffe, die Magnetkreise unterhalb ihres Curiepunktes aufrecht zu erhalten.

Das äußere Bild eines solchen Pumpenkörpers zeigt Ubereinandergeschichtetes keramisches Material aus hitzebeständigem Material, wie es in F i g. 1 dargestellt wird, in der außer der senkrechten Leitung für das flüssige Metall alle übrigen inneren Teile fortgelassen wurden.

In Fig. 1 sind die aufeinanderfolgenden Kerwiikleiterplatten (keramisches Material) aus hitzibeständigem Material 1, 2, 3, 4 zu sehen, die den Pumpenkörper bilden und in denen die Leitungsabschnitte für das geschmolzene Metall 5,ύ, 7 und 8 gezeigt werden.

Die untere Leiterplatte (keramisches Material) 1, die mit dem geschmolzenen Metall mit ihrer Unterseite sowie ihrer Seitenfläche in Berührung steht, wird an diesen genannten Flächen bearbeitet.

Das keramische Material 1 wurde umgedreht gezeichnet, damit die auf den betroffenen Seiten angebrachten Schlitze deutlich zu sehen sind. Die Schlitze wie 17; 53; 61 sind also in Wirklichkeit in die Unterseite eingearbeitet. Sie enden in der Leitung 5. die sie bis zu einer bestimmten Tiefe anschneiden.

Auf der Stirnfläche des keramischen Materials 1, die mit dem flüssigen Metall in Berührung steht, sind Schlitze wie Jl, 12,13,14 zu sehen, die die Verlängerung der Schlitze 20,21... 28 bilden, die in der Unterseite liegen. Auf diese Weise sind alle Schlitze radial ausgerichtet.

Das keramische Material 2 besitzt auf seiner Stirnfläche Schlitze 17, 18. Diese Schlitze verlaufen ebenfalls radial. Die Ober- und Unterseite dieses keramischen Materials treten mit dem flüssigen Metall nicht in Be- ι; rührung und sind deshalb nicht mit Schlitzen verschen.

An ihrem Ende sind die Seitenschlitzc dieser beiden Leiterplatten (keramischen Materials) abgerundet, um die Südüfig eines Disküiiiinuitäisbereichs zu verhindern. Die Schlitze sind mit einem weiter unten bezcichneten Material gefüllt. Aus Gründen klarer Darstellung ist diese Füllung in der Figur nicht gezeigt.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besetzt man die Oberfläche des hitzcbeständigen Teils mit vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall hergestellten kleinen Platten, wobei das Plattenmaterial weniger kompakt ist als das den Untergrund bildende Material, jedoch vorzugsweise den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

In der Fig. 1 sind solche kleinen Plättchen auf dem keramischen Material 3 angedeutet. Sie sind mit den Referenzen 31,32,33,34 usw. versehen und sind durch die Fugen 41,42 usw. voneinander getrennt.

Im vorliegenden Fall bestehen die kleinen Plättchen aus Keramik derselben Zusammensetzung, wie sie für die Pumpenumhüllung verwendet wird, jedoch mit geringerer Dichte, woraus sich bessere isolicrcigcnschaften ergeben als bei der Keramik des Pumpenkörpers sowie eine noch höhere Hitzeschockbeständigkeit als beim Grundmaterial. Zwar sind die mechanischen Eigenschaften dieser kleinen Platten denen der Trägerkeramik unterlegen, jedoch spielen sie lediglich eine Rolle beim Wärmeschutz, sie brauchen deshalb keine besonderen mechanischen Eigenschaften aufzuweisen. Diese Plättchen werden mit Hilfe einer Mischung aus Tonerde- und SiO₂-Fasern. die auf bekannte Weise mit einem anorganischen und einem keramischen Bindemittel in Pasten- oder flüssiger Form versetzt werden, angeklebt. Ein solches Bindemittel widersteht jedoch nicht immer in befriedigender Weise der Einwirkung der sehr korrosiven geschmolzenen Metalle.

Deshalb ist es auch bei dieser Variante notwendig, die Fugen bzw. Schlitze und Bohrungen mit einem für die geschmolzenen Metalle undurchlässigen Stoff auszufüllen, der darüber hinaus leicht zusammendrückbar sein ss muß, damit er gegenüber der Wärmeausdehnung der erfindungsgemäß bearbeiteten Außenschicht keinen Widerstand bietet.

In F i g. 2 wird die untere Leiterplatte (keramisches Material) Γ in ihrer richtigen Stellung gezeigt, im Gegensatz zu F i g. 1, wo sie auf dem Kopf stehend gezeigt wurde. Gemäß dieser F i g. 2 wird die untere Leiterplatte Γ gemäß der dritten Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet, durch die im Bedarfsfall die Spannungen nach einen; WärrncstoB noch stärker herabgesetzt werden können.

Die beiden Seiten, die mit dem geschmolzenen Metall in Verbindung stehen, sind dieselben wie im vorhergehenden Fall: die Seiten- und die Unterfläche, wobei letztere in diesem Fall nicht direkt sichtbar ist.

Es werden in radialer Richtung Bohrungen wie 51,52 usw. eingebracht, die mit der Mittelleitung 5 in Verbindung stehen. Diese Bohrungen werden anschließend nach unten hin durch Schlitze wie 53 und 54 verlängert. Auf dieselbe Weise sind die Schlitze 53,54 durch radial verlaufende Bohrungen verlängert, durch die das keramische Material gegen die aufgrund der sich von der Unterseite der Pumpe nach oben hin ausbreitenden Wärme auftretrr,J-j:i mechanischen Beanspruchungen geschützt wird.

Der seitliche Schutz der Leiterplatte 1' (keramisches Material) wird wie zuvor auch in der Fig. I durch senkrecht verlaufende Bohrungen wie 60 gewährleistet, die parallel zur Pumpenachse liegen und nach außen hin durch Schlitze wie 61 verlängert werden.

Diese beiden Arten von Bohrungen und Schlitzen werden symmetrisch in das keramische Material I eingearbeitet, wobei jede parallel zur Pumpenachse verlaufende Bohrung 60 in der Mittelfläche zwischen zwei benachbarten Schlitzen wie 53 und 54 liegt.

Diese Anordnung, bei der jeder Schlitz in einer zylindrischen Bohrung ausläuft, sorgt für eine Verteilung der inneren mechanischen Spannungen, die eine Riübiidung äußerst unwahrscheinlich werden läßt.

Wie zuvor werden die Schlitze und die Bohrungen mit einem füV flüssige Metalle undurchlässigen Mittel ausgefüllt.

Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, eine an sich bekannte Mischung aus Tonerde- und SKVFascrn, die in Form von Filzen oder Wolle im Handel erhältlich sind, zu verwenden und damit die Schlitze, Bohrungen bzw. Fugen zu verschließen. Ein solcher Verschluß wird durch dos flüssige Metall nicht benetzt. Das flüssige Metall tritt also nicht in die Schlitze ein und gerät nicht in Kontakt mit der unter dem VerschluSrnaieria! liegenden Keramikschicht.

Auf diese Weise erhält man einen vollständigen Schutz der Pumpe, unabhängig von der gewählten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Mit so behandelten Blöcken konnten für die verschiedenen oben beschriebenen Arten des erfindungsgemäßen Verfahrens Wiederholungsversuche durchgeführt werden, bei denen es ohne diese Oberflächenstruktur zu einer den gesamten Block überziehenden Rißbildung gekommen wäre. Ein erfindungsgemäß bearbeiteter Keramikblock wurde dabei plötzlich in geschmolzenes Aluminium getaucht und dort 60 Minuten gelassen, anschließend schlagartig wieder aus dem Aluminium "~erausgczogcn und während 60 Minuten in einem Luftstrom gekühlt. Dieser Vorgang wurde fünfzigmal wiederholt, ohne daß die geringste Veränderung in der Struktur des Keramikblocks aufgetreten wäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprache:

1. Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen Oberfläche eines geringe Wärmeleitfähigkeit s aufweisenden Materials wie Keramik, die wiederholt in ein sehr heißes korrosives Medium wie schmelzflüssiges Aluminium getaucht wird und deshalb wiederholten Wärmeschocks ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Materials durch Fugen unterteilt wird und diese Fugen dann mit einem besser als die Keramik zusammendrückbaren und für das Medium undurchlässigen Material gefüllt werden, wobei dieses Füllmaterial aus sehr feinen und dicht gepackten hitzebeständigen Fasern gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Material ein Netz von Schützen (17) eingebracht wird, die mit einem zusammenpreßbaren, für «as Medium undurchlässigen Material angefüiit sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (61) an seinem Ende in eine abgerundete Bohrung (60) ausläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kleine Platten, dir praktisch die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie das Keramikmaterial, jedoch von geringerer Dichte, die durch Fugen voneinander getrennt werden, mit einem zusammenpreßbaren für das Metall undurchlässigen Material angefüllt, .sind, auf die Oberfläche des Materials aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ?h Verbindung der kleinen Platten mit dem Keramikmaterial mit Hilfe as einer pastenartigen Substanz aus einer Mischung aus hitzebeständigen Fasern sowie einem anorganischen und einem keramischen Bindemittel hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zusammenpreßbares für das flüssige Metall undurchlässiges Material dicht gepackte Tonerdefasern bzw. eine Mischung aus feinen Tonerdefasern und feinen Siliziumdioxidfasern verwendet wird.

7. Material mit hitzebeständiger Oberfläche geringer Wärmeleitfähigkeit wie Keramik, das geeignet ■st, wiederholt in sehr heißes korrosives Medium wie schmelzflüssiges Aluminium getaucht zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß es von seiner Oberfläche so aus durch Fugen unterteilt ist, die mit einem besser als die Keramik zusammendrückbaren und für das Medium undurchlässigen Material aus sehr feinen und dicht gepackten hitzebeständigen Fasern gefüllt ist.

8. Material nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch von seiner Oberfläche ausgehende Schlitze (17; 53; 61), die achsparallel oder radial zu dem Material verlaufen.

9. Material nach Anspruchs, dadurch gekenn- t>o zeichnet, daß die Schlitze (53; 61) an ihrem Ende in eine abgerundete Bohrung (60) bzw. (51) auslaufen.

10. Material nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch von Fugen getrennte kleine Platten (31) auf dem Material praktisch der gleichen Zusammenset- es zung wie das hitzebeständige Material, jedoch von geringerer Dichte, wobei die Fugen (41,42) mit dem zusammenpreßbaren Material gefüllt sind.

11. Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Platten (31, 32) mit dem Keramikmaterial durch eine pastenartige Substanz verbunden sind, die aus einer Mischung hitzebeständiger Fasern mit einem anorganischen und einem keramischen Bindemittel besteht

12. Material nach einem der Ansprüche? bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammendrückbare undurchlässige Material in den Fugen aus feinen dicht gepackten hitzebeständigen Fasern besteht.

13. Material nach einem der Ansprüche 7 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß in dem Klebemittel, mit dem die Platten (31; 32) angeklebt sind und in dem Füllmaterial für die Fugen (41; 42) Tonerde- und Siliziumdioxidfasern enthalten sind.

14. Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche? bis 13 als Schutz der Seitenfläche eines rotationszylindrischen Blocks.

15. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, ais Schutz der Unterseite eines roiationszyiindrischen Blocks.