DE29708881U1 - Imprägnierte Keramiksteigleitung - Google Patents

Imprägnierte Keramiksteigleitung

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Description

BLASCH PRECISION CERAMICS INC. 70 818 r4/p7/bn
Imprägnierte Keramiksteigleitung Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine imprägnierte Keramiksteigleitung. Derartige Steigleitungen werden in Niedrigdruckformgießverfahren von geschmolzenem Metall verwendet.
Darstellung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein Substrat aus poröser Keramikleitung ausgebildet oder erhalten, woraufhin eine Behandlung mit einem speziell entwickelten Imprägnierverfahren folgt, um eine neuartige Keramxksteigleitung bereitzustellen, die nahezu gasundurchlässig ist. Diese Leitung wird als Anguß in Niedrigdruck-Formgießvorrichtungen zum Gießen von Aluminium und anderen Metallkomponenten verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Keramiksteigleitung ein besserer Isolierer (niedrige Wärmeleitfähigkeit) als eine metallische Steigleitung, so daß das geschmolzene Metall innerhalb der Keramikleitung heißer bleibt, was zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit von "Zufrieren" (Aushärtung des Metalls) in der Leitung führt und eine Trockenlegung durch Rückfluß des geschmolzenen Metalls aus der Leitung zurück in die Ofenschmelze ermöglicht. Die geringeren Kosten einer imprägnierten Keramiksteigleitung sind im Vergleich zu
kostenintensiverem Siliziumnitrid, SiAlON, und Aluminiumtitanat-Keramiksteigleitungen, sowie zu nichtreaktiven, hochtemperaturbeständigen Steigleitungen aus Metallegierungen ein Vorteil.
Die poröse Keramiksubstratleitung kann aus einer Vielzahl von keramischen Zusammensetzungen hergestellt sein, umfassend aber nicht beschränkt auf: Aluminiumoxide, Mullit, Cordierit, Siliziumcarbid, Siliziumoxide, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxide, Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Spinell, Aluminiumitantat, Zirkon, Zirkonoxide, Tone und jegliche Kombinationen hiervon.
Die letztendliche Leitungsstruktur weist in Luft bei Raumtemperatur eine wesentlich reduzierte Oberflächenporösitat auf und bei Anwendungstemperatur von 700 - 82O0C (1300 - 15000F) keine miteinander verbundene Poren auf der Oberfläche. Die Imprägnierung kann bei Keramikwerkstoffen verwendet werden, die durch Gefriergießen geformt werden oder bei jeglichen anderen Keramikwerkstoffen, solange die Porengröße des Substrats größer als die Partikelgrößen der Feststoffe in den anorganischen kolloidalen Solen oder anorganischen Partikelsuspensionen als Imprägnierstoff sind. Da diese Imprägnierung mit einer
Vielzahl von verschiedenen Keramiksubstratwerkstoffen verwendet werden kann, weisen die fertig imprägnierten Keramikleitungen die spezifischen keramischen Werkstoffeigenschaften auf, die für die Anwendung und den Endbenutzer wünschenswert sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine geschnittene Ansicht einer Niedrigdruckf&ogr;rmgießvorrichtung;
".· !«s · LO · &Mgr; :■
Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht, die die Kontur einer erfindungsgemäßen Steigleitung zeigt; -
Fig. 3 illustriert eine Vorrichtung zum Imprägnieren einer porösen Steigleitung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 illustriert eine teilweise geschnittene Ansicht, die den relativen Imprägnierungsgrad gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsformen
Für jede der hergestellten Leitungen wurde einer einzelnen Verfahrensweise gefolgt. Zuerst wurde ein Substrat einer Keramiksteigleitung unter Benutzung des Verfahrens des US-Patents 4,246,209 bearbeitet. Nach dem Formen wurde jede Leitung bei einer Temperatur von ungefähr 930C (2000F) für ungefähr 4 bis 8 Stunden getrocknet, obwohl diese spezifische Trockentemperatur und -Zeitaufteilung nicht kritisch ist. Im folgenden wurde jede Leitung auf die Temperatur gebrannt, die für diesen spezifischen Keramikwerkstoff vorgeschrieben ist. Anzumerken ist, daß die Porengrößenverteilung der verschiedenen gebrannten Keramikleitungssubstraten ungefähr die gleiche war, ebenso wie das Erscheinungsbild der Oberfläche der Leitungen. Jede der ausgebildeten Keramiksubstratleitungen wies eine nominelle mittlere Porengröße von ungefähr 127 pm (5 Micron) auf. Es sollte angemerkt werden, daß, um Leitungen herzustellen, die gegenüber einer Reaktion mit geschmolzenem Aluminium resistent sind, ein Nichtbenetzungsmittel (wie dem Fachmann bekannt, z.B. frei erhältliches Bariumsulfat) als Teil des
Rohmaterialloses der Keramikleitungssubstrate vor dem Formen eingeschlossen wurde.
Nach dem Formen und Brennen der Keramiksubstratleitungen wurde jede Keramikleitung 10 in ein Bad eines Imprägniermediums 30 in einer luftdichten Druckkammer 20, wie in Fig. 3 gezeigt, eingetaucht. Nach dem Dichten der Kammer 20 wurde die Kammer 20 durch Beaufschlagen mit einem Vakuum durch den Vakuumanschluß 21 evakuiert. Das Vakuum wurde derart beaufschlagt, daß so viel Luft wie möglich aus dem Porennetzwerk der Substrate evakuiert wurde. Bei ausreichender Evakuierung wurde die Flüssigkeit (und das Substrat) für einen bestimmten Zeitabschnitt mit Druckluft durch den Druckanschluß 22 beaufschlagt, um das Imprägniermedium (Flüssigkeit und Feststoff) in die Poren des Substrates zu zwingen. Die feucht imprägnierte Leitung wurde aus der Kammer entfernt, bei Raumtemperatur luftgetrocknet und wiederum gebrannt, wie vorher vorgeschrieben.
Obwohl keine SEM-Analyse vorgenommen wurde, um eine präzise Illustration bereitzustellen, ist man der Überzeugung, daß die letztendliche Struktur der imprägnierten Leitung mit dem in Fig. 4 dargestellten Teilschnitt übereinstimmt. Wie gezeigt, besteht die Steigleitung 10 aus KeramikPaartikeln von verschiedenen Größen. Die Partikel sind dreidimensional miteinander verbunden und definieren eine dreidimensionale poröse Struktur. Die äußeren Poren 12 sind durch Keramikimprägniermaterial 13 verstopft oder im wesentlichen gedichtet, das durch das Brennen des Imprägniermediums 30 bereitgestellt wird. Es wird geschätzt, daß das Keramikimprägniermaterial in einer Größenordnung von 0,1 bis 1,0 mm tief in die Leitung 10 eindringt. Die vorliegende Erfindung sieht daher eine im wesentlichen undurchlässige
Steigleitung vor, die eine Innen-Außendruckdifferenz über einen Minimalzeitabschnitt, wie im folgenden beschrieben, unterstützen kann.
Die imprägnierte Leitung wurde dann bei Raumtemperatur einem Druckabfalltest unterzogen, um den Grad der Gasundurchlässigkeit zu bestimmen. In dem Test wird die Leitung an beiden Enden gedichtet (unter Benutzung einer Klemmvorrichtung und Gummidichtungen), wobei ein Lufteinlaßanschluß an einem dieser Enden derart installiert ist, daß eine Luftleitung an ihm angeschlossen werden kann. Luft, die auf Niedrigdruck gesteuert ist, wird in die gedichtete Leitung derartig durch den Luftanschluß gepumpt, daß die Leitung unter 41,37 kPa (6 psi) druck steht. Nach dieser Beaufschlagung mit 41,37 kPa (6 psi), wird der Lufteinlaß zu der gedichteten Leitung abgeschaltet und der Druck kann auf 20,69 kPa (3 psi) abfallen. Die Zeit dieser Druckverringerung (von 41,37 kPa (6 psi) auf 20,69 kPa (3 psi)) bestimmt die Akzeptierbarkeit der Leitung. Aufbauend auf Eingangsdaten von einem Endbenutzer der Steigleitungen (z.B. einer Niedrigdruck-Aluminiumformgießerei) mit Bezug auf eine bestimmte Steigleitungskonstruktion, wurde eine Minimalzeit in Sekunden für das Stattfinden dieser Druckreduktion bestimmt (die für jede Werkstoffzusammensetzung und Steigleitungskonfiguration variiert). Dies wurde gemacht, um ein Mittel bereitzustellen, um zu bestimmen, ob die Leitung erfolgreich in der Anwendung funktionieren würde. Leitungen, die länger als die spezifizierte Minimalzeit brauchen, um von 41,37 kPa (6 psi) auf 20,69 kPa (3 psi) Luftdruck zu fallen, wurden als besser angesehen (weniger gasdurchlässig), als diese, die weniger als die vorbestimmte Minimalzeit brauchten (eher gasdurchlässig).
Weiterhin wurde wegen des Porennetzwerkes der Substrate, das unter Benutzung des vorliegenden Verfahrens gebildet wird, ein bestimmtes Imprägniermedium benutzt. Ein kolloidales Siliziumsol, eine wässrige Lösung mit ungefähr 30%iger Konzentration von Siliziumpartikeln mit 7 Nanometern nominaler Durchschnittsgröße wurde benutzt. Das gefriergegossene Keramikleitungssubstrat konnte leicht Partikel dieser Größe in die Poren von nomineller Durchschnittsgröße von 127 um (5 Micron) aufnehmen.
Es wurde festgestellt, daß, obwohl dem Stand der Technik entsprechende schmelzverbundene Siliziumsteigleitungen mit geschmolzenem Aluminium reagierten, die hier beschriebenen Ausführungsformen dies nicht zu tun schienen. Die Struktur des Porennetzwerkes des Substrates in Verbindung mit dem Nichtbenetzungsmittel schienen das sonst reaktive Silizium vor dem geschmolzenen Aluminium zu schützen. Während die in den Beispielen dieser Erfindung benutzten Keramiksubstratleitungen durch das Gefriergießverfahren gebildet wurden, würden auch poröse Keramiksubstrate, die durch andere Verfahren gebildet und aus anderen Zusammensetzungen als die hierin genannten hergestellt sind, ebenfalls zufriedenstellende Leistung erbringen. Während in dem vorliegenden Fall ein anorganisches kolloidales Siliziumsol benutzt wurde, werden zusätzlich andere Arten von anorganischen kolloidalen Solen und anorganischen Partikellösungen in der vorliegenden Erfindung ebenfalls zufriedenstellend funktionieren. Bei der vorliegenden Erfindung ist es jedoch insbesondere wichtig, daß die Festkörper in dem kolloidalen Sol der Partikellösung eine durchschnittliche Partikelgröße aufweisen, die geringer ist als die durchschnittliche Porengröße des Keramiksubstrats.
Beispiel 1 - Imprägnierung von einer Leitung aus
Keramiksubstrat aus einem Aluminiumoxid/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff
Ein Keramikleitungssubstrat wurde unter Benutzung des Gefriergießverfahrens des US-Patents 4,246,209 geformt und dann gebrannt. Die Zusammensetzung des Keramikleitungssubstrats dieses Beispiels war nominell wie folgt:
82% Aluminiumoxid
9% Siliziumkarbid
4% Siliziumoxid
5% Aluminium-Nichtbenetzungsmittel und Spuren von anderen Elementen
Die ungefähren Außenabmessungen dieser gebildeten Leitung waren 19,8 cm (7,8") lang &khgr; 8,4 cm (3,3") Außendurchmesser (mit einer Wanddicke zwischen 1,27 cm (0,5 ") und 2,54 cm (1") entlang der Länge der Leitung). Das Keramikleitungssubstrat wurde in ein Bad von kolloidalem Siliziumsol eingetaucht und auf 846,5 kPa (25" Quecksilbersäule) für einen Zeitraum von 5 Minuten evakuiert. Nach Abschalten der Evakuierung wurde für einen Zeitraum von 5 Minuten unter Benutzung von Druckluft Druck in einer Höhe von 10342,5 kPa (150 psi) beaufschlagt. Nach Abschalten des Druckes und Belüften der Kammer wurde die Steigleitung entfernt, konnte bei Raumtemperatur für 16 Stunden oder langer lufttrocknen und wurde dann auf die gewöhnliche, vorgeschriebene Temperatur von 10000C (1832°F) bei einer Haltezeit von 1 Stunde gebrannt. Der Querschnitt einer gebrannten, geschnittenen, imprägnierten Keramiksteigleitung zeigte mikroskopisch, daß das Imprägniermittel die Poren des Keramiksubstrates durchdrang und verstopfte.
Das Keramikleitungssubstrat wies vor der Imprägnierung eine offensichtliche Porösität von 15 - 20% auf, was ein Faktor bei dem Ermöglichen des Stattfindens der Imprägnierung war. Vor Imprägnierung wies das Keramiksubstrat bei Raumtemperatur eine Biegefestigkeit (3-Punkt Bruchversuch) von nominell 29,6485 &khgr; 106 N/m2 (4300 psi) auf und dies war durch die Imprägnierung nahezu nicht beeinflußt. Das Gewicht eines nicht imprägnierten, gebrannten Leitungssubstrats war 3096,12 g und, nach Imprägnierung, Trocknen und erneutem Brennen stieg es auf 3173,41 g {+ 77,29 g): eine Gewichtszunahme von 2,50%. Nach DruckParüfen dieser imprägnierten Steigleitung wurden 13,3 Sekunden Zeit benötigt, um die Leitung von 41,37 kPa (6 psi) auf 20,69 kPa (3 psi) Druck zu entspannen, wodurch akzeptable Ergebnisse bereitgestellt wurden. Das Wiederholen der Imprägnierung, des Trocknens und der Brennwiederholungs-Schritte ein zweitesmal ergab weiteres Ansteigen der Gewichtszunahme und der Druckverlustzeit. Andere imprägnierte Leitungen wurden danach auf die gleiche Art weiterverarbeitet, mit derselben Zusammensetzung, etc., und die Druckprüfungsentspannzeiten bewegten sich zwischen und 15 Sekunden: basierend auf der 8 Sekunden Minimalzeit, die durch einen Endbenutzer in der AluminiumformgußIndustrie bestimmt wurden, waren alle akzeptabel.
Beispiel 2 - Imprägnierung von einer Leitung aus Keramiksubstrat aus einem Aluminiumoxid/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff
Ein Keramikleitungssubstrat wurde unter Benutzung des Gefriergießverfahrens des US-Patents 4,246,209 geformt und dann gebrannt. Die Zusammensetzung des Keramikleitungssubstrats dieses Beispiels war nominell wie folgt:
82% Aluminiumoxid
9% Siliziumkarbid
4% Siliziumoxid
5% Aluminium-Nichtbenetzungsmittel und Spuren von anderen Elementen
Die ungefähren Außenabmessungen dieser gebildeten Leitung waren 19,8 cm (7,8") lang &khgr; 8,4 cm (3,3") Außendurchmesser (mit einer Wanddicke zwischen 1,27 cm (0,5 ") und 2,54 cm (1") entlang der Länge der Leitung). Das Keramikleitungssubstrat wurde in ein Bad von kolloidaler Siliziumsol eingetaucht und auf 677,2 kPa (20" Quecksilbersäule) für einen Zeitraum von 20 Minuten evakuiert. Nach Abschalten der Evakuierung wurde für einen Zeitraum von 20 Minuten unter Benutzung von Druckluft Druck in einer Höhe von 6895 kPa (100 psi) beaufschlagt. Nach Abschalten des Druckes und Belüften der Kammer wurde die Steigleitung entfernt, konnte bei Raumtemperatur für 16 Stunden oder länger lufttrocknen und wurde dann auf die gewöhnliche, vorgeschriebene Temperatur von 10000C (18320F) bei einer Haltezeit von 1 Stunde gebrannt. Der Querschnitt einer gebrannten, geschnittenen, imprägnierten Keramiksteigleitung zeigte mikroskopisch, daß das Imprägniermittel die Poren des Keramiksubstrates durchdrang und verstopfte. Das Keramikleitungssubstrat wies vor der Imprägnierung eine offensichtliche Porösität von 15 - 2 0% auf, was ein Faktor bei dem Ermöglichen des Stattfindens der Imprägnierung war. Vor Imprägnierung wies das Keramiksubstrat bei Raumtemperatur eine Biegefestigkeit (3-Punkt Bruchversuch) von nominell 29,6485 &khgr; 106 N/m2 (4300 psi) auf und dies war durch die Imprägnierung nahezu nicht beeinflußt.
Die folgenden Daten wurden anhand von fünf Proben gemessen, die in Übereinstimmung mit dem oben diskutierten Verfahren des Beispiels 2 hergestellt wurden.
Nicht imprägnierte
Leitung		 Imprägnierte
Leitung
Durchschnittlicher
Druckabfall
(Standardabweichg.)		 5,75 s (0,23) 1,38 s (1,01)
Durchschnittliches
Gewicht
(Standardabweichg.)		 3069,7 g (10,54) 3152,28 g (9,80)
Wie oben gezeigt, stieg die Druckabfallzeit wesentlich an, wesentlich über das 8 Sekunden-Minimum, das durch den Endbenutzer dieser besonderen Proben festgesetzt wurde. Zusätzlich nahmen die Proben um ungefähr 2,7% an Gewicht zu.
Die Proben wurden dann ein zweites Mal unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben imprägniert. Es wurde festgestellt, daß die Proben ein durchschnittliches Gewicht von 3199 g (Standardabweichung 11,24) und einen durchschnittlichen Druckabfall von 19,75 s (Standardabweichung 1,15) aufwiesen. Demzufolge ist es ziemlich klar, daß zusätzliche Imprägnierungsschritte die Undurchlässigkeit weiter steigern können.
Beispiel 3 -
Imprägnierung von Keramiksubstratleitungen aus schmelzgeformtem Silizium
Ein Keramikleitungssubstrat wurde unter Benutzung der in US-Patent 2,246,209 beschriebenen Gefriergießtechnologie gebildet und gebrannt. Die Zusammensetzung des
Keramikleitungssubstrat in diesem Beispiel war nominell wie folgt:
86,5% Siliziumoxid
8,5% Aluminiumoxid
5% Aluminium-Nichtbenetzungsmittel und Spuren von anderen Komponenten
Die ungefähren Außenabmessungen dieser gebildeten Leitung waren 19,8 cm (7,8") lang &khgr; 8,4 cm (3,3") Außendurchmesser {mit einer Wanddicke zwischen 1,27 cm (0,5 ") und 2,54 cm (1") entlang der Länge der Leitung). Das Keramikleitungssubstrat wurde in ein Bad von kolloidalem Siliziumsol eingetaucht und auf 677,2 kPa (20" Quecksilbersäule) für einen Zeitraum von 20 Minuten evakuiert. Nach Abschalten der Evakuierung wurde für einen Zeitraum von 20 Minuten unter Benutzung von Druckluft Druck in einer Höhe von 6895 kPa (100 psi) beaufschlagt. Nach Abschalten des Druckes und Belüften der Kammer wurde die Steigeitung entfernt, konnte bei Raumtemperatur für 16 Stunden oder länger lufttrocknen und wurde dann auf die gewöhnliche, vorgeschriebene Temperatur von 10000C (1832°F) bei einer Haltezeit von 1 Stunde gebrannt. Der Querschnitt einer gebrannten, geschnittenen, imprägnierten Keramiksteigleitung zeigte mikroskopisch, daß das Imprägniermittel die Poren des Keramiksubstrates durchdrang und verstopfte.
Das Keramikleitungssubstrat wies vor der Imprägnierung eine offensichtliche Porosität von 24 - 28% auf, was ein Faktor bei dem Ermöglichen des Stattfindens der Imprägnierung war. Vor Imprägnierung wies das Keramiksubstrat bei Raumtemperatur eine Biegefestigkeit (3-Punkt Bruchversuch) von nominell
11,7215 · &Igr;&Ogr;6 N/m2 (1700 psi) auf und dies war durch die Imprägnierung nahezu nicht beeinflußt. Das Gewicht eines unimprägnierten, gebrannten Leitungssubstrats war 1870,64 g, und, nach Imprägnierung, Trocknen und erneutem Brennen, stieg es auf 1956,28 g (+ 85,64 g) an: eine Gewichtszunahme von 4,58%. Nach DruckParüfen der imprägnierten Steigleitung wurden 4,0 s Zeit benötigt, um die Leitung von 41,37 kPa (6 psi) auf 20,69 kPa (3 psi) zu entspannen und hierdurch akzeptable Ergebnisse bereitzustellen. Drei Sekunden waren als das Minimum für diese Zusammensetzung und Leitungskonfiguration festgelegt, basierend auf Spezifizierungen und Rückkopplungen von einem Endbenutzer solcher Steigleitungen.

Claims (5)

S chutzansprüche
1. Steigleitung zum Übertragen von geschmolzenem Metall, umfassend:
ein poröses Keramiksubstrat mit Poren, die Oberflächenporen einschließen, wobei das Substrat eine hohle, zylindrische Struktur aufweist; und
Keramikimprägnierwerkstoff, der in die Poren des Substrats eindringt und zumindest einen Teil der Oberflächenporen des Substrats verstopft und dadurch Gasundurchlässigkeit des Substrats verbessert.
2. Steigleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch Gefriergießen gebildet ist.
3. Steigleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikimprägnierwerkstoff durch das Imprägnieren des Substrates unter erhöhtem Druck mit einem Sol oder einer Aufschlämmung, die Keramikpartikel enthält und das Aufheizen des imprägnierten Substrats gebildet wird.
4. Steigleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße aufweisen, die kleiner als eine durchschnittliche Porengröße des Substrats ist.
5. Steigleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein dreidimensionales poröses Netzwerk aufweist.
DE29708881U 1997-05-09 1997-05-20 Imprägnierte Keramiksteigleitung Expired - Lifetime DE29708881U1 (de)

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