DE3133209A1 - "mehrschichtige wand eines hohlen koerpers und verfahren zur herstellung derselben" - Google Patents

"mehrschichtige wand eines hohlen koerpers und verfahren zur herstellung derselben"

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Description

-4-wo/si
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÖNCHEN GMBH
München, den 21. August 1981
Mehrschichtige Wand eines hohlen Körpers und Verfahren zur Herstellung derselben
Dje Erfindung bezieht sich auf eine mehrschichtige Wand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zur Herstellung der
erfindungsgemäßen mehrschichtigen Wand. 20
Aufgabe der Erfindung ist es, eine anfangs genannte mehrschichtige Wand zu schaffen, die thermisch und mechanisch hoch belastbar und, wenn erwünscht, gut wärmeisolierend ist. 25
Zur Lösunq dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß die mehrschichtige Hohlkörperwand wie im Kennzeichen des Anspruchs Γ angegeben aufgebaut ist.
Die dort genannte keramische Innenschicht bzw. deren keramischer Werkstoff ist also von der Art, daß sie bzw. er große Temperaturen und/oder großen Verschleiß bzw. große Reibung ertragen kann. Die dort genannte
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Halteschicht bzw. deren faserverstärkter Werkstoff ist von der Art, daß sie bzw. er der Wand große Festigkeit oder Festigkeiten anderer Art als die Verschleißfestigkeit verleiht, insbesondere große Zugfestigkeit, vorzugsweise zur Aufnahme eines Drucks eines im Innenraum des hohlen Körpers befindlichen Fluids. Die betreffenden Zugkräfte (sie weisen beim hohlen Umdrehungskörper in Umfangsrichtung) werden von Verstärkungsfasern dieser Halteschicht aufgenommen, die dann durch diese Zugkräfte unter Faserlängszugspannung stehen. Solche Verstärkungsfasern sind insbesondere Umfangsfasern, d.h. in Umfangsrichtung gewickelte bzw. verlaufende Verstärkungsfasern. Auch schräg zur Umfangsrichtung verlaufende, sich kreuzende Verstärkungsfasern können vorgesehen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die keramische Innenschichydurch diese Halteschicht unter Druckvorspannung (die betreffenden Druckkräfte weisen beim hohlen Umdrehungskörper in Umfangsrichtung) zu setzen, so daß wesentlich höhere Innendrücke ertragen werden als bei einem hohlen Körper, dessen Wand nur aus keramischem Werkstoff besteht. Die keramische Innenschicht ist dann also bei Innendruck nicht zu sehr auf Zug belastet, was sie evtl. nicht aushalten würde. Die genannte Druckvorspannung kann auch so groß gemacht werden, daß die keramische Innenschicht bei
** kleineren Innendrücken nur unter Druckspannung steht; Druckspannung kann sie besser ertragen als Zugspannung. Ferner kann diese Halteschicht einen hohen Elastizitätsmodul, eine äußerst geringe Wärmedehnung und eine relativ große Temperaturbeständigkeit aufweisen. Ist es erwünscht, daD die Wand wärmeisoliercnd ist, ist die genannte Iso-1 ierkoratili k-Zwisc-henschi ent zwischen den beiden anderen
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' genannten Schichten vorgesehen. Durch diese Zwischenschicht kann die Wärmeleitung nach außen vermindert v/erden und somit die Warme innen gehalten und auch, eine überhitzung der Halteschicht und eine Abnahme der Festigkeit der Halteschicht verhindert werden. Dank dieser Zwischenschicht laßt sich die Wand bei thermischer Belastung mit geringer Kühlleistung auf einer für den Werkstoff der Halte schicht erträglichen Temperatur halten. Die Wand ist insbesondere oder meistens mit dieser Zwischenschicht versehen. Diese Zwischenschicht kann aber auch entfallen, wenn sie nicht gewünscht wird oder nicht notwendig ist, z.B. die Temperatur im genannten Innenraum relativ klein ist. Die Halteschicht ist im allgemeinen die äußerste Schicht der Hohl kö'rperwand.
nie genannten insgesamt zwei oder drei Schichten liegen im allgemeinen aneinander. Es kann bzw. können aber-in manchen Fällen aus irgendeinem Grund oder irgendwelchen Gründen eine oder mehrere weitere Schichten und/oder Zwischenschichten aus passendem Werkstoff bzw. passenden Werkstoffen vorgesehen sein.
Ausbildungen und Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Wand sind insbesondere in den Unteransprüchen 2
bis 6 aufgeführt.
25
Für den Anspruch ? gilt ebenfalls all das, was über dio Wand bzw. ihre zwei oder drei Schichten ira Anschluß an die Angabe der'Erfindung, d.h. an den diesbezüglichen Hinweis auf das Kennzeichen des Anspruchs I5
ausführlich ausgeführt ist, nur daß jetzt die metallische Halteschicht bzw. deren Metall von der Art ist, daß sie bzw. das Metall nun der Wand große Festigkeit oder Festigkeiten anderer Art als die Verschleißfestigkeit verleiht, insbesondere große Zugfestigkeit, und nur
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daß jetzt die genannten Zugkräfte von dieser metallischen Halteschicht aufgenommen werden können und die keramische Innenschicht durch diese metallische Halteschicht unter eine genannte Druckvorspannung gesetzt werden kann. Ferner sind bei der Halteschicht aus Metall die Festigkeit, z.B. die Zugfestigkeit, der Elastizitätsmodul und die Temperaturbeständigkeit öfter kleiner und ist dort die Wärmedehnung öfter größer als bei faserverstärkten Werkstoffen, was auch für hochwarmfesten Stahl als bevorzugtes Halteschicht-Metall - siehe den Anspruch 4 - gelten kann. Insbesondere wegen dieser öfter kleineren Temperaturbeständigkeit und größeren Wärmedehnung ist gemäß dem Anspruch 2 die Isolierkeramik-Zwischenschicht vorgesehen. Die im Anspruch 3 genannten keramischen Werkstoffe der keramischen Innenschicht weisen hohe Temperaturfestigkeit und hohe Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit auf, und siehe den Anspruch 5 - kohlenstoffaserverstärkter Graphit, für die Halteschicht, weist große Zugfestigkeit auf. Die im Anspruch 6 angegebenen Werkstoffe für die Zwischenschicht sind gut wärmeisolierend. Der faserverstärkte Werkstoff (Einbettungswerkstoff, Matrix) der Halteschicht ist insbesondere organischer Werkstoff oder Metall.
Die keramische Innenschicht kann insbesondere dadurch unter eine genannte Druckvorspannung gesetzt werden, daß gemäß dem Anspruch 7 vorgegangen wird. Z.B. werden also die drei Schichten als feste Hohlkörper hergestellt und der Zwischenschicht-Hohlkörper auf den Innenschicht-Hohlkörper und der Halteschicht-Hohlkörper auf den Zwischenschicht-Hohlkörper aufgeschrumpft. Dieses Verfahren ist z.B. zur Herstellung des Rohrs (siehe den Oberbegriff des Anspruchs 1) geeignet. Das Verfahren ist relativ einfach durchzuführen.
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Insbesondere bei einem komplizierter geformten hohlen Körper, aber auch z.B. bei einem Rohr, kann bezüglich der Isolierkeramik-Zwischenschicht und der Halteschicht aus Metall wie in den Ansprüchen 8 und 10 angegeben vorgegangen werden. Das im Anspruch 8 genannte Aufbringen der Pulverschichten bzw. -schicht geschieht insbesondere wie im Anspruch 9 angegeben. Durch Aufsintern des Metalls (Anspruch 8), insbesondere des hochwarmfesten Stahls, auf die Isolierkeramik-Zwischenschicht ergibt sich von selbst eine genannte Druckvorspannung der keramischen Innenschicht, da bei der Abkühlung nach dem Sintern die Schrumpfung des Metalls größer ist als die Schrumpfung der keramischen Innenschicht bzw. des keramischen Innenteils.
Die Erfindung wird insbesondere bei einer Dieselmotor-Vorbrenn kammer, einer Verbrennungsmotor-Zylinderlaufbuchse, einem heiögasberührten Gehäuse oder Gehäuseteil, einem Wälzlagerring und einem Gleitlager, z.B. bei
Lagerschalen desselben, als genanntem hohlem Körper angewendet. Diese Einrichtungen bzw. Teile sind thermisch und mechanisch (insbesondere durch genannten Innendruck und/ oder Reibung) erheblich belastet. Ferner ist bei ihnen meist eine gute Wärmeisolation erwünscht, insbesondere
bei der genannten Vorbrennkammer und der genannten Zylinderlaufbuchse zur Kleinhaltung der Verluste des Motors.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Wand bei einer Vorbrennkammer und einer Zylinderlaufbuchse eines Dieselmotors in einem Längsschnitt dargestellt.
Die Vorbrennkammer 22 und die Zylinderlaufbuchse 23 sind hohle Umdrehungskörper. Die Vorbrennkammer 22 befindet
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sich in einer Bohrung eines Zylinderkopfs 13 aus Stahl. Sie bzw. ihre Wand besteht aus einer wärmefesten, keramischen Innenschicht 10 aus Siliziumkarbid (SiC), einer Isolierkeramik-Schicht 11 aus Magnesiumaluminiumsilikat (MAS) und einer Halteschicht 12 aus kohlenstoffaserverstärktem Graphit. Die keramische Innenschicht 10 verläuft, zur Zylinderlaufbuchse 23 hin gesehen, so, daß der Innenraum der Vorbrennkammer 22 sich zuerst kegel stumpfförmig verengt, anschließend, zur Bildung eines bauchigen Brennraums 19,sich kegel stumpfförmig erweitert und dann beckenartig zusammenzieht, um daran anschließend zylindrisch zu verlaufen. Die Halteschicht 12 bzw. also die Vorbrennkammer 22 ist außen längs den beiden Kegel stumpfen zylindrisch, um sich dann ebenfalls beckenartig zusammenzuziehen und dann zylindrisch zu verlaufen. Die genannte Zylinderkopfbohrung hat die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Die Vorbrennkammer 22 ist, damit die Halteschicht 12 aufgebracht werden kann, aus drei axial aufeinanderfolgenden Teilen zusammengesetzt, wobei die Teilebenen beim Zusammenstoß der beiden Kegel stumpfe und beim großen Beckendurchmesser liegen. Jeweils wird die keramische Innenschicht 10 als festes Teil hergestellt, die Isolierkeramik- ^ Zwischenschicht 11 durch Aufbringen einer Schicht sinterfähigen Isolierkeramikpulvers aus Magnesiumaluminiumsilikat (MAS) auf den keramischen Innenkörper 10 durch isostatisches Pressen oder durch Umspritzen (Spritzguß) und Sintern dieser Pulverschicht hergestellt und die Halte-
schicht 12 als festes Teil hergestellt und auf die Isolierkeramik-Zwischenschicht 11 aufgeschrumpft.
Ein Einsatzstück 14 drückt die drei Vorbrennkammer-Teile in der Zylinderkopfbohrung mittels nicht dargestellter,
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' das Einsatzstück 14 mit dem Zylinderkopf 13 verbindender, achsparalleler Schrauben gegeneinander und gegen das Becken des Zylinderkopfs 13. Der Ausströmzylinder der Vorbrennkammer 22 ragt etwas in den Brennraum 20 des Motorzylinders hinein, weist dort auf dem Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete, etwa radiale Ausströmkanäle 15 auf und geht mit seinen drei Schichten 10 bis 12 in eine also ebenfalls dreischichtige, ihn abschließende Stirnwand über.
Die Zylinderlaufbuchse 23 ist ein Hohlzylinderkörper und sitzt in einem Motorblock 21, mit dem, was nicht dargestellt ist, der Zylinderkopf 13 verschraubt ist. Die Zylinderlaufbuchse 23 bzw. ihre Wand besteht aus einer wärme- und verschleiß- bzw. abriebfesten, keramischen Innenschicht
16 aus Siliziumkarbid (SiC)4 einer Isolierkeramik-Schicht
17 aus Aluminiumtitanat (AlTiO3) und einer Halteschicht 1.8 aus hochwarmfesten Stahl. Die Schichten 16 und 17 werden einzeln als feste Teile hergestellt, und das Teil 17 wird auf das Teil 16 aufgeschrumpft. Die Halteschicht 18
wird dann durch Aufbringen eines sinterfähigen Pulvers aus hochwarmfesten Stahl auf das Teil 17 durch isostatischen Pressen oder durch Umspritzen (Spritzguß) und Sintern dieser Pulverschicht hergestellt.
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Claims (1)

  1. wo/si
    MTU 'MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH
    München, den 21. August 1981
    Patentansprüche
    1. Mehrschichtige Wand eines hohlen Körpers, insbesondere Umdrehungskörpers, z.B. eines Rohrs oder Ge- häuses, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wand auf
    der Belastungsseite, d.h. innen, eine wärme- und/oder verschleißfeste, keramische Innenschicht (10) und eine diese Innenschicht (10) umgebende Halteschicht (12) aus faserverstärktem Werkstoff aufweistfund
    iyi gegebenenfalls eine Zwischenschicht (11) aus wärmeisolierendem, keramischem Werkstoff zwischen diesen Schichten (10,12). )
    2. Mehrschichtige Hohlkörperwand nach Anspruch 1, dadurch
    gekennzeichnet, daß die die genannte keramische Innenschicht (16) umgebende Halteschicht (18) aus Metall anstelle' von faserverstärktem Werkstoff besteht und zwischen diesen Schichten (16,18) die genannte Iso-1ierkeramik-Zwischenschicht (17) vorgesehen ist.
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    ■ ■ · ·
    -2-
    3. Mehrschichtige Hohlkörperwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der ge- u nannten keramischen Innenschicht (10,16) Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumnitrid (Si3N^) ist.
    4. Mehrschichtige Hohlkörperwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall hochwarmfester ^ Stahl ist.
    5. Mehrschichtige Hohlkörperwand nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Werkstoff kohlenstoffaserverstärkter Graphit ist.
    6. Mehrschichtige Hohlkörperwand nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierende, keramische Werkstoff Lithiumaluminiumsilikat (LAS), Magnesiumaluminiumsilikat (MAS), Aluminiumtitanat (AlTiO3) oder pyrolytisches
    Bornitrid (BN) ist.
    20
    7. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Wand
    nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch / gekennzeichnet, daß zumindest die genannte Halteschicht (12,17) auf die nächste Schicht (11,16) auf- *** geschrumpft wird.
    8. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Wand nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkeramik-Zwischenschicht
    (11) durch Aufbringen einer Schicht sinterfähigen Isolierkeramikpulvers und Sintern derselben und/oder die Halteschicht (18) aus Metall durch Aufbringen einer Schicht sinterfähigen Metallpulvers und Sintern dieser Schicht hergestellt werden bzw. wird.
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    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverschicht durch isostatisches Pressen oder durch Umspritzen (Spritzguß) aufgebracht wird.
    10. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Wand nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkeramik-Zwischenschicht wie im Anspruch 8 angegeben und die Halteschicht aus Metall durch Umgießen mit dem Metall in einer Gußform hergestellt werden.
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