DE3419678C2

DE3419678C2 -

Info

Publication number: DE3419678C2
Application number: DE3419678A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Watanabe; Mitsuyoshi Kawamura; Noboru Nagoya Aichi Jp Ishida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DE3419678A1; JPS59217671A

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmeisolierendes Gebilde nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Aus der DE-OS 30 35 072 ist ein fester Elektrolyt aus Zirkoniumdioxid-Keramik bekannt, die aufgrund der Zugabe von Y₂O₃ hauptsächlich aus kubischen Kristallen und mono klinen Kristallen besteht. Die Korngrenze der monoklinen Kristalle und der tetragonalen Kristalle ist kleiner als ein jeweils angegebener Wert, um so eine Verbesserung des Festigkeitsabfalles im Temperaturbereich von 200°C bis 300°C im Laufe der Zeit zu erreichen.

Es ist bekannt, daß ein teilstabilisierter Zirkoniumdioxid- Sinterkörper in einen Werkstoff hoher Festigkeit und Zähig keit umgewandelt werden kann, wenn tetragonales Zirkoniumdioxid, welches die metastabile Phase bildet, im Sinterkörper erhalten bleibt. Ein derartiger Sinterkörper hat demzufolge in zunehmendem Maße Beachtung als Bauwerkstoff gefunden. Außerdem ist der teilstabilisierte Zirkoniumdioxid-Sinterkörper bezüglich der Wärmeisoliereigenschaften einem Silizium nitrid-Sinterkörper ähnlicher Festigkeit und Zähigkeit sowie einem Zirkoniumdioxid-Sinterkörper überlegen. Aus dem genannten Grund wurde verschiedentlich versucht, die Ver brennungsleistung einer Dieselbrennkraftmaschine durch Verwendung eines teilstabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinter körpers als Wärmeisoliermaterial bei der Herstellung des Dieselmaschinen-Brennraumes zu verbessern.

Es ist jedoch bekannt, daß bei einem in einem Tem peraturbereich von 200-300°C gehaltenen teilstabili sierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörper das Kristallgefüge des Zirkoniumdioxids von tetragonal in monoklin übergeht und daß dieser Phasenübergang zu einer Verringerung der Festig keit des teilstabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörpers führt. Dies wiederum hat eine Verminderung der Dauerhaftig keit bzw. Haltbarkeit des Sinterkörpers zur Folge.

Wenn der Inhalt eines Behälters auf eine vorgegebene Tem peratur erwärmt oder auf dieser gehalten wird, entsteht bekanntlich im allgemeinen eine Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Behälters; infolgedessen wirken auf die Innenwandseite des Behälters eine Druckspannung und auf die Außenwandseite des Behälters eine Zugspannung.

Als Ergebnis ausgedehnter Untersuchungen hat es sich heraus gestellt, daß dann, wenn die Wärmeisolierung so eingestellt ist, daß diejenigen Bereiche des Sinterkörpers, in denen die Temperatur in einem gefährlichen Bereich liegt (d. h. in einem Bereich, in welchem der genannte Phasenübergang auftreten kann), unter Druckspannung stehen, die auf die Außenwandseite einwirkende Zugspannung verringert ist und damit die Haltbarkeit des teilstabilisierten Zirkonium dioxid-Sinterkörpers verbessert wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wärme isolierendes Gebilde anzugeben, das in der Form eines Behälters hohe einwirkende mechanische Spannungen oder Verminderung seiner Festigkeit auszuhalten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einem wärmeisolierenden Gebilde nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merk male gelöst.

Es wird somit in den Bereichen des hohlen Behälters, in denen die Temperatur 200°C oder mehr beträgt, eine Umfangsspannung in Form einer Druck spannung im Bereich von 9,81 bis 3924 MPa vorgesehen. Wenn die Umfangsspannung eine Druckspannung von weniger als 9,81 MPa ist, ist die die Haltbarkeit oder Dauer haftigkeit verbessernde Wirkung gering. Bei einer Druckspannung von mehr als 3924 MPa neigt andererseits der teilstabilisierte Zirkoniumdioxid- Sinterkörper leicht zum Bruch, d. h. er hält eine der art hohe Druckspannung gewöhnlich nicht aus.

Für die Herstellung eines wärmeisolierenden Gebildes, bei dem die angegebene Umfangsspannung aus einer im angegebenen Bereich liegenden Druckspannung besteht, sollte die Form des wärmeisolierenden Gebildes ent sprechend der Temperatur, bei welcher es eingesetzt werden soll, bestimmt werden; wahlweise sollte die Temperatur, bei welcher das Gebilde eingesetzt werden soll, in Abhängigkeit von der Form des Gebildes be stimmt werden.

Die erforderlichen Bedingungen lassen sich allgemein auf der Grundlage der nachstehend angegebenen Gleichungen bestimmen.

Wenn der Behälter eine zylindrische Form besitzt, be stimmt sich die Druckspannung σ₂₀₀ in den Bereichen, in denen die Temperatur 200°C beträgt, nach:

Darin bedeuten:

a₁Innenradius des Zylinders (mm), b₁Außenradius des Zylinders (mm), T₁Innenwandtemperatur des Zylinders (°C), T₂Außenwandtemperattur des Zylinders (°C), E _pElastizitätskoeffizient des teilstabilisierten
Zirkoniumdioxid-Sinterkörpers (9,81 MPa), αKoeffizient der linearen Wärmeausdehnung des teilstabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörpers
(1/°C), ν _pPoisson'sches Verhältnis des teilstabilisierten
Zirkoniumdioxid-Sinterkörpers und r₁Mindestabstand (mm) von der Mittenachse des Zylinders zu einem Bereich, in welchem die Temperatur 200°C beträgt. log_e r ₁ (200·log_e(a₁/b₁)+T₁log_e b₁-T₂log_e a₁)/(T₁-T₂).

Wenn der Behälter die Form einer sphärischen oder Kugel schale besitzt, bestimmt sich die Umfangsspannung α _t zu:

In Gleichung (2) bestimmt sich T wie folgt:

T=T₃-(T₃-T₄)(1/a₂-1/r)/(1/a₂-1/b₂).

Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) er gibt sich:

Darin bedeuten:

a₂Innenradius der Schale (mm), b₂Außenradius der Schale (mm), T₃Innenwandtemperatur der Schale (°C), T₄Außenwandtemperatur der Schale (°C) und r₂Mindestabstand (mm) von der Mittenachse der Schale zu einem Bereich, in welchem die Temperatur 200°C beträgt.

Die in den Bereichen einer Temperatur von 200°C wirkende oder ausgeübte Umfangsspannung läßt sich somit durch Einsetzen von Gleichung (4) in folgende Gleichung er mitteln:

r=(T₁-T₂) {200(1a₂-1/b₂)-T₂/a₂+T₁/b₂}.

Obige Gleichung wird anhand von Gleichung (3) für T=200°C erhalten.

Da das erfindungsgemäße wärmeisolierende Gebilde aus einem Behälter besteht, mit dem sein Inhalt auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt oder auf dieser Temperatur gehalten werden soll, liegt die Umfangsspannung im Falle, daß sie (σ₂₀₀) mehr als 9,81 MPa beträgt, in den Bereichen, in denen die Temperatur mehr als 200°C beträgt, natürlich innerhalb des oben ange gebenen Bereichs, solange sie den oberen Grenzwert nicht überschreitet. Für die Erfindung kann somit jedes be liebige wärmeisolierende Gebilde verwendet werden, bei dem, bezogen auf Gleichung (1) oder (4), die Größen
a₁, b₁, a₂, b₂, T₁, T₂, T₃, T₄, E _p, α und ν _p
so bestimmt werden können, daß die in den Bereichen, in denen die Temperatur mehr als 200°C beträgt, einwirkende Umfangs spannung eine innerhalb des angegebenen Bereichs liegen de Druckspannung ist.

Selbst in den Fällen, in denen die vorstehend angegebenen Faktoren bzw. Größen nicht so festgelegt werden können, daß die genannte Umfangsspannung eine innerhalb des angegebenen Bereichs liegende Druckspannung ist, lassen sich die Wirkungen gemäß der Erfindung dennoch erzielen, sofern die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1. Die Form des Behälters ist zylindrisch oder nahezu zylindrisch und
2. ein Metallring ist um den Behälter herum aufgesetzt und an diesem mittels eines Schrumpfsitzes befestigt, so daß die durch den Metallring auf den Behälter ausgeübte Druckspannung die mangelnde oder ungenügende Umfangsspannung kompensieren kann.

Die mangelnde Umfangsspannung Δ σ und die Oberflächen spannung P _m aufgrund des Schrumpfsitzes lassen sich durch folgende Gleichungen darstellen:

Darin bedeuten:

C Außenradius des Metallrings (mm), w Schrumpfsitztoleranz, E _m Elastizitätskoeffizient des Metallrings (9,81 MPa), ν _m Poisson'sches Verhältnis des Metallrings.

Der für die Herstellung des wärmeisolierenden Gebbildes verwendete teilstabilisierte Zirkonium dioxid-Sinterkörper ist bezüglich seiner Zusammensetzung keinen Einschränkungen unterworfen. Wenn der Mengenan teil an Y₂O₃ als Stabilisator mehr als 4 Mol-% beträgt, ist das tetragonale System stabil gewahrt. Die Erfindung ist mithin besonders wirkungsvoll auf teilstabili sierte Zirkoniumdioxid-Sinterkörper anwendbar, bei denen der Y₂O₃-Gehalt nicht mehr als 3,5 Mol-% beträgt, d. h. die hauptsächlich aus tetragonalem Zirkoniumdioxid bestehen und bei denen der Phasenübergang unter Verringerung der Festigkeit dieses Sinterkörpers wahrscheinlich auf treten dürfte.

Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen und Ver gleichsbeispielen beschrieben.

Beispiel 1

97 Mol-% eines ZrO₂-Pulvers und 3 Mol-% eines Y₂O₃-Pulvers, jeweils einer mittleren Teilchen- oder Korngröße von 0,1 µm, werden abgewogen und naß vermischt. Sodann wird das Gemisch nach dem Gummipressenverfahren unter einem Druck von 147 150 kPa ausgeformt und hierauf bei einer Temperartur von 1600°C 1 h lang in Luft gesintert, wobei ein zylindrischer Behälter von 13 mm Innenradius, 17 mm Außenradius und 15 mm Höhe erhalten wird.

Die Innenwandtemperatur und die Außenwandtemperatur des Behälters werden auf 280°C bzw. 120°C gehalten. Nach 500 h wird die Oberfläche des Behälters nach dem Tauchtestverfahren untersucht; dabei können keine Abnormalitäten festgestellt werden.

Für diesen Behälter gelten: a₁=13; b₁=17; T₁=280; T₂=120; E _p=2×10⁴; α=11,4×10^{-6 und n p=0,25.
Die Umfangsspannung σ₂₀₀ ist mithin eine Druckspannung
von 14,6 MPa.

Beispiel 2
Ein auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise herge
stellter zylindrischer Behälter wird in einen aus Stahl
der Sorte S50C bestehenden zylindrischen Behälter bzw.
Metallring mit 17 mm Innenradius, 19 mm Außenradius und
15 mm Höhe mit einer Schrumpfsitztoleranz
von 0,06 eingesetzt.
Innen- und Außenwandtemperatur des Behälters aus dem teilstabilisierten
Zirkoniumdioxid-Sinterkörper werden bei 320°C bzw. 120°C gehalten. Nach
500 h kann keine Abnormalität festgestellt werden.
Für diesen Behälter gelten: a₁=13; b₁=17; c=19;
T₁=320; T₂=120; E _p=2×10⁴; α=11,4×10-6:
n _p=0,25; δ=0,06; E _m=2,1×10⁴ und ν _m=0,30.
Anhand von Gleichungen (1), (5) und (6) wird σ+Δσ be
berechnet. Die Größe der Druckspannung beträgt 31,4 MPa.

Vergleichsbeispiel 1
Derselbe zylindrische Behälter wie in Beispiel 1 wird
unter den dort angegebenen Bedingungen untersucht, je
doch bei einer Innenwandtemperatur von 360°C und einer
Außenwandtemperatur von 200°C. Nach 100 h kann im
Tauchtestverfahren die Entstehung von Rissen in der
Außenwand des Behälters festgestellt werden.
Für diesen Behälter gelten: T₁=360 und T₂=200. Die
Umfangsspannung δ 200 ist in diesem Fall eine Zugspannung
von 215,8 Mpa.

Vergleichsbeispiel 2
Derselbe zylindrische Behälter wie in Beispiel 1 wird
wiederum unter den dort angegebenen Bedingungen unter
sucht, jedoch bei einer Innenwandtemperatur von 320°C
und einer Außenwandtemperatur von 160°C. Nach 500 h
kann nach dem Tauchtestverfahren die Entstehung von
Rissen in der Außenwand des Behälters festgestellt
werden.
Für diesen Behälter gelten: T₁=320 und T₂=160. Die
Umfangsspannung δ 200 ist dabei eine Zugspannung von
107,9 MPa.
Das beschriebene wärmeisolierende Gebilde aus einem
teilstabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörper ist ein
schlägigen bekannten Gebilden dieser Art in seiner
Haltbarkeit überlegen und eignet sich damit als Vor
verbrennungskammer, als Zylinderlaufbüchse usw. bei
einer Dieselmaschine, wo Temperaturen im gefährlichen
Temperaturbereich von 200-300°C entstehen können.}

Claims

1. Wärmeisolierendes Gebilde aus einem mit Y₂O₃ teil stabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörper, der tetra gonales Zirkoniumdioxid aufweist und einen hohlen, nahezu zylindrischen oder nahezu sphärischen Behälter bildet, mit dem der Behälterinhalt auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmbar oder auf dieser haltbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der teilstabilisierte Zirkoniumdioxid-Sinterkörper hauptsächlich aus tetragonalem Zirkoniumdioxid mit einer Menge von höchstens 3,5 Mol-% Y₂O₃ als Stabilisator besteht, und daß eine Kompressionseinrichtung aus einem um den Behälter herum aufgezogenen Metallring vorhanden ist, welche in den Bereichen des Behälters, in denen die Temperatur mindestens 200°C beträgt, die einwirkende oder ausgeübte Umfangsspannung in eine Druckspannung in der Größenordnung von 9,81 bis 3924 MPa umwandelt.