DE3540449C2

DE3540449C2 -

Info

Publication number: DE3540449C2
Application number: DE19853540449
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Kato; Masashi Kariya Aichi Jp Fujimoto
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1984-12-12
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1989-06-29
Also published as: JPH058148B2; GB2168337B; JPS61141682A; GB2168337A; GB8527212D0; DE3540449A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein verschäumter Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht, der als Filter zur Entfernung von Metallklumpen aus geschmolzenem Metall, einer Heizeinrichtung für einen Brenner oder dergleichen verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Zur Entfernung von Metallklumpen und anderen festen Verunreinigungen aus einem geschmolzenen Metall verwendet man üblicherweise einen Keramikschaumfilter. Die üblicherweise als Filter verwendeten verschäumten Keramikkörper bestehen aus Cordierit, Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid und besitzen einen Hohlraumanteil von 75 bis 95%, eine Dichte (Schüttdichte) von 0,2 bis 0,3 g/cm³ und eine scheinbare Porosität der miteinander verbundenen Keramikstränge von 10 bis 20%.

Zur Herstellung herkömmlicher verschäumter Keramikkörper wird ein weicher Urethanschaum mit einer dreidimensional vernetzten Struktur als Ausgangsschaum verwendet und mit einer Keramikaufschlämmung behandelt (beispielsweise durch Eintauchen) oder imprägniert und dann gebrannt. Die Druckfestigkeit liegt zwischen 9,81 und 294 N/cm² oder darunter. Die Biegefestigkeit beträgt 49 N/cm² oder weniger. Da diese Festigkeiten derart gering sind, zerbrechen die verschäumten Keramikkörper häufig vor oder während der Verwendung.

Die DE-OS 35 27 872 beschreibt einen porösen Keramikkörper mit dichterer Abscheidung des keramischen Materials im Randbereich des Keramikkörpers, wobei die dichtere Abscheidung des keramischen Materials durch Rotation des mit keramischen Schlickers getränkten Schaumstoffs durch Anwendung von Fliehkräften auf den Schaumstoff hervorgerufen wird. Anschließend wird ein Trocknen, ein Verfestigenlassen und ein Brennen zum Ausbrennen und Vernichten des Schaumstoffs und zum gleichzeitigen Sintern des keramischen Rohstoffs durchgeführt.

Die DE-OS 31 27 995 offenbart einen porösen Formkörper, durch das In-Form- Gießen von keramischem Material in Form von Schnüren und Fäden in einen Behälter von vorgegebener Form, wobei anschließend die gesammelte Masse getrocknet und erhitzt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verschäumten Keramikkörper und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der eine verbesserte Festigkeit aufweist, so daß er nicht ohne weiteres vor der Verwendung oder während der Verwendung zerbricht.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des verschäumten Keramikkörpers gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses verschäumten Keramikkörpers.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein verschäumter Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die scheinbare Porosität 5% oder weniger beträgt, die Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ liegt und jeder der Stränge mehrere Keramikschichten aufweist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines verschäumten Keramikkörpers durch Vermischen eines Keramikausgangsmaterials mit Wasser und einem Bindemittel unter Ausbildung einer Aufschlämmung oder eines Schlickers mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa · s, Imprägnieren eines Ausgangsschaumes mit einer dreidimensionalen vernetzten Struktur mit der Aufschlämmung oder dem Schlicker. Trocknen des Materials und Brennen des Materials unter Bildung eines Keramikkörpers mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen des Imprägnierens und Trocknens mehrfach unter Bildung mehrerer Schichten zur Einstellung der Dicke der Stränge durchgeführt werden.

Als Ausgangsschaum verwendet man vorzugsweise einen weichen Urethanschaum mit einer dreidimensional vernetzten Struktur. Der Ausgangsschaum wird mehrfach mit einer Keramikaufschlämmung oder einem Keramikschlicker behandelt (durch Eintauchen oder dergleichen) oder imprägniert, um in dieser Weise die Vielzahl der Keramikschichten zu bilden. Jede Schicht wird zum Zwecke der Härtung getrocknet. Mit anderen Worten, es werden die Maßnahmen des Imprägnierens und Trocknens mehrfach wiederholt.

Anschließend wird das Material bei einer hohen Temperatur von 1500°C oder mehr gebrannt. In dieser Weise erhält man einen verschäumten Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten Porzellan-Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Strängen besteht. Beim Brennvorgang verschwindet auch der Ausgangsschaum.

Selbst wenn die Dichte (Schüttdichte) des verschäumten Keramikkörpers geringfügig verändert wird, läßt sich die Festigkeit des verschäumten Keramikkörpers in bemerkenswerter Weise verbessern. Dabei wird der Hohlraumanteil nicht verändert, so daß das geschmolzene Metall in wirksamer Weise durch den verschäumten Keramikkörper geführt werden kann.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1A bis 1E Schnittansichten, die die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des beanspruchten verschäumten Keramikkörpers und insbesondere der sie bildenden Keramikstränge verdeutlichen.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Zunächst bereitet man einen Keramikschlicker. Als Keramikausgangsmaterial verwendet man ein Material aus 98 Gew.-% Al₂O₃, welches aus kleinen Teilchen besteht, deren Größe zwischen 0,1 und 44 µm liegt bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 µm. Das Keramikausgangsmaterial wird mit Wasser und einem schnelltrocknenden Bindemittel, wie PVA, unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt unter Ausbildung einer Keramikaufschlämmung oder eines Schlickers mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa · s.

Weiterhin bereitet man einen Ausgangsschaum. Man verwendet einen weichen Urethanschaum mit einer dreidimensional vernetzten Urethanstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Strängen besteht. Fig. 1A zeigt den Querschnitt eines solchen Stranges 1.

Wie aus der Fig. 1B hervorgeht, wird durch Imprägnieren oder Eintauchen des Strangs 1 aus dem Urethanschaum mit oder in den Schlicker eine erste Keramikschicht 2 auf dem Urethanstrang 1 ausgebildet. Der überflüssige Schlicker wird entfernt und das Material wird zur Härtung bei einer Temperatur von 50 bis 100°C getrocknet.

Anschließend wird, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, eine zweite Keramikschicht 3 auf der ersten Schicht 2 ausgebildet, indem man die erste Schicht 2 mit dem Schlicker imprägniert. Auch in diesem Fall wird der überflüssige Schlicker entfernt und das Material erneut getrocknet und gehärtet, wie im Fall der ersten Schicht 2.

Anschließend wird, wie es in der Fig. 1D dargestellt ist, eine dritte Schicht 4 auf der zweiten Schicht 3 ausgebildet, indem man diese mit dem Schlicker beschichtet. Der überflüssige Schlicker wird entfernt und das Material wird in gleicher Weise getrocknet und gehärtet.

Anschließend werden, wie es in der Fig. 1E dargestellt ist, die Stränge 5, die aus dem Ausgangsschaum 1 und den darauf ausgebildeten Keramikschichten 2, 3 und 4 bestehen, bei einer hohen Temperatur von 1500°C oder mehr gebrannt. Als Ergebnis davon ergeben die Keramikschichten 2, 3, 4 einen Keramikstrang 5′ aus einer mehrschichtigen Porzellankeramik. Eine Vielzahl solcher Keramikstränge 5′ ist unter Ausbildung einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur miteinander verbunden, ebenso wie es bei dem Ausgangsschaum der Fall ist. Gleichzeitig verschwinden beim Brennen die Urethanstränge 1 unter Hinterlassung einer länglichen Öffnung 6 im mittleren Bereich eines jeden Strangs 5′.

Die Dichte (Schüttdichte bzw. bulk density) des verschäumten Keramikkörpers kann durch Einstellen der Dicke der mehrlagigen Keramikschicht des Strangs 5 auf einen Wert von 0,4 bis 2,0 g/cm³ eingestellt werden.

Wie aus der nachfolgenden Tabelle I hervorgeht, liegt die Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³. Die Druckfestigkeit liegt zwischen 490 und 981 N/cm² und daher im Vergleich zu herkömmlichen verschäumten Keramikkörpern mit einer Druckfestigkeit von 98 bis 294 N/cm² oder weniger beträchtlich höher. Die Biegefestigkeit liegt im Bereich von 98 bis 343 N/cm², was im Vergleich zu herkömmlichen verschäumten Keramikkörpern mit einer Biegefestigkeit von 49 N/cm² oder weniger eine beträchtliche Verbesserung darstellt. Der Hohlraumanteil des erfindungsgemäßen verschäumten Keramikkörpers beträgt 85 bis 90%, welches nur eine sehr geringfügige Änderung gegenüber den Hohlraumanteilen herkömmlicher verschäumter Keramikkörper darstellt. Die scheinbare Porosität der Keramikstränge 5′ beträgt 5% oder weniger.

Beispiel 2

Während bei der in Beispiel 1 angegebenen Arbeitsweise der weiche Urethanschaum 1 zur Ausbildung der ersten, zweiten und dritten Schichten 2, 3 bzw. 4 ein Schlicker gleicher Zusammensetzung verwendet wird, werden bei diesem Beispiel 2 für die Ausbildung der verschiedenen Schichten unterschiedliche Schlicker eingesetzt.

Bei der Ausführungsform dieses Beispiels 2 wird ein Keramikausgangsmaterial aus 98 Gew.-% Al₂O₃ verwendet. Man kann zur Ausbildung der ersten Schicht 2 den in Beispiel 1 verwendeten Schlicker einsetzen, während man andere Schlicker unterschiedlicher Teilchengröße und Mischungsverhältnisse zur Ausbildung der zweiten Schicht 3 und der dritten Schicht 4 einsetzt.

Beispielsweise besteht das Keramikausgangsmaterial zur Bildung der ersten Schicht 2 aus kleinen Teilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 0,1 µm und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 bis 0,5 µm, so daß die Porosität der ersten Schicht 2 der Keramikstränge 5′ 0% beträgt.

Zur Ausbildung der zweiten Schicht 3 verwendet man ein Keramikausgangsmaterial, welches aus zwei Gruppen von kleinen Teilchen besteht, nämlich eine, die 70 bis 90 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 10 und 0,1 µm aufweist, während die andere Gruppe der Teilchen 10 bis 30 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 44 und 10 µm umfaßt. Diese Materialien werden mit Wasser und einem Bindemittel unter Bildung eines Schlickers vermischt. In dieser Weise ergibt sich eine Porosität der zweiten Schicht 3 der Keramikstränge 5′ bis 15%.

Zur Erzeugung der dritten Schicht 4 verwendet man zwei Gruppen von kleinen Teilchen, von denen die eine 50 bis 70 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 10 und 0,1 µm umfaßt, während die andere 30 bis 50 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer Größe von 44 bis 10 µm umfaßt. In dieser Weise ergibt sich die Porosität der dritten Schicht 4 der Stränge 5′ mit 15 bis 25%.

Das Imprägnieren, Trocknen und Brennen erfolgt bei dem Beispiel 2 im wesentlichen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 angegeben.

Die Dichte des verschäumten Keramikkörpers liegt zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ während die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit im wesentlichen den Werten des Materials des Beispiels 1 entsprechen.

Bei dem Material des Beispiels 2 ist festzustellen, daß die Keramikstränge 5′ eine Vielzahl von feinen Poren mit Porendurchmessern von 50 bis 1 µm aufweisen, so daß sich ein ausgezeichneter Filterwirkungsgrad ergibt.

Dem in der obigen Weise hergestellten verschäumten Keramikkörper kann eine katalytische Wirkung verliehen werden, indem man auf der dritten Schicht 4 aktives Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) oder einen Platinkatalysator anordnet. Das Aufnahmevermögen des aktiven Aluminiumoxids oder dergleichen kann über die Mikroporosität in der Oberflächenschicht des Materials verbessert werden, so daß sich eine größere Lebensdauer ergibt.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel 3 besteht der verschäumte Keramikkörper im Gegensatz zu jedem der Beispiele 1 und 2 aus Al₂O₃-ZrO₂. Dabei besitzen die Keramikstränge 5′ eine erhöhte Dicke, wie es auch für die Beispiele 1 und 2 beschrieben worden ist.

Bei dem Material dieses Beispiels 3 ergibt sich ebenso wie bei den Materialien der Beispiele 1 und 2 eine Dichte des verschäumten Keramikkörpers von 0,4 bis 2,0 g/cm³. Die Druckfestigkeit und Biegefestigkeit des Materials entspricht den Werten des Materials des Beispiels 1. Auch der Hohlraumanteil und der Porendurchmesser liegen in jenen Bereichen, die in Beispiel 1 angegeben sind. Die Temperaturwechselbeständigkeit des Materials dieses Beispiels 3 ist besser als jene des Materials von Beispiel 1.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ variieren und kann Keramikstränge aufweisen, die eine beliebige Anzahl von Schichten aufweisen können. Beispielsweise können lediglich die ersten und zweiten Schichten ausgebildet werden. Gewünschtenfalls können auch eine vierte Schicht und weitere Schichten vorgesehen werden. Weiterhin kann das Keramikausgangsmaterial aus der SiC, Si₃N₄, Al₂O₃-SiO₂, Cordierit und ZrO₂ umfassenden Gruppe ausgewählt werden.

Wenn die Dichte des verschäumten Keramikkörpers mehr als 2,0 g/cm³ beträgt, ergibt sich eine Verminderung des Hohlraumanteils, so daß das geschmolzene Metall nicht ohne weiteres durch die zusammenhängenden Poren des verschäumten Keramikkörpers hindurchzudringen vermag. Hierdurch ergibt sich eine Beeinträchtigung der Filterwirkung.

Tabelle I

Claims

1. Verschäumter Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die scheinbare Porosität 5% oder weniger beträgt, die Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ liegt und jeder der Stränge (5) mehrere Keramikschichten (2, 3, 4) aufweist.

2. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) aus Al₂O₃ bestehen.

3. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) aus Al₂O₃-ZrO₂ bestehen.

4. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) aus mindestens einem Material aus der SiC, Si₃N₄, Al₂O₃- SiO₂, Cordierit und ZrO₂ umfassenden Gruppe bestehen.

5. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumanteil des verschäumten Keramikkörpers zwischen 85 und 90% liegt.

6. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschäumte Keramikkörper Poren mit Porendurchmessern zwischen 1 mm und 2,5 mm aufweist.

7. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) eine große Anzahl von feinen Poren mit einer Größe zwischen 1 µm und 50 µm aufweisen.

8. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) aus mehreren Schichten (2, 3, 4) der gleichen Zusammensetzung bestehen.

9. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (5) aus mehreren Schichten (2, 3, 4) unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen.

10. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Materialien unterschiedliche Teilchengrößen und Mischungsverhältnisse aufweisen.

11. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten (2, 3, 4) unterschiedliche Porositäten aufweisen.

12. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten (2, 3, 4) eine erste Schicht (2) mit einer Porosität von 0%, eine zweite Schicht (3) mit einer Porosität von 5 bis 15% und eine dritte Schicht (4) mit einer Porosität von 15 bis 25% aufweisen.

13. Verfahren zur Herstellung eines verschäumten Keramikkörpers durch Vermischen eines Keramikausgangsmaterials mit Wasser und einem Bindemittel unter Ausbildung einer Aufschlämmung oder eines Schlickers mit einer Viskosität von 2,0-15 Pa · s, Imprägnieren eines Ausgangsschaums mit einer dreidimensional vernetzten Struktur mit der Aufschlämmung oder dem Schlicker, Trocknen des Materials und Brennen des Materials unter Bildung eines Keramikkörpers mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen des Imprägnierens und Trocknens mehrfach unter Bildung mehrerer Schichten (2, 3, 4) zur Einstellung der Dicke der Stränge (5) durchgeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Keramikausgangsmaterial zur Ausbildung der mehreren Schichten (2, 3, 4) verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikausgangsmaterial zu 98 Gew.-% aus Al₂O₃ besteht, welches Teilchen umfaßt, deren Größe zwischen 0,1 und 44 µm liegt, bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 µm.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche Keramikausgangsmaterialien zur Bildung der mehreren Schichten (2, 3, 4) verwendet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten (2, 3, 4) eine erste (2), zweite (3) und dritte (4) Schicht aufweisen, wobei das Keramikausgangsmaterial zur Bildung der ersten Schicht (2) aus Teilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 0,1 µm und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 bis 0,5 µm besteht, das Keramikausgangsmaterial der zweiten Schicht (3) aus zwei Gruppen von Teilchen besteht, wovon eine 70-90 Gew.-% ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 10 und 0,1 µm umfaßt und die andere 10-30 Gew.-% ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 44 und 10 µm umfaßt, und das Material der dritten Schicht (4) zwei Gruppen von Teilchen aufweist, wovon eine 50-70 Gew.-% ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 10 und 0,1 µm aufweist und die andere 30-50 Gew.-% ausmacht und Teilchen, mit einer Größe zwischen 44 und 10 µm umfaßt.