DE3540450A1

DE3540450A1 - Keramikschaum

Info

Publication number: DE3540450A1
Application number: DE19853540450
Authority: DE
Inventors: Masashi Kariya Aichi Fujimoto; Yoshihisa Kato
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1984-12-12
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1986-06-12
Also published as: GB8527211D0; GB2168336B; DE3540450C2; GB2168336A

Description

Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist ein Keramikschaum mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht und zwischen den Strängen zusammenhängende Poren aufweist, der als Filter beim Vergießen von geschmolzenem Metall, als Heizeinrichtung und dergleichen verwendet werden kann.

Keramikschäume werden als Filter für geschmolzene Metalle und als Flächenheizeinrichtungen von Brennerelementen eingesetzt. Bei normaler Verwendung werden solche Keramikschäume nicht vorerhitzt. Wegen der wiederholten Aufheiz- und Abkühlzyklen ist es zur Verhinderung des Bruchs dieses Materials erforderlich, daß es eine gute Temperaturwechselbeständigkeit besitzt.

Wenn die herkömmlichen Keramikschäume bei einer Temperatur von 1300⁰C oder weniger eingesetzt werden, kann man ein Material mit geringer Wärmeausdehnung, wie ein Cordierit-Material verwenden. Bei höheren Temperaturen oberhalb 1300⁰C kann man solche Materialien nicht einsetzen, so daß Materialien notwendig sind, die wiederholten Tempera turwechselbeständigkeitstests zu widerstehen vermögen. Bislang stehen jedoch keine Keramikmaterialien zur Verfügung, die bezüglich ihrer Temperaturwechselbeständigkext diesbezüglich zu befriedigen vermögen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Keramikschaums mit ausgezeichneter Temperaturwechselbeständigkext. Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Keramikschaums gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen s bevor'/,injte Ausl'ühruiujsioraien dieses ErCindunqs-

BAD ORIGINAL

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gegenstandes.

Die Erfindung betrifft somit einen Keramikschaum mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht und zwischen den Strängen zusammenhängende Poren aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Keramikkörper im wesentlichen aus 70 bis 95 Gew.-% Al-O.. und 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂ besteht.

Selbst wenn der erfindungsgemäße Keramikschaum bei seiner Anwendung nicht vorerhitzt wird, ist er in der Lage, wiederholten Temperaturwechselbeanspruchungen bei einer Temperatur von 1300⁰C oder mehr zu widerstehen.

Erfindungsgemäß wird als Keramikmaterial ein Al₂O^-ZrO₃-Material verwendet, welches eine Mischung aus 70 bis 95 Gew.-% Al₃O₃ und 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂ umfaßt.

Vorzugsweise besteht das Al^O-.-Material aus kleinen Teil chen. Die Teilchengröße des Al-O.,-Materials liegt vorzugsweise im Bereich von 10 μΐη bis 0,1 μΐη, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 μπι liegt. Das ZrO₂-Material besteht vorzugsweise ebenfalls aus kleinen Teilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 μΐη bis 0,1 μΐη bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 μπι.

Zur Herstellung dieses erfindungsgemäßen Keramikschaums vermischt man die oben angesprochenen Ausgangsmaterialien in einer Kugelmühle, die viele Kugeln, beispielsweise Keramikkugeln, enthält, mit einem Bindemittel, wie PVA, unter Bildung eines Schlickers oder einer Aufschlämmung mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise). Als Ausgangsschaum verwendet man einen weichen Urethanschaum mit einer dreidimensional ver-

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netzten Struktur, der aus vielen miteinander verbundenen Strängen besteht, zwischen denen zusammenhängende Poren vorliegen. Der weiche Urethanschaum wird mehrfach mit dem oben angesprochenen Schlicker behandelt (beispielsweise durch Eintauchen) oder imprägniert. Nach jeder Behandlung trocknet man den Schlicker, um das Material zu härten. Mit anderen Worten werden die Imprägnier- und Trocknungsmaßnahmen mehrfach wiederholt.

Genauer verläuft die Herstellung des erfindungsgemäßen Keramikschaums wie folgt: Der weiche Urethanschaum wird mit dem Schlicker mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise) behandelt oder imprägniert unter Ausbildung einer ersten Schicht auf den Oberflächen der Stränge des Urethanschaums. Der überschüssige Schlicker wird entfernt, um das Verstopfen der Poren zu vermeiden, und dann bei einer Temperatur von 50 bis 100⁰C getrocknet und gehärtet.

Auf der ersten Schicht wird eine zweite Schicht erzeugt, indem man die erste Schicht mit den gleichen oder einem andersartigen Schlicker mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise) imprägniert. Der überschüssige Schlicker wird erneut entfernt, um das Verstopfen der Poren zu verhindern, und dann bei einer Temperatur von 50 bis 100⁰C getrocknet und damit gehärtet.

Schließlich wird auf der zweiten Schicht eine dritte Schicht erzeugt durch Imprägnieren der zweiten Schicht mit dem gleichen oder einem andersartigen Schlicker mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise). Der überschüssige Schlicker wird entfernt, um das Verstopfen der Poren zu verhindern, und bei einer Temperatur von 50 bis 100⁰C getrocknet und gehärtet. In dieser Weise wird der weiche Urethanschaum mehrfach mit dem gleichen oder einem andersartigen Schlicker behandelt

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bzw. imprägniert und anschließend wird er zum Zwecke des Härtens getrocknet. In dieser Weise nimmt die Dicke eines jeden Strangs zu, so daß man schließlich eine Mehrfachschicht aus mehreren Keramikschichten in der Weise ausbildet, daß kein überschüssiger Schlicker in den Poren zurückgehalten wird.

Anschließend wird das Material bei einer Temperatur von 1500⁰C oder mehr gebrannt, wodurch die vernetzte Struktür einen Porzellan-Keramikschaum mit dreidimensional vernetzter Keramikstruktur ergibt, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht. Gleichzeitig wird der weiche Urethanschaum beim Brennen verkohlt und entfernt, wobei man einen Keramikschaum mit den in der nachfolgenden Tabelle I angegebenen Eigenschaften erhält.

TABELLE I

Eigenschaft

Chemische Zusammensetzung Al„O,-ZrO„

Dichte (Schüttdichte) 0,4 bis 2,0

Druckfestigkeit (N/cm²) 491 bis 981_

/kgf/cm²/ /50 bis 100/

Biegefestigkeit (N/cm²) 98 bis 343

/kgf/cm²/ /10 bis 35/

Hohlraumanteil (%) 8S bis 90

Porendurchmesser (mm) 1 bis 2,5

Wärmebeständigkeit (⁰C) 1700 oder mehr

Scheinbare Porosität (Stränge) 5 % oder weniger

Wie aus der obigen Tabelle I zu ersehen ist, liegt die Dichte bzw. Schüttdichte des Keramikschaums zwischen 0,4 und 2,0. Die Druckfestigkeit in der Kälte liegt zwischen 491 und 981 N/cm² (50 bis 100 kgf/cm²). Die Biegefestigkeit liegt zwischen 98 und 343 N/cm² (10 bis 35 kgf/cm²). Das Material besitzt insgesamt eine gute Festigkeit.

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In der nachfolgenden Tabelle II ist das Verhalten eines erfindungsgemäßen Keramikschaums bei einem Temperaturwechselbeständigkeitstest angegeben. Bei diesem Temperaturwechselbeständigkeitstest wird der Keramikschaum wie-5 derholt bei einer Temperatur von 1400⁰C mit Wasser abgekühlt, um festzustellen, ob bzw. wann der Keramikschaum aufgrund der Temperaturänderung bricht.

Die in der Tabelle II angegebenen "Bruchzyklen" stehen
10 für die Anzahl der Temperaturwechselzyklen, die bis zum Bruch des Keramikschaums durchgeführt werden. Je höher
der Wert des Bruchzyklus ist,um so besser ist die Temperaturwechselbeständigkeit.

TABELLE II

Chemische Zusammensetzung

Dichte

Bruchzyklen

Al₂O₃ 99 % 0,3

1,0

Al₂O₃ 90 %, ZrO₂ 10 % 0,3

(ZrO„: Durchschnittlicher

Teilchendurchmesser: 44 μΐη) 1,0

Al₂O₃ 80 %, ZrO₂ 20 % 0,3

(ZrO„: Durchschnittlicher

Teilchendurchmesser: 44 μκι) 1,0

Al₂O₃ 90 %, ZrO₂ 10 % 0,3

(ZrO_?: Durchschnittlicher 1,0 Teilchendurchmesser: 5 μπι)

Al₂O₃ 80 %, ZrO₂ 20 % 0,3

(ZrO₂: Durchschnittlicher 1,0 Teilchendurchmesser: 5 μπι)

1 2 2

3 2

(teilweiser Bruch)

(kein Bruch)

(teilweiser Bruch)

(kein Bruch)

Im Fall einer Keramikstruktur aus 99 Gew.-% Al₂O₃ bricht der Keramikschaum in einem Zyklus oder nach zwei Zyklen.

Bei einer Zusammensetzung aus 90 Gew.-%

und 10 Gew.-

% ZrO„ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser

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von 44 μΐη bricht das Material nach einigen Zyklen.

Andererseits bricht ein Keramikschaum aus 80 Gew.-% und 20 Gew.-% ZrO„ mit einer durch
größe von 44 μΐη in wenigen Zyklen.

und 20 Gew.-% ZrO„ mit einer durchschnittlichen Teilchen

Im Fall eines Keramikschaums aus 90 Gew.-% Al₃O^ und 10 Gew.-% ZrO_ mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 μΐη und einer Dichte von 0,3 ergibt sich ein Bruch nach fünf Zyklen. Wenn die Dichte 1,0 beträgt, bricht das Material selbst in zehn Zyklen nicht. Bei dem Material aus 80 Gew.-% Al„O^ und 20 Gew.-% ZrO„ und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 μΐη ergibt sich bei einer Dichte von 0,3 ein Bruch nach fünf Zyklen, während bei einer Dichte von 1,0 selbst nach zehn Zyklen kein Bruch auftritt.

Wie aus der obigen Tabelle II hervorgeht, kann erfindungsgemäß durch Einstellen oder Auswahl der Ausgangsmaterialien, der Zusammensetzungsverhältnisse und der Teilchengrößen der eingesetzten Ausgangsmaterialien ein Keramikschaum mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit gebildet werden.

Dabei verschlechtert sich die Temperaturwechselbeständigkeit, wenn der Anteil an Al»O, weniger als 70 Gew.-% oder mehr als 95 Gew.-% bzw. der Anteil an ZrO„ weniger als 5 Gew.-% oder mehr als 30 Gew.-% betragen.

Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, besteht der erfindungsgemäße Keramikschaum aus 70 bis 95 Gew.-% AIpO, und 5 bis 30 Gew.-% ZrO» und besitzt dadurch eine bemerkenswert verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit. Aufgrund dieser guten Eigenschaften kann der erfindungsgemäße Keramikschaum als Keramikfilter für geschmolzenes Metall beim Vergießen ohne Vorerhitzen eingesetzt werden und es kann dennoch eine hohe Lebensdauer erzielt werden.

Claims

TER MEER-M U LLER- STEIN MEI ST E R PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl-Ing. F E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 Mauerkircherstr. 45 nn D-8OOO MÜNCHEN 80 D-48OO BIELEFELD 1 tM/cb 14. November 1985 TOCERA 85-4 TOSHIBA CERAMICS CO., LTD. 1-26-2, Nishi Shinjuku Shinjuku-ku, Tokyo/Japan Keramikschaum Priorität: 12. Dezember 1984, Japan, Nr. 59-260900 (P) 06. März 1985, Japan, Nr. 60-42857 ■ Patentansprüche

1. Keramikschaum mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen

Keramiksträngen besteht und zwischen den Strängen zusammenhängende Poren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vernetzte Keramikstruktur aus 70 bis 95 Gew.-% Al₃O₃ und 5 bis 30 Gew.-% ZrO₃ besteht. 10

2. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vernetzte Struktur im wesentlichen aus

einem Al₂O^-Material aus kleinen Teilchen mit einer Teil-

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chengröße zwischen 10 μΐη und 0,1 μΐη, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 μΐη liegt; und

einem ZrO₂-Material aus kleinen Teilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 0,1 μΐη, wobei die durchschnittliche Teilchengröße zwischen 5 und 0,5 μπι liegt, besteht.

3. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramikstränge jeweils aus mehreren Keramikschichten bestehen.

4. Keramikschaum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramikstränge jeweils aus mehreren Keramikschichten bestehen.

5. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß seine Dichte zwischen 0,4 und 2,0 liegt.

6. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraumanteil des Keramikschaums zwischen 85 % und 90 % liegt.

7. Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Durchmesser der Poren zwischen 0,5 mm und 2,5 mm liegt.