DE3540450A1 - Keramikschaum - Google Patents
KeramikschaumInfo
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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
TERMEER-MuLLER-STEINMBiSTER . TOCERA 85-4
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.
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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-T-
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.
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.
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.
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 (7)
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.
Applications Claiming Priority (2)
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8331 | Complete revocation |