DE3622982A1 - Verbund-werkstoff mit hoher verschleiss- und form-festigkeit und verfahren zur herstellung - Google Patents

Description

In der Hauptpatentanmeldung (P 35 43 342.6) werden Verbund-Werkstoffe und Verfahren zur deren Herstellung beschrieben, die auch bei Verwen­ dung einer keramischen Komponente als Träger-Material eine gute Zug- und Biegefestigkeit aufweisen. Das besondere Gefüge mit einer zähen eingelagerten Komponente als Füllstoff, die in sog. offenen Poren im Träger-Material ein räumliches Gitterwerk bildet, vermeidet die bei anderen keramischen oder ähnlichen Werkstoffen sonst beobachtete Sprödigkeit.

Je nach Größe der Poren und Dicke des Träger-Körpers bzw. des herzu­ stellenden Werkstückes ist ein unterschiedlicher Aufwand erforder­ lich zur Einbringung des Füllstoffes, beispielsweise ein Metall in flüssigem Zustand, in die Poren. Hierzu ist meist ein einseitiger Überdruck erforderlich.

Innerhalb der Methoden zur Druck-Einführung kann in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß zur Porenfüllung ein Verfahren angewendet werden, das den bekannten Schleuderguß-Verfahren ähnelt. Besonders günstig hierfür sind rotationssymmetrische Werkstücke. Aber auch anders geformte Werkstücke sind dafür geeignet, wenn der Füllstoff im Schleuder-Effekt die aufzufüllenden offenporigen Flächen errei­ chen kann.

Die Fig. 1 zeigt am Beispiel eines Hohl-Zylinders aus keramischem Träger-Material, der als Kolben-Laufbuchse verwendet werden könnte, wie der flüssig eingebrachte metallische Füllstoff durch Schleuder­ wirkung bzw. Zentrifugal-Druck in die Poren im keramischen Material hineingedrückt werden kann.

Bei Verwendung von metallischem Füllstoff könnte u. U. an gewissen Oberflächen des Werkstoffes, wo Betriebstemperaturen über der Schmelz-Temperatur des Füllstoffes auftreten, das Füll-Material aus einigen Poren an der Oberfläche herausschmelzen.

Einige Anwendungen der Verbund-Werkstoffe werden die dann entste­ henden kleinen Hohlräume an derartigen Oberflächen zulassen. In andern Fällen ist eine Auffüllung der entleerten Poren erforderlich. Für Oberflächen, an denen extrem hohe Temperaturen auftreten, emp­ fiehlt sich dann eine Auffüllung durch hitze-beständiges Material, beispielsweise Keramik-Pulver. Dieses könnte, nach bekannten Ver­ fahren, erfindungsgemäß nur in die entleerten Poren an der Oberfläche der Verbund-Werkstoffe eingesprüht oder darüber hinaus in einer dünnen zusammenhängenden Schicht aufgetragen werden, wie in Fig. 2 darge­ stellt. Die offenen Poren bieten hierfür eine gute Verankerung.

Hoch-beanspruchte Werkstücke sollen daher vor dem Einsatz in den beschriebenen Schritten, also Herausschmelzen des Metalls aus den Oberflächen-Poren und Einfüllen oder Auftragen von Keram-Pulver, vorbehandelt werden.

Für die Standfestigkeit der Poren-Füllungen an den durch hohe Tempe­ raturen beanspruchten Oberflächen ist u. a. auch eine gute Wärme- Ableitung von Bedeutung. Da in einem Träger-Körper mit offenen Poren alle oder doch die meisten Poren miteinander in Verbindung stehen, ist eine Abführung der Wärme aus heißen Zonen in kältere Schichten durch Wärmeleitung, insbesondere bei einem metallischen Füllstoff, möglich. Aus der kälteren Zone könnte dann die dort hingeleitete Wärme durch ein Kühl-Medium oder durch Abstrahlung abgeführt werden.

Zur Verbesserung dieser Wärme-Abgabe oder -Abstrahlung kann es er­ findungsgemäß vorteilhaft sein, an der kalten Oberfläche bzw. Kühl- Oberfläche eine zusammenhängende Schicht, vorzugsweise ebenfalls aus Metall, anzubringen, wie in Fig. 3 angedeutet.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den prinzipiellen Aufbau einer Schleuder- Anlage zum Einbringen des Füllstoffes in flüssiger Form in den porö­ sen Träger-Körper am Beispiel eines Hohl-Zylinders.

Der Hohl-Zylinder 1 ist mit den Endscheiben 2 in den Lagern 3 dreh­ bar gelagert. Eine Antriebswelle 4 ist mit einem Flansch 5 an einer Endscheibe befestigt. Der durch das Füllrohr 6 in den Hohl-Zylinder eingegossene Füllstoff 7, beispielsweise ein Metall, wird wegen der durch einen Pfeil angedeuteten Rotation von Welle 4 und Zylinder 1 an die Innen-Wand des Hohl-Zylinders geschleudert und dringt wegen der auftretenden Fliehkraft in die Poren des Zylinders ein. Zur Erhaltung des flüssigen Zustandes in der Phase der Poren-Füllung kann der Innen-Raum des Zylinders beheizt werden, beispielsweise mittels eines Flammrohrs 8 mit der Flamme 8′, wobei zum Austritt von Brenngasen Bohrungen 9 im Flansch 5 angebracht sein können.

Fig. 2a zeigt einen porösen Träger-Körper 1. An der heißen Ober­ fläche H sind Poren 2 mit einem extrem hitze-beständigen Material, beispielsweise Keram-Pulver, aufgefüllt.

Die dahinter im Innern des Träger-Körpers befindlichen Poren mit der ursprünglichen Füllung, beispielsweise Metall, sind nicht ein­ gezeichnet.

Fig. 2b zeigt einen porösen Träger-Körper 1, wobei an der heißen Oberfläche H nicht nur die Poren mit einem hitze-beständigen Material aufgefüllt sind, sondern zusätzlich eine zusammenhängende Schicht 2′ aufgetragen wurde.

Fig. 3 zeigt einen porösen Träger-Körper 1, der auf der kalten Oberfläche K kombiniert mit der Poren-Füllung eine zusammenhängende Schicht 3 trägt.

Claims (4)

1) Verbund-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung bestehend aus einem Träger-Körper aus nicht-metallischem Feststoff, vorzugs­ weise aus Keramik, mit Hohlräumen in der Art von offenen Poren und darin eingelagertem festem Füllstoff, vorzugsweise aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff während der Phase des Füllvorgangs in zunächst flüssiger Form oder als Dispersion in die Hohlräume des Träger-Körpers, vorzugsweise bei rotationssym­ metrischen Körpern, mit Hilfe von Druck eingeführt wird, der durch Schleudern des Füllstoffes als Fliehkraft erzeugt wird.

2) Verbund-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung bestehend aus einem Träger-Körper aus nicht-metallischem Feststoff, vorzugs­ weise aus Keramik, mit Hohlräumen in der Art von offenen Poren und darin eingelagertem festem Füllstoff, vorzugsweise aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Poren an der Oberfläche des Träger-Körpers auf der durch Hoch-Temperaturen beanspruchten Betriebsseite, beispielsweise aus der Innen-Fläche von Hohl- Zylindern für die Verbrennungsmotoren, der Füllstoff, beispielsweise ein Metall, durch Herausschmelzen oder ein anderes Verfahren ent­ fernt wird und daß in die entleerten Poren Keramik-Pulver oder ein anderes temperatur- und verschleiß-beständiges Material haftend eingebracht wird.

3. Verbund-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in die entleerten Poren einge­ brachte Material auch auf die benachbarten Teile der Oberfläche aufgebracht wird in einer zusammenhängenden Oberflächen-Schicht.

4. Verbund-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung bestehend aus einem Träger-Körper aus nicht-metallischem Feststoff, vorzugs­ weise aus Keramik, mit Hohlräumen in der Art von offenen Poren und darin eingelagertem festem Füllstoff, vorzugsweise aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Hoch-Temperatur-Bereich abgewandten Seite des Träger-Körpers eine zusammenhängende Schicht aus Metall oder einem anderen Stoff mit guten Wärmeleitungs- oder Wärmestrahlungs-Eigenschaften aufgebracht wird zur besseren Wärme- Ausführung an ein Kühl-Medium oder zur Wärme-Abstrahlung.