DE3633406A1 - Verfahren zur herstellung geformter teile aus keramischen materialien und keramisch-metallischen verbundmaterialien - Google Patents
Verfahren zur herstellung geformter teile aus keramischen materialien und keramisch-metallischen verbundmaterialienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, Teile aus kerami
schen Materialien und keramisch-metallischen Materialien
so herzustellen, daß eine komplexe Poren und Material
struktur mit genau definierten Abmessungen entsteht.
Diese können zur Isolierung bei hohen Temperaturen oder
bei der Herstellung von Katalysatoren eingesetzt werden.
Durch die Tränkung mit Kunststoff, schmelzflüssigem Metall
oder mit oxidischen Schmelzen können komplexe Verbund
werkstoffe und Werkstoffverbunde hergestellt werden.
Bei geringer Porosität entstehen Cermet-artige Materia
lien, die besonders das Festigkeitsverhalten von feuer
festen Materialien verbessern.
Keramische Werkstoffe sowie keramisch-metallische Ver
bundwerkstoffe werden aus körnigen Komponenten herge
stellt. Die Formgebung erfolgt durch Pressen, Gießen,
Schlickergießen usw. Diesen Verfahren ist gemeinsam,
daß die keramischen und metallischen Bestandteile nach
der Formgebung unverbunden vorliegen, das heißt, daß
sie nicht durch Feststoffbrücken miteinander verbunden
sind. Ihre "Grünfestigkeit" erhalten sie durch Binder,
Adhäsions- und Verspannungskräfte. Die Endfestigkeit
wird durch Sintern bei hohen Temperaturen erreicht.
Zur Erhöhung der Porosität werden den Ausgangsmischun
gen vor der Formgebung organische Materialien zugege
ben, die bei Erhitzen ausbrennen. Dem gleichen Zweck
dienen Salze, die nach der Formgebung herausgelöst
werden. Mit diesen Verfahren können aber keine kom
plexen Poren und Materialstrukturen mit genauen Poren
durchmessern in die Teile eingebracht werden.
Die vorliegende Erfindung soll die Herstellung aus
keramischen Materialien sowie aus keramisch-metalli
schen Verbundmaterialien mit sehr feinen, geome
trisch exakt definierten Material- und Porenstrukturen
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gelöst, daß die Formgebung der Material- und
Porenstruktur sowie des Teils an metallischen Folien
erfolgt, die im Laufe der Formgebung zu Lagen gesta
pelt werden. Das geformte Teil wird anschließend in
oxidierender Atmosphäre gebrannt. Besonders günstig
für die Werkstoffeigenschaften kann es in vielen Fäl
len sein, die Folie in Kontakt mit Oxidkörnern von
Metallen zu bringen, die eine geringere Sauerstoff
affinität aufweisen als die Folie. Diese liefern
Sauerstoff zur Oxidation des Metalls der Fo
lie. Nach dem Erhitzen und den dabei ablaufenden Re
doxreaktionen besteht das Teil aus feinen Oxidkörnern,
bzw. aus einem verschränktem Gefüge aus Oxid- und Me
tallkörnern. Zur Erhöhung der Festigkeit können die
Teile bei erhöhter Temperatur gesintert werden.
Neben den Verfahren, die für die in den Ansprüchen Schutz
begehrt wird, gibt es eine Reihe weiterer Verfahren,
mit denen eine definierte Struktur in Folien hergestellt
werden kann, z. B. Wabenstrukturen im Flugzeugbau. Durch
solche Strukturen kann die Festigkeit des geformten Teils
erheblich gesteigert werden, besonders wenn es nach
dem Verfahren mit Kunststoff oder Metall getränkt wird.
Vor dem Erhitzen erfolgt die Formgebung an metallischen
Folien. Unter Folien wird in den Ansprüchen, wenn nicht
ausdrücklich anders bezeichnet, Blätter, Folien und dün
ne Bänder mit einem Durchmesser von 0,5-100 µm verstan
den, wobei auf diesen "Folien" ein- oder zweiseitig für
das Verfahren geeignete Oxide aufgebracht sind. Die Oxi
de können auch nur stellenweise, beispielsweise auf den
Kontaktstellen zweier Folienlagen aufgebracht sein.
Außerdem kann das Aufbringen der Oxide vor, während oder
nach der Formgebung der Folien erfolgen.
Es kann beispielsweise sinnvoll sein, in Laufrichtung
der Folie feine Oxidstreifen dort aufzubringen, wo beim
anschließenden Einwalzen von Profilen die extremsten Erhe
bungen und Einsenkungen in der Folie entstehen. Wenn die
Folien gestapelt werden, kommen die einzelnen Folien an
diesen Stellen in Kontakt. Beim Erhitzen versintern oder
reagieren die Komponenten an diesen Stellen besonders gut,
so daß ein fester Zusammenhalt der Lagen erreicht wird.
Bei Anspruch 7 bedeutet "fest werden", daß durch Verdam
pfen von Lösungsmitteln, durch Verdampfen der Flüssig
keit der Suspension, durch Reaktion usw. das organische
Formteil eine gewisse Festigkeit erreicht, so daß bei der
weiteren Formgebung die Folie den Umriß des Formkörpers
annimmt.
Die einfache Herstellbarkeit von komplexen Strukturen
beruht darauf, daß metallische Folien im Gegensatz zu
keramischen Rohstoffen gut verformbar sind.
Bei der Anwendung feiner Düsen können beispielsweise sehr
feine linienförmige organische Formkörper auf die Folie
aufgebracht werden. Sind die Düsen gekoppelt und wird
die relative Lage der einzelnen Folienlagen im Laufe des
Verfahrens nicht verändert, so daß sie beim Pressen oder
Walzen "auf Lücke" stehen, bildet sich beim Erhitzen eine
lineare Porenstruktur mit Porendurchmesser ungefähr in
der Größe der Formkörper. Beim Erhitzen brennen die or
ganischen Bestandteile aus. Die Zeichnung zeigt die
schematische Ansicht mit Formkörper (1) und Folien (2)
während des Pressens (3 = Preßrichtung). Die linienför
migen Formkörper und die Fläche der Folie stehen senk
recht zur Bildebene.
Da das Verfahren weitere Vorteile aufweist (siehe unten),
eignet es sich auch zur Herstellung von keramischen
Materialien und keramisch-metallischen Verbundmateria
lien mit Festkörper- und Porenstrukturen mit weniger exak
ten Abmessungen.
Bei genügend dünner Folie kann durch Einwalzen einer
geeigneten Menge von Oxiden durch das Verfahren ein
Gefüge erhalten werden, das dem von "Cermets" entspricht.
Die Temperaturen beim Erhitzen bzw. Brennen liegen be
deutend niedriger als Temperaturen bei der Herstellung
von Teilen mit entsprechender Zusammensetzung nach her
kömmlichen Verfahren.
Da die metallischen und keramischen Gefügekomponenten
erst während des Verfahrens entstehen, sind sie bedeu
tend reaktiver und sinterfähiger als Körner, die in
ihrer endgültigen chemischen Zusammensetzung geformt
und gebrannt werden. Metalle und Legierungen von Metal
len mit hohem Schmelzpunkt sind nur mit hohem techni
schen Aufwand herzustellen. Dieser entfällt bei Anwen
dung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit ge
sinterter keramischer Materialien,
besondes feuerfester Materialien, kann durch folgende
Maßnahmen gesteigert werden: Vor dem Pressen werden La
gen aus einer Schicht aus keramischen Materialien und
einer mit geeigneten Oxiden beschichteten Metallfolie
hergestellt. Es ist besonders günstig, wenn die Folie
Profile in Form aneinandergereihter "W"s aufweist, und
die Schichtdicke der keramischen Schicht die Dicke der
Folie um ein Vielfaches übersteigt. Danach wird das Ma
terial in der üblichen Form gepreßt und gebrannt. Die
entstehenden duktilen Metalle verbessern das Bruchver
halten des Materials.
Die Temperaturwechselbständigkeit und Festigkeit kera
mischer, insbesondere feuerfester Erzeugnisse, die ihre
Festigkeit vor oder während dem Einsatz durch Versin
tern erhalten, können auch durch die Zumischung von Roh
stoffen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellt sind, verbessert werden. Sie können sowohl bei ge
brannten Steinen als auch bei Massen im Grob- Mittel-
und Feinkorn eingesetzt werden. Sie wirken dann
als teilmetallische Armierung, wobei nicht nur das duk
tile Verhalten der Metallphase dieser Armierungskörper,
sondern auch deren Form zur Verbesserung des Festigkeits
verhaltens beiträgt. Stahlfasern werden z. B. in Feuerbe
tonen auch bei solchen Temperaturen eingesetzt, bei de
nen sie in kurzer Zeit verzundern. Die Form des verzun
derten Materials erhöht den Widerstand gegen Rißfort
schritt. Analoges gilt für die Form von Hohlräumen, die
durch das Ausbrennen zugesetzter Kunststoffhäcksel ent
stehen. Durch die einfache Verformbarkeit metallischer
Folien, können leicht Formen hergestellt werden, die den
Rißfortschritt verhindern.
Metalle mit hohem Schmelzpunkt und gutem Korrosions
widerstand wie Titan, Zirkonium, Chrom usw. treten in
ihrer Oxidform, teilweise als Verbindung, als natürliche
Minerale auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kön
nen geeignete hochschmelzende und oxidationsbeständige
metallische Verbindungen einfach und damit billiger
gewonnen werden, als durch die Herstellung aus reinen
Metallen. Diese Metalle bilden bei der Verzunderung
im Gegensatz zu Stahl feuerfeste Oxide.
Beim Tränken durch Kunststoff, schmelzflüssiges Metall
und durch oxidische Schmelzen haben nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren hergestellte Teile gegenüber nach her
kömmlichen Methoden hergestellten keramischen Teilen und
Cermets den Vorteil, daß mit ihnen feine, anisotrope
Strukturen hergestellt werden können.
Diese Strukturen können so gewählt werden, das sowohl die
Form als auch das Verhältnis der Verbundmaterialkompo
nenten (geformtes Teil und Tränkungsstoff) ein optima
les Werkstoffverhalten ergibt.
Im Gegensatz zu isolierten Verbundmaterialkomponenten
z. B. Fasern haben geformte Teile auch vor der Tränkung
schon eine beträchtliche Festigkeit.
Bei der Herstellung von Verbundmaterialien oder Material
verbunden durch Tränken mit geschmolzenem Metall oder
geschmolzenen Oxiden ist es häufig günstiger, die ge
formten Metallfolien vor der Tränkung nicht zu erhitzen.
Die Redoxreaktionen werden dann durch den Kontakt mit
der heißen Schmelze ausgelöst. Die entstehende Reak
tionswärme verzögert die Abkühlung, wodurch die Schmel
ze grobkristalliner auskristallisiert. Dies kann besonders für
schmelzgegossene Feuerfestmaterialien von Vorteil sein.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Tei
le weisen im Gegensatz zu Matten aus keramischen Fasern,
die ebenfalls mit geschmolzenem Metall getränkt werden
können, keine organischen Binder auf. Diese brennen
beim Tränken aus und verursachen durch Porenbildung
Festigkeitsverluste im Verbundmaterial. Werden durch
den Zusatz geeigneter Oxide beim erfindungsgemäßen Ver
fahren Metalle gebildet, haften die erstarrten Tränkungs
metalle gut am keramisch-metallischem Material, da sich
zwischen seinen Metallen und dem Tränkungsmetall eine
feine Legierungsschicht bildet.
Die Verwendung von erfindungsgemäß hergestellten Teilen
als Katalysatorträger hat den Vorteil, daß die Poren
größe und Form auf das Optimum von katalytischer Wirkung
und innerer Reibung eingestellt werden kann.
Die Beschichtung von Folien mit Katalysatoren vor der Stapelung zu Lagen
ist technisch einfacher durchzuführen als das gleichmäß
ige Einbringen in einen Trägerkörper. Außerdem läßt
sich die Schichtdicke der katalytischen Stoffe besser
kontrollieren, wodurch man weniger dieser Stoffe ein
setzen muß.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Porosität und ge
ringe Wärmeleitfähigkeit von Teilen, die nach dem er
findungsgemäßen Verfahren als Isoliermaterial hergestellt worden sind.
Weitere vorteihafte Merkmale des Verfahrens sind Ge
genstände von Unteransprüchen.
Als Beispiel soll die Herstellung eines geformten Teils
als feuerfester Rohstoff beschrieben werden.
Zwischen zwei Aluminiumfolien, 15 µm dick, werdenKörner
mit 20 µm Korngröße aus Cr2O3 gebracht. Das Verhältnis
Al zur Cr soll 1 : 1 betragen. Danach werden die Folien
mit den Oxiden gewalzt, wodurch diese in die Folien ein
gedrückt werden. Nun wird der Verbund in 5 mm breite
Streifen geschnitten, die zu wendeltreppenförmigen Spi
ralen gedreht, und in 15 mm lange Stücke geschnitten wer
den. Anschließend werden sie in feinen Korundsand einge
bettet und in einem Ofen in oxidierender Atmosphäre so
langsam auf solche Temperaturen erhitzt, daß das Teil
durch Redoxreaktionen fest wird. Eventuell am Teil an
haftender Korund stört bei der feuerfesten Anwendung
nicht.
Claims (31)
1. Verfahren zur Herstellung geformter Teile aus kerami
schen Materialien und keramisch-metallischen Materia
lien, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung an
metallischen Folien (0,5-50 µm dick) und/oder an Lagen
aus diesen Folien erfolgt und daß die Folien anschließ
end in oxidierender Atmosphäre zu solchen Temperatu
ren erhitzt werden, bei denen die metallischen Bestand
teile der Folien zumindest teilweise oxidiert werden.
2. Verfahren zur Herstellung geformter Teile aus kera
misch-metallischen Materialien, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formgebung an metallischen Folien (0,5-100 µm
dick) und/oder an Lagen aus diesen Folien erfolgt, daß
auf die Folie Körner von Oxiden von Metallen aufgebracht
werden, die eine bedeutend geringere Sauerstoffaffini
tät aufweisen als Hauptbestandteile der Folie und daß
die so beschichteten Folien auf Temperaturen erhitzt
werden, bei denen die Oxidkörner ganz oder teilweise
von den Metallen reduziert werden und die Metalle
durch die Oxidkörner ganz oder teilweise oxidiert wer
den.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oxidkörner in die Folie eingewalzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen mehrere Folien "Formkörper" gebracht wer
den, daß die Folien mit Druck belastet werden und daß
diese "Formkörper" nach Beendigung der Belastung wie
der entfernt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
Teile der Folien durch hohen Druck und durch die Form der
"Formkörper" stellenweise oder über größere Flächen mit
einander preßverschweißt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formkörper aus organischen Stoffen bestehen, die
beim Erhitzen verdampfen oder verbrennen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formkörper flüssig oder als Suspension in
Form dünner Streifen aufgetragen werden, die vor dem
Pressen fest werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Formkörper durch mechanisch, elektrisch oder elek
tronisch gekoppelte Düsen gleichzeitig auf mehrere
Folien oder Lagen einer Folie aufgetragen werden und daß
die Folien ohne eine Veränderung ihrer relativen Lage
gepreßt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen die einzelnen Lagen aus Folien feine metal
lische Drähte gebracht werden, und daß diese Drähte
beim Erhitzen durch Sauerstoff aus der Gasphase und/oder
durch zugesetzte Oxide mindestens teilweise oxidiert
werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Folie Profile gewalzt oder gepreßt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 2-10, dadurch gekennzeichnet,
daß mit geeigneten Oxiden beschichtete schmale Folien
und/oder so beschichtete plattgewalzte Drähte verdreht
oder verdrillt werden.
12. Verfahren wie Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
nach diesem Verfahren geformte Fasern und/oder stengel
förmige Teile vor dem Erhitzen zu Platten geformt und
gegebenenfalls gepreßt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
so hergestellte Fasern oder stengelförmige Teile nach dem Brennen
gegebenenfalls durch Binder zu Platten geformt werden und gegebenen
falls gepreßt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oxidkörner aus einer abgeschreckten Schmelze
hergestellt werden, wobei die Temperaturführung bei der
Abschreckung so erfolgen muß, daß ein Gefüge entsteht,
in dem sehr feine Kristallite von Schmelzphase umgeben
werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erniedrigung des Schmelzpunkts der Schmelze dieser SiO2 und/oder Al
kali- und/oder Erdalkalioxide zugegeben werden.
16. Verfahren nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Folienlagen vor dem Erhitzen keramische
Fasern gebracht werden.
17. Verfahren nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Folie aus den Hauptbestandteilen
Aluminium- und oder Zirkonium besteht.
18. Verfahren nach Anspruch 1-17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oxidkörner aus den einfachen oder höherwertigen
Oxiden von Nickel, Chrom, Eisen, Titan und/oder Zirkonium
bestehen.
19. Verfahren nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet,
daß das geformte Teil nach dem Erhitzen mit Kunststoff
getränkt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet,
daß das geformte Teil nach dem Erhitzen mit schmelz
flüssigen Metall getränkt wird.
21. Verfahren wie Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erhitzung durch das schmelz-flüssige Metall er
folgt.
22. Verfahren nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet,
daß das geformte Teil nach dem Erhitzen mit einer
schmelzflüssigen Oxidschmelze getränkt wird.
23. Verfahren wie nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erhitzung durch die schmelzflüssige Oxischmelze
erfolgt.
24. Erzeugnis mit Verfahren nach den Ansprüchen 22 und 23
hergestellt, dadurch gekennzeichnet, daß sie als schmelz
gegossene Erzeugnisse für feuerfeste Zwecke eingesetzt
werden.
25. Erzeugnis mit Verfahren nach Anspruch 1-18 hergestellt,
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Rohstoff in Form von
Grob-, Mittel-, und Feinkörner in feuerfesten Erzeugnis
sen eingesetzt werden.
26. Erzeugnis mit Verfahren nach Anspruch 1-18 hergestellt,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine dünne, flächenhafte
Form mit einem Profil aufweist, und daß es als Innenar
mierung in feuerfesten geformten Erzeugnissen eingesetzt
wird.
27. Erzeugnis, wie nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,
daß bei seiner Herstellung die Erhitzung durch den Brand
der Stein erfolgt.
28. Erzeugnis mit Verfahren nach Anspruch 1-18 hergestellt,
dadurch gekennzeichnet, daß es in feuerfesten Massen als
Anker eingesetzt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 2-18, dadurch gekennzeichnet,
daß Oxide eingesetzt werden, die im Laufe des Verfahrens
zu Metallen reduziert werden, die bei einem Einsatz des
Endproduktes als Katalysator katalytisch wirken.
30. Erzeugnis nach Anspruch 1-18 hergestellt, dadurch ge
kennzeichnet, daß es als Trägermaterial für Katalysato
ren eingesetzt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Folie, bevor sie zu Lagen gestapelt wird
katalytische Stoffe aufgebracht werden.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863633406 DE3633406A1 (de) | 1986-10-01 | 1986-10-01 | Verfahren zur herstellung geformter teile aus keramischen materialien und keramisch-metallischen verbundmaterialien |
| EP87906185A EP0325600A1 (de) | 1986-10-01 | 1987-09-29 | Verfahren zum herstellen von keramisch-metallischen verbundkörpern, sowie nach dem verfahren hergestellte verbundkörper und deren verwendung |
| PCT/EP1987/000558 WO1988002355A1 (en) | 1986-10-01 | 1987-09-29 | Process for manufacturing cermets, and composites manufactured according to this process, and the use thereof |
| AU80279/87A AU8027987A (en) | 1986-10-01 | 1987-09-29 | Process for manufacturing cermets, and composites manufactured according to this process, and the use thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19863633406 DE3633406A1 (de) | 1986-10-01 | 1986-10-01 | Verfahren zur herstellung geformter teile aus keramischen materialien und keramisch-metallischen verbundmaterialien |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19863633406 Withdrawn DE3633406A1 (de) | 1986-10-01 | 1986-10-01 | Verfahren zur herstellung geformter teile aus keramischen materialien und keramisch-metallischen verbundmaterialien |
Country Status (4)
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| AU (1) | AU8027987A (de) |
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