DE3707396A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen werkstoffes und verfahren zur beschichtung von werkstuecken mit diesem werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffes, der zu mehr als 90 Gew.-% aus β-Al₂TiO₅ besteht, und erstreckt sich auf ein Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken aus Metall, Keramik, Holz, Kunststoff oder anorganischen Fasermaterialien.

Als Werkstoff zur Herstellung von feuerfesten Gegenständen ist es allgemein bekannt, silikathaltiges Aluminium-Titanat zu verwenden. Je nach Zusammensetzung des Werkstoffes weisen daraus hergestellte keramische Metallverbundkörper eine gute Temperaturbeständigkeit, eine hohe Korrosions­ festigkeit und eine ausreichende mechanische Festigkeit auf.

Aus der DE-AS 27 50 290 ist es bereits bekannt, durch die kombinierte Zugabe von Oxidverbindungen die Eigenschaften von Aluminium-Titanat zu verbessern. Danach läßt sich silikathaltiges Aluminium-Titanat, bestehend aus Rohstoffen mit einer Korngröße unter 0,6 µ und einer chemischen Zusammensetzung von 50 bis 60 Gew.-% Al₂O₃, 40 bis 45 Gew.-% TiO₂, 2 bis 5 Gew.-% Kaolin und 0,1 bis 1 Gew.-% Magnesiumsilikat als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen verwenden, die einen Temperaturschock­ koeffizienten von R = 130 bis 180 (W/cm), eine Wärmedämmung von λ = 0,01 bis 0,03 (W/cm K), einen Ausdehnungs­ koeffizienten von AK = ⁺ 0,5 × 10^-6/°C, einen E-Modul von ca. 13 × 10³ (N/mm²) und eine Biegefestigkeit von σ _B = 40 (N/mm²) bzw. eine Druckfestigkeit von σ _D = 700 (N/mm²), ferner eine Nichtbenetzbarkeit gegenüber den meisten NE-Metallen und Laugenbeständigkeit besitzen.

Der bekannte Werkstoff hat die Vorteile, daß er einfach herzustellen ist und daraus auch Körper geformt werden können, ohne ein teures Heißpressen oder andere aufwendige Verfahren benutzen zu müssen. Deshalb wird auch vorgeschlagen, aus dem silikathaltigen Aluminium-Titanat mit Zugaben von Oxidverbindungen in vorteilhafter Weise Feuerfestprodukte, insbesondere Gießereiartikel, wie Thermoelementenschutzrohre, Gaseinleitungsrohre, Verschlußstopfen, Steigrohre, Ventilstopfen, Gießlöffel, Gießauskleidungen und Steigereinsätze herzustellen. Auch wird der bekannte Werkstoff zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundkörpern, insbesondere Zylinderkopf-Abgasstränge und Abgassammelleitungen, empfohlen. Bei diesen Anwendungsfällen muß aber aus dem Werkstoff zunächst ein Formkörper hergestellt werden, der sodann zu sintern ist. Der gesinterte Formkörper kann in flüssiges Aluminium eingetaucht oder nach bekannten Gießereiverfahren in eine Gießform eingesetzt werden, worauf geschmolzenes Aluminium in den verbleibenden Formenhohlraum eingegossen wird. Auf diese Weise läßt sich ein mit Keramik ausgekleideter, wärmeisolierter Metallhohl­ körper herstellen.

Wegen der dabei erforderlichen Vorfertigung der Keramik­ auskleidung als kompaktes Konstruktionsteil, gestaltet sich der Herstellungsprozeß derartiger Produkte insgesamt als sehr aufwendig, wogegen es produktionstechnisch wesentlich vorteilhafter wäre, die Keramikauskleidung durch eine thermische Spritzbeschichtung des Werkstückes zu erzielen, zumal sich dabei im Gegensatz zu kompakten Konstruktionsteilen wesentlich geringere Ausschußraten ergeben.

Obschon auch Spritzbeschichtungsverfahren dieser Art allgemein bekannt sind, läßt sich damit silikathaltiges Aluminium-Titanat aus Rohstoffen mit einer Korngröße unter 0,6 µ nicht auftragen, weil die geringe Korngröße zu einer Agglomeration der Werkstoffpartikel führt, bevor diese eine homogene Beschichtung auf der Werkstückoberfläche bilden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffes für eine Ausklei­ dung von Werkstücken vorzuschlagen, der es insbesondere er­ laubt, im thermischen Spritzverfahren auf eine zu beschich­ tende Oberfläche von Werkstücken aufgetragen zu werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen und erfindungsgemäß vorgeschlagen, aus dem so erhaltenen Zwischenprodukt Granalien mit einer Größe zwischen 5 und 90 µ zu separieren und die separierten Granalien für die Dauer von etwa 5 bis 120 min einer Glühbehandlung mit einer Temperatur zwischen 400 und 900°C zu unterwerfen.

Durch die erfindungsgemäße Glühbehandlung der separierten Granalien erfolgt eine Veredlung bzw. Modifikation des Werkstoffes, wobei sich vermutlich der organische Binder rückstandslos auflöst. Die Dauer der Gühbehandlung ist umso kürzer je größer der Anteil der Granalien ist, die sich der unteren Grenze des Kornspektrums nähern. Keinesfalls darf die Glühbehandlung zu einer Agglomeration der Granalien führen.

Durch Versuche konnte nachgewiesen werden, daß sich der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Werkstoff bei ausreichender Haftung und Dichte in Schichten ab 0,03 mm bis über 3,00 mm auftragen läßt, wobei die Thermoschockbeständigkeit und der Korrosionsschutz dieser Schichten hervorragende Werte erreichen.

Der erfindungsgemäße Beschichtungswerkstoff eignet sich besonders für ein Verfahren zur Spritzbeschichtung von Werkstücken aus Metall, Keramik, Holz, Kunststoff oder anorganischen Fasermaterialien, wobei auf den zu beschichtenden Flächen der Werkstücke zunächst eine Schicht aus einem Haftvermittler, beispielsweise eine Chrom-Nickel-Schicht, und darauf der die Oberfläche bildende Beschichtungswerkstoff aufgebracht wird.

Trotz des Erfordernisses, auf die zu beschichtenden Flächen der Werkstücke zunächst eine Schicht aus einem Haftver­ mittler aufzubringen, ermöglicht das erfindungsgemäße Spritzverfahren eine größere Wirtschaftlichkeit, insbesondere für bestimmte Einsatzgebiete, wie z. B. Stellen an Auspuffkrümmern oder an Auslaßventilsitzen, im Vergleich zu kompakten Keramikteilen, die nach dem Gieß- und Sinterverfahren hergestellt sind, zumal der Einsatz von Modellen und Formen zur Herstellung einer keramischen Auskleidung gänzlich entfällt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtungen zeichen sich auch durch eine Duktilität und somit gewisse Elastizität gegenüber der bekannten Kompaktkeramik aus.

Schließlich können nach einer Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Spritzverfahrens zur Pufferung des Ausdehnungs­ koeffizienten und zur Verbesserung der Thermo-Schock- Beständigkeit mehrere Schichten aufeinanderfolgend auf die Werkstücke aufgebracht werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter und aufgespritzter Werkstoff aus schmelzgegossenem mulithaltigem β-Aluminium-Titanat kann somit in besonders einfacher Weise dazu dienen, Werkstücke aus unterschiedichstem Material mit einer temperatur-, korrosions- und verschleißbeständigen Beschichtung zu versehen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werk­ stoffes, der zu mehr als 90 Gew.-% aus β-Al₂TiO₅ besteht, eine chemische Zusammensetzung aus 53,00- 55,50 Gew.-% Al₂O₃ und 32,75-43,90 Gew.-% TiO₂ aufweist und folgende zusätzliche Oxide enthält: 0,05-3,00 Gew.-% ZrO₂ 0,15-7,90 Gew.-% SiO₂ -3,00 Gew.-% MgO 0,01-0,05 Gew.-% CaO 0,20-0,50 Gew.-% Fe₂O₃ 0,20 Gew.-% Na₂Ound dessen mineralogische Gesamtzusammensetzung aus reinem, mit MgO oder Fe₂O₃ stabilisiertem β-Al₂TiO₅ und β-Al₂TiO₅ mit 3 Al₂O₃-2 SiO₂, Mg Al₂O₄, Al₂O₃ und ZrO₂ besteht, wobei aus diesem Ausgangsstoff eine Schmelze erzeugt wird, die nach ihrem Erstarren zerkleinert und mit einem Anteil von 0,5-3,0 Gew.-% eines organischen Binders mit mehr als 4 C-Atomen in eine Suspension überführt wird, aus der durch Sprühtrocknung etwa kugelförmige Granalien mit einem Kornspektrum zwischen 10 und 250 µ erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus diesem Zwischenprodukt Granalien mit einer Größe zwischen 5 und 90 µ separiert und für die Dauer von etwa 5-120 min einer Glühbehandlung mit einer Temperatur zwischen 400 und 900°C unterworfen werden.

2. Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken aus Metall, Keramik, Holz, Kunststoff oder anorganischen Fasermaterialien, gekennzeichnet durch die Verwendung eines nach Anspruch 1 hergestellten Werkstoffes, wobei auf den zu beschichtenden Flächen der Werkstücke zunächst eine Schicht aus einem Haftvermittler, beispielsweise eine Chrom-Nickel-Schicht, und darauf der die Oberfläche bildende Beschichtungswerkstoff aufgespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pufferung des Ausdehnungskoeffizienten und zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit mehrere Schichten aufeinanderfolgend auf die Werkstücke aufgebracht werden.