DE3723763A1

DE3723763A1 - Verfahren zur herstellung eines zusammengesetzten koerpers aus einem gesinterten keramischen material und einem metall

Info

Publication number: DE3723763A1
Application number: DE19873723763
Authority: DE
Inventors: Masato Taniguchi; Yoshinori Narita
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-07-21
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1988-01-28
Also published as: US4828009A; DE3723763C2; JPS6330168A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzen Körpers aus einem gesinterten keramischen Material und einem Metall.

Keramische Materialien weisen eine relativ hohe Druckfestigkeit auf, sie weisen jedoch demgegenüber eine niedrige Zugfestigkeit und eine geringe Stoßfestigkeit auf. Um diese unzureichenden Festigkeiten zu kompensieren,wurde die Kombination eines keramischen Materials mit einem Metall vorgeschlagen. Bekannte Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kombination sind das Eingießen und eine Verbindung mittels eines Schrumpfsitzes.

Die Ausbildung eines Schrumpfsitzes stellt eine relativ einfache Maßnahme zur Herstellung einer derartigen Kombination dar, weist je doch eine Reihe von Nachteilen auf, da die möglichen Abmessungen ke ramischer Materialien oder Körper, welche für einen Schrumpfsitz ge eignet sind, sehr begrenzt sind und da auf die mittels eines Schrumpf sitzes hergestellte Kombination eine Belastung nur in einer festge legten Richtung einwirkt. Aus diesen Gründen sind die Arten und Ver wendungsmöglichkeiten derartiger durch einen Schrumpfsitz hergestell ter Produkte begrenzt.

Das Eingießverfahren weist demgegenüber Vorteile auf, da das kerami sche Material hinsichtlich Druckbelastungen eine hohe Festigkeit auf weist und da das Eingießverfahren verwendet werden kann, um ein End produkt mit einer komplizierten geometrischen Gestaltung herzustel len. Das Eingießverfahren weist jedoch dadurch einen erheblichen Nachteil auf, daß zwischen dem keramischen Material und dem Metall eine Ausnehmung oder ein Hohlraum ausgebildet wird. Dies führt dazu, daß der Gießvorgang des Metalls auf das keramische Material unzuläng lich ist. Die Ausbildung der Ausnehmung oder des Hohlraumes wird durch eine Anzahl von verschiedenen Faktoren hervorgerufen, wie etwa die geringe Benetzbarkeit des keramischen Materials durch die Metall schmelze, das Gas in dem geschmolzenen Metall und die Feuchtigkeit des keramischen Materials, falls dieses porös sein sollte. Zwischen einem Produktbereich, der eine Ausnehmung oder einen Hohlraum zwischen dem keramischen Material und dem Metall aufweist und einem anderen Produktbereich, bei welchem das keramische Material und das Metall mit einander in Kontakt stehen, bildet sich ein Spannungsdifferential aus. Das hat zur Folge, daß das keramische Material einen Spannungsbruch erleidet. Zur Vermeidung der Ausbildung einer Ausnehmung oder eines Hohlraumes wurden bisher bekannte Maßnahmen vorgeschlagen, wie etwa eine Vorerwärmung des keramischen Materials und eine Beschichtung der Oberfläche des keramischen Materials. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend und erhöhen die Herstellungs kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels dessen sich die Nachteile des Standes der Technik vermeiden lassen und bei welchem zwischen dem keramischen Material und dem Metall kein Hohlraum ausgebildet wird.

Erfindungsgemäß wird in dem gesinterten keramischen Material eine Durchgangsausnehmung zum Ausströmen von Gas vorgesehen, bevor das keramische Material in das Metall eingegossen wird. Die Durchgangs ausnehmung kann in dem gesinterten keramischen Material entweder vor der Sinterung oder nach der Sinterung ausgebildet werden. Die Durch gangsausnehmung wird an einer Stelle des gesinterten keramischen Ma terials angeordnet, an welcher bei einem Vortest, bei welchem das gesinterte keramische Material ohne eine derartige Durchgangsaus nehmung in das Metall eingegossen wird, ein Hohlraum entstand.

Wenn das gesinterte keramische Material, welches die erfindungsge mäße Durchgangsausnehmung aufweist, in das Metall eingegossen, d.h. von Metall umgeben wird, strömt das Gas, welches normalerweise zwi schen dem gesinterten keramischen Material und dem Metall verbleiben würde und den Hohlraum bilden würde, durch die Durchgangsausnehmung in die Umgebungsatmosphäre.

Wenn der Durchmesser der Durchgangsausnehmung geringer ist als 0,5 mm, erfolgt keine ausreichende Gasausströmung. Wenn der Durchmesser der Durchgangsausnehmung größer ist als 3 mm, besteht die Möglichkeit, daß Metallschmelze in die Durchgangsausnehmung einströmt. Der Durch messer sollte deshalb bevorzugterweise in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen. Weiterhin kann ein gasdurchlässiges, wärmebestän diges Material verwendet werden, um die Durchgangsausnehmung auszu füllen und um somit einen Eintritt der Metallschmelze in die Durch gangsausnehmung zu verhindern. Die Wahrscheinlichkeit, daß geschmol zenes Metall in die Durchgangsausnehmung einströmt, hängt von der Benetzungsfähigkeit der Metallschmelze gegenüber dem gesinterten ke ramischen Material und von der Viskosität der Metallschmelze ab.

Da zwischen dem gesinterten keramischen Material und dem Metall bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Ausnehmung bzw. kein Hohlraum ausgebildet wird, sind das Metall und das gesinterte keramische Material in ordnungsgemäßer Weise miteinander verbunden und das gesinterte keramische Material ist nicht bruchgefährdet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 und 2 Schnittansichten zusammengesetzter, aus einem gesin terten keramischen Material und einem Metall bestehen der Körper, welche gemäß einem bekannten Verfahren hergestellt wurden;

Fig. 3 (A) eine Schnittansicht eines zusammengesetzten Körpers, welcher aus einem gesinterten keramischen Material und einem Metall besteht und gemäß einem ersten Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens herge stellt wurde;

Fig. 3 (B) eine Schnittansicht eines zusammengesetzten Körpers, welcher eine Hilfskammer einer Brennkraftmaschine bil det und welcher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde; und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines aus einem gesinterten kera mischen Material und einem Metall bestehenden zusammen gesetzten Körpers, welcher gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens herge stellt wurde.

In den Fig. 1 und 2 sind Schnittansichten zusammengesetzter Körper 31 und 41 dargestellt, welche aus gesinterten keramischen Materialien 32 und 44 und aus Metallen 34 und 44 bestehen. Die Körper 31 und 41 wurden unter den gleichen Bedingungen hergestellt, wie die Körper 11 und 21 der Fig. 3 und 4, mit der Ausnahme, daß in den gesinterten keramischen Materialien 32 und 42 keine Durchgangsausnehmungen vor gesehen sind. Das führt zu dem Ergebnis, daß zwischen den gesinterten keramischen Materialien 32 und 42 und den Metallen 34 und 44 der zu sammengesetzten Körper 31 und 41 Hohlräume 39, 49 a und 49 b ausgebil det wurden.

Fig. 3 (A) zeigt eine Schnittansicht eines zusammengesetzten Körpers 11, welcher aus einem gesinterten keramischen Material 12 und einem Metall 14 besteht und welcher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Das gesinterte keramische Material 12 ist in Form einer hohlen Halbkugel ausgebil det und besteht im wesentlichen aus Aluminiumtitanat und weist einen Außendurchmesser von 30 mm, eine Höhe von 25 mm und eine Dicke von 3 mm auf. Nahe dem oberen Scheitel der Halbkugel wurde eine Durch gangsausnehmung 13 mit einem Durchmesser von 1 mm in dem gesinterten keramischen Material 12 vorgesehen. Das Metall 14 besteht aus ei ner Aluminiumlegierung (AC-4B) in welche das gesinterte keramische Material 12 mittels eines Kernes eingegossen wurde, wobei der Kern in der inneren Ausnehmung des mit der Durchgangsausnehmung 13 verse henen gesinterten keramischen Materials 12 verblieb. Nachdem der Gießvorgang abgeschlossen war, wurde der Kern entfernt. Der zusammen gesetzte Körper 11 ist somit ohne Ausbildung eines Hohlraums zwischen dem gesinterten keramischen Material 12 und dem Metall 14 hergestellt worden. Das führte zu dem Ergebnis, daß das gesinterte keramische Material 12 eine stark herabgesetzte Scherbruchanfälligkeit auf weist.

Fig. 3 (B) zeigt eine Schnittansicht des zusammengesetzten Körpers 11, welcher eine Hilfskammer einer Brennkraftmaschine umfaßt. Eine Glühkerzenausnehmung 15 und eine Düsenausnehmung 16 sind in dem ge sinterten keramischen Material 12 und dem Metall 14 der Hilfskammer mittels eines Bohrvorganges ausgebildet worden. Ein Stopfen 18, wel cher aus Si₃N₄ besteht, wurde zusammen mit einer zwischengelagerten Dichtung 17 in die Öffnung des gesinterten keramischen Materials 12 eingefügt, um die Hilfskammer zu vervollständigen. Wenn eine Ausneh mung, wie etwa die Ausnehmung 15 für die Glühkerze oder die Ausneh mung 16 für die Düse an der gleichen Stelle eingebohrt wird, an wel cher die Durchgangsausnehmung angeordnet war, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Durchgangsausnehmung aus dem fertigen zusammenge setzten Körper 11 zu entfernen.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines zusammengesetzten Körpers 21, welcher aus einem gesinterten keramischen Material 22 und einem Me tall 24 besteht und welcher mittels eines Herstellungsverfahrens ge mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wur de. Das gesinterte keramische Material 23 besteht im wesentlichen aus Aluminiumtitanat und ist in Form einer Strömungskanalbuchse einer Brennkraftmaschine ausgebildet. In den inneren und äußeren gebogenen Bereichen des gesinterten keramischen Materials 22 sind Durchgangs ausnehmungen 23 a, 23 b, welche jeweils einen Durchmesser von 0,8 mm aufweisen, vorgesehen. Das Metall 24 besteht aus einer Aluminium legierung (AC-4B) in welcher der gesinterte keramische Körper 22 ein gegossen ist. Nach Beendigung des Eingießvorganges wurde ein Kern entfernt. Der zusammengesetzte Körper 21 wurde somit hergestellt, ohne daß ein Hohlraum zwischen dem gesinterten keramischen Material 22 und dem Metall 24 ausgebildet wurde. Dies führt zu dem Ergebnis, daß der gesinterte keramische Körper 22 keinem Scherbruchrisiko ausge setzt ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausgestaltungsformen beschränkt, es ergeben sich vielmehr für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungsmöglichkeiten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers aus einem gesinterten keramischen Material und einem Metall, gekennzeichnet durch die Ausbildung einer Durchgangsausnehmung (13, 23 a, 23 b) in dem gesinterten keramischen Material (12, 22) und durch Eingießen des gesinterten keramischen Materials (12, 22) in das Metall (14, 24).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsausnehmung (13, 23 a, 23 b) einen Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte keramische Material (12, 22) im wesentlichen aus Aluminiumtitanat besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß die Durchgangsausnehmung (13, 23 a, 23 b) vor dem Eingie ßen mit einem gasdurchlässigen, wärmebeständigen Material gefüllt wurde.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Durchgangsausnehmung (13, 23 a, 23 b) an einer Stelle des gesinterten keramischen Materials (12, 22) ausgebildet wur de, an welcher in dem fertigen zusammengesetzten Körper (11, 21) eine größere Ausnehmung (15, 16) vorgesehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu sammengesetzte Körper (11, 21) in Form einer Hilfskammer einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist und daß die größere Ausneh mung in Form einer Glühkerzenausnehmung (15) ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu sammengesetzte Körper (11, 21) in Form einer Hilfskammer einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist und daß die größere Ausneh mung in Form einer Düsenausnehmung (16) ausgebildet ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten, aus einem gesinterten keramischen Material und einem Metall bestehenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gesinterten keramischen Material (12, 22) eine Durchgangsaus nehmung (13, 23 a, 23 b) ausgebildet ist, wobei das gesinterte keramische Material (12, 22) einen Kern umfaßt, daß das gesinter te keramische Material (12, 22) in dem Metall (14, 24) einge gossen wird und daß der Kern entfernt wird.