DE4233272C2 - Verfahren zum Gießen eines keramischen Anschlußstückverkleidungselements - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen ei­ nes keramischen Anschlußstückverkleidungselements gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5, um eine Auspufföff­ nung wie eine Kopföffnung und einen Krümmer in einem Ottomotor oder einem Dieselmotor zu verkleiden bzw. auszukleiden.

In den letzten Jahren ist die Umweltverschmutzung durch Autoab­ gase zu einem ernsthaften sozialen Problem geworden. Obwohl durch Verwendung eines Katalysators hauptsächlich eine Maßnahme ergriffen wird, um die in dem Gas enthaltenen Schadstoffe zu entfernen, ist es wünschenswert, die Verwendung von Edelmetallen wie Pt und RH, die als Katalysatoren verwendet werden, aus Roh­ stoff- und Kostengründen zu reduzieren. Weiterhin haben Vier- Ventil-Motoren, deren Zahl in den letzten Jahren angestiegen ist, das Problem, daß sich die Reinigungseigenschaften durch ei­ nen Katalysator aufgrund eines Abfalls der Abgastemperatur ver­ schlechtern. Um solche Probleme zu lösen wird vorgeschlagen, die Abgastemperatur durch eine adiabatische Funktion eines kerami­ schen Anschlußstückverkleidungselements anzuheben, mit dem die Auspufföffnung des Motors ausgekleidet ist. Ein keramisches An­ schlußstückverkleidungselement der vorliegenden Erfindung wird durch Entwässerungsgießen im allgemeinen mit einer Gipsform oder dergleichen hergestellt. Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Anschluß­ stückverkleidungselement in einer verzweigten Form mit zwei Öff­ nungen 3a und 3b, einem Abgasauslaß 4 und zwei darin angeordne­ ten Abgaswegen 2. Diese Art von keramischen Anschlußstückver­ kleidungselementen neigen dazu, am Verzweigungspunkt 5 dünn zu sein, wo häufig Schäden auftreten können.

Gießen unter Druck ist herkömmlicherweise als Schlickerguß be­ kannt und ist im wesentlichen für ein Festkörper-Schlickergießen übernommen worden. Dennoch ist es kaum beim Entwässerungsgießen angewendet worden, insbesondere nicht bei einem verzweigten ke­ ramischen Anschlußstückverkleidungselement. Daher sind Bedingun­ gen, wie der richtige Druck, beim Gießen eines keramischen An­ schlußstückverkleidungselements kaum untersucht worden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Gießen eines keramischen An­ schlußstückverkleidungselements ist aus der DE 37 41 002 A1 be­ kannt. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird das Anschluß­ stückverkleidungselement aus einem keramischen Material durch Entwässerungsgießen hergestellt. Der das keramische Material enthaltende Schlamm wird einem Druck von mehr als 0,49 MPa in einer Gußform ausgesetzt.

Ein weiteres Verfahren zum Druckschlickergießen von Formteilen aus keramischem Material ist aus der EP 0 306 865 A1 bekannt. Die Gußform weist einen Zweischichtaufbau mit einem mechanisch stabilen Träger mit großen Porenweiten und einer dünnen Trenn­ schicht mit kleinen Porenweiten auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gie­ ßen eines keramischen Anschlußstückverkleidungselements gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 oder 5 so weiterzubil­ den, daß das Risiko von Beschädigungen während des Gießens oder während des Gebrauchs verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß duch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 oder 5.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen defi­ niert.

Erfindungsgemäß ist die durchschnittliche Porengröße der Gußform 5 bis 75 mal größer als der durchschnittliche Durchmesser des zu vergießenden keramischen Pulvers, um zu verhindern, daß der Schlamm durch die Gußform dringt. Erfindungsgemäß werden die Gußformteile zum Gießen senkrecht zu ihrer Verbindungsebene ge­ geneinander gepreßt, so daß das Volumen um 0,3 bis 1% verringert wird.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines keramischen Anschlußstückverkleidungselements.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines kera­ mischen Anschlußstückverkleidungselements.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungs­ formen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Bei der Ausführungsform des Verfahrens zum Gießen eines kerami­ schen Anschlußstückverkleidungselements wird der Druck während des Entwässerungsgießen genau spezifiziert.

Genauer gesagt wird das Entwässerungsgießen eingesetzt, wobei der Schlamm einem Druck von 0,49 MPa (5 kgf/cm²) oder darüber ausgesetzt wird. Wenn der Druck unter 0,49 MPa liegt, wird ein gegossener Körper mit einer dünnen Verzweigung verformt, wobei an der Verzweigung Risse auftreten, wenn der gegossene Körper in ein Metallstück eingesetzt wird, um dieses auszukleiden.

Der Guß wird unter der Bedingung ausgeführt, daß die Gußform verändert wird, indem ihr Volumen im Bereich von 0,3% bis 1% in Richtung der angelegten Einschnürung bzw. Kontraktion reduziert wird. Wenn der Grad, um den das Volumen reduziert werden soll, geringer als 0,3% ist, verschlechtert sich die Kontinuität des Gusses in dem Bereich, wo Teile der Gußform verbunden sind, was zu Rissen führt, wenn das hergestellte Anschlußstückverklei­ dungselement mit der Innenseite eines Metalls verbunden wird (Metall-Keramik-Verkleidung). Wenn der Grad, um den das Volumen reduziert werden soll, über 1% liegt, wird die ganze Gußform übermäßig verformt, was manchmal zu Beschädigungen führt.

An der Außenseite der Gußform wird vorzugsweise ein Vakuum ange­ legt, und außerdem sind vorzugsweise die Kantenbereiche, die die Teilungslinien der Gußform bilden, nicht stumpf.

Es wird weiterhin bevorzugt, daß der zu verwendende Schlamm ei­ nen Wasseranteil von 13 bis 30 Gewichts-% und eine Viskosität von 0,05 bis 1 Pas (0,5 bis 10 poise) aufweist.

Für die Gußform ist ein poröser Kunstharz oder eine poröse kera­ mische Gußform ideal. Es ist eine Gußform mit einer durch­ schnittlichen Porengröße von etwa der durchschnittlichen Durch­ messergröße des keramischen Pulvers, das zu vergießen ist, ver­ wendet worden, weil die Gußform die Funktion haben muß, nur das Medium in dem Schlamm auszufiltern, das eine Mischung von Kera­ mikstaub und Wasser darstellt.

Wenn jedoch die Wasserpermeabilität der Gußform teilweise un­ gleich ist, hat sich als Problem herausgestellt, daß eine derar­ tige Gußform, bei der nur ihre Filtereigenschaft in Betracht ge­ zogen wird, zu Ungleichmäßigkeiten in der Dicke des gegossenen Körpers führt.

Dieses Problem wird gelöst, indem die durchschnittliche Poren­ größe an der Gußoberfläche der Gußform auf das 5 bis 75fache, vorzugsweise das 10 bis 50fache des Durchschnittsdurchmessers der keramischen Staubpartikel festgelegt wird.

Mit anderen Worten hat sich herausgestellt, daß, wenn eine durchschnittliche Porengröße an der Gußoberfläche der Gußform auf das 5 bis 75fache, vorzugsweise das 10 bis 50fache des Durchschnittsdurchmessers der keramischen Staubpartikel festge­ legt wird, die Poren der Gußform sich in einem frühen Stadium des Gießens mit keramischem Staub zusetzen und die Porengröße wesentlich herabsetzen. Weiterhin wird die hohe Wasserpermeabi­ lität vor dem Zusetzen auch nach dem Zusetzen aufrechterhalten, da Poren nur im oberen Bereich der Gußoberfläche der Gußform zu­ gesetzt werden. Weiterhin ist der Schritt, bei dem ein Medium wie Wasser durch die Schicht einer Keramikablagerung tritt, Durchlaß bestimmend, was nicht zu Ungleichmäßigkeiten in der Dicke führt, selbst wenn die Gußform ungleichmäßig in ihrer Was­ serpermeabilität ist.

Wenn die durchschnittliche Porengröße der Gußoberfläche der Guß­ form kleiner als das 5fache des durchschnittlichen Durchmessers der keramischen Staubpartikel ist, wird das zuvor erläuterte Problem nicht ausreichend gelöst. Wenn die durchschnittliche Po­ rengröße der Gußoberfläche der Gußform größer als das 75fache des Durchschnittsdurchmessers der keramischen Staubpartikel ist, ist es wahrscheinlich, daß der Schlamm durch die Gußform durch­ treten kann, wenn er unter Druck gesetzt wird, weil die Poren nicht zugesetzt sind.

Um zu gewährleisten, daß die Poren der Gußform in einem frühen Stadium des Gießens zugesetzt werden, wird der Druck, dem der Schlamm ausgesetzt wird, vorzugsweise so gesteuert, daß er 0,2 MPa (2 kgf/cm²) oder niedriger beträgt, bis die Ablagerung des Ke­ ramikstaubs bzw. -pulvers vollständig ist.

Die durchschnittliche Porengröße dieser Gußformart kann effekti­ ver eingestellt werden, indem ein Füllmittel nur auf die Guß­ oberfläche der Gußform aufgebracht wird. Ein Füllmittel, das aus einem Farbstoff (fester Staub) und einem farbexpandierenden Ma­ terial (ein filmbildendes Material) wie Farbe oder eines von beidem besteht, kann verwendet werden. Das feste Pulver wird aus synthetischer Faser, Kohlenstoff, Keramiken, Metallen oder ähn­ lichem ausgewählt. Ein filmbildendes Material wird aus syntheti­ scher Faser, Metalloxid enthaltenden Polymeren oder ähnlichem ausgewählt. Beide Auswahlen hängen von der Gußform und dem zu gießenden Material ab.

Als zu gießendes Material kann ein Aluminiumtitanat enthaltendes Keramikmaterial, Mullit oder desgleichen als Hauptbestandteil verwendet werden, obwohl ein Aluminiumtitanat enthaltendes Kera­ mikmaterial bevorzugt wird. Besonders bevorzugt ist, daß das Ma­ terial Aluminiumtitanat mit einem Anteil von 65 Gewichts-% oder mehr als Kristallphase enthält, wobei der durchschnittliche Par­ tikeldurchmesser des Kristalls 10 µm oder mehr beträgt, der Youngs-Modul zwischen 4,9 × 10⁸ und 1,96 × 10¹⁰ N/m² (50 und 2000 kgf/mm²) liegt, die Biegefestigkeit zwischen 4,9 × 10⁶ und 4,9 × 10⁷ N/m² (0,5 und 5,0 kgf/mm²) beträgt und die Porösität im Be­ reich von 5 bis 35% liegt.

Nachfolgend werden im Einzelnen drei Beispiele erläutert, die nur zu Darstellungszwecken dienen.

Beispiel 1:

Zu einem Material aus Aluminiumtitanat mit einer Zusammensetzung von 49.0% Al₂O₃, 45,5% TiO₂, 1,5% Fe₂O₃, 4,0% SiO₂ (Prozentangaben sind Gewichts-%) und einem durchschnittlichen Partikeldurchmes­ ser, der wie in Tabelle 1 gezeigt variiert wird, wird ein Pepti­ siermittel aus Polykarbonatoxid mit einem Anteil von 0,5 Ge­ wichts-% und Wasser mit einem Anteil von 14 Gewichts-% zugege­ ben. Dann wird ein Binder aus einem Akrylsäurekunstharz mit ei­ nem Anteil von 4,5 Gewichts-% zugegeben, um den Schlamm mit sei­ ner Viskosität von 0,3 Pas (3 poise) zu erhalten. Der Schlamm wurde in die Gußform aus einem porösen Kunstharz mit einem Druck, wie er in Tabelle 1 aufgeführt ist, eingespritzt und nach der Ablagerung eine zeitlang entwässert. Die verschiedenen Arten von Teststücken in einer verzweigten Form, die durch dieses "Entwässerungsgießen" erhalten werden, wurden getrocknet und an­ schließend gesintert, um Probestücke von Anschlußstückverklei­ dungselementen zu erhalten (Nr. 1 bis 8). Was den Test 1 angeht, war die Gußzeit 12% länger als bei Test 2.

Die Probestücke hatten eine Biegefestigkeit von 3,4 × 10⁷ N/m² (3,5 kgf/mm²), einen Youngs-Modul von 1,96 × 10¹⁰ N/m² (2000 kgf/mm²) und eine Porösität von 15%.

Die Probestücke wurden ausgewertet hinsichtlich des Grades, in dem die Partikel davon abgehalten wurden, die Gußform zu durch­ dringen, des Verformungsgrades, der durch die geringe Dicke am Verzweigungspunkt verursacht wurde, und der Ungleichheit der Dicke.

Der Durchschnittsdurchmesser der als Material verwendeten Pulver wurde durch ein Laserbeugungsverfahren ermittelt (CILAS 850 von CILAS ALCATAL SA. wurde verwendet), und die durchschnittliche Porengröße der Gußform wurde durch ein Verfahren gemessen, bei dem Quecksilber durch Druck beaufschlagt wird (Porosimeter Mo­ dell 2000 der Carloerba Company wurde verwendet).

Bei der Untersuchung der Durchdringung des Schlamms in einem Entwässerungsrohr für gefiltertes Wasser wurde in der Auswertung eine "O" gegeben, wenn der Feststoffanteil in dem gefilterten Wasser weniger als 1% und somit exzellent war, ein "D" wurde ge­ geben, wenn der Anteil 1% oder mehr und geringer als 3% und so­ mit gut genug für die praktische Verwendung war, und ein "X" wurde für 3% oder mehr Fehler angegeben.

Für die Ungleichmäßigkeit der Dicke wurde die Auswertung in Ab­ hängigkeit von der Differenz der Dicke am Verzweigungspunkt und an der dicksten Stelle mit "O" als exzellent bewertet, wenn die Differenz weniger als 0,5 mm betrug, mit "D" für 0,5 mm oder mehr und weniger als 1 mm als gut genug für die praktische Ver­ wendung, und mit "X" für 1 mm oder mehr als fehlerhaft.

Wie aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, werden die Stücke, die kaum Deformationen oder Ungleichmäßigkei­ ten in der Dicke aufweisen, aus einem Schlamm gewonnen, der ei­ nem Druck von 0,5 MPa (5 kgf/cm²) ausgesetzt wird, während die Stücke, die aus einem Schlamm gewonnen werden, der einem Druck von 0,3 MPa (3 kgf/cm²) ausgesetzt wurde, nicht genug geformt wa­ ren, um ausgewertet zu werden. Die Partikel traten kaum durch die Gußform durch, wenn die durchschnittliche Porengröße (B) der Gußform 5 bis 75 mal größer als der durchschnittliche Durchmes­ ser (A) der Keramikstäube war, während der gewonnene Körper un­ gleichmäßig und insbesondere an dem Verzweigungspunkt auch dünn war, wenn B/A 2,5 betrug. Wenn B/A 100 betrug, war der gegossene Körper nicht geformt genug, um ausgewertet zu werden, weil die Partikel durch die Gußform traten.

Beispiel 2:

Zu einem Material aus Aluminiumtitanat mit einer Zusammensetzung von 49,0% Al₂O₃, 45,5% TiO₂, 1,5% Fe₂O₃, 4,0% SiO₂ (Prozentangaben sind Gewichts-%), wird ein Peptisiermittel aus Polykarbonatoxid mit einem Anteil von 0,5 Gewichts-% und Wasser mit einem Anteil von 14 Gewichts-% zugegeben. Dann wird ein Binder aus einem Akrylsäurekunstharz mit einem Anteil von 4,5 Gewichts-% zugege­ ben, um den Schlamm mit einer Viskosität von 0,3 Pas (3 poise) zu erhalten. Der Schlamm wurde in die Gußform aus einem porösen Kunstharz unter einem Druck eingespritzt und nach einer Ablage­ rung eine zeitlang entwässert. Die verschiedenen Arten von Test­ stücken in einer verzweigten Form, die in ihren Dicken variie­ ren, welche erzielt wurden, indem der Grad der Volumenreduktion der Gußform und die Zeitdauer für den Guß wie in Tabelle 2 ge­ zeigt geändert wurde, wurden getrocknet und anschließend gesin­ tert, um Probestücke von keramischen Anschlußstückverkleidungse­ lementen zu erhalten (Nr. 1 bis 7). Der Druck, dem der Schlamm ausgesetzt wurde, betrug 2 MPa (20 kgf/cm²).

Die Probestücke hatten eine Biegefestigkeit von 3,4 × 10⁷ N/m² (3,5 kgf/mm²), einen Youngs-Modul von 1,96 × 10¹⁰ N/m² (2000 kgf/mm²) und eine Porösität von 15%.

Die Probestücke wurden mit dem Inneren der 7 mm dicken Aluminium­ legierung (Metall-Keramik-Verkleidung) verbunden und die Eigen­ schaften als Verkleidung und ihre adiabatischen Eigenschaften ausgewertet.

Die adiabatische Eigenschaft wurde ausgewertet, indem die Tempe­ ratur der Innenfläche von Aluminium am Verzweigungspunkt gemes­ sen wurde, wenn Propanabgas mit einer Temperatur von 700°C durch die Wege in den Probestücken geschickt wurde. Die Auswertung wurde mit "O" bewertet, wenn die gemessene Temperatur 350°C oder niedriger war und als fair mit "X" bei einer Temperatur über 350°C bezeichnet.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, ist, wenn das reduzierte Volumen der Gußform durch Einschnürung geringer als 0,3% ist, der dünnste Teil des gewonnenen kerami­ schen Anschlußstückverkleidungselements dünner als die vorgege­ bene Dicke und das Verhältnis der maximalen Dicke zur minimalen Dicke (maximale Dicke/minimale Dicke) eines jeden Anschluß­ stückverkleidungselements größer als 1,5. Andererseits wird, wenn das reduzierte Volumen der Gußform durch die Einschnürung bzw. Kontraktion 1,0% übersteigt, eine Deformation der Gußform verursacht.

Wenn der dünnste Teil des gewonnenen keramischen Anschlußstück­ verkleidungselements dünner als 2 mm ist, wird eine Rißbildung aufgrund der Metall-Keramik-Verkleidung beobachtet und die adia­ batischen Eigenschaften versagen. Andererseits ist die Zeit, die zum Gießen verwendet wird, zu lang, wenn der dickste Teil des gewonnenen keramischen Anschlußstückverkleidungselements dicker als 4,5 mm ist, was unökonomisch ist. Es hat sich weiterhin als besser herausgestellt, daß das Verhältnis der maximalen Dicke zur minimalen Dicke (maximale Dicke/minimale Dicke) eines je­ den Anschlußstückverkleidungselements 1,5 oder niedriger ist.

Beispiel 3:

Ein Probestück eines 3 mm dicken keramischen Anschlußstückver­ kleidungselements wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 2 er­ halten mit der Ausnahme, daß Mullit als keramisches Material verwendet wurde. Durch die Messung seiner adiabatischen Eigen­ schaft in gleicher Weise wie in Beispiel 2 wurde bestätigt, daß es einen genauso hohen adiabatischen Effekt wie das keramische Anschlußstückverkleidungselement aus Beispiel 2 hat.

Das Probestück hatte eine Biegefestigkeit von 7,8 × 10⁷ N/m² (8 kgf/mm²) einen Youngs-Modul 9,3 × 10¹⁰ N/m² (9500 kgf/mm²) und eine Porösität von 10%.

Das Verfahren dient zum Gießen eines keramischen Anschlußstück­ verkleidungselements aus einem keramischen Material durch Ent­ wässerungsgießen. Der Schlamm des keramischen Materials wird ei­ nem Druck von 0,49 MPa (5 kgf/cm²) oder höher in der Gußform ausgesetzt. Das Verfahren ist auch zum Gießen unter der Bedin­ gung, daß die Gußform verändert wird, indem ein bestimmtes Volu­ men innerhalb eines Bereichs von 0,3% bis 1% in Richtung der aufgebrachten Einschnürung reduziert wird, geeignet. Nach diesem Verfahren können keramische Anschlußstückverkleidungselemente ohne Deformation und Ungleichmäßigkeiten in der Dicke erhalten werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Gießen eines keramischen Anschlußstückverkleidungselements aus einem keramischen Material durch Entwässerungsgießen, wobei der das keramische Material enthaltende Schlamm einem Druck von 0,49 MPa oder höher in einer Gußform ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Porengröße der Gußform 5 bis 75 mal größer als der durchschnittliche Durchmesser des zu vergießenden keramischen Pulvers ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlamm einem Druck von 0,98 MPa oder höher in der Gußform ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlamm einem Druck von 0,2 MPa oder niedriger in einem frühen Stadium des Gießens ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Porengröße der Gußform 10 bis 50 mal größer als der durchschnittliche Durchmesser des zu vergießenden keramischen Pulvers ist.

5. Verfahren zum Gießen eines keramischen Anschlußstückverkleidungselements aus einem keramischen Material durch Entwässerungsgießen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen unter der Bedingung durchgeführt wird, daß die Gußform verändert wird, indem ihr Volumen innerhalb eines Bereichs von 0,3 % bis 1,0% in Richtung der aufgebrachten Kontraktion der Gußform verringert wird, wobei die Kontraktionsrichtung als im wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungsebene von Gußformteilen definiert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Aluminiumtitanat ist.