DE69002429T2

DE69002429T2 - Ventil aus keramischem Verbundmaterial für Brennkraftmaschinen und dergleichen.

Info

Publication number: DE69002429T2
Application number: DE90117337T
Authority: DE
Inventors: Philip Louis Berneburg; Roy Warren Rice
Original assignee: WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1990-09-08
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2010-09-09
Also published as: DE69002429D1; US4928645A; EP0417676A3; KR910006600A; AU627131B2; ATE92156T1; EP0417676B1; EP0417676A2; JPH03164505A; ES2042164T3; AU6234690A; CA2023985A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft keramische Strukturen, die aus keramischem Faserkomposit oder Faserverbundmaterial hergestellt sind und insbesondere Ventilstrukturen auf keramischer Basis, die zur Anwendung in Brennkraftmaschinen oder inneren Verbrennungsmotoren und dergleichen geeignet sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verbesserungen an Ventilen für Brennkraftmaschinen und dergleichen sind zumehmend wegen der Schlüsselrolle begehrt, die sie sowohl bei der Motorleistung als auch der Zwischenzeit zwischen der Überholung von Maschinen spielen. Haupterfordernisse sind, die Ventilmasse im Hinblick auf ein besseres Ansprechverhalten zu verringern und den Verschleiß zu verringern, während man die Betriebssicherheit aufrechterhält oder verbessert; alles mit mäßigen Kosten. So wurden, obgleich Ventile meist aus Metall sind, keramische Stoffe wie zum Beispiel Si&sub3;N&sub4; für Motorventile wegen ihrer geringeren Dichte (etwa 40 % der von Stählen), ihrer großen Härte, ihrer Wärmetoleranz und Festigkeit gegen Korrosion, Abnutzung und Erosion ausprobiert. Doch ist die Betriebssicherheit bei Keramikmaterialien wegen ihrer "katastrophalen Versagensweise" eine ernste Angelegenheit gewesen.
US-Patent 4 359 022 offenbart Ventile, die aus keramischen Materialien wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid usw. hergestellt sind. Dieses Patent bezieht sich auf "faserähnliche" Strukturen, offenbart jedoch nur die Anwendung von gesinterten keramischen Pulvern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wurde nun ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Faser-verstärkten Kompositventils entwickelt, das als besonders geeignet zur Anwendung in Brennkraftmaschinen und dergleichen angesehen wird. Das Ventil gewährleistet die Leichtigkeit, Härte und Wärmefestigkeit, die man normalerweise mit Keramikmaterialien verbindet, wobei Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit hinzukommen. Fertige oder nachbearbeitete Ventile werden im allgemeinen dadurch produziert, daß man ein Vorformventil herstellt, das einen Schaftteil und einen Glockenteil wie hier beschrieben umfaßt, und dann das Vorformventil weiter verarbeitet, um ein geeignetes fertiges Ventil zu erhalten. Das Vorformventil oder der Ventilrohling ist ein Komposit, das einen länglichen Schaftteil aus faserhaltiger Keramik-Hülse oder -Hülle aufweist, die zum Einsatz in die Ventilführung einer Maschine geformt ist und mit einem axial ausgerichteten, unidirektionalen Bündel aus verstärkenden Keramikfasern gepackt ist. Die Keramikhülse ist vorzugsweise geflochten. Ein Ende der Hülse ist in den Glockenteil des Ventils eingepreßt. Der Glockenteil ist ein diskontinuierliche keramische Fasern aufweisenden keramisches Material und ist so geformt, daß er mit dem Ventilsitz einer Maschine zusammenpaßt. Die Schaftfasern (sowohl die Fasern des faserhaltigen Materials der Hülse als auch das darin eingeschlossene Faserbündel) gewährleisten dem Glockenteil innere Verstärkung. Die geformte Ventilstruktur wird in geeigneter Weise entweder während oder nach dem Formen des Schafts und der Hülse mit einer Matrix aus geeignetem keramischem Material und ferner, gegebenenfalls, mit einer Matrix aus Kohlenstoff und/oder anderem keramischem Material imprägniert und gefestigt oder versteift, wobei man eine verdichtete, mit keramischer Faser verstärkte Kompositventilvorform erhält. Das verdichtete Vorformventil kann verbessert werden (z.B. unter Anwendung einer chemischen Dampfablagerungsbehandlung), um ein Ventil zu erhalten, das leicht ist und höchst widerstandsfähig gegen Verschleiß, Stoß, Spannung, Wärme und Motorabgase; und das über eine vorteilhafte Dimensionsstabilität in dem Bereich der Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine verfügt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Ventil relativ leichten Gewichts verfügbar zu machen, das so hergestellt werden kann, daß es die Härte, Hochtemperatureinsetzbarkeit und Verschleißfestigkeit besitzt, die zur Anwendung in Brennkraftmotoren und dergleichen erforderlich sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Kornpositventil mit Widerstandsfähigkeit gegen die katastrophale Versagensweise verfügbar zu machen, die normalerweise für monolithische Keramiken typisch ist.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein keramisches Komposit oder einen Verbund verfügbar zu machen, der bei vernünftigen Kosten relativ leicht herstellbar ist.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
Zur Lösung dieser Probleme werden Faser-verstärkte keramische Kompositventile und Verfahren zum Herstellen derselben gemäß den Ansprüchen 1 bis 21 vorgeschlagen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Faser-verstärkte keramische Kompositventile einschließlich verbesserten oder nachbearbeiteten Formen und Vorformen werden gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbar gemacht. Jedes nachbearbeitete Ventil und Vorformventil besitzt einen länglichen Schaftteil, der zum Einsetzen in die Ventilführung einer Maschine geformt ist und eine faserhaltige keramische Hülse aufweist, die mit einem axial ausgerichteten unidirektionalen Bündel verstärkender keramischer Fasern gepackt ist; einen keramischen Glockenteil, der so geformt ist, daß er mit dem Ventilsitz einer Maschine zusammenpaßt und diskontinuierliche Keramikfasern aufweist; und eine Matrix aus keramischem Material, in welche die Fasern des Schafts und der Glocke eingebettet sind, wobei ein Ende der Schafthülse in die Glocke gepreßt ist. Wie vorliegend gebraucht, bedeutet die Beschreibung von in die Schafthülse als ein axial ausgerichtetes unidirektionales Faserbündel gepackten Fasern, daß entweder die einzelnen Fasern selbst oder Stränge derselben im allgemeinen parallel zu der Längsdimension des Schafts sind. Typischerweise werden Stränge (oder Towgarne) von multiplen Fasern angewandt, und obgleich die einzelnen Fasern dann nicht notwendigerweise selbst zu der Schaftlängsachse parallel sein müssen, was von der Windung des Strangs (oder Towgarns) abhängt, wird jeder Strang (oder Towgarn) im allgemeinen parallel zu dieser Achse sein, so daß das Bündel axial ausgerichtet und unidirektional ist, wodurch Steifheit gewährleistet wird, um Verformung zu widerstehen. In jedem Fall ermöglicht die direktionale oder Richtungs-Beschaffenheit des Faserbündels über die Länge des Schafts eine relativ enge Packung der Fasern und damit ein starkes, relativ steifes Faserbündel. Die diskontinuierlichen keramischen Fasern der Glocke müssen nicht ausgerichtet sein und sind typischerweise eher fast willkürlich orientiert. Bei einigen Herstellungstechniken können die diskontinuierlichen Fasern der Glocke dazu tendieren, parallel zu den Oberflächenumrissen der Glocke zu sein. Ein Ende der Schafthülse ist in die Glocke gepreßt, um damit eine ventilförmige Struktur zu bilden. Vorzugsweise ist dieses Ende des Schafts nach außen aufgeweitet, um den Kontakt des Schaftmaterials mit dem Glockenmaterial zu erleichtern und in vorteilhafter Weise die geformte Glocke zu verstärken.
Der Schafthülsendurchmesser kann in einem weiten Bereich variieren. Eine bevorzugte Hülse wird aus geflochtenen Strängen keramischer Fasern gebildet. Eine geflochtene keramische Hülse ist von verschiedenen Lieferanten im Handel erhältlich. Die Hülsen können aus verschiedenen faserartigen oder -haltigen Materialien hergestellt sein wie beispielsweise Aluminiumborsilikat-, Kieselsäure-, Siliciumcarbid-, und Kohlenstof /Graphitfasern. Bevorzugte Materialien umfassen Aluminiumborsilikat und Kieselsäure wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation unter den Bedingungen eines Motors. In einer bevorzugten Ausbildungsweise kann eine geflochtene Hülse unter Anwendung von Strängen von Fasern eines Durchmessers von 5 bis 20 Mikron hergestellt werden.
Die Hülse ist längs ihrer inneren Länge mit einem axial ausgerichteten unidirektionalen Bündel keramischer verstärkender Fasern bepackt. Die Wahl der Fasermaterialien umfaßt gewöhnlich die Erwägung chemischer und mechanischer Kompatibilität mit anderen Ventilmaterialien, der gewünschten Verwendungszwecke des Ventils, und der zur Ventilherstellung angewandte Technik. Typischerweise werden derartige Fasern aus Aluminiumborsilikat, Aluminiumoxid, Kieselsäure, Kohlenstoff/Graphit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und anderen ähnlichen Hochtemperaturfasern hergestellt. Wir bevorzugen Kohlenstoff/Graphitfasern, da sie im allgemeinen stark und steif sind, niedrige Dichten und geringe thermische Expansionscharakteristika haben, und gute Wärmeleiter sind. Die Materialien für die diskontinuierlichen keramischen Fasern der Glocke werden im allgemeinen aus der gleichen Gruppe von Materialien ausgewählt, die für die axial ausgerichteten Schaftfaserbündeln geeignet sind (z.B. Aluminiumsilikat oder Borsilikat, Aluminiumoxid, Kieselsäure, Kohlenstoff/Graphit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, oder Mischungen dieser Fasern).
Die nachbearbeiteten Ventile, die gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbar gemacht werden, umfassen die Glocke und den Schaft (einschließlich der Hülse und dem verstärkenden Faserpack innerhalb der Hülse) wie oben beschrieben, und werden wie unten beschrieben mit einer Matrix aus keramischem Material versteift, imprägniert und mit einer Matrix aus Kohlenstoff und/oder anderem geeigneten keramischen Material verdichtet, und werden mit einer harten Keramik zur Verschleißfestigkeit beschichtet. Matrixmaterialien, die Kohlenstoff und/oder andere keramische Materialien umfassen, werden wegen chemischer und mechanischer- Kompatibilität mit den Fasern gewählt. Kohlenstoff ist ein bevorzugtes Matrixmaterial wegen seiner allgemeinen Kompatibilität mit vielen Fasermaterialien und seiner geringen Dichte und guten Wärmeleitfähigkeit. Jedoch kann es für Motormilieus, in welchen übermäßige Kohlenstoffoxidation durch die äußere Beschichtung und Hülse stattfinden könnte, bevorzugt sein, andere keramische Matrixmaterialien anzuwenden wie zum Beispiel Aluminiumoxidsiliciumdioxid, Siliciumnitrid, und/oder Siliciumcarbid.
Das hart- oder steifgemachte und verdichtete Vorformventil kann mit einer harten Keramikschicht beschichtet werden, die chemisch und mechanisch mit den darunterliegenden Vorformmaterialien kompatibel ist und widerstandsfähig ist gegenüber Oxidation und Verschleiß. Siliciumcarbid und Siliciumnitrid sind bevorzugte Beschichtungsmaterialien.
Unter "Vorformventil" verstehen wir ein nicht-nachbearbeitetes Ventil, welches die Glocke und den Schaft aufweist (einschließlich der Hülse und den verstärkenden Fasern innerhalb der Hülse), ob versteift oder nicht, ob mit einer Kohlenstoff- oder keramischen Matrix (oder einem Vorläufer derselben) imprägniert oder nicht und ob mit einer verschleißfesten Beschichtung beschichtet oder nicht. Daher werden, obgleich steifgemachte Vorformventile als brauchbar zur Handhabung und anschließenden Verarbeitung angesehen werden, Vorformventile verschiedener anderer Herstellungsstufen als in dem Rahmen der Erfindung liegend angesehen.
Gemäß einer Ausbildungsweise einer Kompositventilvorform der Erfindung umfaßt das Vorformventil einen Ventilschaft, der zum Einsetzen in die Ventilführung eines Motors geformt ist. Der Ventilschaft weist eine längliche geflochtene Ventilschafthülse oder -hülle auf. Die geflochtene Ventilschafthülle hat ein aufgeweitetes Ende und ist mit einem axial ausgerichteten unidirektionalen Bündel verstärkender Fasern gepackt. Das Vorformventil weist auch einen Glockenteil auf. Der Glockenteil besitzt eine Scheibe und einen kegelförmigen Hals oder Neck, und bedeckt im allgemeinen und ist verstärkt durch das aufgeweitete Ende der Schafthülse. Der Glockenteil enthält diskontinuierliche keramische Fasern. Es gibt auch eine Einkerbung in dem Schaft für einen ventilhaltenden Ring oder eine andere Vorrichtung, und eine Vertiefung in der Glocke, die für manche Ventileinrichtungen erwünscht sein kann. Der Teil des Glockenhalses, welcher der Glockenscheibe benachbart ist, ist konisch (d.h. besitzt einen eher flachen als gekrümmten Querschnitt), um die Abdichtung eines hieraus hergestellten fertigen Ventils mit dem Ventilsitz einer Maschine zu erleichtern. Der Scheibenumfang könnte auch abgeschrägt sein, wenn es dienlich ist eine Oberfläche verfügbar zu machen, die sich zum Zusammenpassen mit einem speziellen Ventilsitz eignet.
Keramische Ventilvorformen der beschriebenen Art können gemäß dieser Erfindung unter Anwendung einer Reihe von Fabrikationstechniken und Materialien hergestellt werden. Sowohl Stückarbeit als auch Massenproduktionsverfahren sowie Kombinationen derselben sind möglich.
Die bevorzugte Methode zum Fertigen der Ventile, unabhängig von dem Herstellungsverfahren oder speziellen Herstellungsmaterialien, umfaßt die Stufen der Schaffung einer flexiblen länglichen Hülle aus keramischen Fasern, die zum Einsetzen in die Ventilführung eines Motors geformt ist und mit einem axial ausgerichteten unidirektionalen Bündel keramischer verstärkender Fasern gepackt ist; des Fusionierens eines Endes der Hülle in und innerhalb eines Ventilglockenteils aus keramischem Material flexibler und plastischer Konsistenz, das diskontinuierliche keramische Fasern enthält, um eine ventilförmige Struktur zu schaffen; und des Imprägnierens und Versteifens der ventilförmigen Struktur mit einer Matrix aus Keramik und gegebenenfalls darüber hinaus mit einer Matrix aus Kohlenstoff und/oder anderem geeigneten keramischen Material. Dementsprechend werden der Schaft und die Glocke während oder nach der Formung mit einer Matrix, in welche die Fasern eingebettet sind, versehen. Wie oben festgestellt, können die in dem keramischen Glockenteil enthaltenen diskontinuierlichen Fasern willkürlich orientiert sein. Vorzugsweise wird das Ende der Hülle, das in den Glockenteil fusioniert ist, vor dem Fusionieren aufgeweitet.
Bei einem stückweisen Herstellungsverfahren ist es erwünscht, die zusammengeschlossenen oder fusionierten Schaft- und Glockenteile zu versteifen, um ihre anschließende Bearbeitung zu erleichtern. Bei einem derartigen stückweisen Herstellungsverfahren wird vor der Versteifung eine ventilförmige Struktur mit Leerstellen zwischen den Fasern der Struktur (d.h. die Fasern sind nicht zu einer Dichte von 100 % gepackt) geschaffen und die Leerstellen werden mit einer wärmebindungsfähigen Keramik imprägniert. Dies kann leicht durchgeführt werden, indem man die zusammengeschlossenen Schaft- und Glockenteile mit einem in der Wärme bindungsfähigen keramischen Material durchtränkt, um eine zum Versteifen geeignete Ventilvorform zu bilden. Beispielsweise können Schaft und Glocke in ein Sol oder eine andere kolloidale Suspensionen keramischer Teilchen, beispielsweise kolloidale Suspensionen von Kieselsäure und/oder Aluminiumoxid eingetaucht werden. Die angewandte wärmebindungsfähige Keramik soll chemisch und mechanisch mit den Fasern kompatibel sein und bei einer relativ niederen Temperatur (d.h. geringer als etwa 1000ºC) binden. Die mit Keramik getränkten Glocken- und Schaftteile werden dann wärmebehandelt, um die wärmebindungsfähigen keramischen Teilchen zu binden und die Ventilvorform zu versteifen. Die durch dieses Erwärmen gebildete mit Keramik imprägnierte Struktur ist ein versteiftes Vorformventil, das einen Schaft aufweist, der zum Einsetzen in die Ventilführung eines Motors gestaltet ist, und eine Glocke, die zum Eingreifen oder Verbinden mit dem Ventilsitz dieses Motors ausgebildet ist. Die Leerstellen, die vor der Keramikimprägnierung vorhanden sind, werden teilweise während der Versteifung mit wärmebindungsfähigen Keramik gefüllt, die gebunden worden ist.
Um das Vorformventil durch weiteres Füllen der Leerstellen mit Kohlenstoff oder anderem Keramikmaterial zu verdichten, kann die versteifte Vorform mit einer Matrix aus Vorläufermaterial imprägniert werden. Fertige oder verbesserte Ventile können so aus solchen Vorformventilen durch weiteres Bearbeiten erzeugt werden, was das Imprägnieren der versteiften Vorformventile mit einem Kohlenstoffvorläuferharz, einer anderen Matrix aus Keramikvorläufer, oder Mischungen derselben (gegebenenfalls zusammen mit teilchenförmigen keramischen Füllstoffen) und Pyrolisieren des Vorläufers in situ, um ein keramisches faserverstärktes Komposit zu erhalten; und Beschichten dieser keramischen faserverstärkten Kompositvorform mit einer harten Keramikschicht, die gegen Oxidation und Abnutzung widerstandsfähig ist (z.B. Beschichtung mit Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, oder einer Mischung derselben unter Anwendung chemischer Dampfablagerung (CVD)) umfaßt. Es kann mehr als ein Imprägnierungs-Pyrolysezyklus angewandt werden, um den erwünschten Matrixcharakter zu erhalten. Eine Beschichtungsaufbringung kann nachfolgen oder sich mit der Entwicklung der Matrix überlappen.
Demzufolge kann die Matrix zumindest teilweise durch Pyrolysieren von Matrixvorläufern geschaffen werden. Matrixvorläufer sind unabhängig von der Herstellungstechnik meist eine kolloidale Suspension, ein Sol, oder ein präkeramisches Polymer, das durch Erwärmen auf eine ausreichende Temperatur in eine starre Keramikmatrix umgewandelt wird. Präkeramische Polymere, die beim Erwärmen unter Bildung einer Matrix aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Kieselsäure oder einer Mischung derselben pyrolisieren, sind von besonderem Interesse.
Es kann auch vorteilhaft sein zusammen mit einigen Matrixvorläufern Füllstoffteilchen einzubauen, insbesondere präkeramische oder vorkeramische Polymere. Solche Füllstoffe sollen so ausgewählt werden, daß sie sowohl mit den Arbeitsbedingungen (z.B. der Tränkung oder Infiltration und Temperatur) als auch mit den erwünschten Leistungswerten (z.B. Härte, Abnutzung, und Oxidationsfestigkeit) des erhaltenen Komposits kompatibel sind. Es gibt eine Vielzahl von verfügbaren Kohlenstoffvorläuferharzen, die angewandt werden könnten (z.B. Furanharze und Phenolharze). Kohlenstoffvorläuferharze sind im allgemeinen kostengünstige Materialien geringer Dichte, die für viele Anwendungen geeignet sind. Neben Kohlenstoffvorläufern können andere keramische Vorläufer verwendet werden, z.B. Polysilane, Polycarbosilane oder Polysilazane. Alle diese können verwendet werden, um eine Keramikmatrix herzustellen; und Keramikvorläufer wie Polysilane können bevorzugt sein in Anwendungen, bei welchen Langzeitwiderstandsfestigkeit gegenüber Oxidation und Abnutzung besonders wichtig ist. Wenn ein Vorläufermaterial angewandt wird, wird es in situ polymerisiert, wobei man eine versteifte und verdichtete keramische Kompositventilvorform erhält. Pyrolyse zur Kohlenstoff-, Carbid- oder Nitridmatrixbildung soll unter nicht-oxidierenden Bedingungen (z.B. in einer Stickstoffatmosphäre) durchgeführt werden. Diese Imprägnierung mit Vorläufer und Pyrolyseverfahren kann mehrere Male wiederholt werden, um ein hochverdichtetes Komposit zu erzeugen.
Es ist berücksichtigt, daß verschiedene Stufen des stückweisen Herstellungsverfahrens zum Herstellen der Vorformen der vorliegenden Erfindung wie oben dargelegt in zulässiger Weise mit üblicher Verfahrenstechnologie kombiniert werden können. Beispielsweise ist in Erwägung gezogen, daß Hüllen, die axial ausgerichtete unidirektionale Fasern einschließen und mit wärmebindungsfähiger Keramik imprägniert sind sowie gegebenenfalls mit Matrixvorläufermaterial unter Anwendung bekannter Pultrusionstechnologie hergestellt werden können. In der Tat ist in Betracht gezogen, daß Massenproduktionsverfahren zum Herstellen der fertigen oder nachbearbeiteten Ventile oder der Vorformventile im allgemeinen das Bilden des Ventilschafts, der Ventilglocke oder auch einer ventilförmigen Struktur, die sowohl den Ventilschaft als auch die Glocke umfaßt, aus Material einschließen würde, das bereits die Matrix aus Keramik und, gegebenenfalls aus Kohlenstoff und/oder anderer geeigneter Keramik oder einem Vorläufer der darin imprägnierten Keramik enthält. Dies kann nach verschiedenen Standardtechniken durchgeführt werden einschließlich Injektionsformen, Kompressionsformen, Extrusion und Pultrusion oder Profilziehen. Injektionsformen, Kompressionsformen und Extrusion sind im allgemeinen verbunden mit der Verarbeitung diskontinuierlicher Fasern und sind daher höchst geeignet zum Gestalten des Glockenteils des Ventils, können jedoch zum Herstellen von Schaftteilen verwendet werden, wenn annehmbar ausgerichtete diskontinuierliche Fasern für Schafterfordernisse geeignet sind. Wenn die Faserausrichtung aufrechterhalten werden kann, wie zum Beispiel beim Extrudieren von Schaftvorformen, dann kann der Glockenteil auf dem Schaft durch nachfolgendes Formen (z.B. durch Kompressions- oder Injektionsformen) gebildet werden. Auch ist es machbar, die Matrix in einer Faservorform durch chemische Dampfinfiltration zu infiltrieren und zu bilden. Den Fachleuten wird der Kompromiß zwischen Ökonomie und Leistung (z.B. Steifheit) zwischen einem Schaft, der ein ausgerichtetes Bündel kontinuierlicher Fasern umfaßt und einem Schaft, der ein im allgemeinen ausgerichtetes Bündel von diskontinuierlichen Fasern umfaßt, deutlich sein.
Es ist leicht ersichtlich, daß verschiedene Kombinationen von Verfahren der stückweisen Herstellung und der Massenproduktion angewandt werden könnten. Beispielsweise könnte ein nach einem Verfahren stückweiser Herstellung wie oben beschrieben hergestellter Schaft eine darauf injektions- oder kompressionsgeformte Glocke haben.
Ein einfacher Weg die Hülle zu packen besteht darin, Stränge von keramischen Hüllenfasern um das Bündel aus verstärkenden Fasern zu flechten, wenn beide aus dem das Geflecht bildenden Apparat auftauchen. Pultrusion oder Profilziehen wird als eine geeignete Technik zum Bilden von Bündeln kontinuierlicher Fasern angesehen, auf welche Fasertowgarne, die mit Matrixvorläufer infiltriert sind, durch Faserwindetechniken gewunden werden könnten, um eine Hülle oder Hülse zu bilden. Alternativ könnte man einen Schaftkern in eine geflochtene Hülle, die expandiert (z.B. durch Kompression) worden ist, extrudieren oder pultrudieren (einem Pultrusionsverfahren unterwerfen). Im kleineren Maßstab kann ein Faserbündel einfach mit der Hand in die Hülle gestopft werden. In jedem Fall wird eine gepackte Hülle ausgewählter Länge, meist 152 mm (6 inches) lang hergestellt. Sie soll vorzugsweise mit einem unidirektionalen Bündel kontinuierlicher Fasern etwa der gleichen Länge gefüllt werden.
Die Glocke kann durch übliche Maßnahmen wie Formen aus Keramikmaterial von flexibler und plastischer Konsistenz gestaltet werden, welches durch Erwärmen (z.B. kolloidales Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid oder Alkalimetallsilikat) gehärtet werden kann, und diskontinuierliche keramische Fasern enthält, die meist willkürlich orientiert sind oder längs der Oberflächenkonturen oder Oberflächenumrisse der Glocke orientiert sind.
Eine bevorzugte Methode zum Beschichten benutzt chemische Dampfablagerung. Chemische Dampfablagerung CVD ist ein hinreichend bekanntes Verfahren zum Ablagern von Beschichtungen wie Siliciumcarbid und/oder Siliciumnitrid auf geeigneten wärmefesten Substraten. Bei Anwendung von CVD würde das Vorformventil beispielsweise in eine erwärmte (z.B. 1000ºC) Kammer gesetzt werden. Siliciumtetrachlorid und Methan treten beispielsweise in die Kammer ein und dissoziieren teilweise und reagieren in Kontakt mit den erwärmten Oberflächen, wobei eine Schicht aus Siliciumcarbid auf dem Ventil abgelagert wird. Wenn Ammoniak an die Stelle von Methan tritt, wird Siliciumnitrid abgelagert. Ein Gemisch von Methan und Ammoniak mit Siliciumtetrachlorid wird eine Mischung von Siliciumcarbid und Siliciumnitrid ablagern. Derartige Außenbeschichtungen sind dicht, extrem hart, und verleihen dem Ventil verlängerte Abnutzfestigkeit.
Das fertige Komposit ist gegenüber Abnutzung, Stößen, Spannung, Wärme und Motorabgase höchst widerstandsfähig. Es ist leicht und bei Anwendungstemperaturen dimensionsstabil. Bei Ausbildungsweisen, in welchen Kohlenstoff/Graphitfasern und Matrix verwendet werden können, ist das erhaltene fertige Ventil besonders leicht.
Oberflächennachbearbeitung oder maschinelle Bearbeitung könnte eingesetzt werden, um die Gleichmäßigkeit der fertigen Ventile zu steigern. In vielen Fällen ist unser Verfahren zur Ventilherstellung ausreichend exakt um Ventile herzustellen, die vorgegebenen Dimensionstoleranzen bei minimaler maschineller Bearbeitung entsprechen.
Den Fachleuten wird deutlich sein, daß obgleich die Ventilcharakteristika, die sich aus verschiedenen Herstellungsverfahren ergeben, ähnlich sein werden, sie nicht notwendigerweise identisch sind. Demzufolge kann die Auswahl von Verarbeitungsverfahren, ebenso wie die Auswahl der zum Anfertigen der Ventile angewandten Materialien durch Leistungs- und Kostenbeschränkungen beeinflußt werden.
Typische Leistungserwägungen umfassen meist die Masse des Ventils, seine Abnutzungsfestigkeit, seinen Widerstand gegen Erosion und Korrosion (einschließlich Oxidation), und seine gesamte mechanische Zuverlässigkeit. Die Materialauswahl wird durch diese Erwägungen beeinflußt. Sofern beispielsweise eine geringe Masse erwünscht ist, wird die Anwendung von Materialien geringer Dichte (z.B. Kohlenstoff) bevorzugt. Mechanische Zuverlässigkeit kann durch Anwendung von Materialien gesteigert werden, die fest sind und widerstandsfähig sowohl gegen mechanischen Bruch als auch Wärmespannung (z.B. Materialien geringer thermischer Ausdehnung mit Bruchzähigkeit wie Kohlenstoff, Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid).
Die Durchführung der Erfindung wird aus dem folgenden nicht beschränkenden Beispiel ersichtlich.

BEISPIEL 1

Eine teilweise prototypische Ventilvorform (jedoch ohne die axial ausgerichteten unidirektionalen keramischen verstärkenden Fasern in der Hülle) wurde ausgehend von einer flexiblen geflochtenen keramischen Hülle eines inneren Durchmessers von etwa 3,2 mm (1/8 inch) hergestellt. Die in diesem Beispiel angewandte Hülle war ein Teil einer geflochtenen Aluminiumborsilikatfaser ("Nextel" von der 3M Corporation), etwa 152 mm lang. Die angewandten Geflechte waren Stränge einer Vielzahl von sehr feinen Fasern, meist etwa 10 bis 12 Mikron im Durchmesser.
Der Hüllenabschnitt wurde mit kolloidalem Al&sub2;O&sub3; gesättigt und ein Teil am Ende der Hülle wurde eingekerbt, um die Adaptierung des Schafts zum Aufnehmen eines Ventilhalterings eines Motors zu illustrieren, und dieses Ende der Hülle wurde unter Anwendung einer handgehaltenen Heißluftkanone zur Trockne erhitzt. Das andere Ende der Hülle wurde verbreitert, wobei man das gerundete Ende eines Stößels als Formdorn verwendete. Dies involvierte das Expandieren des Geflechts über das gerundete Ende des Stößels zur Bildung der verbreiterten Form. Das verbreiterte Ende und der vorher unbehandelte Teil der Hülle wurden mit kolloidalem Al&sub2;O&sub3; gesättigt und zur Trockne erhitzt wie vorher mit dem anderen Abschnitt geschehen. Das erweiterte Ende der Hülle wurde dann zugerichtet und der Glockenteil wurde auf die inneren und äußeren Flächen des verbreiterten Endes gepreßt und zu der entsprechenden Endform geformt, wobei ein filzähnliches faserhaltiges Keramikmaterial von flexibler plastischer Konsistenz (ein feuchtes keramisches Filzmaterial von Refractory Products Co., Elgin, Illinois, das willkürlich orientierte diskontinuierliche Aluminiumsilikatfasern zusammen mit einem Bindemittel enthielt, von dem angenommen wird, daß es ein Silikat ist) angewandt wurde.
Die gesamte Anordnung wurde bei 65ºC im Ofen getrocknet und dann durch Sandstrahlen und Schleifen, um die Oberflächen zu glätten und die Form regelmäßiger zu machen, zu ihrer endgültigen Zustandsform gestaltet. Die Anordnung war etwa 114 mm (4,5 inches) lang, der Durchmesser der Glockenscheibe war etwa 32,9 mm (1-5/16 inches) und die ausgesetzte Länge der Hülle, die sich von dem geformten Glockenmaterial erstreckte, war etwa 79,4 mm (3-1/8 inch) lang und hatte einen Außendurchmesser von etwa 4,8 mm (3/16 inch). Die gesamte Anordnung wurde dann mit kolloidalem Al&sub2;O&sub3; unter Vakuum reimprägniert, um eine vollständige Penetration zu gewährleisten, und bei 75-125ºC ofengetrocknet. Die Anordnung wurde dann in Luft während einer (1) Stunde auf 500ºC erhitzt, um das kolloidale Aluminiumoxid wärmezubinden und die Vorform steif und wasserunempfindlich für fortgesetzte Bearbeitung zu machen.
Dann wurde die versteifte Vorform mit einem Furanharz als Kohlenstoffvorläuferharz imprägniert. Der Zweck der Harzimprägnierung war es, alle verbleibenden inneren Leerstellen in der Ventilkompositvorform mit Harz zu füllen, das letztlich pyrolysiert wird, um Kohlenstoff zu erhalten, wobei man ein keramisches Faser-verstärktes Kohlenstoffkomposit erhält (jedoch ohne die unidirektionalen Fasern). Das Harz wurde wärmebehandelt, um das Harz innerhalb der versteiften Vorform zu härten. In diesem Beispiel wurde das Harz nicht pyrolysiert, was der Fall sein würde bei Vollendung eines nachbehandelten Ventils.
In diesem Beispiel waren in der geflochtenen Hülle keine unidirektionalen Fasern enthalten. Dies vermied jegliche Schwierigkeiten zur Aufrechterhaltung ihrer Ausrichtung, da die Kompositanordnung mit der Hand gemacht wurde und die Fasern in dem fertiggestellten Teilprototyp nicht evident sein würden. In der tatsächlichen Praxis könnten unidirektionale Fasern in das Geflecht gegeben werden, indem man sie beispielsweise in die Hülle einsetzt oder indem man die Hülle über die Fasern flicht.
Die teilweise prototypische Ventilvorform des Beispiels war von verallgemeinerter Form und nicht geformt zur Anwendung mit irgendeinem speziellen Motor. In der tatsächlichen Praxis würde das verbesserte Ventil zur Anwendung mit einem speziellen Motor sorgfältig dimensioniert werden.
Auch wurde in dem Beispiel die zur Herstellung der nachbearbeiteten Ventile der Erfindung angewandten CVD-Beschichtung nicht aufgebracht und es wurde somit keine Oberflächenbearbeitung einer solchen Beschichtung durchgeführt. Diese Stufen werden als bekannt angesehen und wurden zur Demonstrierung der neuen Aspekte der Erfindung als nicht nötig erachtet.

Claims

1. Faserverstärktes, keramisches Kompositventil für einen inneren Verbrennungsmotor oder dergleichen, enthaltend

(a) einen länglichen, zur Aufnahme in die Ventilführung eines Motors geformten Schaft, der eine faserhaltige keramische Hülse umfaßt, die mit einem axial ausgerichteten, unidirektionalen Bündel aus verstärkenden Keramikfasern gepackt ist;

(b) eine keramische, zum Zusammenpassen mit dem Ventilsitz eines Motors geformte keramische Glocke, die diskontinuierliche Keramikfasern umfaßt; und

(c) eine Matrix aus Keramikmaterial, in welches die Fasern des Schafts und der Glocke eingebettet sind, wobei ein Ende der Schafthülse in die Glocke hinein gepreßt oder geformt ist.

2. Kompositventil nach Anspruch 1, in welchem die Matrix ferner Kohlenstoff oder eine Kombination von Kohlenstoff mit anderem keramischen Material umfaßt.

3. Kompositventil nach Anspruch 2, welches ferner eine Außenschicht aus verschleißbeständiger Keramik enthält.

4. Kompositventil nach Anspruch 1, in welchem das in die Glocke hinein geformte Ende der Schafthülse trichterförmig ausgeweitet ist.

5. Kompositventil nach Anspruch 4, bei welchem die Schafthülse geflochtene Keramikfasern aufweist, und das trichterförmig aufgeweitete Ende der Schafthülse so in die Glocke verschmolzen wird, daß ein äußerer Teil der Glocke das trichterförmig auf geweitete Ende bedeckt und die Fasern des trichterförmig auf geweiteten Endes den bedeckenden Glockenteil verstärken.

6. Kompositventil nach Anspruch 5, in welchem

(i) die Fasern der Hülse und der Glocke Aluminiumborsilikatfasern sind,

(ii) das unidirektionale Faserbündel aus Kohlenstoffasern ist, und

(iii) die Matrix Kohlenstoff und Aluminiumoxid umfaßt.

7. Kompositventil nach Anspruch 6, das eine Außenschicht aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder einer Mischung derselben umfaßt.

8. Kompositventil nach Anspruch 1, in welchem

(i) die Fasern der Hülse Aluminiumborsilikatfasern sind,

(ii) das unidirektionale Faserbündel aus Kohlenstoffasern ist, und

(iii) die Fasern der Glocke statistisch orientierte Aluminiumsilikatfasern sind.

9. Kompositventil nach Anspruch 2, in welchem die Matrix Kohlenstoff und Aluminiumoxid umfaßt.

10. Kompositventil nach Anspruch 9, welches ferner einen harten keramischen Überzug aufweist, der oxidations- und verschleißfest ist.

11. Kompositventil nach Anspruch 10, in welchem der Überzug ein durch chemische Ablagerung in der Dampfphase gebildeter Überzug ist, der Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder ein Gemisch derselben enthält.

12. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten keramischen Kompositventils für einen inneren Verbrennungsmotor oder dergleichen, umfassend:

(a) die Bildung einer flexiblen, länglichen Hülse aus geflochtenen Keramikfasern,

(b) das Packen oder Füllen der Hülse mit einem axial ausgerichteten unidirektionalen Bündel aus verstärkenden Keramikfasern,

(c) die Bildung einer flexiblen Glocke aus diskontinuierlichen, statistisch orientierten Keramikfasern,

(d) das Fusionieren oder Verschmelzen eines Endes der Hülse in einen Teil der Glocke zur Bildung einer ventilförmigen Faserstruktur,

(e) das Bilden einer Matrix aus Keramikmaterial, in welchem die Fasern der ventilförmigen Faserstruktur eingebettet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Stufe e) das Imprägnieren der ventilförmigen Faserstruktur mit einer in der Wärme bindungsfähigen Keramik und Erwärmen der imprägnierten Struktur zur Bildung der keramischen Matrix umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem Stufe e) ferner, nach dieser Erwärmungsstufe, das Imprägnieren des Kompositventils mit einem Keramikmatrix-Vorläufer und Pyrolisieren des Vorläufers zur Bildung zusätzlicher keramischer Matrix umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch l3, in welchem Stufe e) ferner, nach dieser Erwärmungsstufe, das Imprägnieren des Kompositventils mit einem Kohlenstoffvorläufer und Pyrolisieren des Vorläufers zur Bildung zusätzlicher Kohlenstoffmatrix umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem die in der Wärme bindungsfähige Keramik kolloidales Aluminiumoxid ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem der Kohlenstoffvorläufer Furan oder Phenolharz ist.

18. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner:

(f) das Beschichten des aus der Pyrolyse resultierenden keramischen Kompositventils mit einem keramischen Überzug umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, in welchem die Stufe f) die chemische Dampfablagerung des keramischen Überzugs umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, in welchem der keramische Überzug Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Mischungen derselben umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die in den Stufen a), b) und c) angewandten Fasern vorher mit keramischem Matrixmaterial oder einem Vorläufer des Matrixmaterials imprägniert worden sind.