EP0246423A2 - Verfahren und Vorrichtung zur festen Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen - Google Patents

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EP0246423A2
EP0246423A2 EP87104218A EP87104218A EP0246423A2 EP 0246423 A2 EP0246423 A2 EP 0246423A2 EP 87104218 A EP87104218 A EP 87104218A EP 87104218 A EP87104218 A EP 87104218A EP 0246423 A2 EP0246423 A2 EP 0246423A2
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EP
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ceramic
metal
molded part
connection
ceramic molded
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Werner Dr. Schultze
Klaus-Dieter Dr. Partz
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Vereinigte Aluminium Werke AG
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Vereinigte Aluminium Werke AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the firm connection of shaped ceramic parts with metals, in particular with a metallic support made of cast steel, the shaped ceramic part being surrounded by a material and being thermally bonded to the metal.
  • the object of the invention is to provide a firm connection of shaped ceramic parts with metals, which can also absorb relatively high thermal shock loads without impairing the material and strength.
  • This object is achieved in that an elastic, fire-resistant material absorbing thermal expansion is used as the material, and in that the thermal connection of the ceramic molded part to the metal and / or metallic carrier is carried out by encapsulating liquid metal.
  • an elastic, fire-resistant material absorbing thermal expansion is used as the material, and in that the thermal connection of the ceramic molded part to the metal and / or metallic carrier is carried out by encapsulating liquid metal.
  • the ceramic molded part is surrounded by the material in the entire connection area and connected to it or to the metallic carrier by pouring liquid metal. This ensures an all-round compensation of the thermal shock loads between the ceramic molded part and the metallic carrier.
  • the metal-ceramic connection consists of a ceramic molded part (10) with a conical cross section and a metallic support (11), which are connected to one another via a material surrounding the outer edge of the ceramic molded part (10) (12), which consists of a thermal expansion absorbing, elastic, refractory material, are positively and non-positively connected.
  • This metal-ceramic connection is produced, as shown in FIG. 2, in such a way that the ceramic molded part (10) is externally spanned with the material (12), placed in the center of a mold from above and then cast with liquid metal (11) .
  • the cooled and solidified metal (11) also forms the carrier of the ceramic molded part (10).
  • the material (12) located between the metal melt (11) and the ceramic molded part (10) also shrinks more or less is strongly pressed together.
  • a non-positive connection is also very advantageously brought about by the shrink fit of the ceramic molded part (10) located in the metallic carrier (11).
  • the conical design of the ceramic molded part (10) enables uneven solidification pressures to be dampened and compensated for even with asymmetrical thermal loads during the shrinking process.
  • Another advantage of this conical design of the ceramic molded part (10) is that the ceramic molded part (10) can never come loose even at high thermal and mechanical loads and can fall out of the metallic carrier (11).
  • the materials used here are in particular ceramic fibers or fibers of borides, carbides or aluminum oxides, which can absorb very high and strongly fluctuating, different thermal expansions between the ceramic molded part (10) and the metal carrier (11), without impairing the solid Connection and the materials to be connected.
  • the thickness of the material (12) can also vary depending on the Thermal expansion coefficients between the metallic carrier (11) and the ceramic molded part (10) are each dimensioned and coordinated such that a firm connection of the ceramic molded part (10) with the metallic carrier (11) is ensured even under extreme thermal and mechanical loads.
  • Hard metals or soft metals, in particular aluminum alloys with high coefficients of thermal expansion can be used to cast or cast the ceramic shaped bodies (10). What is important here, however, is the choice of the respective material with regard to the composition and the arrangement between the ceramic molded part (10) and the metallic carrier (11).
  • a ceramic molded part (16) with a conical cross-section can also be very advantageously embedded in a corresponding recess (17) of a metallic support (18) made of cast steel.
  • a gap (20) for receiving the material (21) between the outer edge (19) of the ceramic molded part (16) and the metallic carrier (18). and the molten metal (22) is provided.
  • the ceramic molded part (16) is connected to the carrier (18) by pouring liquid metal into the gap between the material (21) and the carrier (18).
  • This metal-ceramic connection shown in FIG. 3 according to the invention is particularly suitable as wear protection for thrust grate coolers, in particular in the cooling goods receiving area, where the grate cooler plates are exposed to a particularly high abrasion and temperature change load.
  • the object of the invention is not to the embodiments shown in the drawing figures limited.
  • the ceramic molded parts can also be designed with straight edges and in any other way. The same also applies to the metallic supports of the ceramic molded parts.

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Abstract

Es ist eine Verbindung von hochverschleißfesten Platten, insbesondere Keramikplatten, mit einem vor Verschleiß zu schützendem Träger bekannt, gemäß der ein Werkstoff zwischen zwei Lötfolien eingebettet und durch Erhitzen der Lötfolien und des Werkstoffes eine feste Verbindung zwischen der Keramikplatte und dem Träger hergestellt wird. Eine weitere Verbesserung dieser festen Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß als Werkstoff ein Wärmedehnung aufnehmendes, elastisches, feuerfestes Material verwendet wird, und daß die thermische Verbindung des keramischen Formteils mit dem Metall und/oder metallischen Träger durch Umgießen von flüssigem Metall erfolgt. Eine derartige Metall-Keramik-Verbindung zeichnet sich besonders dadurch aus, daß sie ohne Beeinträchtigung der Stabilität hohen Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt werden kann.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur festen Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen, insbesondere mit einem aus Stahlguß bestehenden metallischen Träger, wobei das keramische Formteil mit einem Werkstoff umgeben und mit dem Metall thermisch verbunden wird.
  • Aus der EP-OS 01 64 537 ist ein Verfahren zur Herstellung einer festen Verbindung von hochverschleißfesten Platten, insbesondere Keramikplatten,mit einem vor Verschleiß zu schützendem Träger bekannt, wobei Preßmetall zwischen zwei Lötfolien eingebettet und durch Erhitzen ein Mehrkomponentenwerkstoff zwischen den verschleißfesten Platten und dem Träger gebildet wird. Auf diese Weise wird einerseits eine feste Verbindung der hochverschleißfesten Platte, insbesondere Keramikplatte, mit dem Träger erreicht, und andererseits werden hierdurch die Wärmedehnungsunterschiede zwischen der hochverschleißfesten Platte und dem Träger kompensiert. Dieses bekannte Verfahren eignet sich daher besonders für eine feste und sichere Verbindung von Keramikplatten mit der Wendel der Förderschnecke einer Schneckenzentrifuge.
  • Ausgehend von diesem bekannten Verfahren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine feste Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen zu schaffen, die ohne Beeinträchtigung von Material und Festigkeit auch verhältnismäßig hohe Temperaturwechselbeanspruchungen aufnehmen kann.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Werkstoff ein Wärmedehnung aufnehmendes, elastisches, feuerfestes Material verwendet wird, und daß die thermische Verbindung des keramischen Formteils mit dem Metall und/oder metallischem Träger durch Umgießen von flüssigem Metall erfolgt. Auf diese Weise gelingt es, wie die Praxis gezeigt hat, durch geeignete Wahl des Werkstoffes eine feste und sichere Verbindung von Keramikplatten mit Metallen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wenn die keramischen Formteile mit den Metallen, insbesondere mit dem aus Stahlguß bestehenden metallischen Trägern, sehr hohen Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das keramische Formteil im gesamten Verbindungsbereich vom Werkstoff umgeben und durch Eingießen von flüssigem Metall mit diesem oder mit dem metallischen Träger verbunden. Hierdurch wird ein allseitiger Ausgleich der Temperaturwechselbelastungen zwischen dem keramischen Formteil und dem metallischen Träger gewährleistet.
  • Gegebenenfalls kann jedoch auch eine ausreichend feste Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen erreicht werden, wenn nur der Außenrand des keramischen Formteils mit dem Werkstoff umgeben und mit der Metallschmelze umgossen wird. Als Werkstoffe können hierbei sehr vorteilhaft keramische Fasern oder auch Fasern von Boriden, Karbiden oder Aluminiumoxid in Form von Vliesen, Filzen oder geflochtenen Bändern verwendet werden. Auch Werkstoffe aus Metall und oxidkeramischen Fasern sind besonders gut geeignet, um die stark unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem keramischen Formteil und dem Metall oder metallischen Träger aufzunehmen und zu kompensieren.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungsfiguren schematisch dargestellten Vorrichtungen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung im Querschnitt,
    • Fig. 2 die noch in einer Gußform befindliche Metall-Keramik-Verbindung gemäß Fig. 1 im Querschnitt,
    • Fig. 3 einen metallischen Träger mit konischer Ausnehmung und umgossenem Keramikformteil gemäß der Erfindung im Querschnitt.
  • Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung aus einem im Querschnitt konisch ausgebildeten keramischen Formteil (10) und einem metallischen Träger (11), die miteinander über einen, den Außenrand des keramischen Formteils (10) umgebenden Werkstoff (12), der aus einem Wärmedehnung aufnehmenden, elastischen, feuerfesten Material besteht, form- und kraftschlüssig verbunden sind. Die Herstellung dieser Metall-Keramik-Verbindung erfolgt, wie Fig. 2 zeigt, derart, daß das keramische Formteil (10) außen mit dem Werkstoff (12) umspannt von oben mittig in eine Gießform eingelegt und anschließend mit flüssigem Metall (11) umgossen wird. Das abgekühlte und erstarrte Metall (11) bildet hierbei gleichzeitig den Träger des keramischen Formteils (10). Beim Abkühlen der Metallschmelze (11) in der Gußform (13) erfolgt eine Schrumpfung durch die auch der zwischen der Metallschmelze (11) und dem keramischen Formteil (10) befindliche Werkstoff (12) mehr oder weniger stark zusammengepreßt wird. Auf diese Weise wird sehr vorteilhaft neben einer formschlüssigen Metall-Keramik-Verbindung auch eine kraftschlüssige Verbindung durch Schrumpfsitz des im metallischen Träger (11) befindlichen keramischen Formteils (10) bewirkt. Durch die im Querschnitt konische Ausbildung des keramischen Formteils (10) können auch bei unsymmetrischen thermischen Belastungen während des Schrumpfvorganges ungleichmäßige Erstarrungsdrücke gedämpft und ausgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil dieser konischen Ausbildung des keramischen Formteils (10) besteht darin, daß sich das keramische Formteil (10) auch bei hohen thermischen und mechanischen Belastungen nie lösen und aus dem metallischen Träger (11) herausfallen kann. Sobald die Metallschmelze (11) in der Gußform (13) erstarrt und abgekühlt ist, wird diese Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung aus der Gußform (13) nach oben herausgenommen und kann als solche, mit der oben freiliegenden Keramikfläche gemäß Fig. 1 bei Maschinen und Anlagen an besonders korrosions- und abrasionsgefährdeten Stellen mit Vorteil eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann es auch zweckmäßig sein, wie in den Fig. 1 und 2 gestrichelt angedeutet ist, das keramische Formteil (10) im gesamten Verbindungsbereich, d. h. auch zwischen der unteren Seite (14) und dem Träger (11) einen Werkstoff (15) anzuordnen. Dies insbesondere dann, wenn diese erfindungsgemäß ausgebildete Metall-Keramik-Verbindung einer besonders hohen Temperaturwechselbelastung ausgesetzt wird. Als Werkstoffe kommen hierbei vor allem keramische Fasern oder Fasern von Boriden, Karbiden oder Aluminiumoxiden in Betracht, die sehr hohe und stark schwankende, unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem keramischen Formteil (10) und dem Metallträger (11) aufnehmen können, und zwar ohne Beeinträchtigung der festen Verbindung und der zu verbindenden Materialien. Auch die Dicke des Werkstoffes (12) kann in Abhängigkeit der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Träger (11) und dem keramischen Formteil (10) jeweils so dimensioniert und abgestimmt werden, daß auch bei extremen thermischen und mechanischen Belastungen eine feste Verbindung des keramischen Formteils (10) mit dem metallischen Träger (11) gewährleistet ist. Zum Ein- oder Umgießen der keramischen Formkörper (10) können Hartmetalle oder auch Weichmetalle, insbesondere Aluminiumlegierungen mit hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten herangezogen werden. Wesentlich hierbei ist jedoch die Wahl des jeweiligen Werkstoffes hinsichtlich der Zusammensetzung und der Anordnung zwischen dem keramischen Formteil (10) und dem metallischen Träger (11).
  • Schließlich kann, wie Fig. 3 zeigt, auch sehr vorteilhaft ein im Querschnitt konisch ausgebildetes keramisches Formteil (16) in eine entsprechende Ausnehmung (17) eines metallischen Trägers (18) aus Stahlguß eingebettet werden. Zum Zwecke einer festen Verbindung des keramischen Formteils (16) mit dem Träger (18) ist zwischen dem Außenrand (19) des keramischen Formteils (16) und dem metallischen Träger (18) ein Spalt (20) für die Aufnahme des Werkstoffes (21) und der Metallschmelze (22) vorgesehen. Die Verbindung des keramischen Formteils (16) mit dem Träger (18) erfolgt hierbei durch Eingießen von flüssigem Metall in den zwischem dem Werkstoff (21) und dem Träger (18) befindlichen Spalt. Diese in Fig. 3 dargestellte Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung eignet sich besonders als Verschleißschutz bei Schubrostkühlern, insbesondere im Kühlgutaufnahmebereich, wo die Rostkühlerplatten einer besonders hohen Abrasions- und Tempeaturwechselbelastung ausgesetzt sind.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können die keramischen Formteile beispielsweise auch mit gerade verlaufenden Rändern und auch sonst beliebig ausgebildet sein. Dasselbe gilt auch für die metallischen Träger der keramischen Formteile.

Claims (10)

1. Verfahren zur festen Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen, insbesondere mit einem aus Stahlguß bestehenden metallischen Träger, wobei das keramische Formteil mit einem Werkstoff umgeben und mit dem Metall thermisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff (12, 15, 21) ein Wärmedehnung aufnehmendes, elastisches, feuerfestes Material verwendet wird, und daß die thermische Verbindung des keramischen Formteils (10, 16) mit dem Metall und/oder metallischem Träger (18) durch Umgießen von flüssigem Metall (11, 22) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Formteil (10) im gesamten Verbindungsbereich vom Werkstoff (12, 15) umgeben und durch Eingießen von flüssigem Metall (11) mit diesem oder mit dem metallischen Träger (18) verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand des keramischen Formteils (16) mit dem Werkstoff (21) umgeben und mit der Metallschmelze (22) umgossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff (12, 15, 21) ein Vlies aus keramischen Fasern verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des keramischen Formteils (10, 16) mit dem Metall (11, 22) ein aus Metall und oxidkeramischen Fasern bestehender Werkstoff (12, 21) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff (12, 15, 21) Fasern von Boriden, Karbiden oder Aluminiumoxid verwendet werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen metallischen Träger (11, 18), in dem ein keramisches Formteil (10, 16) eingebettet ist, wobei im Verbindungsbereich zwischen dem metallischen Träger und dem keramischen Formteil ein Wärmedehnung aufnehmender, elastischer, feuerfester Werkstoff (12, 15, 21) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außenrand (19) des keramischen Formteils (16) und dem metallischen Träger (18) ein Spalt (20) für die Aufnahme des Werkstoffes (21) und der Metallschmelze (22) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger aus der erstarrten Metallschmelze (11) besteht.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Formteil (16) im Querschnitt konisch ausgebildet und in eine entsprechende Ausnehmung (17) im metallischen Träger (18) eingebettet ist.
EP87104218A 1986-05-23 1987-03-21 Verfahren und Vorrichtung zur festen Verbindung von keramischen Formteilen mit Metallen Withdrawn EP0246423A3 (de)

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