NO167138B

NO167138B - Keramisk formdel og anvendelse av denne.

Info

Publication number: NO167138B
Application number: NO854884A
Authority: NO
Inventors: Ruediger Buschmann; Rudolf Ganz; Gerd Willmann; Ludwig Wirth; Ingo Elstner; Peter Jechke
Original assignee: Didier Werke Ag
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1991-07-01
Also published as: FR2574072B1; IT8548747A0; SE8505712D0; GB2168338A; IT1182959B; FR2574072A1; GB2168338B; DE3444407A1; NO854884L; NO167138C; JPS61136967A; DE3444407C2; JPH0573713B2; SE462593B; SE8505712L; US4710480A; GB8529854D0

Description

Oppfinnelsen angår en keramisk formdel som er fremstilt av høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre og finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer og eventuelt andre vanlige tilsetningsmaterialer.

Keramiske formdeler av denne type er allerede kjente,

men for de kjente formdeler ble det imidlertid alltid til-strebet at fordelingen av de flammebestandige eller ild-

faste fibre skulle være mest mulig homogen over formdelens tverrsnitt.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en keramisk formdel med spesielle fasthetsegenskaper, idet den keramiske formdel skal anvendes spesielt som forsterknings-legeme.

Oppfinnelsen angår således en keramisk formdel som er fremstilt av høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre og finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer og eventuelt andre vanlige tilsetningsmidler, og formdelen er særpreget ved at

a) dens porøsitet i en romretning av formdelen fort-løpende og stadig tiltar gradientformig fra under 20% til

over 70%,

b) områdene med lav porøsitet er oppbygget i det vesentlige av de finkornige, flammebestandige eller ildfaste

materialer,

c) områdene med høy porøsitet er oppbygget i det vesentlige av en fiberkeramikk på basis av fibre av A^O^,

Si02, ZrC>2' c' S*c eH-er blandinger derav, og

d) de midlere områder er oppbygget av blandinger av fiberkeramikken og de flammebestandige eller ildfaste

materialer.

Ifølge en foretrukken utførelsesform er områdene med

lav porøsitet oppbygget av materialer som består av over 90 vekt% Si02/ og områdene med høy porøsitet er oppbygget av materialer som består av under 60 vekt% Si02«

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesform er områdene med lav porøsitet oppbygget av materialer som består av over 90 vekt% Zr02» og områdene med høy porøsitet er oppbygget av materialer som består av under 60 vekt% Zr02>

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesform er områdene med lav porøsitet oppbygget av materialer som be-

står av over 90 vekt% Al203, og områdene med høy porøsitet er oppbygget av materialer som består av under 60 vekt% A^C^.

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesform er områdene med lav porøsitet oppbygget av materialer med over 80 vekt% glassfase, og områdene med høy porøsitet er oppbygget av materialer med over 80 vekt% krystallinsk fase.

Oppfinnelsen angår dessuten anvendelse av en slik keramisk formdel for fremstilling av komposittmaterialeform-deler som er impregnert med eller infiltrert av organiske harpikser, bek, tjære, metallegeringer eller glass, spesielt for fremstilling av stempler for forbrenningsmotorer hvor stemplene er infiltrert av aluminiumlegeringer.

En slik keramisk formdel ifølge oppfinnelsen kan frem-stilles ved at enkelte blandinger av høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre og finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer i forskjellige forhold såvel som eventuelt andre vanlige tilsetningsmidler, frem-stilles, spesielt i form av vandige dispersjoner eller suspensjoner, og disse blandinger blir med de forskjellige forhold mellom fibre og ildfaste materialer støpt i rekkefølge i en form som gjør det mulig å suge av dispersjonsmidlet henholdsvis suspensjonsmidlet, spesielt vannet.

Som flammebestandige ildfaste fibre kan fibre som i og for seg er kjente innen dette tekniske område og som også betegnes som mineralske fibre, anvendes for fremstilling av den keramiske formdel. Eksempler på slike fibre er aluminiumsilikatfibre, aluminiumoxydfibre, kvartsfibre, carbonfibre, SiC-fibre eller også fibre som inneholder Zr02. Selvfølgelig er det også mulig å anvende blandinger av forskjellige fibre. Høytemperaturbestandige fibre er for eksempel aramidfibre, dvs. organiske fibre som i det minste i kort tid tåler temperaturer opp til 600°C.

Ved fremstillingen av keramiske formdeler ifølge oppfinnelsen kan de materialer som er vanlig anvendt innen dette tekniske område, anvendes som finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer, for eksempel materialer på bat?is av

A^O^/ som korund, brent bauxitt, plateformig leirjord osv., aluminiumsilikater, materialer som cordieritt, sillimanitt, mullitt osv., SiC^-materialer som kvarts, Zr02, SiC, C^O^ eller blandinger av disse. Disse kan i det minste delvis også anvendes i kolloidal tilstand. Som eksempler på vanlige valgfrie tilsetningsmidler kan grenseflateaktive stoffer, fortykningsmidler, som stivelse, eller flokkuleringsmidler, som organiske polymerer, f.eks. polyacrylatdispersjoner, nevnes.

Kornstørrelsen for de finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer er fortrinnsvis under 0,09 mm for å sikre at det vil oppnås en god dispersjon av blandingen av fibre og finkornig materiale.

Ved fremstillingen av de keramiske formdeler er det også mulig til å begynne med henholdsvis ved avslutningen av fremstillingsprosessen å anvende en dispersjon som bare inneholder høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre og valgfrie tilsetningsmåterialer henholdsvis bare finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer og valgfrie tilsetningsmidler, slik at det ved fremstillingen av den keramiske formdel vil foreligge bare fibre på den ene side av formdelen og bare finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer på den annen side, hvorved fås en

spesielt høy porøsitetsgradient.

Ved fremstillingen av de keramiske formdeler blir dis-persjonene henholdsvis suspensjonene av de høytemperaturbe-standige, flammebestandige eller ildfaste fibre på den ene side og/eller de finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer vanligvis dannet ved anvendelse av vann. Det er imidlertid også mulig for dette formål å anvende organiske oppløsningsmidler.

Når de forskjellige blandinger støpes i en form som gjør det mulig å suge opp dispersjonsvæsken henholdsvis suspensjonsvæsken, må det unngås at skiktene blandes ukontrollert med hverandre, dvs. at disse eventuelt flyter i hverandre. Dette kan oppnås ved hjelp av egnede forholds-regler, som for eksempel langsom istøping eller under anvendelse av en grov sikt som er innført i støpeformen og på hvilken dispersjonen eller suspensjonen som skal støpes, forsiktig får strømme, hvorved et allerede støpt skikt vidtgående vil beholde sin stilling. Efter støpingen av det angjeldende skikt kan sikten løftes opp for å påstøpe det neste skikt av en dispersjon eller suspensjon med en annen sammensetning. Selvfølgelig må fjernelsen av sikten foretas så forsiktig at en gjennomhvirvling av de enkelte skikt mest mulig vil bli unngått.

Efter at alle skikt er blitt fylt i støpeformen, blir fortrinnsvis skiktene i støpeformen utsatt for vibrasjons-påvirkning inntil skiktene har blandet seg jevnt med hverandre langs grenseflatene, slik at en' fortløpende og stadig forandring av suspensjonens sammensetning hva gjelder høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre på den ene side og finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer på den annen side blir oppnådd.

Derefter kan de enkelte skikt som jevnt er blandet med hverandre langs deres grenseflater, ennu få henstå i inntil 100 timer i formen, men det er mer vanlig at bare en henstandstid på under to timer er nødvendig. Støpeformen kan være en porøs støpeform, for eksempel av gips, som selv suger opp dispersjonsvæsken, henholdsvis suspensjonsvæsken. Støpe-stykket blir derefter fjernet fra formen og vanligvis tørket ved temperaturer av 80-150°C i løpet av 2-48 timer. Efter tørkingen blir støpestykket brent ved egnet temperatur, idet denne er avhengig av grenseanvendelsestemperaturen for de anvendte fibre og av sintrings- henholdsvis smeltetempera-turene for de finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer. Ved denne brenning finner en reaksjon sted mellom de finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer og/eller de høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre alt efter hvilken bestanddel som foreligger i de enkelte skikt. På denne måte dannes én såkalt fiberkeramikk ved reaksjon av de høytemperaturbestandige, flammebestandige eller ildfaste fibre. Dette innebærer at fibre fornettes ved sintring eller kjemisk reaksjon, dvs.

at de sammenklebes på deres kontaktflater, hvorved fiberkeramikken ifølge oppfinnelsen vil bestå av 90-100% fibre

og resten av uorganisk bindemiddel, dvs. inntil 10 vekt% bindemiddel.

Ved den tidligere beskrevne fremstillingsmetode for de keramiske formdeler er porøsiteten forskjellig i en romretning for formdelen, nemlig loddrett på de skikt som efter-hverandre er blitt innført i formen, hvorved porøsiteten i retningen for skiktene som består av dispersjoner eller suspensjoner med bare eller i overveiende grad bare finkornige, flammebestandige eller ildfaste materialer, i forhold til skiktene av dispersjoner eller suspensjoner av bare eller i overveiende grad bare flammebestandige eller ildfaste fibre tiltar gradientformig, fortløpende og stadig.

Ved sammensetningen av de dispersjoner henholdsvis suspensjoner av blandinger av fibre og finkornige materialer som anvendes for fremstillingen av de keramiske formdeler, er det mulig at en porøsitet av under 20% foreligger på en side av formdelen, mens porøsiteten på den overforliggende side kan nå verdier over 70%.

Ved fremstillingen av de keramiske formdeler er det dessuten også mulig som valgfrie tilsetningsmaterialer å anvende uorganiske eller organiske bindemidler som er kjente innen dette tekniske område, idet det som bindemiddel også kan anvendes såkalte kjemiske bindemidler, for eksempel fosfater, dvs. bindemidler som ved brenningen av formdelen bevirker en kjemisk reaksjon mellom de enkelte bestanddeler.

Formdelene ifølge oppfinnelsen er spesielt velegnede for fremstilling av impregnerte eller infiltrerte kompositt-materialeformdeler. På grunn av den forskjellige porøsitet i en romretning av formdelen er impregneringsgraden eller infiltreringsgraden med de angjeldende materialer, som organiske harpikser, metaller, metallegeringer eller glass, forskjellig slik at det fås. en keramisk formdel som oppviser en i forhold til denne porøsitet i det vesentlige parallelt forløpende, gradientformig impregneringsandel henholdsvis infiltreringsandel. Istedenfor organiske harpikser kan også bek eller tjære anvendes. Efter crackingen. ved høyere temperaturer, f.eks. 400-600°C, fås såkalte carboninfUtrerte kom-posittmaterialeformdeler. Det foretrekkes spesielt å anvende de keramiske formdeler ifølge oppfinnelsen for fremstilling av med aluminiumlegeringer infiltrerte stempler for for-brenning smotorer fordi det på grunn av den forskjellige an-del av den infiltrerte aluminiumlegering fås en flate på den ene side av stemplet som i overveiende grad inneholder aluminiumlegeringen, mens mengden av den infiltrerte aluminiumlegering, basert på en romenhet av den keramiske formdel, på den overforliggende side er langt mindre. På denne måte er det mulig at et på denne måte fremstilt infiltrert stempel for forbrenningsmotorer på.den ene side mer oppviser egenskapene for aluminiumlegeringen, dvs. en høy varmeledningsevne og fasthet, mens det på den annen side av stemplet oppnås en langt lavere varmeledningsevne ved en ennu høyere mekanisk fasthet. Fordelen ved slike stempler som har fysikalske parametre, spesielt varmeledningsevne, som gradientformig forandrer seg over deres tverrsnitt, er økning av forbrenningsromtemperaturen og reduksjon av av-kjølingsinnsatsen for stemplene. Impregneringen av porøse keramikkformlegemer med metaller eller legeringer er be-skrevet i britisk patentskrift 1567328 såvel som i britisk patentsøknad 2088761A.

Fremstillingen av en keramisk formdel er nærmere be-skrevet i det nedenstående eksempel.

Først ble forskjellige blandinger av flammebestandige fibre med en grenseanvendelsestemperatur av 1260°C (aluminiumsilikatfibre) og av Si02-slikker i vann, idet slikkeren inneholdt 50 vekt% faststoff, fremstilt med de nedenfor angitte forhold. For å oppnå en viss råfasthet for den støpte formdel efter at denne var blitt fjernet fra formen, ble også 5% stivelse, basert på de anvendte tørre faststoffer, tilsatt til slikkeren.

Dessuten ble en blanding 1 fremstilt som besto av en oppslemning av 10% av fibrene i vann. En ytterligere blanding 6 besto bare av den ovenfor beskrevne SiC^-slikker.

Disse blandinger 1-6 ble efter hverandre støpt i en porøs gipsform. For dette formål ble først blanding 1 som bare inneholdt fibrene, istøpt. Derefter ble efter hverandre og under anvendelse av en grovmasket sikt som hindret sammenblanding, av de enkelte skikt ved støpingen, blandingene 2-5 istøpt efter hverandre. Til slutt ble et skikt av den rene SiC^-slikker for blandingen 6 istøpt slik at støpe-legemet var bygget opp av et samlet antall av seks skikt. Den teoretiske sammensetning for skiktene, bortsett fra en liten sammenblanding av disse langs grenseflatene under støpingen, var som følger:

Støpeformen som var fylt med skiktene, ble vibrert i 5 minutter på vibrasjonsbord inntil skiktene hadde blandet seg jevnt med hverandre langs grenseflatene. Ved tidligere for-søk med en gjennomsiktig glassform ble det fastslått at en slik vibrering i 5 minutter her var tilstrekkelig.

Efter en henstandstid på 10 timer ved værelsetemperatur ble støpestykket fjernet fra formen og først tørket i 10 timer ved 80°C og derefter i 12 timer ved 110°C. Efter tørkingen ble støpestykket som nu var blitt vidtgående be-fridd for vann, brent ved en temperatur av 1000°C i 4 timer.

Varmeledningsevnen og porøsiteten på den ene side av formdelen var 1,0 W/mk ved 800°C henholdsvis 15%, mens det på den annen side av den keramiske formdel ble målt en porøsitet av 80% og en varmeledningsevne av bare 0,16 W/mk ved 800°C.

Claims

1. Keramisk formdel fremstilt av høytemperaturbestandige, brannsikre eller ildfaste fibre og finkornige, brannsikre eller ildfaste materialer og eventuelt andre vanlige tilsetningsmaterialer, karakterisert ved at a) dens porøsitet i en romretning av formdelen fortløpende og stadig øker gradientformig fra under 20% til over 70%, b) områdene med lav porøsitet er bygget opp i det vesentlige av de finkornige, brannsikre eller ildfaste materialer, c) områdene med høy porøsitet er bygget opp i det vesentlige av en fiberkeramikk på basis'av fibre av A^O^/ s^°2' Zr02, C, SiC eller blandinger derav, og d) de midlere områder er bygget opp av blandinger av fiberkeramikken og de brannsikre eller ildfaste materialer.

2. Keramisk formdel ifølge krav 1, karakterisert ved at områdene med lav porøsitet er bygget opp av materialer som består av over 90% Si02, og at områdene med høy porøsitet er bygget opp av materialer som består av under 60 vekt% Si02.

3. Keramisk formdel ifølge krav 1, karakterisert ved at områdene med lav porøsitet er bygget opp av materialer som består av over 90 vekt% Zr02, og at områdene med høy porøsitet er bygget opp av materialer som består av under 60 vekt% Zr02«

4. Keramisk formdel ifølge krav 1, karakterisert ved at områdene med lav porøsitet er bygget opp av materialer som består av over 90 vekt% <Al>203, og at områdene med høy porøsitet er bygget opp av materialer som består av under 60 vekt% Al^^.

5. Keramisk formdel ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at områdene med lav porøsitet er bygget opp av materialer med over 80 vekt% glassfase,og at områdene med høy porøsitet er bygget opp av materialer med over 80 vekt% krystallinsk fase.

6. Anvendelse av den keramiske fordel ifølge krav 1-5 for fremstilling av komposittmateriale-formdeler som er impregnert eller infiltrert med organiske harpikser, bek, tjære, metaller, metallegeringer eller glass.

7. Anvendelse ifølge krav 6 for fremstilling av mejd aluminiumlegeringer infiltrerte stempler for forbrenningsmotorer.