NO171309B - Sammensatte strukturer av keram og superbetong - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører sammensatte strukturer av keramer og superbetong.

Keramer har en rekke fordelaktige egenskaper så som lav vekt, høy styrke, stivhet, hardhet, motstand mot abrasiv og erosiv slitasje, korrosjonsmotstandsdyktighet og høytemperaturbestandighet. Keramer er imidlertid også beheftet med en del ulemper slik som høy pris og spesielle prosesseringsproblemer som begrenser kostnadseffektiviteten spesielt ved komplekse former og ved fremstilling av store deler. Keramers mest ufordelaktige egenskaper er sprøheten som fører til brudd uten flyt eller plastisk deformering slik det er tilfelle med metaller. Som en konsekvens av dette er keramer utsatt for overflateskader.

Med keramer skal det heri forstås en hvilket som helst klasse av uorganiske ikkemetalliske materialer som utsettes for en temperatur av 540°C eller høyere, ved fremstilling eller bruk, inkludert metalloksider, borider, karbider og nitrider eller forbindelser av slike materialer. Denne definisjonen er i samsvar med 0'Bannon i Dictionary of Ceramic Science and Engineering, Plunum Press New York 1984.

De keramiske materialene fremstilles ved forskjellige formingsteknikker så som slikkerstøping, ekstrudering, injeksjonsforming, tapestøping, valseforming og uniaksiell så vel som isostatpressing og ved forskjellige varmebehandlingsprosesser så som vakuum, inert gass, atmosfærisk- og gasstrykksintring, uniaksiell og isostatisk trykkpressing, reaksjonsbinding, infiltrasjon og flamme- og plasmasprøyting. De keramiske materialene kan omfatte forskjellige faser: Krystallinske, amorfe, faste oppløsninger og keramiske eller metalliske fibre innesluttet i en keramisk matriks. De keramiske materialene inkluderer tette så vel som porøse materialer og overflatebehandlede materialer.

Typiske eksempler på keramiske materialer i henhold til den ovennevnte definisjon er alumina inneholdende 85 - 100 % aluminiumoksid, partielt og fullt stabilisert zirconia, zirconiaforsterket alumina, silisiuminfiltrert silisiumkarbid, sintret silisiumkarbid, reaksjonsbundet silisiumnitrid, sintret silisiumnitrid, wolframkarbid, titandiborid, alumina, titankarbidkompositt, titankarbid og bornitrid. Andre eksempler er tradisjonelle keramer som porselen, kordieritt, mullitt og spinell. Også såkalte funksjonelle keramer så som ferritter, titanater og keramiske høytemperatursuperledere faller innenfor den ovennevnte definisjon av keramiske materialer.

I de senere år er det blitt utviklet såkalte superbetonger som er betonger med en meget høy styrke og som kan prosesseres ved romtemperatur og som kan kombineres med nesten ethvert materiale og derved muliggjøre kostnadseffektiv produksjon av komplekse komponenter. Disse superbetongene har endel meget fordelaktige egenskaper, så som høy motstandsdyktighet mot slitasje, motstandsdyktighet mot høy temperatur, korrosjonsmotstandsdyktighet, dimensjonsstabilitet og termisk stabilitet og elektrisk isolasjonsevne.

Superbetongen har imidlertid også noen ulemper, slik som lav bøyefasthet og lav motstand mot sure omgivelser.

Med superbetong skal det her forstås en gruppe av uorganiske komposittmaterialer fremstilt av tett pakkede sterkt slitasjemotstandsdyktige partikler inneholdt i en meget tett og sterk matriks. Matriksen er basert på en hydraulisk sement så som Portland sement eller kalsiumaluminatsement med tilsats av "fortettere" slik som mikrosilica. Partikler for å oppnå spesielle egenskaper slik som av termisk utvidelsene (kordieritt og litium-zirconium-fosfat), termisk og elektrisk ledningsevne (metallpartikler eller metallfibre) og magnetiske egenskaper (ferritter) kan tilsettes superbetongen. Superbetong som benyttes i henhold til den foreliggende oppfinnelse har en trykkstyrke på minst 70 MPa og fortrinnsvis over 120 MPa i henhold til ASTM standard C-39-86.

En typisk superbetongblanding benyttet i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse omfatter ca. 400 vektdeler kalsiumaluminatsement, 96 vektdeler microsilica med en midlere partikkelstørrelse av 0,15 (im og et overflateareal på ca 20 m<2>/g, 1147 vektdeler bauxitt (50 % 1 - 4 mm og 50 % 0-1 mm), dispergeirngsmidler og akseleratorer, for å oppnå en godt dispergert blanding med fordelaktige flyte- og støpeegenskaper.

Materialer som selges under varemerkene CERAMITE og DENSIT er to klasser av superbetonger som kan benyttes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse. Deres styrkeegenskaper nærmer seg styrkeegenskapene av tradisjonelle keramer i den øvre ende og overstiger styrkeegenskapene av høystyrkebetong i den nedre ende. Disse materialene kan prosesseres ved romtemperatur og kan kombineres med nesten et hvilket som helst materiale.

Partiklene inneleiret i superbetongens matriks kan være et nesten hvilket som helst uorganisk materiale, de mest typiske er kvarts, aluminiumoksid, bauxitt, silisiumkarbid og forskjellige silikater som benyttes til å gi øket styrke og høy slitasje-motstandsdyktighet.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe kombinerte strukturer av keramer og superbetong hvorved egenskapene for hvert av de to materialene kan kombineres på en synergistisk og kostnadseffektiv måte.

Foreliggende oppfinnelse vedrører således sammensatte strukturer av keram og superbetong, og er kjennetegnet ved at de sammensatte strukturene omfatter et ytre lag av keram bundet til en indre struktur av superbetong, eller en ytre struktur av superbetong bundet til et indre lag av keram, hvilket keram omfatter en hvilken som helst klasse av uorganiske, ikkemetalliske produkter som utsettes for en temperatur av 540°C eller høyere under fremstilling eller bruk og hvilken superbetong omfatter tettpakkede partikler av et uorganisk materiale inneleiret i en matriks basert på en hydraulisk sement som har en trykkstyrke på minst 70 MPa.

De sammensatte strukturene i henhold til foreliggende oppfinnelse kan utnyttes for et stort antall produkter og muliggjør at produktene kan produseres mer kostnadseffektivt enn hittil samtidig som det oppnås produkter med bedre egenskaper enn tidligere.

Som eksempler på produkter som fordelaktig kan fremstilles ved bruk av den foreliggende oppfinnelse kan nevnes: Plater bestående av en struktur av superbetong med et lag av keram på minst en

side.

Rør bestående av et indre rør av superbetong med et ytre lag av keramer og rør

bestående av et indre keramisk rør med en utvendig beskyttelse av superbetong. Keramiske kondensatorer i form av et keramisk rør med et utvendig elektrisk isolerende og beskyttende lag av superbetong.

Kuler for kuleventillegemer omfattende en indre del av superbetong med et

overflatelag av keram.

Skruer for monopumper omfattende en indre del av superbetong med et

overflatelag av keram.

De sammensatte strukturer i henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilles vanligvis ved at keramdelen eller delene av strukturen først formes og sintres i form av en eller flere deler med optimal veggtykkelse. Superbetongen støpes deretter inni eller på keramdelen eller delene i henhold til betingelser gitt av de sammensatte strukturers helhetsform. På denne måte kan man kostnadseffektivt fremstille store komplekse deler som det hittil ikke hadde vært mulig å fremstille av keramer alene. Alternativt kan det keramiske lag påføres på en herdet struktur av superbetong ved plasma- eller flammesprøyting.

En ytterligere fordel ved de sammensatte strukturer i henhold til den foreliggende oppfinnelse utgjøres av at festeanordninger slik som stålbolter, kan delvis innstøpes i superbetongdelen av strukturene. På denne måte kan strukturene lett festes til andre strukturer. Dette er normalt ikke mulig å oppnå ved bruk av keramiske materialer alene, da det for eksempel ikke er mulig å feste stålbolter i keramiske deler under produksjonen av disse.

EKSEMPEL 1

En sammensatt struktur i henhold til foreliggende oppfinnelse i form av skovler for bruk i mekaniske blandemaskiner for blanding av sterkt abrasive og korrosive blandinger ble fremstilt på følgende måte: Et 5 mm tykt skall av 99,8 % aluminiumoksid ble fremstilt ved slikkerstøpning. Den ytre overflate av det keramiske skall tilsvarte den ytre form av skovlen. En superbetongblanding omfattende 400 vektdeler kalsiumaluminatsement, 96 vektdeler mikrosilica, 1147 vektdeler filler i form av bauxitt (50 % 1-4 mm og 50 % 0 - 1 mm), dispergeringsmidler og akselerator, ble støpt inni keramskallet. Stålbolter for å forbinde skovlen til blandearmen ble innsatt og holdt i posisjon i betongen. Betongen ble så herdet i 24 timer. Skovlen fremstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelse utviste meget gode slite- og korrosjonsegenskaper sammenlignet med konvensjonelle skovler fremstilt av rustfritt stål. Det skal bemerkes at det ikke er mulig å fremstille slike skovler fra et keramisk materiale alene, både på grunn av designproblemer og på grunn av ekstremt høye kostnader.

EKSEMPEL 2

Dette eksempelet vedrører sammensatte strukturer bestående av et utvendig superbetonglegeme på et indre skall av keram, som anvendes i forbindelse med sensorer for strømningsmålere. Et kaldisostatisk presset rør med 8 mm veggtykkelse ble fremstilt av zirkoniumoksidstabilisert aluminiumoksid (40% partielt stabilisert zirkoniumoksid, 60 % aluminiumoksid). Spesialelektroder ble deretter anbragt på utsiden av keramrøret.

Et lag av superbetong med samme sammensetning som angitt i eksempel 1 ble støpt inn i mellomrommet mellom utsiden av keramrøret og et ytre stålrør, hvorved betongen beskytter elektrodene og isolerer dem elektrisk fra stålrøret og samtidig fester keramrøret til stålrøret.

Flere fordeler oppnås ved denne strukturen. En indre overflate av meget slitasjebestandig materiale kan på denne måte feste til et ytre stålrør uten kostbare krypeforinger. Anvendelsen av superbetonglegemet gir en vesentlig høyere temperaturmotstandsdyktighet og evne til å fylle ut mellomrommet mellom keramrøret og stålrøret enn noe kjent limingskonsept, samtidig som det gir stabilitet og stivhet. Ved å anvende superbetong blir elektrodene på utsiden av keramrøret også elektrisk isolert fra stålrøret.

EKSEMPEL 3

Dette eksempelet vedrører kuler for kuleventiler for bruk i abrasive og korrosive medier og spesielt kuler med en diameter på 40 mm og mer. Den ytre overflaten til slike kuleventillegemer må oppfylle meget strenge betingelser når det gjelder overflatefinhet. Slike kuleventillegemer fremstilt utelukkende fra keramisk materiale er dyre og vanskelige å fremstille, spesielt når det gjelder legemer med stor diameter. I henhold til den foreliggende oppfinnelse ble det fremstilt et skall av zirkoniumoksid-aluminiumoksidkompositt ved konvensjonelle metoder. Skallet ble fylt med superbetong med den samme sammensetning som angitt i krav 1. Det fremstilte kuleventillegemet hadde en utmerket seighet og en meget god slitasjemotstandsdyktiget.

EKSEMPEL 4

Dette eksempelet vedrører fremstilling av en monopumpeskrue bestående av et ytre skall av et meget slitasjemotstandsdyktig og korrosjonsmotstandsdyktig keramisk materiale. Skallet som hadde en tykkelse på 5 mm ble fremstilt av reaksjonsbundet silisiumnitrid. I skallet ble det støpt en superbetong med samme sammensetning som angitt i eksempel 1 og en stålbolt ble innført i betongen i den ene enden av skruen. Ved slikkerstøping av det keramiske skall er det unødvendig å maskinere monoskruens ytre overflate. Dette resulterer i gunstige produksjonskostnader og bedre ytelsesevne for monoskruen. Kostnaden for å produsere en monopumpeskrue kun av keramisk materiale ville blitt langt høyere på grunn av råmaterialkostnader og høyere produksjonskostnader.

Claims (4)

1. Sammensatte strukturer av keram og superbetong, karakterisert ved at de sammensatte strukturene omfatter et ytre lag av keram bundet til en indre struktur av superbetong, eller en ytre struktur av superbetong bundet til et indre lag av keram, hvilket keram omfatter en hvilken som helst klasse av uorganiske, ikkemetalliske produkter som utsettes for en temperatur av 540°C eller høyere under fremstilling eller bruk og hvilken superbetong omfatter tettpakkede partikler av et uorganisk materiale inneleiret i en matriks basert på en hydraulisk sement som har en trykkstyrke på minst 70 MPa.

2. Sammensatte strukturer i henhold til krav 1, karakterisert ved at det keramiske lag er formet ved slikkerstøping, ekstrudering, injeksjonsforming, valseforming eller uniaksiell eller isostatisk pressing.

3. Sammensatte strukturer i henhold til krav 1, karakterisert ved at det keramiske lag inneholder keram- eller metallfibre, plater, partikler eller faser.

4. Sammensatte strukturer i henhold til krav 1, karakterisert ved at superbetongen har en trykkstyrke på minst 120 MPa.