SE433606B - Anvendning av silikathaltigt aluminiumtitanat for framstellning av eldfasta produkter och metall-keramikkompoundkroppar - Google Patents

Description

7811580-5 genom den amerikanska patentskriften 2 776 896. Därvid påpekas i synnerhet den ringa mekaniska hållfastheten hos aluminiumtitanatet.

Genom tillsats av 5-40 vikt-% lera eller kaolin eller 1-10 vikt-% talk avser man att öka hâllfastheten, utan att avsevärt sänka den låga utvidgningskoefficienten hos materialet. 7 För eldfasta produkter och liknande användningsområden är genom tyska patentskriften l 915 780 ett zirkonhaltigt aluminiumtitanat med en tryckhållfasthet av a“B = l0 - 30 (N/mmz) känt. Tillsatsen av zirkoniumsilikat ligger mellan 5 och 30 vikt-%.

Försök med de nämnda massorna har givit som resultat, att speciellt vid framställning och bearbetning av icke-järnmetaller uppvisar _dessa material icke tillräckligt lång livslängd för att ur kostnads- synpunkt med framgång kunna användas i praktiken. De visar sig i synnerhet för den grova gjuteri-och smältdriften vara icke tillför- litliga eldfasta produkter.

Likaså är keramiska metallkompoundkroppar, i synnerhet avgasrör, kända genom de tyska utläggningsskrifterna 2 163-717 och 2 354 254.

Sådana kompoundkroppar uppvisar en dubbelväggig struktur genom att en del består av en metall, t.ex. aluminium, och den andra delen av ett keramiskt material. Genom den värmeisolerande effekten hos det keramiska materialet är sådana kroppar framförallt lämpliga för av- gasledningar, utblåsningsrör och avgasrör för förbränningsmotorer.

Som värmebeständiga material nämnes många olika keramiska material.

Därvid har det i praktiken visat sig, att vid stelning av metallen uppträder kompressionskrafter av sådan styrka, att det lätt leder till sprickor i de icke-metalliska materialen. Ett ändamål med denna uppfinning är sålunda även användning av ett keramiskt mate- rial, som visar en god förhindning mellan metall och keramik med tillräcklig hållfasthet.

Av teknikens stanapunkt framgår även att aluminiumtitanat aaaan 1950- talet framkallat ett livligt intresse hos materialfackmän, utan att hittills detta lett till ett genombrott inom industrin. Detta torde hero på att hållfasthetsegenskaperna hos detta material icke är tillfredsställande; Hållfasthetsvärdena för aluminiumtitanat jäm- fört med exempelvis aluminiumoxid, kiselnitrid och zirkoniumoxid är relativt låga. Sedan flera år har man därför varit övertygad om att användningen av aluminiumtitanat icke var praktiskt möjlig inom '7811580-5 3 industrin. En ny väg beträdes sålunda genom att såväl de dåliga som de goda egenskaperna kombineras på ett sådant sätt, förbundet med en funktionsriktig utformning av produkterna, att nya användnings- möjligheter erhålles i praktiken för dessa material.

Det gemensamma kännetecknet för problemet med användning av alumi- niumtitanat består i att man önskar att avgränsa de termiska och mekaniska egenskaperna för silikathaltigt aluminiumtitanat på så- dant sätt, att nya användningsområden, i synnerhet inom grov gjuteri~ och smältdrift av icke-järnmetaller erhålles, där detta ankommer på eldfastheten, temperaturchockbeständigheten, god värmeisoleringsför- måga och tillförlitlighet hos de använda materialen. Dessutom gäl- ler det att finna ett aluminiumtitanat med hög mekanisk hållfasthet för erhållande av en keramisk metallkompoundkropp med hög slag- och stöthållfasthet.

Enligt denna uppfinning föreslås därför användning av silikathaltigt aluminiumtitanat, bestående av råmaterial med en kornstorlek under 0,6 /um och en kemisk sammansättning av 50-60 vikt-% Al203, 40-45 vikt-% TiO2, 2-5 vikt-% kaolin och 0,1-l vikt-% magnesiumsilikat som utgångsmaterial för framställning av föremål, vilka har en tem- peraturchockkoefficient av R = 130-180 (W/cm), en värmeisolering av Å = 0,01-0,03 (W/cm K, en utvidgningskoefficient av AK f 0,5 x 10-6/OC, en E-modul av ca 13 x 103 (N/mmz) och en böjhållfast- het av a*B = 40 (N/mmz) respektive en tryckhållfasthet av 6“D = 700 (N/mmz), och vidare är icke-vätbara gentemot de flesta icke-järn- metaller och uppvisar lutbeständighet.

En fördelaktig utformning av uppfinningen består i att materialet användes för framställning av eldfasta produkter, i synnerhet gjute- riartiklar såsom termoelement, skyddsrör,gasinledningsrör, tillslut- ningsproppar med platta, stigrör, ventilstoppar, gjutslevar, gjut- foder och stiggjutinsatser.

Ett ytterligare användningsändamål för materialen enligt uppfinningen är för framställning av keramiska brännhjälpmedel, i synnerhet som insats för skjutplattor vid snabb-brand.

En föredragen användning av materialen enligt uppfinningen är vid framställning av metall-keramikkompoundkroppar, i synnerhet cylin- derlock-avgasrör och avgasgrenledningar. - 7811580-5 Uppfinningen beskrives nedan närmare i form av utföringsexempel, vilka visas schematiskt i ritningarna, där fig. l visar keramiska byggdelar vid aluminiumbearbetning, och fig. 2a/2b visar metall- -keramikkompoundkroppar inom automobilindustrin.

Aluminiumtitanat har ovanliga egenskaper. Exempelvis kan detta material uppvisa en negativ utvidgningskoefficient. Dess egenskaper påverkas framförallt genom de olika tillsatserna till kompositionen av aluminiumtitanat, genom olika slag av värmebehandlingar, genom bränningen och framställningsmetoderna. Därvid kan inte några enkla regler uppställas för framställning av eldfasta produkter och metall-keramikkompoundkroppar, utan man måste för varje användnings- fall finna den optimala lösningen. Principiellt kan man dock säga, att ju högre den mekaniska hållfastheten är, desto lägre blir tem- peraturchockbeständigheten; För nya användningsfall måste material- egenskaperna exakt anpassas till de tekniska kraven. Detta uppnås genom att man som råmaterial för materialen enligt uppfinningen an- vänder 40-60 vikt-% reaktiv aluminiumoxid och 40-45 vikt-% titan- oxid, varvid båda râmaterialen skall uppvisa en genomsnittlig korn- storlek under 0,6 /um. Därefter sker tillsats av 2-5 vikt-% kaolin - och 0,1-l vikt-2 magnesíumsilikat. Detta males därefter i kulkvarn under ca 12 timmar och plastificeras med organiska bindemedel, som t.ex. en vikt-% triglycerol och 2 vikt-% polyvinylalkohol. Förhål- landet fast substans/vatten och valet av dispergeringsmedel har därvic en avsevärd inverkan på vískositeten hos slickern. För gjutartiklar kan slickern även försättas med plana skärvor eller vid 700-l000°C kalcinerat aluminiumtitanat, varvid båda komponenter skall uppvisa olika kornstorlekar. -Efter torkning av provkroppar med dimensionerna 5 x 5 x 50 mm sker bränning vid 1350-l450°C med en uppehållstid av ca 2 timmar; varvid upphettningshastigheten ligger mellan 50 och 1500 K/timme alltefter storlek och dimension hos produkterna. De erhållna egenskaperna hos materialen enligt uppfinningen framgår ur följande tabell: 130-iso (w/cmz) temperaturchookkoefficient R = värmeuppdämning Ä.= 0,01-0,03 (W/om K) utvidgningskoefficient AK = É 0,5 x 10-6/°C E-modul = ca 13 x 103 (N/m2) böjhäilfasthet o*B = 40 (N/mmz) tryckhaiifastnet a-D = voo (N/mmz) 7811580-5 Vidare kunde dock även en dålig vätbarhet jämfört med de flesta icke-metaller och lutbeständighet fastställas hos dessa material.

Av försöksdata fastställdes även den genomsnittliga krympningen till 14-18 %. För sintrade keramiska kroppar uppgick densiteten till ca 3,1-3,3 g/cm3.

Isoleringskropparna kan framställas enligt kända keramiska metoder.

I detalj är det dock praktiskt att framställa kroppar med komplice- rade dimensioner och rör som icke utsättes för alltför kraftiga mekaniska belastningar genom gjutning, som t.ex. termoelementskydds- rör l och.stiggjutinsats 8, som visas schematiskt i fig. 1.

En ytterligare användning av materialen enligt uppfinningen är vid framställning av gjuteriartiklar, som t.ex. gasinledningsrör 2, till- slutningsproppar med platta 3, stigrör 4, ventilstoppar 5, gjut- slevar 6 och gjutfoder 7. Därvid användes på grund av den högre mekaniska belastningen av produkterna i synnerhet sprutkorn, som antingen pressas eller förtätas isostatiskt med ett tryck över 300 bar. Bearbetningen av de isostatiska råämnena till motsvarande form- kroppar sker genom svarvning eller fräsning. Stigrör 4 med längder av 500-1200 mm och olika nya anslutningskonstruktioner har redan med framgång använts. Även väsentligt längre och mångsidiga insatser har redan utnyttjats vid förslutningssystem 3 för automatiska dose- ringsanordningar och varmhållningsugnar. Förutom användning inom aluminiumindustrin kan dessa material även med framgång utnyttjas som konstruktionsdetaljer vid zinkbearbetning. I princip visar sådana kroppar av materialet enligt uppfinningen icke någon sprick- bildning vid plötslig beröring med flytande icke-järnmetaller. Där- vid är det anmärkningsvärt att den förhållandevis låga hållfastheten hos aluminiumtitanatet mer än väl utjämnas genom dess ringa värme- utvidgning och höga temperaturbeständighet. En speciell grund för den nuvarande användningen ligger även i att ett sådant material icke uppvisar någon vätbarhet med flytande icke-järnmetaller. Även den låga värmeledningsförmågan har visat sig vara fördelaktig i syn-- nerhet vid stiggjutinsatser 8. Sålunda är möjligheten att använda dessa material för gjuteriartiklar att betrakta som överraskande.

Keramiska Erännhjälpmedel för hushâllskeramik, i synnerhet för skjut- plattor i snaßbrandugnar, kan likaså framställas av det silikathal- tiga aluinfutitanatet enligt uppfinningen. Formgivningen sker ¿ antingen genom gjutning, torrpressning eller stampning. En väsent- 1 g 7811580-5 lig förbättring av livslängden resp. stabiliteten hos sådana skjut- plattor uppnås genom att grova beståndsdelar av olika kornstorlek införes i kompositionen. Vid torrpressning användes t.ex. ett sprutkorngranulat med kornstorlekar mellan 40 och 200 /um. I syn- nerhet för framställning av brännplattor kan även aluminiumoxid tillföras till kompositionen för att ytterligare öka stabiliteten.

Ett väsentligt användningsförslag för materialet enligt uppfinningez består även i framställning av en keramisk metallkompoundkropp, vilken på grund av sin värmeísolerande effekt och de uppträdande värmepåkänningarna i synnerhet användes i avgasledningar, utblâs- ningsrör och avgasmunstycken för förbränningsmotorer. Formen för sådana detaljer är ytterst komplicerad, såsom framgår av fig. 2a och 2b, så att oftast endast det keramiska gjutförfarandet ifråga- kommer. Först sker framställningen av en gipsmodell, i vilken slickern ingjutes. Efter att en väggtjocklek av ca 2-3 mm bildats på gipsmodellen utgjutes resten av slickern och formkroppen uttages ur modellen. Den erhållna formkroppen sintras därefter vid l400°C.

Utan förvärmning kan den sintrade kroppen doppas i flytande alumi- ~ nium ellerenligt kända gjuterimetoder sättas i en gjutform, varvid smält aluminium hälles i formen. För tillslutning av hål och öpp- ningar under gjutförloppet kan kroppen fyllas med kiselsand under tillsats av bindemedel. Det är överraskande att aluminiumtitanatet enligt uppfinningen upptager de höga tryckspänningarna hos den stelnande, kontrakterande aluminiumsmältan, förutsatt att formen konstruerats på lämpligt sätt i enlighet med keramiska synpunkter.

På detta sätt erhålles ett med keramik klätt, värmeisolerande metall- rör, som uppvisar en komplicerad profil och tunna keramiska väggar ll, såsom framgår ur fig. 2a med ett cylinderlock-avgasrör och fig. 2b med ett avgasgrenrör.

Den beskrivna keramiska metallkompoundkroppen uppvisar icke några nackdelar. Värmeisoleringen är utomordentligt god och utmärkta hâllfasthetsegenskaper föreligger under slag- och vibrationspåkän- ning. Dessutom kvarstår även möjligheten att på ytan av de kera- miska skärvorna anbringa en katalysator, som avsevärt förbättrar efterförbränningen.

Genom föreliggande uppfinning erhålles sålunda fördelar gentemot de tidigare använda eldfasta materialen, såsom grafit, asbest, gjut- järn och SiC. Särskilt vid.gjuteriartiklar kan en förhöjd stabili- 7811580-5 tet och driftstid uppnås. Detta är av största betydelse då den medför en väsentlig kostnadsbesparing inom detta område. Förutom den stora temperaturchockbeständigheten kan även framhävas möjlig- heten att använda sådana kroppar i oxiderande och reducerande atmosfär. Några förändringar i materialet, som skadligt påverkar funktionen, genom erosion och kemiskt angrepp föreligger icke. För- utom de nya användningsomrâdena jämfört med de kända produkterna på basis av aluminiumtitanat erhålles även teknologiska och eko- nomiska fördelar, genom att materialet enligt uppfinningen är rela- tivt enkelt att framställa, varvid varken dyrbar varmpressning eller andra komplicerade metoder måste utnyttjas.

För användning vid avgasledare (eng. "port1iner") kan optimala egen- skaper uppnås, om följande komposition användes 53,4 vikt~% Al2O3 42,8 " TiO2 3,4 " kaolin 0,4 “ bentonit och kornstorleken för utgångsrâmaterialen ligger under 1 /um. Genom de finkorniga râmaterialen kan även bränntemperaturen sänkas till l350°C. För det brända materialet uppnås en E-modul av 32 x 103 (N/mmz), en böjhäilfastnet av a-B = sz (N/mz) och en tryckhäiifast- het av :FD = sso (N/mz).

Claims (4)

7811580-s Q r* Patentkrav

1. Användning av silikathaltigt aluminiumtitanat, bestående av råmaterial av en kornstorlek under 0,6lpm och en kemisk sammansättning av 50 - 60 vikt-% Al203, 40 - 45 vikt-% TiO2, 2 - 5 vikt-% kaolin och 0,1 - 1 vikt-% magnesiumsilikat som utgångsmaterial för framställning av föremål, vilka uppvisar en temperaturchockkoefficient av R = 130 - 180 (W/cm), en värmeisolering av A = 0,01 - 0,03 (W/cm K), en utvidgnings- koefficient av AK = i 0,5 x 10-6/OC, en E-modul av ca 13 x 10 (N/mmz) och en böjhållfasthet av UB = 40 (N/mmz) resp. en tryck- håiifasthet av UD = 700 (N/mmz) , och vidare är icke-vätbara gentemot de flesta icke-järnmetaller ooh är lutbeständiga.

2. Användning av silikathaltiga aluminiumtitanat enligt krav 1 som material för framställning av eldfasta produkter, isynnerhet gjuteriartiklar, såsom termoelementskyddsrör (1), gasinledningsrör (2), tillslutningsproppar med platta (3), stigrör (4), ventilstoppar (5), gjutslev (6), gjutfoder (7) och stiggjutinsatser (8).

3. Användning av silikathaltiga aluminiumtitanat enligt krav 1 som material för framställning av keramiska brännhjälpmedel.

4. Användning av silikathaltiga aluminiumtitanat enligt krav 1 som utgângsmaterial för framställning av metallkeramikkompound- kroppar, isynnerhet cylinderlock-avgasrör (9) och avgasgren- rör (10).