DE3617456A1

DE3617456A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE FIXED CONNECTION OF CERAMIC MOLDED PARTS WITH METALS

Info

Publication number: DE3617456A1
Application number: DE19863617456
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Schultze; Klaus-Dieter Dr Ing Partz
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG
Current assignee: Vaw Aluminium AG
Priority date: 1986-05-23
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1987-12-03
Also published as: EP0246423A2; JPS62275562A; EP0246423A3

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.The invention relates to a method and a Device for the firm connection of ceramic Molded parts with metals, especially with one Cast steel existing metallic support, the ceramic molding surrounded with a material and with the Metal is thermally bonded.

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.EP-OS 01 64 537 describes a process for the production a firm connection of highly wear-resistant plates, especially ceramic plates, with a wear and tear too protective carrier known, with pressed metal between two Solder foils embedded and by heating Multi-component material between the wear-resistant Plates and the support is formed. That way on the one hand a firm connection of the highly wear-resistant Plate, in particular ceramic plate, with the carrier achieved, and on the other hand, the Differences in thermal expansion between the highly wear-resistant Plate and the carrier compensated. This well known Process is therefore particularly suitable for a fixed and secure connection of ceramic plates with the spiral of Screw conveyor of a screw centrifuge.

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. Based on this known method, there is The object of the invention in a fixed connection of to create ceramic moldings with metals without Impairment of material and strength too relatively high temperature changes can record.

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.This object is achieved in that a Thermal expansion absorbing, elastic, fireproof Material is used and that the thermal connection of the ceramic molding with the metal and / or metallic carrier by pouring liquid metal he follows. In this way, as shown in practice has a solid and suitable choice of material secure connection of ceramic plates with metals reach and maintain when the ceramic Molded parts with the metals, especially with the Cast steel existing metallic beams, very high Exposed to changes in temperature.

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.In an advantageous development of the invention ceramic molding in the entire connection area from Surrounded by material and by pouring liquid metal connected to this or to the metallic carrier. This will compensate all sides Temperature changes between the ceramic Molded part and the metallic support guaranteed.

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. However, if necessary, a sufficiently firm one Connection of ceramic molded parts with metals achieved if only the outer edge of the ceramic molding surrounded with the material and with the molten metal is cast around. As materials here can be very advantageously ceramic fibers or fibers of borides, Carbides or aluminum oxide in the form of fleeces, felts or braided ribbons can be used. Materials too made of metal and oxide ceramic fibers are particularly good suitable for the very different thermal expansions between the ceramic molding and the metal or pick up and compensate for metallic supports.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungsfiguren schematisch dargestellten Vorrichtungen.Further details, features and advantages of the invention result from the following explanation of in the Drawing figures schematically illustrated devices.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung im Querschnitt, Fig. 1 shows a metal-ceramic connection according to the invention in cross-section,

Fig. 2 die noch in einer Gußform befindliche Metall-Keramik-Verbindung gemäß Fig. 1 im Querschnitt, Fig. 2, which is still in a mold metal-ceramic connection according to Fig. 1 in cross section,

Fig. 3 einen metallischen Träger mit konischer Ausnehmung und umgossenem Keramikformteil gemäß der Erfindung im Querschnitt. Fig. 3 shows a metallic carrier with a conical recess and cast ceramic molded part according to the invention in cross section.

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).As shown in FIG. 1, the metal-ceramic connection according to the invention 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 ). When the metal melt ( 11 ) cools down in the casting mold ( 13 ), there is a shrinkage by which the material ( 12 ) located between the metal melt ( 11 ) and the ceramic molded part ( 10 ) is also more or less compressed. In this way, in addition to a form-fitting metal-ceramic connection, a non-positive connection is also very advantageously brought about by the shrink fit of the ceramic molded part ( 10 ) located in the metal carrier ( 11 ). Due to the conical design of the ceramic molded part ( 10 ), uneven solidification pressures can be damped and compensated 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 ). As soon as the molten metal ( 11 ) in the mold ( 13 ) has solidified and cooled, this metal-ceramic connection according to the invention is removed from the mold ( 13 ) upwards and as such can be exposed to the ceramic surface according to FIG. 1 can be used with advantage in machines and systems in places particularly prone to corrosion and abrasion. If appropriate, it can also be expedient, as indicated by the broken lines in FIGS. 1 and 2, to arrange the ceramic molded part ( 10 ) in the entire connection area, ie also between the lower side ( 14 ) and the carrier ( 11 ), of a material ( 15 ) . This is particularly the case when this metal-ceramic connection designed according to the invention is exposed to a particularly high temperature change load. 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. Depending on the different thermal expansion coefficients between the metallic support ( 11 ) and the ceramic molded part ( 10 ), the thickness of the material ( 12 ) can also be dimensioned and coordinated in such a way that a firm connection of the ceramic molded part (even under extreme thermal and mechanical loads) 10 ) with the metallic support ( 11 ) is guaranteed. 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 ).

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 Temperaturwechselbelastung ausgesetzt sind.Finally, as shown in FIG. 3, 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. For the purpose of a firm connection of the ceramic molded part ( 16 ) to the carrier ( 18 ) there is a gap ( 20 ) between the outer edge ( 19 ) of the ceramic molded part ( 16 ) and the metallic carrier ( 18 ) for receiving the material ( 21 ) 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 according to the invention shown in FIG. 3 is particularly suitable as wear protection for thrust grate coolers, in particular in the area for cooling goods, where the grate cooler plates are exposed to a particularly high level of abrasion and thermal shock.

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.The object of the invention is not limited to that in the Exemplary embodiments shown in the drawings limited. So the ceramic molded parts for example with straight edges and can also be designed in any other way. The same applies for the metallic supports of the ceramic molded parts.

Claims

1. A method for the firm connection of ceramic molded parts with metals, in particular with a metallic support made of cast steel, the ceramic molded part being surrounded by a material and thermally bonded to the metal, characterized in that the material ( 12 , 15 , 21 ) a thermal expansion absorbing, elastic, refractory material is used, and that the thermal connection of the ceramic molded part ( 10 , 16 ) with the metal and / or metallic carrier ( 18 ) is carried out by pouring liquid metal ( 11 , 22 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the ceramic molding ( 10 ) in the entire connection area surrounded by the material ( 12 , 15 ) and by pouring liquid metal ( 11 ) with this or with the metallic carrier ( 18 ) is connected.

3. The method according to claim 1, characterized in that the outer edge of the ceramic molding ( 16 ) with the material ( 21 ) surrounded and cast with the molten metal ( 22 ).

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a fleece of ceramic fibers is used as the material ( 12 , 15 , 21 ).

5. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a material consisting of metal and oxide-ceramic fibers ( 12 , 21 ) is used to connect the ceramic molding ( 10 , 16 ) with the metal ( 11 , 22 ).

6. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that fibers of borides, carbides or aluminum oxide are used as the material ( 12 , 15 , 21 ).

7. Device for carrying out the method according to claims 1 to 6, characterized by a metallic carrier ( 11 , 18 ) in which a ceramic molded part ( 10 , 16 ) is embedded, one in the connection area between the metallic carrier and the ceramic molded part Thermal expansion absorbing, elastic, refractory material ( 12 , 15 , 21 ) is arranged.

8. The device according to claim 7, characterized in that between the outer edge ( 19 ) of the ceramic molding ( 16 ) and the metallic carrier ( 18 ), a gap ( 20 ) for receiving the material ( 21 ) and the molten metal ( 22 ) is provided is.

9. The device according to claim 7, characterized in that the metallic carrier consists of the solidified molten metal ( 11 ).

10. Device according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that the ceramic molded part ( 16 ) is conical in cross section and is embedded in a corresponding recess ( 17 ) in the metallic carrier ( 18 ).