DE2354254B2

DE2354254B2 - Metallischer hohlkoerper

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Publication number: DE2354254B2
Application number: DE19732354254
Authority: DE
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1976-07-01
Also published as: DE2354254C3; JPS4966533A; US3939897A; JPS5116168B2; DE2354254A1; AU6195973A; CA1004436A

Description

Die Erfindung betrifft einen metallischen llohlörper mit wärmeisolierender Auskleidung, bestehend (15 us einem Hohlkern aus nichtmetallischen!, hitzebctändigem Material, der mit einem durch Umgießen metallischen Teil umgeben ist und mit diesem ein doppelwandiges Verbundgußstück bildet. Bei der Verwendung derartiger metallischer Hohlkörper als Abgas- oder Abgassammelleitung, bei der der hohle Kern eine Auskleidung derselben bildet, kann man, bei Mischung mit einer geeigneten Menge sekundärer Luft, eine Nachverbrennung der von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Abgase vornehmen, um noch nicht oder nur unvollständig verbrannte Bestandteile des Abgases, wie Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe, vollständig zu verbrennen. Die Wärmeaufnahme dieser Auskleidungen erfolgt im Auslaßbereich. Derartige Anordnungen erfüllen also dieselbe Funktion wie Reaktoren oder Nachbrenner in der Abgasleitung.

Bekannte Anordnungen haben den Nachteil, daß der adiabatische Effekt sehr gering ist; ferner ist die Leistung bei der Reinigung der Abgase sowie die Dauerhaiigkeit über lange Benutzungszeiträume bei hohen Temperaturen ebenfalls nur gering.

Die Anordnungen sind kompliziert, und ihre Herstellung wirtschaftlich nicht möglich. Die Herstellung aus hauptsächlich metallischem Material eignet sich nicht Tür hohe Stückzahlen und/oder verursacht hohe Kosten.

Um diese Nachteile zu verhindern, sind nun als Abgas- oder Abgassammelleitungen zu diesem Zweck verwendbare metallische Hohlkörper bekanntgeworden (DT-OS 21 63 717). Bei Herstellung dieses Verbundgußstückes wird darauf geachtet, daß beim Erstarren weder der metallische noch der keramische Teil fehlerhaft ist, d.h. Risse aufweist. Daher hat man lediglich die äußere Oberfläche des Hohlkernes porös gemacht; er wird in eine Form eingesetzt und die Form als Ganzes erhitzt. Das Metall dringt in die durch die Poren an der Oberfläche des Hohlkernes gebildeten Öffnungen wie eine Art Imprägnierung ein. Bei der Erstarrung bzw. Erkaltung des Metalls treten Kompressionskräfte auf, die sich danach infolge eines Fließ-Phänomens entspannen, das örtlich an der Stelle der mechanischen Verbindung zwischen dem in das Metall eindringenden, nichtmetallischen, hitzebeständigen Keramik-Material und dem Metall auftritt. Das damit entstehende Verbundgußstück arbeitet auch über eine bestimmte Zeit und bei bestimmten geometrischen Konfigurationen einwandfrei.

Nichtsdestoweniger befindet sich das Verbundgußstück in einem Fließzustand, in dem potentiell feinste Risse an der Stelle der mechanischen Verbindung von keramischem Material und Metall auftreten können, obwohl sie zunächst noch nicht erkennbar oder feststellbar sind. Setzt man das Verbundgußstück aber in einem mechanischen System ein, das erheblichen Vibrationen unterliegt, z. B. in einem Verbrennungsmotor, dann entwickeln sich sehr schnell Risse zwischen dem keramischen und dem metallischen Teil. Versuche haben gezeigt, daß die Dauerhaftigkeit eines derartigen metallischen Hohlkörpers bei mechanischen Vibrationen noch nicht zufriedenstellend ist. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere dann auf, wenn andere als runde, d. h. kompliziertere geometrische Ausgestaltungen des Hohlkörpers verwendet werden. Es ist auch schwierig, keramische Hohlkcmc herzustellen, die lediglich auf ihrer äußeren Oberfläche porös sind. Das trifft insbesondere für die Abgassystcmc von Verbrennungsmotoren und für relativ dünnwandige Teile zu.

Hs ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Er-

findung, einen metallischen Hohlkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist und der insbesondere unter starker mechanischer Belastung weniger die Gefahr in sich birgt, daß Risse u. dgl. auftreten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlkern eine glatte Oberfläche, einen Elastizitätsmodul von 200 bis 5000 kg/mm², eine Biegefestigkeit von 8 bis 200 kg/cm² und eine Wandstärke von wenir.p.r als V₄ seines Innendurchmessers auf- ι ο weist. Ein derartiger metallischer Hohlkörper kann als Abgas- oder Abgassammelleitung für Verbrennungsmotoren derart eingesetzt werden, daß der Hohlkern die Auskleidung derselben bildet. Es läßt sich damit eine günstige Nachverbrennung schädlicher, noch unverbrannter Gase, so insbesondere des Kohlenmonoxids und unverbrannter Kohlenwasserstoffe, erreichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen metallischen Hohlkörper,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Abgassammelleitung.

Wie schematisch aus Fig. 1 zu ersehen, stellt man zunächst einen rohrförmigen keramischen Tei; 1 her, dessen Elastizitätsmodul gering ist, dessen Biegefestigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt und dessen äußere Oberfläche glatt ist. Der rohrförmige Teil 1 wird dann in eine Gußform eingesetzt, und dann mit einer Metallschmelze umgössen. Die Schmelze bildet nach Erstarren und Erkalten auf dem rohrförmigen Teil 1 einen metallischen Teil 2 in Form einer den keramischen Teil umgebenden Schicht.

Dabei ist es wichtig, die Wandstärke, den inneren Durchmesser des rohrförmigen keramischen Teiles 1, den Elastizitätsmodul, sowie die Biegefestigkeit des Materials des keramischen Teils optimal auszuwählen (siehe dazu weiter unten). Ferner muß die äußere Oberfläche des rohrförmigen keramischen Teils 1 glatt sein. Sie darf keine Offnungen, Poren oder Löcher aufweisen, in die die Metallschmelze eindringen kann.

Erfüllt das keramische Material diese Anforderungen, so erhält man rohrförmige Erzeugnisse wie das in Fig. 1 gezeigte, die dauerhaft und fehlerfrei sind, ohne daß sich zwischen dem keramischen und dem metallischen Teil zumindest potentiell Risse oder Sprünge bilden können in Form eines doppelwandig strukturierten Erzeugnisses aus einem metallischen und einem keramischen Teil.

Die Haltbarkeit und Fehlerlosigkeit dieser doppelwandigen Struktur beruht auf folgenden Giünden: Die Metallumgießung der Außenfläche des keramischen rohrförmigen Teils führt während des Erstarrens und Erkaltens natürlicherweise zu einer Kontraktion. Am keramischen Teil 1 wird eine Kompres- (10 sionskraft und am metallischen Teil 2 eine Dehnungskraft wirksam.

Da herkömmliche keramische Materialien einen hohen Elastizitätsmodul haben, kommt es im Bereich der auftretenden elastischen Kräfte kaum zu einer Ver- (15 formung; da andererseits die Komprcssionskrafl jedoch sehr hoch ist, wird am metallischen Teil eine hohe wirksam, die häufig zu Brüchen und/

35

40

45

50

,55 oder Rissen in diesem führt.

1st die Wandstärke des keramischen Teiles jedoch gering und die Kompressionskraft ebenfalls relativ gering, dann führt die Kompressionskraft zum Brechen des keramischen Teiles.

Daher ist es notwendig, den Elastizitätsmodul des keramischen Materials so weit herabzusetzen, daß sich ein geeigneter Bereich der Biegefestigkeit ergibt; ferner muß die Wandstärke des keramischen Teils dem Elastizitätsmodul, der Biegefestigkeit und der Kompressionskraft der Metallschmelze im Zeitpunkt der Erstanung und Erkaltung entsprechen. Der innere Durchmesser des keramischen rohrförmigen Teils 1 kann sich innerhalb der Elastizitätsgrenzen bei Auftreten der Kontraktion durch die Gußschmelze bei der Erstarrung der Schmelze vermindern, so daß diese Belastung vom keramischen Teil aufgenommen und abgebaut werden kann; ein Bruch kann nicht mehr auftreten; der metallische Teil bleibt unbeschädigt und fehlerfrei.

Die Verbindung des rohrförmigen keramischen Teils mit dem metallischen Teil in dem Bereich in dem beide Teile aneinandergrenzen, ist keine mechanische Verbindung, wie sie z. B. durch Eindringen von Metall in den keramischen Teil entstehen würde; es entsteht also nicht die Gefahr eines potentiellen Bruches. Die Verbindung des keramischen Teils mit dem metallischen Teil ist vielmehr im vorliegenden Fall eine Art Schrumpfsitz, der durch Kontraktion des Metalls während der Erstarrung und Erkaltung entsteht; es ergibt sich demzufolge ein Gleichgewicht zwischen Kompressionsbelastung und Dehnungsbelastung innerhalb der Elastizitätsgrenzen. Daher kann die Verbindung mechanische Vibrationen mit hinreichender Standfestigkeit auf Dauer aushalten. Auch bei wiederholter Erhitzung und Erkaltung der Verbindungsstelle durch das durch das Innere des rohrförmigen Teils hindurchgeleitete Gas wird die am keramischen Teil wirksame Kompressionskraft nicht auf den Wert Null reduziert, solange das Metall nicht schmilzt. Auf diese Weise wird ein genügender gegenseitiger Eingriff ohne Fehlergefahr sichergestellt.

Im folgenden werden die aufeinanderfolgenden Herstellungsvorgänge erläutert:

Eine Möglichkeit der Herstellung von keramischem Material mit geringem Elastizitätsmodul besteht darin, eine Anhäufung feuerfesten Materials zu verwenden, dessen größte Korngröße kleiner als V4 der kleinsten Wandstärke des keramischen rohrförmigen Teils ist.

100 Teile (hier und im folgenden bedeutet dies: Gewichtsteile) dieser Anhäufung werden mit 10 bis 40 Teilen Tonerdezement als Bindemittel zusammengegeben; zu 100 Teilen dieser Mischung werden 15 bis 30 Teile Wasser zugegeben. Es wird dann umgerührt und gründlich gemischt, so daß man eine schlammartige Überzugsmasse erhält.

Als hitzebeständige Materialien kommen in Frage: lehmhaltige Schamotte, Tonerde (Aluminiumoxid), Siliziumoxid, Sillimanit, Mullit, Zirkon, Chromit, Magnesia-Sinterschlacke, (Magnesia-Klinker), Siliziumkarbid, Elektrokorund, Quarzgut, Kyanit, Magnesia, geschmolzener Spinell, Siliziumnitrid, Chrommagnesia, Chrommagnesit, Vermikulit, Vermikulitasbest, Baryt, gebrannte Diatomeenerde, Bimsstein

Dann wird ein geeigneter Kern zur Bildung des Hohlraumes in der GulJform aus I lolz, synthetischem Harz, Gips usw. hergestellt. Die erwähnte Überzugsmasse

wird dann schnell in die Gußform eingegossen. Die Gußform selbst oder im Falle keramischer Teile mit komplizierten Formen auch den Kern kann man leicht aus Materialien wie aufgeschäumten Polystyrol usw. herstellen, die in organischen Lösungsmitteln, z. B. s Azeton, Benzol, Toluol, Methylethylketon usw. lösbar sind.

Das Eingießen der Überzugsmasse wird erleichert, wenn die Gußform als Ganzes dabei einer leichten Vibration ausgesetzt wird; dadurch wird das Auf- u> treten großer Blasen an der Oberfläche des keramischen Teils vermieden. Besonders bei dicker Wand des keramischen Teils ist auch die Anwendung von Druck beim Eingießen zu empfehlen.

Nach dem Eingießen läßt man die Überzugsmasse is 4 bis 24 Stunden lang in der Gußform aushärten. Ist die gewünschte Festigkeit erreicht, dann nimmt man den Überzug und gleichzeitig auch den Kern heraus. Danach wird die geformte Überzugsmasse zunächst bei Temperaturen von 70 bis 105⁰C getrocknet; man muß jedoch dabei Sorgfalt walten lassen: Die Temperatur darf nicht zu schnell erhöht werden, um das Auftreten von Sprüngen und/oder Rissen zu vermeiden.

Zum Abschluß erfolgt dann eine Hochtemperatur-Erhitzung. Da der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit von der Temperatur bei dieser Erhitzung abhängen, müssen die Bedingungen bei der Erhitzung je nach Qualität des Materials, Form des keramischen Teils und Material der Gußschmelze in geeigneter Weise bestimmt werden.

Es ist zu empfehlen, den keramischen Teil zumindest bis zur Gußtemperatur der Metallschmelze zu erhitzen,Gußfehler, wie z. B. Gußblasen, beim Eingießen des Metalls zur Umhüllung des keramischen Teils zu vermeiden. Wird die Temperatur jedoch zu hoch gewählt, dann beginnt die Anhäufung des wärmebeständigen Materials selbst zusammenzubacken, und es erfolgt demgemäß eine Veränderung des Elastizität^- moduls und der mechanischen Festigkeit; ferner schrumpft dann der keramische Teil sehr stark. Man muß daher Vorkehrungen treffen, um dies zu vermeiden. Strebt man eine besondere Hochtemperatur-Festigkeit an, so empfiehlt es sich die Verwendung eines Phosphat-Bindemittels, z. B. primäres Aluminiumphosphat. Um den keramischen rohrförmigen Teil in vorbestimmter Position in eine Gußform einzusetzen, muß an beiden Enden des keramischen Teils ein Bereich für Kernmarken vorgesehen werden; diese können mit dem Kern einen Teil bilden oder durch das Formen von Sand mit Hilfe des Kohlendioxid-Verfahrens, des Schalengußverfahrens, des Ölsandverfahrens usw. hergestellt werden.

Hat der rohrförmige keramische Teil eine nur dünne Wand und besteht deshalb die Möglichkeit der Zerstörung der Wand infolge des Druckes der Gußschmelze während des Gießens, kann man dem dadurch begegnen, daß das hohle Innere des keramischen Teils in der bereits erwähnten Weise mit Formsand gefüllt wird.

Danach wird dann die Gußschmelze in die Gießform, in die das keramische Teil eingesetzt worden ist, eingegossen.

Hinsichtlich der Qualität der Gießschmelze bestehen keine Einschränkungen. Es können z. B. verwendet werden: Grauguß, Kugelgraphitguß, legiertes Gußeisen, Gußstahl, legierter Gußstahl, Aliminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen usw.

Die Bestimmung von Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul, Wandstärke des keramischen Teils, Querschnitt desselben und Art der Gußschmelze muß unter Beachtung der obenerwähnten Gesichtspunkte erfolgen.

Für das in Fig. 1 dargestellte rohrförmige Erzeugnis sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 die bei Experimenten verwendeten bzw. festgestellten Daten angegeben.

Tabelle 1

Umhüllung des keramischen Rohres mit einem metallischen Teil aus einer Aluminiumlegierung

Art der Keramik

Biegefestigkeit kg/cm²

Elastizitätsmodul kg/mm* Wandstärke
mm

Ergebnis

Siliziumhaltig
SiliziumhaKig
Tonerdehaltig
Tonerdehai tig
Tonerdehaltig Tonerdehaltig

Tabelle 2

Umhüllung des keramischen Rohres mit einer Umhüllung aus Grauguß

80	3 500	12	kleine Risse auf der Keramik
80	3 500	8	keine Fehler
150	5 000	11	feine Risse auf der Keramik
150	5000	6	keine Fehler
500	10 000	8	unbrauchbare Keramik
500	10 000	5	große Risse auf der Keramik

Art der Keramik

Biegefestigkeit kg/cm²

Elastizitätsmodul kg/mm²

Wandstärke Ergebnis

Siliziumhaltig Siliziumhaltig Tonerdehaltig Tonerdehaltig Tonerdehaltig

Tonerdehaltig

100	4000	15
100	4000	10
150	5000	12
150	5000	8
700	15 000	10

700

15 000 kleine Risse auf der Keramik

keine Fehler

kleine Risse auf der Keramik

keine Fehler

sowohl Metall als auch

Keramik fehlerhaft Keramik fehlerhaft

Bei den in den Tabellen 1 und 2 dargestellten Versuchen war der innere Durchmesser des rohrförmigen keramischen Teils 40 mm; die Wandstärke des umhüllenden metallischen Teils war bei der Aluminiumlegierung 6 mm und beim Grauguß 4,5 mm.

liinc Auswertung der Ergebnisse nachTabelle 1 und2 zeigt, daß für den keramischen Teil des Erzeugnisses folgende Bedingungen gegeben sein müssen, um damit ein doppelwandig strukturiertes Erzeugnis zu erhalten, das fehlerfrei ist:

(1) Der Elastizitätsmodul muß im Bereich von 200 bis 5000 kg/mnv liegen.

1st der Elastizitätsmodul kleiner als 200 kg/mm ', dann ist der keramische rohrförmige Teil zu leicht verbiegbar und das Erzeugnis aus diesem Grunde praktisch nur von sehr fragwürdiger Haltbarkeit, obwohl es zunächst, soweit feststellbar, fehlerfrei ist. Ist der Elastizitätsmodul größer als 50(X) kg/mm², ist die Verformung nicht ausreichend; der keramische Teil hat die Tendenz zu reißen bzw. zu springen. Man erhält keine fehlerfreien Erzeugnisse mehr.

(2) Die Wandstärke muß weniger als ein Viertel des inneren Durchmessers an der betreffenden Stelle betragen.

1st die Wandstärke größer, dann ist die Verformung selbst dann schwierig, wenn der Elastizitätsmodul gering ist; man erhält keine fehlerfreien Erzeugnisse mehr.

Hat r'er rohrförmige keramische Teil einen rechteckigen Querschnitt, dann wird anstelle des Durchmessers die Länge der Diagonale des Querschnitts in Betracht gezogen.

(3) Die Biegefestigkeit muß im Bereich von 8 bis 200 kg/cnr liegen.

Eine geringere Biegefestigkeit führt zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Haltbarkeit; eine höhere Biegefestigkeit führt jedoch selbst dann zu nicht mehr fehlerfreien Erzeugnissen, wenn der Elastizitätsmodul und die Wandstärke innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Die genannten Grenzen der Biegefestigkeit sichern eine hinreichende Flexibilität des keramischen rohrförmigen Teils.

(4) Die äußere Oberfläche des rohrförmigen keramischen Teils, die Kontakt mit dem metallischen Teil hat, muß glatt sein, d.h., sie darf nicht so porös sein, daß das Metall in sie eindringen kann.

Über das gesamte Produkt muß eine gewisse Homogenität des Elastizitätsmoduls, der Biegefestigkeit, der Porosität und der weiteren mechanischen Eigenschaften gewährleistet sein. Ist z.B. die Biegefestigkeit an einer bestimmten örtlichen begrenzten Stelle nicht zufriedenstellend, wird sich die mechanische Belastung auf diese Stelle konzentrieren und deshalb das Kräftegleichgewicht nicht mehr gewährleistet sein, so daß das Erzeugnis fehlerhaft wird.

Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Erzeugnis beschleunigt bei seinem Einsatz hinter dem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors als führendes Rohr eine Nachverbrennung, weil der keramische Teil viel weniger wärmeleitend als das Metall ist und hervorragende adiabatische Eigenschaften hat, so daß die Wärme des durch sein Inneres hindurchgeführten Gases mit sehr viel höherem Wirkungsgrad aufgenommen und gehalten werden kann. Das keramische Material hat auch eine sehr hohe Wärmekapazität. Deshalb hält der Wandbereich des Erzeugnisses eine hohe Temperatur auch dann, wenn sich die Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors ändern und die Temperatur des bei der Verbrennung entstehenden Abgases sinkt; so kann man auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen eine Nachverbrennung aufrechterhalten. Deshalb können die schädlichen unverbranns ten Gase im Abgas verbrannt werden.

Für Haltbarkeit bzw. Dauerfestigkeit ist maßgebend, daß der keramische Teil einen geringen Elastizitätsmodul hat und daher mechanische Vibrationen leicht absorbiert; die aneinander angrenzenden Bereiche des

ίο keramischen und des metallischen Teils bilden eine Art Schrumpfsitz als Folge des Gleichgewichts der Kutnpfessionskraft und der Dehnungskraft; das ermöglicht die Verwendung der Erzeugnisse in einer Umgebung, die ganz erheblichen Vibrationen ausgesetzt ist

is und wie z.B. bei Motoren vorliegt. In thermischer Hinsicht ergeben sich keine Probleme, da keramische Materialien insoweit Metallen überlegen sind.

Je nach ihrer Qualität sind einige keramische Materialien bei Temperaturen um 1000⁰C instabil. Verwendet

2ü man solche Materialien, so ist es zweckmäßig, ihre innere Oberfläche mit wärmebeständigem Material zu beschichten, so z. B. mit kolloidem Siliziumoxid, Äthylsilikat, primärem Aluminiumphosphat usw. Das kann vor oder nach dem Umhüllen des keramischen Teils durch Umgießen mit Metall geschehen.

Einwie beschrieben hergestelltes doppelwandig strukturiertes rohrförmiges Erzeugnis kann als Auskleidung, Futter oder Einsteckrohr für eine Abgasleitung vom Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors zu der Abgas-Abgabeöffnung im Zylinderkopf, als Abgassammelleitung mitgroßer Kapazität,als Außenbehälter eines Abgassammelleitung-Reaktors oder als Außenbehälter eines Nachbrenners verwendet werden. Die wie beschrieben hergestellten Erzeugnisse sind nicht nur bei 2- oder 4-Takt-Benzinmotoren, sondern bei allen internen Verbrennungsmaschinen einschließlich Reaktions- und Dieselmotoren einsetzbar. Neben der Abgasreinigung können sie auch zufriedenstellend zum Wärmeentzug von Gasen verwendet werden.

Im folgenden werden einige Herstellungsbeispiele angegeben.

Beispiel 1

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die Auskleidung eines Zylinderkopfes eines 1600-ccm-4-Zylinder-Benzinmotors ergab, der im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Der die Auskleidung bildende keramische Teil 3 hatte eine Wandstärke von 4 mm. entlang der Mittellinie eine Gesamtlänge von 90 mm und einen rechteckigen Querschnitt von 27X32 mm. Das keramische Material wurde wie folgt hergestellt: 20 Teile Tonerdezement wurden mit 75 Teilen Quarzgut zusammengegeben, bei dem die größte Korngröße 2,5 mm betrug. Danach wurden 22 Teile Wasser mil 100 Teilen dieser Mischung gemischt und umgerührt so daß man die schlammartige Überzugsmasse erhielt In eine Gußform aus Harz,die entsprechend der äußerer Kontur der Auskleidung erstellt wurde, wurde ein Kerr aus aufgeschäumtem Polystyrol mit den Abmessunger

der Innenkontur der Auskleidung eingesetzt Die Überzugsmasse wurde dann eingegossen. Dabei wurde die Gußform als Ganzes Vibrationen ausgesetzt Die Über zugsmasse wurde ungefähr 16 Stunden stehengelassen sie wurde dann aus der Gußform herausgenommen DerK ern wurde mit Azeton herausgelöst Dergegossem Teil wurde danach zunehmend 24 Stunden lang be einer Temperatur von 70 bis 200⁰C getrocknet; danr folgte eine Hochtemneraturtrocknung für die Dauer voi

24Stunden, bei der die Temperatur auf 850⁰C erhöht wurde.

Der so gewonnene keramische Teil hatte eine Biegefestigkeit von 100 kg/cm', einen Elastizitätsmodul von 950 kg/mnv, ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 1,60. Hs ergab sich eine Dimensionsabweichung von -0,5%.

Dieser geformte Teil wurde auf einen Holzrahmen aufgesetzt. DerTeil fürdie Kernmarken wurde mit dem Gießkern als ein Teil nach dem Kohlenstoffdioxid-Verfahren gebildet. Dieser Gußkern wurde in eine Metallgußform eingesetzt. Dannn wurde der Zylinderkopf gegossen.

Es wurde eine Aluminiumlegierung verwendet. Der Guß erfolgte bei 75O°C und niederem Druck. Die ;s Aluminiumlegierung enthielt 3,5% Kupfer, 9,5% Silizium,0,5% Magnesium und den Rest Aluminium. Nach dem Gießen wurde der Kernsand entfernt, es folgte eine Wärmebehandlung (japanische Industrienormen -.15) bei 200⁰C für die Dauer von 3 Stunden zur Erhöhung der Festigkeit der Aluminiumlegierung.

Der mit dem keramischen Teil als Auskleidung versehene Zylinderkopf wurde in einen Motor eingebaut. Die Untersuchung von Zusammensetzung und die Temperatur des Auspuffgases zeigte, daß der Gehalt an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen in Vergleich mit herkömmlichen Auskleidungen 50% geringer und die Temperatur in Umgebung der Auslaßöffnung der Auskleidung um 150⁰C höher war. Unter voller Last wurde bei 6000 UpM ein 100-Stunden-Dauertest vorgenommen. Es ergaben sich keine Fehler.

Beispiel 2

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die Auskleidung eines Zylinderkopfes eines 2000-ccm-4-Zyiinder-Benzinmotors ergab. Der keramische Teil hatte eine Wandstärke von 4,5mm, entlang der Mittellinie eine Gesamtlänge von 110 mm und einen rechteckigen Querschnitt von 32X40 mm. Das keramische Material wurde wie folgt hergestellt: 20 Teile Tonerdezement wurden mit 20Teilcn aluminiumoxidhaltigem Material zusammengegeben, bei dem die größte Korngröße 3,0 mm betrug. Danach wurden 20 Teile Wasser mit 100 Teilen dieser Mischung gemischt und zu einer Überzugsmasse geknetet.

Die weitere Herstellung bis zum Herausnehmen des keramischen Teils aus der Gußform waren gleich wie bei Beispiel 1. Die Trocknung erfolgte zunächst bis 200⁰C, danach bis 1400⁰C; bei dieser Temperatur wurde der keramische Teil 48 Stunden lang belassen.

Die Biegefestigkeit des so gewonnenen keramischen Teiles war 450 kg/cm^:, der Elastizitätsmodul 1500 kg/mm², spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) 2,80; es ergab sich eine Dimensionsabweichung von -0,65%.

Dieser geformte keramische Teil wurde in eine erwärmte Metallform eingesetzt. Durch Einblasen von Formsand erhielt man einen Schaienmodellkern für den Gußvorgang, der als ein einziger Teil auch die Kernmarken mit umfaßte. Dieser Kern wurde in eine ungebrannte Sandform eingesetzt Dann wurde der Zylinderkopf gegossen. Es wurde Grauguß verwendet. Die Temperatur der Schmelze betrug 138O°C. Die Zusammensetzung der Schmelze war: 33% Kohlenstoff, 2,0% Silizium, 0,7% Mangan, Rest Eisen.

Der mit dem keramischen Teil ausgekleidete Zylinder-

aulVin

kopf wurde aul'Yinem Verbrennungsmotor montiert. Die Untersuchung des Abgases ergab, daß dessen Gehalt an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Vergleich mit herkömmlichen Auskleidungen etwa 40% geringer war. Um die Haltbarkeit zu untersuchen, wurde die Umdrehungszahl des Motors lOOOOOmal sehr schnell von 1000 auf 6000 UpM erhöht und jeweils sofort wieder auf 1000 UpM reduziert. Es ergaben sich keine Fehler.

Beispiel 3

15 Teile primäres Aluminiumphosphat wurden mit lOOTeilenaluminiumoxidhaltigem Material zusammengegeben und wie Beispiel 2 weiterverarbeitet, um die Überzugsmasse zu erhalten.

Die weitere Herstellung bis zur Entfernung des keramischen Teils aus der Gußform erfolgte wie im Beispiel 1. Die Trocknung erfolgte zunächst bis zu 200⁰C, dann für die Dauer von 24 Stunden bei einer Temperaturvon 1200⁰C. Der so gewonnene keramische Teil hatte eine Biegefestigkeit von 190 kg/ cm², einen Elastizitätsmodul von 4800 kg/mm², ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 2,75 und eine Dimensionsabweichung von -0,63%.

Die weiteren schritte der Herstellung der Auskleidung eines Zylinderkopfes waren dieselben wie im Beispiel 2. Nach Montage des Zylinderkopfes erhielt man dieselben Testergebnisse für Leistung und Standfestigkeit wie im Beispiel 2.

Beispiel 4

Das Erzeugnis wurde so hergestellt, daß sich die Auskleidung einer Abgassammelleitung großer Kapazität für einen 2000-ccm-4-Zy!inder-Benzinmotor ergab, wie dies in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist. Der keramische Teil 4 hat die Form eines Mehrfachrohres. Die Wandstärke betrug 6 mm, der innere Durchmesser an den Einlaßöffnungen 5 35 mm, der an der Auslaßöffnung 6 42 mm.

Das keramische Material wurde durch Zugabe von 20 Teilen Tonerdezement zu 80 Teilen aluminiumoxidhaltigem Zuschlagstoff gewonnen, dessen größte Korngröße 4 mm betrug. Zu 100 Teilen dieser Mischung wurden 20 Teile Wasser beigegeben, um die schlammartige Überzugsmasse zu bilden. Sie wurde wie im Beispiel 1 in eine vorbereitete Form eingegeben; man erhielt so den nach Art eines Mehrfachrohres ausgebildeten keramischen Teil 4. Dieser wurde bis zu 2iner Temperatur von 1550⁰C erhitzt. Der so gewonnene keramische Teil hatte eine Biegefestigkeit von 180 kg/cm²,einen Elastizitätsmodul von 4800kg/mm², ein spezifisches Schüttgewicht (Raumgewicht) von 2,85 und eine Dimensionsabweichung von -0,70%. Der keramische Teil wurde mit dem eigentlichen Gußkern zusammen nach dem Kohlendioxidverfahren als ein Teil ausgebildet und in eine Gußform eingesetzt Bei einer Temperatur von 1350⁰C wird eine Kugelgraphiteisenschmelze eingegossen. Die Zusammensetzung des Kugelgraphiteisens war: 3,8% Kohlenstoff, 2,7% Silizium, o,5% Mangan, 0,04% Magnesium, Rest Eisen. Die Abgassammelleitung wurde in einem Motor montiert Tests zeigten, daß der Kohlenmonoxidgehalt um 60% und der Gehalt an Kohlenwasserstoffen um 35% im Vergleich zu herkömmlichen Abgassammelleitungen abnahm. Ein Betrieb dieses Motors in einem Dauertest über 50000 km bei hoher Geschwindigkeit ergab keine Fehler.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Metallischer Hohlkörper mit wärmeisolierender Auskleidung, bestehend aus einem Hohlkern aus nichtmetallischem, hitzebeständigem Material, der mit einem durch Umgießen hergestellten metallischen Teil umgeben ist und mit diesem ein doppelwandiges Verbundgußstück bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkern (1, 3, 4) eine glatte Oberfläche, einen Elastizitätsmodul von 200 bis 5000 kg/mm², eine Biegefestigkeit von 8 bis 200 kg/cm² und eine Wandstärke von weniger als V₄ seines Innendurchmessers aufweist.

2. Metallischer Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Hohlkern (1, 3,4) umgebende metallische Teil (2) aus einem der folgenden Materialien besteht: Grauguß, Kugelgraphiteisen, legiertes Eisen, Stahlguß, legierter Stahlguß, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen.

3. Metallischer Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkern (1, 3, 4) eine Korngröße von weniger als '/_A seiner geringsten Wandstärke aufweist.

4. Hohlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material aus einem der folgenden Materialien ausgewählt ist: lehmhaltige Schamotte, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Sillimanit, Mullit, Zirkon, Chromit, Magnesia-Klinker, Siliziumkarbid, Elektrokorund, Quarzgut, Kyanit, Magnesia, geschmolzener Spinell, Siliziumnitrit, Chrommagnesia, Chrommagnesit, Vermikulit, Vermikulitasbest, Baryt, gebrannte Diatomeenerde, Bimsstein.

5. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkern vor dem Umgießen ausgehärtet, danach zunächst bei einer Temperatur von 70 bis 200⁰C getrocknet und denach auf eine Temperatur von 850 bis 1550⁰C erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung zumindest auf diejenige Temperatur erfolgt, die die Metallschmelze, mit der der Hohlkern umgössen wird, aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung für eine Dauer von ca. 4 bis 24 Stunden erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung für eine Dauer von 24 bis 48 Stunden erfolgt.

9. Verwendung eines metallischen Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Abgas- oder Abgassammelleitung bei Verbrennungsmotoren derart, daß der Hohlkern eine Auskleidung der Abgas- oder Abgassammelleitung bildet.