DE2354254B2 - Metallischer hohlkoerper - Google Patents
Metallischer hohlkoerperInfo
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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.
Umhüllung des keramischen Rohres mit einem metallischen Teil aus einer Aluminiumlegierung
Art der Keramik
Biegefestigkeit kg/cm2
Elastizitätsmodul kg/mm* Wandstärke
mm
mm
Ergebnis
Siliziumhaltig
SiliziumhaKig
Tonerdehaltig
Tonerdehai tig
Tonerdehaltig Tonerdehaltig
SiliziumhaKig
Tonerdehaltig
Tonerdehai tig
Tonerdehaltig Tonerdehaltig
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 |
Biegefestigkeit kg/cm2
Elastizitätsmodul kg/mm2
Siliziumhaltig
Siliziumhaltig
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
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.
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.
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.
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.
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 (9)
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.
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