DE3724995C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundkörpers aus einem keramischen Material und einem
Metall sowie eine danach hergestellte
Blasform.
Es sind zahlreiche Anwendungsbereiche bekannt, in denen
Keramik-Metall-Verbundkörper benötigt werden. Dabei fallen,
je nach Anwendungsbereich, zum Beispiel bei einem Verbundkörper
aus einer Metall- und einer Keramikschicht, diesen
zum Teil völlig unterschiedliche Aufgaben zu. So sind
Keramikpanzerungen zur Erhöhung der Durchbruchsicherung
von Tresoren ebenso bekannt, wie Keramik-Schutzschilde
gegen Strahlungswärme oder auch die Beschichtungen von keramischen
Substraten mit elektrisch leitenden Metallen.
Aus der DE-PS 26 33 869 ist ein Verfahren zum Verbinden
von Kupfer mit einem Substrat aus Keramikmaterial bekannt,
bei dem das Kupfer mit dem Keramikmaterial bei einer Temperatur
im Bereich der eutektischen Schmelze des Kupfers
in Kontakt gebracht wird und bei dem die Schmelze zur
Bildung einer direkten Bindung zwischen dem Kupfer und
dem Substrat abgekühlt wird.
Aus der DE-OS 27 40 332 ist eine Verbindung von einem
Keramiksubstrat mit einer Metallfolie unter Druck bekannt.
Gemäß der DE-OS 35 42 889 wird zur Verbindung zwischen
Metallen und Keramikmaterialien ein Hartlöten bei Temperaturen
unterhalb von 750°C vorgeschlagen.
Gemäß der DE-OS 31 30 765 wird das gleiche Ziel durch
ein Festkörperschweißverfahren zwischen dem Metall und
der Keramik erreicht.
Alle diese Verfahren führen zu Verbundkörpern, bei denen
entweder die Schichten nicht vollflächig miteinander verbunden
sind, oder aber die vollflächige Verbindung nicht
fest genug ist, so daß die Schichten sich beim Gebrauch
wieder voneinander lösen.
Um diese Nachteile zu überwinden, sind in den deutschen
Offenlegungsschriften 24 19 584 und 28 20 699 Verfahren
zur Herstellung von Hochofenwindformen beschrieben, bei
denen zwischen ein Kupfersubstrat und eine keramische
Schicht eine metallisierte Zwischenschicht beziehungsweise
eine Zwischenschicht aus einem sogenannten "Cermet"-
Material aufgebracht wird. Letzteres dient dabei quasi
als Verbindung zwischen der reinen Metall- und der reinen
Keramikschicht.
In ähnlicher Weise versucht auch der Vorschlag gemäß der
DE-OS 27 15 290 so unterschiedliche Materialien wie Keramik
und Metall miteinander zu verbinden. Gegenstand der DE-OS
27 15 290 sind Keramik-Metall-Laminate, bei denen zwischen
der Keramik- und der Metallschicht eine Zwischenschicht
aus einem flexiblen, elastischen Fasermaterial vorgesehen
ist, das mechanisch sowohl mit der Metall- wie mit der
Keramikschicht verbunden ist. Die Zwischenschicht dient
dabei zur Aufnahme von mechanischen Spannungen, insbesondere
bei einer Temperaturbelastung des Verbundkörpers, aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien
des Verbundkörpers.
Die Verbindung von Keramik und Metall wird umso schwieriger
je extremer die thermischen und mechanischen Beanspruchungen
des jeweiligen Verbundkörpers sind.
Besonders extremen Beanspruchungen unterliegen dabei die
in den genannten deutschen Offenlegungsschriften 24 19 584
und 28 20 699 beschriebenen Blasformen. Blasformen dienen
zum Einführen von Heißluft in Hochöfen. Da in letzter
Zeit die Anstrengungen der Hochöfner dahingehen, den als
Brennstoff und Reduktionsmittel im Hochofen verwendeten
Koks mengenmäßig weiter zu reduzieren, kommt der externen
Verbrennung und Wärmezufuhr in den (die) Hochöfen eine
zunehmende Bedeutung zu. Dabei dienen insbesondere die
Blasformen in zunehmendem Maße zum Einspritzen oder Eindüsen
von flüssigen, gasförmigen oder pulverförmigen Brennstoffen,
wodurch die thermischen Belastungen der Blasform vor
allem im Bereich der Austrittsöffnung der zugehörigen
Lanze noch höher werden. So müssen die Blasformen zumindest
kurzzeitig zum Beispiel Temperaturen von über 2000°C
aushalten, aber auch die "Dauer-Temperaturbelastung"
liegt über 1200°C.
Darüber hinaus kann es auch zu einem unmittelbaren Kontakt
zwischen flüssigen Roheisen oder Schlacken mit der Blasform
kommen, insbesondere bei sogenanntem "Blasformstechen",
wenn die Blasform dann mehr oder weniger ungeschützt in
das Innere des Hochofens vorsteht. Insoweit kommt der
Kühlung der Blasform eine besondere Bedeutung zu. Blasformen
werden meist aus reinem Elektrolytkupfer gefertigt und
sind an Kühlsysteme angeschlossen. Es gibt heute eine
Vielzahl unterschiedlicher Blasformkonstruktionen. Insbesondere
bei großen Öfen hat sich jedoch der Einsatz
von Doppelkammerblasformen durchgesetzt. Bei dieser Art
der Form unterscheidet man zwei getrennte Kühlräume, wobei
der vordere Teil aus einem Ring besteht, der zur Erreichung
hoher Geschwindigkeiten für sich allein mit hohen Wassermengen
beaufschlagt wird, während der hintere Kühlraum
auf an sich bekannte Weise gekühlt wird. Der Vorteil der
Doppelkammerform liegt darin, daß auch nach einem Durchbrennen
des vorderen Rings das Kühlwasser für diesen
Ring abgeschaltet werden kann und der hintere Kreislauf
weiter funktioniert.
Die in den deutschen Offenlegungsschriften 24 10 584 und
28 20 699 beschriebenen keramischen Beschichtungen derartiger
Blasformen haben sich nicht durchgesetzt, da das
Herstellungsverfahren durch Aufbringung mindestens einer
Zwischenschicht relativ kompliziert ist, zum anderen
auch mit einer zwischengeschalteten Cermet-Schicht keine
ausreichende Festigkeit des Verbundkörpers erzielbar
ist.
Diese Nachteile hat auch der Erfinder der in der DE-OS
28 13 267 beschriebenen wassergekühlten Blasform
erkannt.
Gegenstand der DE-OS 29 13 267 ist eine wassergekühlte
Kupfer-Blasform, die an ihren Innenflächen sowie an der
Nasenfront aus der Metallwand herausragende Rippen etwa
gleicher Höhe aufweist, wobei zwischen diesen Rippen eine
feuerfeste Isolierschutzmasse eingelagert ist. Dabei sollen
die Rippen vorzugsweise eine Schwalbenschwanzform aufweisen,
die einerseits den Halt der Keramikbeschichtung verbessern,
andererseits aber auch die von der feuerfesten Schutzschicht
aufgenommene Wärmeenergie ins Innere des dickwandigen
Metallmantels abführen sollen.
Ein Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Lösungsvorschlägen
besteht eigentlich nur darin, daß durch die schwalbenschwanzförmige
Gestaltung der Rippen der Blasform die
Keramikbeschichtung zusätzlich gehalten wird, jedoch sind
auch hier Ablösungen zwischen der Keramik- und Metallschicht
nicht zu vermeiden, da keine ausreichende Verbindung zwischen
den beiden Phasen besteht.
Schließlich ist aus der DE-AS 23 54 254 bekannt, ein
schmelzflüssiges Metall auf einen porösen keramischen Körper
zu gießen, wobei die Metallschmelze zumindest teilweise
infiltriert. Eine ähnliche Offenbarung zeigt die DD-PS 1 46 582.
Auch hierbei ist der Verbund zwischen Keramik und Metall
aber verbesserungsbedürftig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung eines Metall/Keramik-Verbundkörpers
vorzuschlagen, mit dem
eine besonders günstige
und feste Verbindung zwischen den verschiedenen Materialien gegeben ist,
so daß nach dem Verfahren hergestellte Verbundkörper auch
für extreme Einsatzzwecke genutzt werden können.
Dabei ist es Ziel der Erfindung, den Verbundkörper sowohl
bezüglich seiner mechanischen, wie thermischen Beständigkeit
zu verbessern.
Der Begriff "Verbundkörper" soll dabei Verbundkörper für
unterschiedlichste Anwendungszwecke, wie sie beispielhaft
eingangs genannt sind, umfassen. Vor allem aber ist die
Erfindung auf Metall/Keramik-Verbundkörper gerichtet,
die besonders extremen Beanspruchungen unterliegen, zum
Beispiel Blasformen für Hochöfen oder dergleichen.
Die Erfindung steht unter der Erkenntnis, daß eine Verbindung
zwischen Keramik und Metall in besonders vorteilhafter
Weise realisiert werden kann, wenn eine "Verzahnung" beider
Materialien miteinander erreicht wird.
Dabei wird so vorgegangen,
daß auf einen vorgeformten keramischen
Grundkörper vorgegebener Porosität die Metallbeschichtung
in schmelzflüssiger Form aufgegeben wird, wobei es aufgrund
der Porosität des keramischen Materials zu einer Infiltration
der Metallschmelze in den keramischen Grundkörper
und damit zu einer "Verzahnung" zwischen beiden kommt,
die sich vor allem nach dem Erstarren der Metallschmelze
bemerkbar macht.
Dabei hat die Erfindung erkannt, daß eine derartige
"Verzahnung" dadurch begünstigt wird, daß bereits der
keramische Grundkörper metallische Anteile enthält, die
zum Beispiel bei der Aufbereitung durch Zugabe eines Metallpulvers
eingebracht werden können. Beim anschließenden
Aufgießen der Metallschmelze für die Beschichtung tritt
dann ein Aufschmelzen der in der Keramik enthaltenen
metallischen Anteile ein, was zu einer besonders innigen
Verzahnung führt, die nur noch durch Zerstörung des Verbundkörpers lösbar ist. Überraschenderweise werden dabei gleichzeitig
auch thermische Spannungen minimiert. Bei dieser
Vorgehensweise ist es besonders vorteilhaft, wenn der
keramische Grundkörper in Richtung auf die mit der Metallbeschichtung
versehene Fläche steigende Metallgehalte aufweist.
In einer ersten Ausführungsvariante wird die Metallschmelze
auf einen gegossenen, gestampften oder gepreßten keramischen
Grundkörper gegossen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
ein isostatisch gepreßter keramischer Grundkörper eingesetzt.
In allen Fällen ist sicherzustellen, daß der keramische
Grundkörper zumindest in seinem später zu beschichtenden
Oberflächenabschnitt eine Porosität besitzt, die eine
Aufnahme der Metallschmelze (Infiltration) ermöglicht.
Insoweit kommt es nicht nur auf ein bestimmtes Porenvolumen
an, das in der Regel zwischen 5 und 25% betragen wird,
sondern auch auf eine bestimmte Porengröße, die unter
normalem ferrostatischen Druck eine Infiltration der Metallschmelze
in das keramische Material ermöglicht.
Anstelle eines über seinen Querschnitt bezüglich seines
Materials und seiner Dichte mehr oder weniger homogenen
keramischen Grundkörpers kann auch ein keramischer Grundkörper
eingesetzt werden, der im Abstand seiner zu beschichtenden
Oberfläche mit einer eine Metallschmelzeinfiltration
verhindernden Dichte oder Zwischenschicht oder Beschichtung
ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung
folgende alternative Ausführungsformen vor:
Der keramische Grundkörper wird aus mehreren Schichten
aufgebaut, zum Beispiel einer besonders dichten, eine
Metallschmelzinfiltration verhindernden ersten Schicht
(zum Beispiel unter hohem Druck isostatisch gepreßt),
auf der eine zweite, poröse, eine Metallschmelzeinfiltration
ermöglichende Schicht (zum Beispiel eine aufgegossene
Schicht) aufgebracht wird, die später auch auf die beschriebene
Weise beschichtet wird.
Ebenso kann aber auch eine besonders dichte Zwischenschicht,
gegebenenfalls durch Einlage von Drittmaterialien, vorgesehen
werden.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsformen kann dann
die Metallschmelze nach Einbringen des keramischen Grundkörpers
in eine entsprechende Gießform unmittelbar aufgegossen
werden, da es zwar zu der erfindungsgemäß gewünschten
Metallschmelzeinfiltration kommt, jedoch nur
über eine endliche Tiefe in den keramischen Grundkörper.
In besonderem Maße bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform,
bei der der keramische Grundkörper eine durchgehende
Porosität aufweist, so daß die Metallschmelze in die gesamte
Tiefe des keramischen Materials infiltrieren kann. Um
einen Austritt der Metallschmelze an der gegenüberliegenden
Seite zu verhindern, wird der keramische Grundkörper in
diesem Fall in der Gießform auf einen korrespondierenden
Kern aufgesetzt. Dabei ist der Kern vorzugsweise mit einer
keramischen Schlichte überzogen, die einen in Bezug auf
die Metallschmelze dichten Überzug bildet.
Umgekehrt schlägt die Erfindung in einer alternativen
Ausführungsform vor, daß der keramische Grundkörper in
eine korrespondierende Aufnahme der Gießform eingesetzt
wird und ein Gießkern, vorzugsweise wiederum mit einer
keramischen Schlichte überzogen, anschließend im Abstand
zur freien Oberfläche des keramischen Grundkörpers eingesetzt
und danach der Raum zwischen der freien Oberfläche
des keramischen Grundkörpers und dem Gießkern mit der
Metallschmelze ausgegossen wird.
Zur Vermeidung von thermischen Spannungen zwischen den
mit Metall ausgefüllten Poren des keramischen Grundkörpers
und dem Keramikmaterial kann als erste Maßnahme eine entsprechende
Adaptierung der verwendeten Materialien (Keramik,
Metall) erfolgen. Soweit notwendig, kann darüber hinaus
eine Temperierung vor oder während des Gießens erfolgen.
Was derartige Probleme beim späteren Einsatz zum Beispiel
einer so hergestellten Blasform betrifft, so lassen sich
diese in besonders vorteilhafter Weise dadurch lösen,
daß beim Aufbringen der Metallbeschichtung Kühlrohre in
die Metallbeschichtung eingegossen werden, die auf an
sich bekannte Art und Weise später eine Kühlung der Blasform
ermöglichen. Eine beispielhafte Kühlung ist in der DE-OS
28 13 267 beschrieben.
Die mit dem Metall ausgefüllten Poren des keramischen
Grundkörpers dienen beim späteren Einsatz der Blasform
in einem Hochofen zu einer gleichmäßigen und intensiven
hohen Wärmeabfuhr in den dahinterliegenden metallischen
Körper beziehungsweise über die dort befindlichen Kühlrohre.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verbundkörpers
findet die Wärmeabfuhr dabei besonders gleichmäßig
über die Fläche des keramischen Grundkörpers statt und
ist besonders intensiv, so daß hierdurch mögliche thermische
Spannungen zwischen dem Metall und der Keramik in überraschendem
Umfang minimiert werden.
Diese Vorteile können auch genutzt werden, wenn gemäß
einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die
der Metallbeschichtung gegenüberliegende Oberfläche des
keramischen Grundkörpers zum Beispiel mit einer Beschichtung
versehen ist, die so dicht ist, daß sie keine Metallschmelze
hindurchgelassen hat, wobei diese Beschichtung
oder Schicht sehr dünn sein kann, um auch in ihr gespeicherte
Wärme leicht und schnell an die unmittelbar dahinterliegenden
"Metalladern" abführen zu können. Die eine Metallinfiltration
verhindernde Schicht hat den Vorteil, daß auch
bei Temperaturspitzen im Bereich der keramischen Form
kein in den Poren befindliches Metall ausschmelzen und
auslaufen kann.
Um die Kühlwirkung weiter zu optimieren, können
die Kühlrohre so eingelegt werden, daß sie in unmittelbarer Nachbarschaft
zum keramischen Grundkörper verlaufen.
Der keramische Grundkörper kann grundsätzlich aus jedem
feuerfesten keramischen Werkstoff bestehen. Insbesondere
für den Anwendungszweck "Blasform" schlägt die Erfindung
vor, den keramischen Grundkörper ganz oder teilweise aus
einem Chromspinell herzustellen.
Der O₂-Partialdruck im Bereich der Blasform eines Hochofens
ist unter der Bedingung des Kohleeinblasens durch die
Blasform nicht oxidierend, sonder neutral bis leicht
reduzierend.
Für eine derartige Atmosphäre ist ein keramisches Material
auf der Basis eines Chromspinells in besonderem Maße geeignet.
Es ist überdies gegen Alkalien, die im Hochofen in
erheblichen Mengen anfallen, absolut resistent.
Dabei kann nicht nur der keramische Grundkörper der Blasform
aus einem Chromspinell (zum Beispiel 80 Gew.-% Cr₂O₃,
20 Gew.-% MgO) bestehen, sondern dieses Material kann
auch zur Ausmauerung des Hochofens vor den Kohlenstoff-
Steinen im Bereich des Gestells eingesetzt werden.
Die metallische Beschichtung, die eigentlich als metallischer
Grundkörper der Blasform bezeichnet werden müßte, besteht
vorzugsweide aus einem Elektrolytkupfer. Besonders wichtig
bei einer Hochofen-Blasform ist es, daß die Innenfläche
und gegebenenfalls der Nasenbereich durch den keramischen
Grundkörper geschützt ist. Ebenso liegt es aber im Erfindungsgedanken,
einen Verbundkörper über seinen gesamten
Querschnitt in der erfindungsgemäßen Weise auszubilden.
Der keramische Teil der Blasform bietet so nicht nur eine
Art Wärmeschutzschild, wobei die aufgenommene Wärme auf
die beschriebene Weise besonders günstig und schnell über
den metallischen Teil der Blasform abgeführt werden kann,
und so die Blasform auch gekühlt wird. Außerdem bietet
sie auch Schutz gegen Erosionserscheinungen, vor allem
durch einen unmittelbaren Kontakt von flüssigem Roheisen
oder Schlacke mit dem metallischen Teil der Blasform.
Der keramische Teil der Blasform wird als "keramischer
Grundkörper" bezeichnet, ohne daß sich hieraus geometrische
Vorgaben für die Dicke des keramischen beziehungsweise
metallischen Teils ergäben. Vielmehr resultiert der Begriff
"keramischer Grundkörper" lediglich daraus, daß beim erfindungsgemäßen
Verfahren der metallischen Teil auf einen
vorgeformten Teil (keramischer Grundkörper) gegossen wird
und nicht umgekehrt, wie es vielfach im Stand der Technik
vorgesehen ist, weil sich dann die beschriebenen Infiltrationserscheinungen
nicht in gewünschten Umfang realisieren
lassen.
Die Dicke der Schichten ist von der Art des hergestellten
Verbundkörpers und dessen Einsatzzweck abhängig. So kann
auf einen relativ dünnen keramischen Grundkörper eine
metallische Beschichtung sehr viel größerer Dicke aufgebracht
werden, ebenso ist es aber auch möglich, auf einen
relativ dicken keramischen Grundkörper quasi nur eine
Art metallischen Überzug von sehr viel geringerer Dicke
aufzubringen. Sofern, zum Beispiel bei der Herstellung
einer erfindungsgemäßen Blasform in den metallischen Teil
des Verbundkörpers noch Kühlrohre oder dergleichen eingelegt
werden sollen, ergibt sich hieraus schon eine bestimmte
Mindestdicke.
Die Verfahrensführung im einzelnen hängt gleichfalls von
den verwendeten Materialien sowie Art und Verwendungszweck
des hergestellten Formteils ab. Im beigefügten Ausführungsbeispiel
sind hierzu weitere Angaben gemacht.
So ist es ohne weiteres möglich, zum Beispiel den Raum
zwischen zwei keramischen Teilen bestimmter Porosität
mit einer Metallschmelze auf die beschriebene Weise auszugießen,
wobei die Metallschmelze dann in beide Keramikteile
infiltriert und diese letztendlich nach dem Erstarren
der Schmelze miteinander verbindet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles,
hier einer Blasform, näher erläutert, wobei
das Beispiel die Erfindung in keiner Weise beschränken
soll.
Die Zeichnung zeigt in zum Teil stark schematisierter
Darstellung in
Fig. 1: die Schnittdarstellung einer Gießform mit
eingelegtem keramischen Grundkörper und einer
darauf aufgebrachten metallischen Beschichtung
mit eingelegten Kühlrohren,
Fig. 2: eine Schnittdarstellung einer Metall/Keramik-
Blasform in einem Formring der Ausmauerung
eines Hochofens,
Fig. 3: eine Schnittdarstellung des Kontaktbereiches
Metall/Keramik eines Verbundkörpers.
Um einen erfindungsgemäßen Verbundkörper herstellen zu
können, ist es zunächst notwendig, einen keramischen Grundkörper
zu formen. Dieser trägt in der Fig. 1 das Bezugszeichen
10 und soll in schematisierter Darstellung den
keramischen Grundkörper einer Blasform für einen Hochofen
darstellen. Der keramische Grundkörper besteht im dargestellten
Ausführungsbeispiel aus einem Chromspinell folgender
Zusammensetzung in Gewichtsprozent. In Klammern sind
Bereich angegeben, in denen die einzelnen Bestandteile
schwanken können:
wobei die Summe der Einzelkomponenten stets 100 ergeben
soll.
Es handelt sich hierbei um ein aus einem elektrisch geschmolzenen
Vormaterial (sogenannter Picrochromit) mit einem
Schmelzpunkt von 2350°C hergestelltes, gepreßtes Bauteil,
das hochheiß- und abriebfest ist sowie eine gute Schlackenbeständigkeit
aufweist.
Die Rohdichte (Standardabweichung SIGMA=0,04) liegt
bei 3,90 g/cm³, die offene Porosität beträgt 14 Vol.%,
wobei die Poren einen eine Metallschmelzeinfiltration
ermöglichenden Durchmesser aufweisen.
Die Druckfeuerbeständigkeit liegt über 1750°C, so daß
das Material auch für höchste thermische Beanspruchungen
geeignet ist.
Das Formteil 10 wird in eine Gießform 12 eingesetzt, und
dabei mit seinem konisch verjüngten Ende 14 auf den Boden
16 der Gießform 12.
Die Gießform 12 ist zuvor mit Formsand ausgefüllt und
verdichtet worden, unter Ausbildung einer konischen Öffnung
20 derart, daß zwischen der äußeren Oberfläche des keramischen
Grundkörpers 10 und der Innenseite der konischen
Öffnung ein Spalt verbleibt.
In den inneren Kegel-Hohlraum des keramischen Grundkörpers
10 ist von oben ferner ein Geißkern 22 eingesetzt, der
eine zur Innenfläche des keramischen Grundkörpers 10 korrespondierende
Außenfläche aufweist und somit flächig gegen
die Innenfläche des keramischen Grundkörpers 10 anliegt.
Der Gießkern 22 ist mit einer dichten keramischen Schlichte
überzogen.
Vor dem Eingießen einer Metallschmelze in den Raum 24
zwischen keramischen Grundkörper 10 und Formsand 18 werden
wasserdurchströmbare metallische Kühlrohre 26 von oben
in den Spalt 24 eingeführt und mittels im einzelnen nicht
dargestellter Werkzeuge lagepositioniert. Als nächstes
erfolgt ein Gießen einer Metallschmelze (hier Elektrolytkupferschmelze)
in den Spalt 24, bis dieser gefüllt ist.
Aufgrund der Porosität des keramischen Grundkörpers 10
kommt es dabei zu einer Infiltration der Metallschmelze
in den keramischen Grundkörper 10 und damit zu einer "Verkrallung"
zwischen der Keramik und dem Metall. Eine Infiltration
der Metallschmelze in die Gießform (den Formsand
18) beziehungsweise durch den keramischen Grundkörper
10 hindurch in den Gießkern 22 wird dadurch verhindert,
daß diese entweder so dicht verpreßt sind, daß sie keine
wirksame Porosität aufweisen, die eine Metallschmelzeinfiltration
ermöglichen würde, oder aber - wie am Beispiel
des Gießkerns 22 erläutert - mit einer dichten keramischen
Schlichte überzogen sind.
Die Art der Verbindung zwischen Keramik und Metall ist
in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Dabei beschreibt der obere Teil M den metallischen Teil
des Verbundkörpers und der untere Teil K den keramischen
(feuerfesten) Teil. Dabei erstrecken sich vom metallischen
Teil M in den keramischen Teil K aderförmige Kanäle, die
der offenen Porosität des keramischen Teils K entsprechen
und in die Metallschmelze beim Gießen eindringt. Hierzu
ist es selbstverständlich notwendig, daß die Poren des
keramischen Körpers eine gewisse Größe aufweisen, die
auch unter normalem ferrostatischen Druck eine Überwindung
der Oberflächenspannung der Metallschmelze und damit eine
Metallschmelzeinfiltration ermöglicht.
Bei dem schematisch dargestellten Beispiel in Fig. 3
enden die mit Metall ausgefällten Poren P im Abstand zur
unteren Fläche des keramischen Grundkörpers, das heißt,
die Metallschmelze ist nur zu einem Teil in den keramischen
Grundkörper eingedrungen. Dies hängt damit zusammen, daß
hier der keramische Grundkörper in zwei Stufen hergestellt
ist und aus einem unteren dichten Material solch geringer
Porosität besteht, daß eine Metallschmelzeinfiltration
verhindert wird, während der obere Teil eine für eine
Metallschmelzeinfiltration ausreichende offene Porosität
aufweist.
Diese Ausbildung des keramischen Grundkörpers kann für
bestimmte Anwendungszwecke vorteilhaft sein. Bei dem in
Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers als Blasform wird
jedoch eine durchgehende Porosität und damit eine durchgehende
Metallschmelzeinfiltration aus den oben beschriebenen
Gründen bevorzugt.
In Fig. 2 ist eine in einem Formring 28 einsitzende Blasform
30 dargestellt, wobei der Formring 28 selbst wiederum
in einer (nicht dargestellten) Ausmauerung eines Hochofens
einsitzt. Die Blasform 30 ist ebenso wie der Formring
28 an jeweils einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen,
wobei lediglich die Kühlwasserzufuhr 32 für die Blasform
30 dargestellt ist, die aus den in Fig. 1 dargestellten
Kühlrohren 26 bestehen kann.
Die Kühlwasserzufuhr 32 mündet in eine schmale ringförmige
Kühlkammer 34 (in Fig. 1 wieder: Kühlrohr 26) von der
aus auch eine (nicht dargestellte) Kühlwasserabfuhr verläuft.
Die Blasform 30 selbst besteht aus einem metallischen
Teil 36 aus Elektrolytkupfer, in dem auch der Kühlkreislauf
ausgebildet ist, und einem keramischen Teil 38, der
sich entlang der Innenwand 40 und der Stirnfläche der
Nase 42 der Blasform 30 erstreckt, wobei der zum äußeren
Ende der Nase 42 bezüglich seiner Materialstärke ausläuft.
Ebenso könnte er zum Beispiel auch um die gesamte Metalloberfläche
geführt sein.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist
hier also auch der Nasenbereich der Blasform 36 vom keramischen
Grundkörper abgedeckt, was durch entsprechende
Positionierung des keramischen Grundkörpers 10 in der
Gießform 12 einstellbar ist.
Der keramische Grundkörper 38 ist durch seine herstellungsbedingte
Verankerung mit dem metallischen Teil 36 so fest
mit diesem verbunden, daß ein Ablösen, wie es im Stand
der Technik immer wieder beobachtet wird, ausgeschlossen
ist.
Der keramische Teil 38 bietet darüber hinaus einen außerordentlich
wirksamen Temperatur- und Erosionsschutz. Über
die mit Metall gefüllten Poren des keramischen Teiles
38 ist auch eine spontane effektive Abfuhr der Wärme
in das dahinterliegende Kühlsystem gewährleistet, so daß
thermische Spannungen zwischen Metall und Keramik auf
ein unbedeutendes Maß minimiert werden. Durch die isolierende
Wirkung des keramischen Teils der Blasform ist es
darüber hinaus denkbar, den metallischen Teil der Blasform
aus anderen, geringer leitfähigen Metallen als Elektrolytkupfer,
zum Beispiel Stahl, zu fertigen.
Selbst bei Einführung einer Brennstofflanze 44, die schematisch
in Fig. 2 angedeutet ist, wird durch die keramische
Abschirmung 38 die Blasform 30 selbst dann nicht angegriffen
oder zerstört, wenn zum Beispiel durch unregelmäßige Verbrennung
es zu Verpuffungen und damit Temperaturerhöhungen
im Mundbereich der Blasform 30 kommt.
Selbstverständlich können anstelle des genannten Chromspinells
auch andere feuerfeste Werkstoffe zur Bildung
des keramischen Grundkörpers 38 dienen, zum Beispiel Zirkoniumdioxid,
Siliciumcarbid, Siliciumnitrid.
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus
einem keramischen Material und einem Metall, bei dem
ein schmelzflüssiges Metall auf einen vorgeformten
keramischen Grundkörper vorgegebener Rauhigkeit (Porosität)
gegossen wird, dabei zumindest teilweise
in den keramischen Grundkörper infiltriert und anschließend
unter Ausbildung einer festen metallischen
Beschichtung in und auf dem keramischen Grundkörper
erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer
Grundkörper, der eine metallische Phase
aufweist, die bei der Herstellung des Grundkörpers
eingebracht worden ist,
verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Phase in den Grundkörper so eingebracht wird, daß
sie sich vorwiegend an der der späteren metallischen
Beschichtung zugewandten Seite befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Schichten mit steigendem Metallgehalt in
Richtung auf die der anschließenden Beschichtung zugewandten
Seite in den keramischen Grundkörper eingebracht
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein keramischer Grundkörper (10),
der im Abstand zu seiner zu beschichtenden
Oberfläche mit einer eine Metallschmelzeinfiltration
verhindernden Dichte, Zwischenschicht und/oder
Beschichtung ausgebildet ist, verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein keramischer Grundkörper (10),
der eine die Metallschmelzeinfiltration
von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche
gewährleistende Porosität aufweist, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der keramische Grundkörper (10) in eine Gießform (12) eingesetzt
und der Raum (20) zwischen Gießform (12) und keramischem Grundkörper
(10) mit einer Metallschmelze ausgegossen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der keramische Grundkörper (10) auf einen korrespondierenden,
vorzugsweise mit einer keramischen Schlichte überzogenem
Gießkern (22) aufgesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der keramische Grundkörper (10) in eine korrespondierende
Aufnahme der Gießform eingesetzt und ein Gießkern,
vorzugsweise mit einer keramischen Schlichte überzogen,
anschließend im Abstand zur freien Oberfläche des keramischen
Grundkörpers eingesetzt und danach der Raum
zwischen freier Oberfläche des keramischen Grundkörpers
und dem Gießkern mit einer Metallschmelze ausgegossen
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als keramischer Grundkörper (10) ein
gegossenes, gestampftes oder gepreßtes Formteil eingesetzt
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß als gepreßtes Formteil ein isostatisch gepreßtes
Formteil eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als metallische Phase ein Metallpulver
verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß als keramisches Material ein feuerfestes
keramisches Material eingesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß als keramisches Material zumindest an dem der Metallbeschichtung
gegenüberliegenden
freien Oberflächenabschnitt ein Chromspinell,
vorzugsweise ein Chromspinell auf der Basis 70 bis
85 Gew.-% Cr₂O₃ und 15 bis 30 Gew.-% MgO eingesetzt
wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallischen Phasen
durch Kupfer, Elektrolytkupfer oder eine Kupferlegierung
eingebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß Kühlrohre in die metallische Beschichtung
des Verbundkörpers
so eingelegt werden, daß sie in unmittelbarer
Nachbarschaft zum keramischen Grundkörper (10)
verlaufen.
16. Blasform für einen Hochofen, die nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt worden, ist gekennzeichnet durch einen
feuerfesten keramischen Grundkörper (38) und eine metallische
Beschichtung (36) mit in dieser Beschichtung
(36) verlaufenden, von außen beschickbaren Kühlrohren
(26, 32, 34), wobei die Metallbeschichtung (36) zumindest
teilweise in den keramischen Grundkörper (38) infiltriert
ist.
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