DE4232640C2 - Aluminiumtitanat-Keramik und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Aluminiumtitanat-Keramik und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Aluminiumtitanat-Keramik und ein
Verfahren zur Herstellung der Aluminiumtitanat-Keramik. Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Aluminiumtitanat-Keramik,
die beispielsweise bei einer Kopfkanalbuchse bzw. -auskleidung,
einer Auspuffkrümmerauskleidung (wobei diese Auskleidungen zur
Wärmedämmung der Innenseite eines Motor-Auspuffrohres dienen)
und einer Anlage zur katalytischen Abgasnachbehandlung bzw. ei
nem katalytischen Reaktionsofen verwendet wird, sowie ein Ver
fahren zur Herstellung der Aluminiumtitanat-Keramik.
Eine Keramik, bei der als Grundmaterial Aluminiumtitanat ver
wendet wird, hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen kleinen Elastizitätsmodul. Sie eignet sich folglich
zur Verwendung bei verschiedenen Bauteilen, die unter scharfen
Bedingungen angewendet werden, bei denen die Bauteile eine hohe
Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Wärmeausdeh
nung haben müssen, beispielsweise bei einer Kopfkanalbuchse
bzw. -auskleidung, einer Auspuffkrümmerauskleidung (wobei diese
Auskleidungen zur Wärmedämmung der Innenseite eines Benzinmo
tor-Auspuffrohres dienen) und einer Anlage zur katalytischen
Abgasnachbehandlung bzw. einem katalytischen Reaktionsofen.
Es ist bekannt, daß der Elastizitätsmodul und die Festigkeit
bei gewöhnlichen keramischen Aluminiumtitanat-Werkstoffen (wo
bei Aluminiumtitanat nachstehend als AT bezeichnet wird) einan
der im allgemeinen proportional sind. Das heißt, der Elastizi
tätsmodul ist größer, wenn die Festigkeit höher ist. Umgekehrt
ist der Elastizitätsmodul kleiner, wenn die Festigkeit niedri
ger ist. Dies liegt daran, daß in dem Fall, daß ein keramischer
AT-Werkstoff eine niedrige Festigkeit hat, die Kristallkörner
des keramischen AT-Werkstoffs im allgemeinen groß sind und zwi
schen den Korngrenzen eine Anzahl von Rissen vorhanden ist, wo
durch bewirkt wird, daß der keramische AT-Werkstoff leicht
(durch)gebogen werden kann, und seine Festigkeit vermindert
wird. Viele herkömmliche keramische AT-Werkstoffe haben einen
Elastizitätsmodul von etwa 19,6 kN/mm2 oder mehr und eine Bie
gefestigkeit von 19,6 bis 49,0 N/mm2.
Bei keramischen AT-Werkstoffen sind in Abhängigkeit von ihren
Anwendungen verschiedene Verbesserungen erzielt worden, indem
beispielsweise die Zusammensetzung geeignet gewählt wurde oder
geeignete Zusatzstoffe zugesetzt wurden. In der DE-OS 27 50 290
wird beispielsweise ein silicat
haltiger keramischer Aluminiumtitanat-Werkstoff vorgeschlagen,
der aus Rohstoffen hergestellt ist, die aus 50 bis 60 Masse-%
Al2O3, 40 bis 45 Masse-% TiO2, 2 bis 5 Masse-% Kaolin und 0,1 bis
1 Masse-% Magnesiumsilicat bestehen.
In der japanischen Patentanmeldung (Kokai; Offenlegungsschrift)
Nr. 21 756/1987 wird ein keramischer Aluminiumtitanat-Mullit-
Werkstoff vorgeschlagen, der die folgende Zusammensetzung hat:
MgO: 0,8% oder weniger
Al2O3: 53 bis 74%,
TiO2: 14 bis 33%,
Fe2O3: 1,2 bis 5%,
SiO2: 6 bis 20%,
CaO + Na2O + K2O: 0,3% oder weniger,
worin die Menge der Glasphase in der Mullitmatrix der Keramik 5% oder weniger beträgt, wenn sie am Schnitt der Keramik gemes sen wird.
MgO: 0,8% oder weniger
Al2O3: 53 bis 74%,
TiO2: 14 bis 33%,
Fe2O3: 1,2 bis 5%,
SiO2: 6 bis 20%,
CaO + Na2O + K2O: 0,3% oder weniger,
worin die Menge der Glasphase in der Mullitmatrix der Keramik 5% oder weniger beträgt, wenn sie am Schnitt der Keramik gemes sen wird.
In der japanischen Patentanmeldung (Kokai; Offenlegungsschrift)
Nr. 1 64 760/1989 wird ein geformter Sinterwerkstoff vorgeschla
gen, der hauptsächlich aus Aluminiumtitanat besteht und aus ge
mischten Rohstoffen hergestellt wird, die aus 46 Masse-% oder
mehr TiO2, 49,5 Masse-% oder weniger Al2O3, 3 bis 5 Masse-% SiO2
und 0,2 Masse-% oder weniger Verunreinigungen bestehen, wobei
das Masseverhältnis von Al2O3 und TiO2 1:0,95 bis 1:1,05 be
trägt.
Die Keramik, die in der DE-OS 27 50 290
vorgeschlagen wird, hat einen kleinen Elastizitätsmodul
und weist ausgezeichnete Angießeigenschaften auf, wenn sie als
Werkstoff verwendet wird, an den Metall anzugießen ist, hat je
doch die folgenden Probleme: Das heißt, die Keramik enthält ei
ne Magnesiumsilicat-Glasphase; wenn die Keramik einer Tempera
turwechselbeanspruchung unterzogen wird, bei der Erhitzen auf
hohe Temperatur und Abkühlen wiederholt werden, bewegt sich
während der hohen Temperaturen die Glasphase, die an den Korn
grenzen vorhanden ist; infolgedessen wird die Korngrenzenfe
stigkeit vermindert; an den Korngrenzen entwickeln sich Risse,
und es tritt eine Verschlechterung der Festigkeit ein; die Ke
ramik hat somit eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit.
Ferner hat die Keramik wegen des Vorhandenseins der Glasphase
eine niedrige Säurebeständigkeit.
Die Keramik, die in der japanischen Patentanmeldung (Kokai; Of
fenlegungsschrift) Nr. 21 756/1987 vorgeschlagen wird, hat eine
ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und eignet sich
als Werkstoff zur Verwendung bei einer Kopfkanalbuchse usw. Die
Keramik hat jedoch in dem Fall, daß sie eine große Menge Mullit
enthält, einen großen Elastizitätsmodul und zeigt schlechte An
gießeigenschaften, wenn sie als Werkstoff verwendet wird, an
den Metall anzugießen ist.
Die Keramik, die in der japanischen Patentanmeldung (Kokai; Of
fenlegungsschrift) Nr. 164760/1989 vorgeschlagen wird, hat eine
ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und Säurebestän
digkeit, weist jedoch einen großen Elastizitätsmodul und
schlechte Angießeigenschaften auf, da sie eine große Menge TiO2
enthält und folglich, wenn sie poliert ist, eine rißfreie
Struktur zeigt.
In der DE 37 06 209 C1 wird ein Sinterformkörper
beschrieben, der sich zusammensetzt aus:
15-35 Gewichts% TiO₂, 60-85 Gewichts% Al₂TiO₅
(Aluminiumtitanat), bis zu 5 Gewichts% Al₂O₃, bis zu 17
Gewichts% Mullit, und maximal 0,2 Gewichts%
Verunreinigungen, wobei sich alle Gewichtsteile auf 100
Gewichts% ergänzen. Es findet sich aber kein Hinweis, in
welcher Form diese Phasen vorliegen, insbesondere in
welcher Form die Titandioxid- und die Aluminiumoxidphase
vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend er
wähnten Probleme herkömmlicher keramischer AT-Werkstoffe zu lö
sen und einen keramischen AT-Werkstoff bereitzustellen, der ei
ne ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und hervorra
gende Angießeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Aluminiumti
tanat-Keramik gelöst,
die auf Basis von Oxiden 51,7 bis 56,5 Masse% Al₂O₃, 40,2
bis 45,0 Masse% TiO₂, 2,0 bis 5,0 Masse% SiO₂, 0,04 Masse%
oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse% oder weniger
Alkalibestandteile, die aus CaO, Na₂O und K₂O bestehen,
enthält und eine Kristallphase, die eine
Aluminiumtitanatphase, eine Rutilphase, eine Korundphase
und eine Mullitphase aufweist, und eine Glasphase aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Ver
fahren zur Herstellung der vorstehend erwähnten Aluminiumtita
nat-Keramik, bei dem ein gemischtes Rohstoffpulver, das aus
51,7 bis 56,5 Masse-% Al2O3, 40,2 bis 45,0 Masse-% TiO2, 2,0 bis
5,0 Masse-% SiO2, 0,04 Masse-% oder weniger MgO und insgesamt 0,1
Masse-% oder weniger Alkalibestandteilen, die aus CaO, Na2O und
K2O bestehen, besteht, geformt, getrocknet und gesintert wird.
Die erfindungsgemäße Aluminiumtitanat-Keramik hat die vorste
hende Zusammensetzung und enthält als Kristallphasen nicht nur
eine Aluminiumtitanatphase, sondern auch eine Rutilphase, eine
Korundphase und eine Mullitphase, wobei die Menge der Glasphase
derart eingestellt ist, daß sie 5 Masse-% nicht überschreitet;
die erfindungsgemäße Keramik hat deshalb eine ausgezeichnete
Temperaturwechselbeständigkeit und hervorragende Angießeigen
schaften.
Es wird angenommen, daß die Gründe für die ausgezeichnete Tem
peraturwechselbeständigkeit und die hervorragenden Angießeigen
schaften wie folgt sind.
Erstens werden herkömmliche Aluminiumtitanat-Keramiken des
Al2O3-TiO2-SiO2-Typs im allgemeinen unter Verwendung von natür
lichen Mineralien usw. als Rohstoffen, beispielsweise von Ton
usw. als SiO2-Quelle, hergestellt; als Folge enthalten die mei
sten herkömmlichen keramischen AT-Werkstoffe wegen des Vorhan
denseins kleiner Mengen von Verunreinigungen in dem Ton usw.
eine Glasphase in einer Menge, die größer als notwendig ist,
und wenn sie beispielsweise bei einer Kopfkanalbuchse bzw.
-auskleidung verwendet werden, werden sie durch Abgas aus dem
Motor korrodiert und zeigen eine schlechte Haltbarkeit. Ande
rerseits hat die erfindungsgemäße AT-Keramik eine ausgezeichne
te Säurebeständigkeit und eine hohe Haltbarkeit, weil sie eine
sehr geringe Menge der Glasphase enthält.
Zweitens wird bei der erfindungsgemäßen AT-Keramik das Wachstum
von AT-Kristallkörnern unterdrückt und ist die Größe der
AT-Kristallkörner in der AT-Keramik gering, weil der MgO-Gehalt in
den Rohstoffen 0,04 Masse-% oder weniger beträgt; die Menge der
Glasphase in der AT-Keramik ist sehr gering; als Folge ist die
Korngrenzenfestigkeit sehr hoch. Andererseits haben die Kri
stallkörner von Rutil, Korund und Mullit, die in der erfin
dungsgemäßen AT-Keramik enthalten sind, höhere Festigkeiten als
die AT-Kristallkörner; folglich sammelt sich die Restspannung,
die wegen der Anisotropie der AT-Kristallkörner erzeugt wird,
an und wird in der AT-Keramik in einer großen Menge gespei
chert. Diese gespeicherte Restspannung wird bei der Erzeugung
irgendeines Risses sofort abgebaut, und in der Längsrichtung
jedes AT-Kristallkorns werden Risse erzeugt. Entlang den Korn
grenzen werden jedoch keine Risse erzeugt; infolgedessen tragen
die Risse zu den hervorragenden Angießeigenschaften bei, wach
sen jedoch nicht während der Temperaturwechselbeanspruchung.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige
fügte Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Beziehung zwischen Auslenkung und Last bei
einem Vierpunkt-Biegeversuch (JIS R 1601) einer Keramikprobe.
Bei der erfindungsgemäßen AT-Keramik sind die Grundbestandtei
le, die die Keramik bilden, drei Bestandteile, d. h., Al2O3,
TiO2 und SiO2. Die Hauptkristallphasen bestehen hauptsächlich
aus vier Phasen, d. h., 60 bis 80% einer Aluminiumtitanatphase
(Al2 TiO5-Phase), 10 bis 25% einer Rutilphase (TiO2-Phase), 2
bis 10% einer Korundphase (Al2 O3-Phase) und 2 bis 10% einer
Mullitphase (3 Al2O3·2 SiO2-Phase). Die Glasphase ist derart
eingestellt, daß sie 5% nicht überschreitet. Ein Teil der Alu
miniumtitanatphase kann eine feste Lösung von Aluminiumtitanat
enthalten.
Wenn die Anteile der Kristallphasen außerhalb der vorstehenden
Bereiche liegen, hat die erhaltene AT-Keramik eine schlechte
Temperaturwechselbeständigkeit und minderwertige Angießeigen
schaften, wodurch es schwierig gemacht wird, eine gewünschte
AT-Keramik zu erhalten. Die erhaltene AT-Keramik hat besonders
in dem Fall, daß die Menge der Glasphase mehr als 5% beträgt,
nicht nur eine niedrige Säurebeständigkeit und Temperaturwech
selbeständigkeit, sondern auch schlechte Angießeigenschaften.
Im Rahmen der Erfindung wird der Anteil jeder Kristallphase
durch das später beschriebene Verfahren ermittelt.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen AT-Keramik besteht,
wenn sie durch Oxide ausgedrückt wird, aus 51,7 bis 56,5 Masse-%
Al2O3, 40,2 bis 45,0 Masse-% TiO2, 2,0 bis 5,0 Masse-% SiO2, 0,04
Masse-% oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse-% oder weniger
Alkalibestandteilen, die aus CaO, Na2O und K2O bestehen. Diese
Zusammensetzung ist im wesentlichen dieselbe wie die der Roh
stoffe und kann erhalten werden, indem jeder Rohstoff derart
vorbereitet wird, daß er in den vorstehenden Bereich kommt.
Wenn jeder Bestandteil der AT-Keramik außerhalb des vorstehen
den Bereichs liegt, ist es unmöglich, eine AT-Keramik zu erhal
ten, die hinsichtlich der Angießeigenschaften und der Tempera
turwechselbeständigkeit zufriedenstellend ist. Bei der erfin
dungsgemäßen AT-Keramik beträgt der Fe2O3-Gehalt vorzugsweise
1,0 Masse-% oder weniger. Wenn Fe2O3 in einer großen Menge ent
halten ist, hat die erhaltene AT-Keramik einen großen Elastizi
tätsmodul und schlechte Angießeigenschaften.
Es wird die Quelle (der Rohstoff) jedes Oxidbestandteils be
schrieben. Als Quelle für Al2O3 können beispielsweise α-Alumi
niumoxid, calcinierter Bauxit, Aluminiumsulfat, Aluminiumchlo
rid und Aluminiumhydroxid verwendet werden. Als Quelle für TiO2
können beispielsweise Rutil und Anatas verwendet werden. Als
Quelle für SiO2 können beispielsweise Kieselglas, Kaolin, Mul
lit und Quarz verwendet werden.
In den Rohstoffen für die erfindungsgemäße AT-Keramik werden
der MgO-Gehalt und der Gesamtgehalt der Alkalibestandteile
(CaO, Na2O und K2O) derart gewählt, daß sie 0,04 Masse-% oder
weniger bzw. 0,1 Masse-% oder weniger betragen. Der Fe2O3-Gehalt
wird derart gewählt, daß er 0,1 Masse-% oder weniger beträgt. Es
ist vorzuziehen, als Al2O3-Quelle α-Aluminiumoxid, insbesondere
α-Aluminiumoxid mit niedrigem Natriumgehalt, als TiO2-Quelle
Titandioxid vom Rutiltyp und als SiO2-Quelle Kaolin zu verwen
den.
Im Rahmen der Erfindung werden die Rohstoffe, jeder im feinpul
verigen Zustand, in der vorstehenden Zusammensetzung vermischt,
und die Mischung wird in einer gewünschten Gestalt geformt und
gemäß bekannten Verfahren gesintert, um eine AT-Keramik zu er
halten. In diesem Fall hat jeder Rohstoff vorzugsweise einen
mittleren Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger. Wenn
die mittleren Teilchendurchmesser der Rohstoffe größer als 5 µm
sind, ist die Reaktivität zwischen den Rohstoffen niedrig, wo
durch es schwierig gemacht wird, gewünschte Kristalle zu erhal
ten. Die Teilchendurchmesser der Rohstoffe werden vorzugsweise
derart gewählt, daß die AT-Kristallkörner der erhaltenen AT-Ke
ramik einen mittleren Teilchendurchmesser von 4 µm oder weniger
haben. Wenn die AT-Kristallkörner groß sind, werden eher ent
lang den Korngrenzen als in der Längsrichtung jedes Korns Risse
erzeugt.
Als Verfahren für die Formgebung kann irgendein bekanntes Form
gebungsverfahren wie z. B. Heißpressen, Gießen, Pressen mit Gum
misack bzw. -matrize oder dergleichen angewandt werden. Die
Temperatur für das Sintern kann der Temperatur ähnlich sein,
die für das Sintern gewöhnlicher Keramiken angewandt wird, be
trägt jedoch vorzugsweise 1350 bis 1450°C. Dieser Temperatur
bereich ist notwendig, um die Anteile der Rutil-Kristallphase
und der Korund-Kristallphase in ihren jeweiligen vorstehend er
wähnten Bereichen zu halten. Bei der Formgebung und dem Sintern
kann zweckmäßigerweise ein Formgebungshilfsmittel, ein Verflüs
sigungs- bzw. Entflockungsmittel, ein Sinterhilfsmittel usw.
zugesetzt werden.
Die erfindungsgemäße AT-Keramik, die wie vorstehend beschrieben
erhalten wird, hat vorzugsweise eine Bruchdehnung von 3·10-3
oder mehr. Wenn die Bruchdehnung weniger als 3·10-3 beträgt,
hat die erhaltene AT-Keramik schlechte Angießeigenschaften. Die
erfindungsgemäße AT-Keramik hat vorzugsweise eine Vierpunkt-Biege
festigkeit von 29,4 N/mm2 oder mehr. Wenn die Vierpunkt-Biege
festigkeit weniger als 29,4 N/mm2 beträgt, hat die erhal
tene AT-Keramik eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit.
Die Erfindung wird nachstehend durch Beispiele näher beschrie
ben, jedoch wird die Erfindung durch diese Beispiele nicht ein
geschränkt.
In den vorliegenden Beispielen wurden die Anteile der Kristall
phase, die Menge der Glasphase, der Elastizitätsmodul, die
Bruchdehnung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Säure
beständigkeit gemäß den folgenden Prüfverfahren gemessen.
Eine AT-Keramik wurde einer Röntgenbeugungsanalyse unterzogen,
und die integralen Intensitäten IAT, IRu, IMu und IKo der
AT-Phase, der Rutilphase (nachstehend als Ru-Phase bezeichnet),
der Mullitphase (nachstehend als Mu-Phase bezeichnet) und der
Korundphase (nachstehend als Ko-Phase bezeichnet) der AT-Kera
mik wurden gemessen. Dann wurde der Anteil jeder Kristallphase
unter Anwendung der folgenden Formel berechnet:
AT-Phase (%) = [IAT/I] × 100
Ru-Phase (%) = [IRu/I] × 100
Mu-Phase (%) = [IMu/I] × 100
Ko-Phase (%) = [IKo/I] × 100
Ru-Phase (%) = [IRu/I] × 100
Mu-Phase (%) = [IMu/I] × 100
Ko-Phase (%) = [IKo/I] × 100
worin
I = IAT+IRu+IMu/0,95=IKo/0,75
Einer der herkömmlichen AT-Werkstoffe hatte in der Mullitmatrix
polygonale Bereiche, die von Mullitkristallen umgeben waren.
Als diese Bereiche einer chemischen Analyse unterzogen wurden,
zeigten sie eine Zusammensetzung, die etwa aus 68% SiO2, 24%
Al2O3, 4,4% TiO2, 1,0% CaO und 2,0% KNaO bestand. Die Zusam
mensetzung ist im wesentlichen dieselbe wie die der Glasphase.
Im Rahmen der Erfindung wurden diese polygonalen Bereiche als
Glasphase in einer Mullitmatrix aufgefaßt. Folglich ist die
Glasphase im Rahmen der Erfindung ein Wert, der erhalten wird,
indem bei der Rasterelektronenmikrophotographie, die von einem
Anschliff der AT-Sinterkeramik genommen wurde, die Flächen der
Poren und der AT-Kristallphase ausgeschlossen werden, dann auf
der übrigen Fläche der Mullitmatrixbereich (MuS) und der Glas
phasenbereich (GS) unter Anwendung eines Planimeters gemessen
werden und eine Berechnung unter Anwendung der folgenden Formel
durchgeführt wird:
Glasphase (%) = [GS/MuS]×100
Der Elastizitätsmodul wurde unter Anwendung des Dreipunkt-Bie
geversuchs und des Auslenkwinkels gemäß JIS R 1602 gemessen.
Die Last wurde in diesem Fall von 0 bis 1,47 N variiert.
Die Bruchdehnung wurde gemäß demselben Prüfverfahren gemessen,
das zur Messung der Vierpunkt-Biegefestigkeit von Keramiken an
gewandt wird und durch JIS R 1601 vorgeschrieben ist. D.h., bei
einer Probe mit einer Dicke "t" (mm) wurde die Ablenkung, die
durch die Probe während eines Zeitraums vom Beginn der Ausübung
einer Last bis zur Zerstörung der Probe gezeigt wurde, als "a"
ermittelt, das sich, wie in Fig. 1 gezeigt ist, von einem Punkt
1 (Beginn der Ausübung einer Last) bis zu einem Punkt 4 (einem
Schnittpunkt zwischen einer Basislinie 3 und einem von einem
Zerstörungspunkt 2 auf die Basislinie 3 gefällten Lot) er
streckt; dann wurde die Bruchdehnung der Probe aus "a" und "t"
unter Anwendung der folgenden Formel berechnet:
Bruchdehnung = 6t·a/1000.
Diese Bruchdehnung ist übrigens der Quotient, der erhalten
wird, wenn man die Biegefestigkeit durch den Elastizitätsmodul,
der aus der Ablenkung im Zerstörungspunkt ermittelt wird, divi
diert. Eine größere Bruchdehnung liefert hervorragende Angieß
eigenschaften.
Eine durch JIS R 1601 vorgeschriebene Probe wurde 20 min lang
in einem Ofen von 900°C erhitzt und dann herausgenommen und 10
min lang durch einen Luftstrom abgekühlt. Dieser Temperatur
wechselbeanspruchungsvorgang wurde 600mal wiederholt. Bei der
Probe wurden die Vierpunkt-Biegefestigkeiten σ0 (vor der Tempe
raturwechselbeanspruchung) und σ1 (nach der Temperaturwechsel
beanspruchung) gemäß JIS R 1601 gemessen.
Aus den auf diese Weise erhaltenen Werten σ0 und σ1 wurde die
Verschlechterung (%) der Temperaturwechselbeständigkeit der
Probe unter Anwendung der folgenden Formel berechnet:
Verschlechterung (%) der Temperaturwechselbeständigkeit = {(σ1-σ0)/σ0} × 100
Fünf gleiche AT-Keramik-Proben, die jeweils die Form einer qua
dratischen Platte (10 mm · 10 mm · 3 mm (Dicke)) hatten, wurden
hergestellt, und ihre jeweiligen Massen (m0) wurden gemessen.
Dann wurden sie in 100 ml einer 10%igen wäßrigen
HCl-Lösung eingetaucht und unter Anwendung eines Wasserbades
24 h lang bei 90°C stehengelassen. Danach wurden sie herausge
nommen, gewaschen und getrocknet, und ihre jeweiligen Massen
(m1) wurden gemessen. Die Säurebeständigkeit jeder Probe wurde
unter Anwendung der folgenden Formel aus m0 und m1 berechnet:
Säurebeständigkeit (%) = ((m0-m1)/m0) × 100
Der Mittelwert der Säurebeständigkeiten der fünf Proben wurde
als Säurebeständigkeit der geprüften AT-Keramik aufgefaßt. Die
Säurebeständigkeit ist um so höher, je niedriger ihr Prozent
wert ist.
Als Rohstoffe wurden feine Pulver aus α-Aluminiumoxid mit nied
rigem Natriumgehalt und einem mittleren Teilchendurchmesser von
1,8 µm, Titandioxid vom Rutiltyp mit einem mittleren Teilchen
durchmesser von 0,2 µm und hochreinem Kaolin mit einem mittle
ren Teilchendurchmesser von 3 µm abgewogen, so daß eine Zusam
mensetzung erhalten wurde, die in Tabelle 2 gezeigt ist. Die
drei Pulver wurden gleichmäßig vermischt. Der Mischung wurden
1,5 Masse-% eines Bindemittels zugesetzt. Die erhaltene Mischung
wurde weiter vermischt und im Vakuum entgast bzw. entlüftet.
Die auf diese Weise erhaltene Mischung wurde durch Gießen in
eine Gipsform geformt, wobei ein geformter Werkstoff erhalten
wurde.
Der geformte Werkstoff wurde unter normalem Druck bei einer in
Tabelle 2 gezeigten Temperatur gesintert, wobei ein AT-Sinter
werkstoff erhalten wurde.
Bei dem AT-Sinterwerkstoff wurden die Anteile der Kristallpha
sen, die Menge der Glasphase, der Elastizitätsmodul, die Bruch
dehnung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Säurebe
ständigkeit gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Feine Pulver aus Rohstoffen wurden abgewogen, so daß eine Zu
sammensetzung erhalten wurde, die in Tabelle 3 gezeigt ist. Un
ter Verwendung der feinen Pulver wurde in derselben Weise wie
in Beispiel 1 ein AT-Sinterwerkstoff erhalten. Übrigens wurde
der AT-Sinterwerkstoff von Vergleichsbeispiel 1 durch dasselbe
Verfahren erhalten, wie es in der vorstehend erwähnten
DE-OS 27 50 290 beschrieben ist, wurde
der AT-Sinterwerkstoff von Vergleichsbeispiel 2 durch dasselbe
Verfahren erhalten, wie es in der vorstehend erwähnten japani
schen Patentanmeldung (Kokai; Offenlegungsschrift) Nr. 21756/1987
beschrieben ist, und wurde der AT-Sinterwerkstoff von Ver
gleichsbeispiel 3 durch dasselbe Verfahren erhalten, wie es in
der vorstehend erwähnten japanischen Patentanmeldung (Kokai;
Offenlegungsschrift) Nr. 164760/1989 beschrieben ist.
Bei jedem AT-Sinterwerkstoff wurden die Anteile der Kristall
phasen, die Menge der Glasphase, der Elastizitätsmodul, die
Bruchdehnung, die Temperaturwechselbeständigkeit und die Säure
beständigkeit gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 ge
zeigt.
Wie aus den vorstehenden Beispielen und Vergleichsbeispielen
ersichtlich ist, sind einige der erfindungsgemäßen AT-Sinterwerkstoffe
herkömmlichen AT-Sinterwerkstoffen (Vergleichsbeispiele) hin
sichtlich der Bruchdehnung gleichwertig oder überlegen.
Einige der erfindungsgemäßen AT-Sinterwerkstoffe sind herkömm
lichen AT-Sinterwerkstoffen auch hinsichtlich des Wertes der
Verschlechterung der Temperaturwechselbeständigkeit gleichwer
tig oder überlegen.
Der AT-Sinterwerkstoff von Vergleichsbeispiel 1 hat eine große
Bruchdehnung, zeigt jedoch eine starke Verschlechterung der
Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Säurebestän
digkeit, d. h., eine schlechte Haltbarkeit. Die AT-Sinterwerk
stoffe der Vergleichsbeispiele 2 und 3 sind jeweils hinsicht
lich des Wertes der Verschlechterung der Temperaturwechselbe
ständigkeit ausgezeichnet und haben eine ausgezeichnete Säure
beständigkeit, zeigen jedoch eine kleine Bruchdehnung. Somit
ist keiner der geprüften herkömmlichen AT-Sinterwerkstoffe so
wohl hinsichtlich der Angießeigenschaften als auch hinsichtlich
der Temperaturwechselbeständigkeit ausgezeichnet.
Im Gegensatz dazu haben die erfindungsgemäßen AT-Sinterwerk
stoffe ausgezeichnete Angießeigenschaften und eine ausgezeich
nete Temperaturwechselbeständigkeit.
Die erfindungsgemäße Aluminiumtitanat-Keramik hat ausgezeichne
te Angießeigenschaften und eine hohe Temperaturwechselbestän
digkeit und wird zweckmäßigerweise als Werkstoff verwendet, an
den Metall anzugießen ist, beispielsweise als Kopfkanalbuchse
bzw. -auskleidung in einem Benzinmotor, und auch als
Motor-Kopfkanalwerkstoff. Sie ist somit von industriellem Nutzen.
Claims (7)
1. Aluminiumtitanat-Keramik,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie auf Basis von Oxiden 51,7 bis 56,5 Masse% Al₂O₃, 40,2 bis 45,0 Masse% TiO₂, 2,0 bis 5,0 Masse% SiO₂, 0,04 Masse% oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse% oder weniger Alkalibestandteile, die aus CaO, Na₂O und K₂O bestehen, enthält und eine Kristallphase, die eine Aluminiumtitanatphase, eine Rutilphase, eine Korundphase und eine Mullitphase aufweist, und eine Glasphase aufweist.
dadurch gekennzeichnet, daß
sie auf Basis von Oxiden 51,7 bis 56,5 Masse% Al₂O₃, 40,2 bis 45,0 Masse% TiO₂, 2,0 bis 5,0 Masse% SiO₂, 0,04 Masse% oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse% oder weniger Alkalibestandteile, die aus CaO, Na₂O und K₂O bestehen, enthält und eine Kristallphase, die eine Aluminiumtitanatphase, eine Rutilphase, eine Korundphase und eine Mullitphase aufweist, und eine Glasphase aufweist.
2. Aluminiumtitanat-Keramik nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teil der Aluminiumtitanatphase eine feste Lösung von
Aluminiumtitanat mit anderen vorhandenen Elementen enthält,
wobei diese Elemente Si, Mg, Ca, Na und/oder K sind.
3. Aluminiumtitanat-Keramik nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie eine Bruchdehnung von 3×10-3 oder mehr und eine
Vierpunkt-Biegefestigkeit von 29,4 N/mm² oder mehr hat.
4. Aluminiumtitanat-Keramik nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Fe₂O₃-Gehalt 1,0 Masse% oder weniger beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumtitanat-Keramik
nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein gemischtes Rohstoffpulver hergestellt wird, das aus 51,7 bis 56,5 Masse-% Al2O3, 40,2 bis 45,0 Masse-% TiO2, 2,0 bis 5,0 Masse-% SiO2, 0,04 Masse-% oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse-% oder weniger Alkalibestandteilen, die aus CaO, Na2O und K2O bestehen, enthält,
das gemischte Rohstoffpulver geformt wird, um einen Formkörper zu erhalten,
der Formkörper getrocknet wird, um einen getrockneten Körper zu erhalten, und
der getrocknete Körper dann gesintert wird.
ein gemischtes Rohstoffpulver hergestellt wird, das aus 51,7 bis 56,5 Masse-% Al2O3, 40,2 bis 45,0 Masse-% TiO2, 2,0 bis 5,0 Masse-% SiO2, 0,04 Masse-% oder weniger MgO und insgesamt 0,1 Masse-% oder weniger Alkalibestandteilen, die aus CaO, Na2O und K2O bestehen, enthält,
das gemischte Rohstoffpulver geformt wird, um einen Formkörper zu erhalten,
der Formkörper getrocknet wird, um einen getrockneten Körper zu erhalten, und
der getrocknete Körper dann gesintert wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumtitanat-Keramik
nach Anspruch 5, wobei zur Herstellung des gemischten
Rohstoffpulvers zudem 0,1 Masse-% oder weniger Fe₂O₃
eingesetzt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumtitanat-Keramik
nach Anspruch 5, wobei als Rohstoff ein Pulver mit einem
mittleren Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger
eingesetzt wird.
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