DE102004055889A1 - Verbindung und Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem zylindrischen, keramischen und einem metallischen Bauteil - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil 1 und einem metallischen Bauteil 2 beschrieben. DOLLAR A Die Verbindung wird durch Ineinanderfügen von keramischem Bauteil 1 und metallischem Bauteil 2 hergestellt. Dabei ist das keramische Bauteil 1 als Innenteil der Verbindung vorgesehen, während das metallische Bauteil 2 als Außenteil angeordnet wird. Das metallische Bauteil 2 umschließt das keramische Bauteil 1 an mindestens einer Umfangslinie.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Verbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und einem metallischen Bauteil gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche.
- In verfahrenstechnischen Anlagen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, ist es oftmals wünschenswert, bestimmte Anlagenteile aus keramischem Material zu fertigen. Da diese keramischen Bauteile in einen größeren Anlagenkomplex eingebunden werden müssen, besteht das Problem, die keramischen Bauteile mit metallischen Bauteilen zu verbinden. Insbesondere gasdichte Verbindungen von keramischen Rohren mit metallischen Bauteilen, die bei hohen Drücken und Temperaturen von bis zu 1000°C betrieben werden sollen, sind schwierig herzustellen. Derartige Verbindungen werden für keramische Hochtemperatur-Rohrbündelwärmeüberträger bzw. -reaktoren und Membran-Rohrbündelmodule von ionen- und elektronenleitenden Membransystemen zur Sauerstoffgewinnung oder partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen eingesetzt.
- Problematisch bei bisherigen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen keramischen und metallischen Bauteilen ist die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Keramik und Metall. Zwangsläufig verändert sich daher der Fügespalt zwischen dem keramischen und dem metallischen Teil mit der Temperatur. Die zum Abdichten in den Fügespalt einzubringenden Bindemittel, z.B. anorganische Kleber oder anorganische Zemente, besitzen viel zu geringe Elastizität, um eine ausreichende Dichtheit bei einem Temperaturwechsel zu gewährleisten. Das gleiche gilt für Lötverbindungen, die zusätzlich durch Metallisierung der Keramik oder Aktivlote sehr kompliziert und aufwendig sind.
- Formschlüssige lösbare Verbindungen mit Formringen sind selbstdichtend, lassen axiale Dehnungen zu und passen sich in gewissen Grenzen radialen Dehnungsunterschieden an. Nachteilig sind aber der komplizierte Aufbau und der hohe Platzbedarf, was z.B. im Falle von Rohrbündeln in einer relativ geringen Packungsdichte (Rohroberfläche/Volumen) des Rohrbündels resultiert.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und einem metallischen Bauteil so auszugestalten, dass die genannten Nachteile bisheriger Verbindungen vermieden werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Verbindung durch Ineinander-Fügen von dem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und metallischen Bauteil hergestellt wird, wobei das keramische Bauteil als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist, und das metallische Bauteil als das das keramische Bauteil an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet wird.
- Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Keramiken üblicherweise geringere Wärmedehnungen zeigen als Metalle. Deshalb lassen sich durch thermisches Fügen (Schrumpfen) feste Verbindungen schaffen, bei denen sich der Fügespalt mit der Temperatur nicht mehr verändert, wenn man als Innenteil die Keramik, als Außenteil das Metall anordnet und eine Schrumpfspannung auch noch bei maximaler Betriebstemperatur vorhanden ist. Das ist möglich, wenn hochkriefeste Metalle zum Einsatz kommen, so dass sich Schrumpfspannungen durch Fließen des Metalles nur äußerst langsam abbauen können und der Fügespalt sich praktisch nicht verändert. Beim Abkühlen aus dem Betriebszustand verstärken sich die Schrumpfspannungen. Dabei wirken am Keramikteil nur Druckspannungen. Das ist entscheidend, da die Zugempfindlichkeit von Keramik sehr groß, die Druckfestigkeit im Allgemeinen aber acht mal größer als die Zugfestigkeit ist. Auch beim Abkühlen verändert sich der Fügespalt nicht, da das Keramikteil vom Metallteil gepresst wird.
- Das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische und das dazugehörige metallische Bauteil gleicher Rotationssymmetrie können entweder eine zylindrische oder eine konische Wirkfläche besitzen. Konische Wirkflächen haben den Vorteil des einfacheren Fügens. Ebenfalls können zur Verbesserung der Gasdichtheit auf konische Wirkflächen vor dem Fügen anorganische Dichtungsmittel aufgetragen werden, die bei Füge- oder Betriebstemperatur erweichen. Derartige Dichtungsmittel sind z.B. Gold oder Silber.
- Zur Verbesserung der Gasdichtheit der Verbindung kann zusätzlich nach dem Ineinanderfügen ein thermisch beständiger Kleber in einen sich nach außen keilförmig erweiternden Fügespalt eingebracht werden. Hierzu ist das metallische Bauteil so ausgestaltet, dass sich ab einer bestimmten Länge ein keilförmig nach außen erweiternder Fügespalt ergibt. Als thermisch beständiger Kleber kann z.B. Natriumsilicat eingesetzt werden.
- Der thermisch beständige Kleber wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des Fügespalts eingesaugt.
- Neben dem Verfahren zur Herstellung der Verbindung betrifft die Erfindung auch die Verbindung selbst. Erfindungsgemäß ist das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische Bauteil als Innenteil der Verbindung vorgesehen und das dazugehörige an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische metallische Bauteil als das das keramische Bauteil an mindestens einer Umfangslinie umschließende Außenteil angeordnet. Das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische und das dazugehörige metallische Bauteil gleicher Rotationssymmetrie besitzen entweder eine zylindrische oder eine konische Wirkfläche.
- Um eine bessere Gasdichtheit zu gewährleisten, kann vorzugsweise ein sich nach außen keilförmig erweiternder Fügespalt vorgesehen sein, in den ein thermisch beständiger Kleber eingebracht ist.
- Im Falle von konischen Wirkflächen kann für eine bessere Gasdichtheit auf die Wirkflächen vor dem Fügen vorzugsweise ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen sein, das bei Füge- oder Betriebstemperatur erweicht.
- Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen ist gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens eine Ringnut im metallischen Bauteil eingearbeitet.
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei in den
1 und2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden: - Die
1 zeigt einen Schnitt durch eine Verbindung von Keramik- und Metallrohr mit zylindrischer Wirkfläche und zusätzlicher Anwendung eines anorganischen Klebers. - Ein keramisches Rohr
1 ist durch thermisches Fügen mit einem metallischen Rohr2 verbunden. Der zylindrische Fügespalt3 verläuft im Inneren achsparallel zur Aufnahme der Presskräfte. Ab einer bestimmten Länge erweitert sich der Fügespalt3 zu einem keilförmigen Spalt4 , in den von außen der Kleber eingebracht wird. - Zweckmäßigerweise wird der Kleber durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des keilförmigen Spaltes
4 eingesaugt. In diesem Bereich ist dann die Kleberschichtdicke sehr gering, und es wird eine sehr große Scher/Zug-Festigkeit der Klebeverbindung erreicht. Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen im metallischen Rohr ist die Ringnut5 eingearbeitet. - Die
2 zeigt einen Schnitt durch eine Verbindung von Keramik- und Metallrohr mit konischer Wirkfläche. - Ein keramisches Rohr
1 ist durch thermisches Fügen mit einem metallischen Rohr2 verbunden. Der Fügespalt3 verläuft konisch. Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen im metallischen Rohr ist die Ringnut5 eingearbeitet.
Claims (14)
- Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (
1 ) und einem metallischen Bauteil (2 ) gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch Ineinander-Fügen von dem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (1 ) und metallischen Bauteil (2 ) hergestellt wird, wobei das keramische Bauteil (1 ) als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist, und das metallische Bauteil (2 ) als das keramische Bauteil (1 ) an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ineinander-Fügen ein thermisch beständiger Kleber in einen sich nach außen keilförmig erweiternden Fügespalt (
4 ) eingebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch beständige Kleber durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des Fügespalts (
4 ) eingesaugt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Bauteil (
1 ) und ein metallsiches Bauteil (2 ) mit zylindrischen Wirkflächen verwendet werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Bauteil (
1 ) und ein metallisches Bauteil (2 ) mit konischen Wirkflächen verwendet werden. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wirkflächen vor dem Ineinander-Fügen ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen wird, das bei Füge- oder Betriebstemperatur erweicht.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungsmittel Gold oder Silber verwendet wird.
- Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (
1 ) und einem metallischen Bauteil (2 ) gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (1 ) als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist und das dazugehörige, an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische, metallische Bauteil (2 ) als das keramische Bauteil (1 ) an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet ist. - Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich nach außen keilförmig erweiternder Fügespalt (
4 ) vorgesehen ist, in den ein thermisch beständiger Kleber eingebracht ist. - Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im metallischen Bauteil (
2 ) zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen eine Ringnut (5 ) eingearbeitet ist. - Verbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (
1 ) und das metallische Bauteil (2 ) zylindrische Wirkflächen besitzen. - Verbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (
1 ) und das metallische Bauteil (2 ) konische Wirkflächen besitzen. - Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wirkflächen ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen ist.
- Verbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel Gold oder Silber aufweist.
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