Formgebung von grobkörnigen, oxidkeramischen Schlickern mit Hilfe der Druckschlickergusstechnologie für die Herstellung von Großbauteilen hoher Dichte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des vorliegenden Projektes war die grundlegende und nach unserem Kenntnisstand erstmalige Erforschung der Formgebungsmöglichkeit grobkörniger, oxidischer Keramiken mittels Druckschlickerguss mit einer Maximalkorngröße von bis zu 3 mm. Bislang ist der Druckschlickerguss lediglich Stand der Technik in der silikatkeramischen Industrie und Forschungsgegenstand im Bereich der technischen Keramik. Es konnten großformatige Scherben (200 mm x 200 mm x 38 mm) hoher Grünfestigkeit und ohne Beschädigungen mit minimalen Gradienten aufgrund von Entmischung hergestellt werden. Um zu einem fertigen Bauteil zu gelangen wurden mehrere Faktoren aufeinander abgestimmt. Ein Additiv-System wurde so formuliert, dass ein stabiler, selbstfließender und pumpfähiger Schlicker minimaler Thixotropie hergestellt werden kann. Gleichzeitig muss eine ausreichende Grünfestigkeit gewährleistet werden. Es zeigte sich, dass eine Kombination aus Xanthan, Dolapix CE 64 und Optapix AC 70 die gewünschten Eigenschaften zeigte. Der Wassergehalt ist genau einzustellen, da eine geringe Änderung des Wassergehalts zu starken Änderungen der Rheologie führt. Als eine wichtige Schlickereigenschaft wurde die Fließgrenze identifiziert, denn diese bewirkt eine Stabilisierung des Grobkorns. Eine zu hohe Fließgrenze führt allerdings zu Verstopfungen des Rohrsystems beim Pumpen des Schlickers. Die Fließgrenze wurde mit Hilfe des Additivsystems gezielt eingestellt. Es konnte ähnlich zum Extrudieren bei nicht zu hohen Angießdrücken eine Pfropfenströmung beobachtet werden, die Entmischungen vorbeugt. Dies ist besonders interessant, weil die Schlicker selbstfließende Massen darstellen. Außerdem wurde die Korngrößenverteilung variiert und ein Verteilungskoeffizient von n = 0, 25 gemäß Gleichung 1 zeigte sich vorteilhaft bezüglich einer minimalen Thixotropie und eines besseren Filtrationsverhaltens. Insbesondere für Schlicker mit Korngrößen größer als 1 mm wurde ein angepasstes Kugelfallviskosimeter aufgebaut und für grobkörnige Schlicker angepasst. Mit diesem Kugelfallviskosimeter war es möglich die Viskosität, Thixotropie und scherverdünnendes Fließverhalten der Schlicker zu untersuchen. Das Kugelfallviskosimeter erwies sich als besser geeignet grobkörnige Schlicker zu untersuchen als das herkömmliche Ausbreitmaß oder das Messen der Auslaufzeit aus einem Becher. Die Fließgrenze als wichtiger Parameter konnte allerdings nicht bestimmt werden. Zur Modellierung des Filtrationsverhaltens der Schlicker in der Druckgussanlage ist die CPF-Zelle (compression permeability filtration cell) hervorragend geeignet. Die gebildeten Filterkuchen zeigten nur eine geringfügige Kompressibilität und deshalb kann ein klassisches Filtrationsmodell angenommen werden. Allerdings ist die CPF-Zelle nicht ausreichend geeignet wichtige Eigenschaften wie die Grünfestigkeit oder die Pumpfähigkeit der Schlicker abzubilden. Scale-Up-Experimente sind deshalb unabdingbar. Die Scale-Up-Experimente in der Druckgussanlage verlangten eine nochmalige Anpassung des Additivsystems und es wurde zu höheren Gehalten übergegangen, wodurch sich auch der Wassergehalt erhöhte. Es wurden Schlicker mit 3 mm und 1 mm zum Vergleich in einer kleinen Serie zur Überprüfung der Robustheit des Formgebungsprozesses gegossen und keine Verschlechterung der Ergebnisse über die Zeit beobachtet. Die Untersuchung der gebrannten Scherben im CT zeigte eine homogene Verteilung des Grobkorns und keine Entmischungen. Diese Ergebnisse konnten durch Lichtmikroskopie und der Messung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Proben aus dem oberen und unteren Teil der Scherben bestätigt werden. Bemerkenswert ist, dass die gemessene offene Porosität nach DIN EN 993-1 von etwa 20 % nur geringfühig geringer ist als die Porosität im grünen Zustand und den Schluss zulässt, dass fast die gesamte Verdichtung durch die Formgebung erfolgte. Die 3-Punkt- Biegefestigkeiten bei Raumtemperatur nach DIN 993-6 lag bei ca. 30 MPa. Die Zugabe von 3 mm-Grobkorn führte zu einer Senkung des dynamischen E-Moduls nach DIN EN 843-2 um 15 GPa auf 100 GPa im Vergleich zu den Scherben mit 1 mm-Grobkorn. Im Vergleich zum konventionellen Schlickerguss der gleichen Schlicker konnten die Lunker auf ein Vielfaches reduziert und deutlich höhere Verdichtungen bei erheblich kürzerer Formgebungszeit erzielt werden. Die erzielten Ergebnisse finden direkte Anwendung in einem Industrieprojekt und werden im Rahmen einer DFG-Forschergruppe auf calciumhaltige, feuerfeste Oxidkeramiken für Titan- und Titanlegierungsschmelzen erweitert. Als weiteres Projekt ist das Druckschlickergießen von Verbundwerkstoffsystemen geplant. Darüber hinaus ist ein Transferprojekt mit Endanwendern aus der Stahlindustrie zur Untersuchung der Bauteile in der Industrie geplant. Weiterhin besteht eine Industriekooperation zur Entwicklung der Herstellung von Hitzeschutzschildern in der Energietechnik. Es ergibt sich ein breites Spektrum an Anwendungen, z.B. bei Hochtemperaturwerkstoffen. Insbesondere die Herstellung von komplizierten, großformatigen und grobkeramischen Erzeugnissen sollte mit Hilfe des Druckschlickergusses möglich sein. Auch Kleinserien sollten sich deutlich effizienter produzieren lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Druckschlicker-Gießvorrichtung bzw. Verfahren zum Gießen eines Formteils, WO/2009/106061
Aneziris, C.G., Dudczig, S., Klippel, U., Heinold, U., Spensberger, J.
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Druckschlickergießen - Technologieentwicklung. Workshop, HITK Hermsdorf, 2009
Klippel, U.
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Druckschlickergießen grobkörniger Keramik, 44. Sitzung des Fachausschusses FA III Verfahrenstechnik der DKG 2010
Klippel, U.
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Druckschlickerguss von grobkörnigen, oxid-keramischen Schlickern zur Herstellung von geformten Großbauteilen, DKG Jahrestagung, Saarbrücken, 2011
Schafföner, S., Aneziris, C.G., Klippel U.
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Pressure slip casting of coarse grain oxide ceramics. Ceramics International [2011]
Schafföner, S., Aneziris C.G.
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Shaped Coarse Grained Refractories by Pressure Slip Casting. Advanced Engineering Materials 2011, [13], 68-76
Klippel, U.; Metzger A.J.; Aneziris C.G.
