Thermoschock- und korrosionsbeständige wärmedämmende Werkstoffverbunde auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen für den Einsatz im Stahluntergussverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurde ein neuer Werkstoffverbund aus einem Wärmedämmstoff basierend auf dem natürlichen Rohstoff Reisschalenasche (RSA) und einer flammgespritzten keramischen Beschichtung für den Einsatz im Stahluntergussverfahren erforscht. Dabei erfolgte zunächst eine umfassende Charakterisierung verschiedener RSA-Substratmaterialien vor allem im Hinblick auf ihre Hochtemperatureigenschaften und -stabilität. Dabei wurde eine ausreichende Feuerfestigkeit bis 1600 °C für Materialvarianten mit hohem SiO2-Gehalt (>94 Ma.-%) registriert. Festgestellt wurde jedoch auch eine stark nicht-lineare thermische Dehnung des RSA-Substratmaterials, welche auf eine Phasenumwandlung von α- zu β-Cristobalit im Temperaturbereich von 250 °C – 280 °C zurückzuführen war. Es folgte eine umfassende Charakterisierung der Eigenschaften flammgespritzter Al2O3, Al2O3-TiO2 und Al2O3-TiO2-ZrO2 Schichten (resultierende Schichtdicke, Festigkeitsverteilung, E-Modul, R-Kurvenverhalten, unterkritisches Risswachstum, thermische Dehnung) mit Korrelation zu den Spritzparametern. Anschließend wurden Werkstoffverbunde hergestellt und hinsichtlich Mikrostruktur, Schichthaftung und Oxidationsbeständigkeit charakterisiert. Dabei zeigte sich eine ausreichend hohe Schichthaftung, welche über Mikrostrukturanalyse auf eine Verklammerung der Flammspritzschicht mit der rauen RSA-Substratoberfläche zurückgeführt wurde. Eintauchversuche von allseitig beschichteten Prismen in einer Stahlschmelze (1600 °C) bestätigten die Hochtemperaturstabilität sowie Thermoschockbeständigkeit des Werkstoffverbundes. Abschließend wurden mittels Flammspritzen in Kooperation mit dem Industriepartner beschichtete Kanalrohrstein-Prototypen (105 x 105 x 250 mm³) hergestellt, und mit Stahlschmelze erfolgreich, d.h. ohne Auslaufen, beaufschlagt. Die erstarrten Stahlblöcke wurden hinsichtlich ihrer Population nicht-metallischer Einschlüsse charakterisiert. Dafür wurde eine allgemein anwendbare Routine zur Einschlussanalyse mittels automatisierter Feature Analyse (automatisierter Rasterelektronenmikroskopie) inkl. umfassender detaillierter und statistischer Auswertung entwickelt. Die Ergebnisse der Abgussversuche zeigten sogar eine leicht geringere Einschlusspopulation im Stahl nach Kontakt mit dem neuentwickelten Werkstoffverbund im Vergleich zum Schamotte-basierten Referenzmaterial.
Link zum Abschlussbericht
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-956383
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Automated feature analysis as a tool for non-metallic inclusion analysis in solidified metals. Open Ceramics, 16, 100452.
Kerber, Florian; Neumann, Marc; Dudczig, Steffen; Schmidt, Gert; Hubálková, Jana & Aneziris, Christos G.
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On the Statistics of Mechanical Failure in Flame-Sprayed Self-Supporting Components. Ceramics, 6(2), 1050-1066.
Kerber, Florian; Hollenbach, Magda; Neumann, Marc; Wetzig, Tony; Schemmel, Thomas; Jansen, Helge & Aneziris, Christos G.
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“Application of flame-sprayed ceramic coatings on silica-based insulating refractories for steel ingot casting”, XVIIIth Conference of the European Ceramic Society (ECERS), Lyon, Frankreich, 02. – 06. Juli 2023
F. Kerber, M. Neumann, T. Zienert, T. Schemmel, H. Jansen & C.G. Aneziris
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“Characterization of inclusion populations in metal matrix using automated feature analysis”, Unified International Technical Conference on Refractories (UNITECR) 18th Biennial Worldwide Congress on Refractories, Frankfurt am Main, Germany, 26. – 29. September 2023
F. Kerber, M. Neumann, J. Hubálková, G. Schmidt, T. Schemmel, V. Stein, H. Jansen & C. G. Aneziris
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Impact of thermal shock on the R-curve and subcritical damage behaviour of flame-sprayed alumina compounds. Journal of the European Ceramic Society, 44(5), 3418-3428.
Neumann, Marc; Hubálková, Jana; Kerber, Florian; Gehre, Patrick; Jelitto, Hans & Aneziris, Christos G.
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Insulating refractories based on rice husk ashes functionalized by flame-sprayed alumina coatings for steel ingot casting. Journal of the European Ceramic Society, 44(12), 7296-7309.
Kerber, Florian; Zienert, Tilo; Neumann, Marc; Malczyk, Piotr; Schemmel, Thomas; Jansen, Helge & Aneziris, Christos G.
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Robot-aided tailoring of flame spray coatings for high-temperature barrier application. Open Ceramics, 17, 100558.
Neumann, Marc; Kerber, Florian; Bock-Seefeld, Benjamin; Schemmel, Thomas; Jansen, Helge & Aneziris, Christos G.
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“Shaped Insulating Refractories Based on Rice Husk Ashes Functionalized with a Flame- Sprayed Alumina Coating for Steel Ingot Casting” REFRA PRAGUE: The 22nd conference on modern refractory materials and key achievements in high-temperature technologies, Prag, Tschechien, 22. – 24. Mai 2024
F. Kerber, T. Zienert, M. Neumann, T. Zienert, T. Schemmel, H. Jansen & C.G. Aneziris
