Einfluss von Aluminiumoxid- und Titanoxid-Zusätzen auf die Thermoschockbeständigkeit von feinkörnigen MgO-teilstabilisierten Zirkoniumdioxid für Anwendungen bei endabmessungsnahen Gießtechnologien in der Metallurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es ist möglich, die Thermoschockbeständigkeit von MgO-teilstabilisiertem Zirkonoxid durch Zusätze von Aluminiumoxid und Titaniumdioxid zu verbessern. Dabei werden eine geringe offene Porosität und damit die exzellente Korrosionsbeständigkeit eines dichten Zirkoniumoxidwerkstoffes in Kontakt mit flüssigem Stahl und den entsprechenden Schlackesystemen beibehalten. Die durch die Zusätze induzierten Veränderungen der Mikrostruktur sind für die bessere Thermoschockbeständigkeit verantwortlich. Es treten mehrere gekoppelte Effekte auf, die bei bestimmten Additivgehalten zu einer Duplexmikrostruktur mit erhöhter Risszähigkeit führen. Die gleichen Effekte führen auch zu einer Ausbildung von Mikrorissen im Gefüge, welche für die Thermoschockbeständigkeit eine vergleichbare Wirkung wie eine hohe Porosität und/oder ein Grobkornanteil haben. Mikrorisse werden durch zwei Hauptmechanismen in das Gefüge eingebracht. Zum einen führt der Entzug des MgO aus dem teilstabilisierten ZrO2 zu einem höheren monoklinen Phasenanteil. Bei der Abkühlung führt die Umwandlung von tetragonalen zu monoklinen Körnern zu einer Volumenzunahme und einer Mikrorissbildung. Dieser Beitrag ist bei Anwendungstemperaturen unterhalb der Umwandlungstemperatur monoklin <-> tetragonal wirksam. Zum anderen führt die Entstehung von Spinell mit einer damit verbundenen Volumenexpansion ebenfalls zur Ausbildung von Mikrorissen während des Sinterns aufgrund der Festkörperreaktion und während des Abkühlens aufgrund der Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Spinell und Zirkoniumoxidmatrix. Der Beitrag des Spinells zur Mikrorissbildung ist im Gegensatz zum Beitrag der Umwandlung monoklin ? tetragonal des Zirkoniumoxides nicht auf Temperaturen unterhalb der Transformationstemperatur beschränkt. Der Entzug des MgO ist ebenfalls für die Ausbildung einer Duplexmikrostruktur verantwortlich. MgO wirkt als Sinterhilfsmittel für das ZrO2 und dessen Konzentration bestimmt somit die Korngröße. Wenn das MgO nun mit dem Al2O3 reagiert, wird sein sinterfördernder Effekt verringert. Im Ergebnis ist die MgO Konzentration in der Zirkoniumoxidmatrix um ehemalige Aluminiumoxidteilchen - nach dem Sintern Spinellteilchen - geringer als in Teilen der Matrix mit größerem Abstand zum nächsten Spinellteilchen. Dies führt zu einer deutlichen Korngrößenverringerung in einem sphärischen Bereich um die Spinellteilchen herum. Der Einfluss des Titaniumoxides liegt in einer Beschleunigung der Sinterkinetik, so dass der Sinterprozess und der Prozess der Spinellbildung schon bei einmaligem Brand bei für Zirkoniumdioxidwerkstoffe vergleichsweise relativ niedrigen Sintertemperaturen von 1600 °C und geringen Haltezeiten von 2h größtenteils abgeschlossen sind. In zukünftigen Arbeiten sollte der Duplexeffekt grundlegend untersucht werden. Dabei könnten kugelförmige monomodale Aluminiumoxidzusätze als Additiv verwendet werden, um den Größeneinfluss der sphärischen feinkörnigen Bereiche zu evaluieren. Dabei kann die Flammspritztechnik zur Pulverherstellung verwendet werden. Es kann wiederum reines Aluminiumoxid oder ein Gemisch aus Aluminiumoxid-Magnesiumoxid verwendet werden. Mit dem Zusatz von Magnesiumoxid im Aluminiumoxid kann die Menge des dem Zirkoniumdioxid entzogenen Stabilisators und damit die Korngröße des feinkörnigen Bereiches der Duplexkeramik variiert und deren Einfluss auf Festigkeit und Risszähigkeit bestimmt werden. Die neu entwickelten Werkstoffe eignen sich als feinkörnige, dichte Feuerfestkeramik mit ausgesprochen sehr guten chemischen Beständigkeit in Stahl-Schlacke-Systemen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Feuerfestdesign mit Hilfe von Nanometerzusätzen für umweltfreundliche Hochtemperaturanwendungen, Vision Keramik 2008+, IKTS Dresden, Januar 2008
Hampel, M., Aneziris, C.G.
