DE19625274A1 - Verstärkung von thermisch gespritzten Hochtemperatur-Keramikformteilen mit thermisch gespritzten Metallschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur mechanischen Verstärkung von keramischen Formteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß mittels thermischen Spritzens, insbesondere durch Plasmaspritzen, aus z. B. oxidischen Keramikpulvern rein keramische Körper von beträchtlicher Größe (Rohre bis 6 m Länge und mehr als 1000 mm Durchmesser) hergestellt werden können (Patentschrift DE 3001 371 C2, veröffentl. am 27.10.83). Diese besitzen ganz charakteristische anisotrope mechanische und thermomechanische Eigenschaften. Die für thermisch gespritzte Schichten typische poröse Lamellenstruktur aus fladenförmig deformierten Teilchen resultiert in einem ausgesprochen niedrigen E-Modul und, im Zusammenhang damit, in einer für Keramiken ungewöhnlich guten Thermoschockbeständigkeit. Diese wird durch die vergleichsweise hohe Rißzähigkeit des Materials begünstigt. Allerdings besitzen Plasmakeramiken aufgrund ihrer lockeren Gefügestruktur (schwache Partikelbindung, Anwesenheit von Spaltporen) eine im Vergleich zu porenlos gesinterten Keramiken relativ geringe Festigkeit. Die geringe Gefügehärte hat wiederum den Vorteil, daß plasmakeramische Formteile mit fast herkömmlichen Mitteln der Metallbearbeitung und auch mittels Laser- und Wasserstrahl bearbeitet werden können.

Die Herstellung von Plasmakeramiken ist bekannt. Sie erfolgt direkt auf das gewünschte Maß durch Aufspritzen von keramischem Pulver auf ein Kernwerkzeug und Abtrennen der entstandenen Schicht von diesem durch Ausschrumpfen (DE 30 01 371 C2). Plasmaspritzen stellt damit eine effiziente Alternative dar zum herkömmlichen Herstellungsweg technischer Keramiken mittels Formgebung (Pulver, Schlicker) und Brand.

Plasmakeramische Formkörper finden überall dort Anwendung, wo aufgrund hoher Temperaturen oder starker Korrosion Stähle nicht mehr geeignet sind und bei denen viele, auch poröse gesinterte Keramiken aufgrund rascher Temperaturwechsel und scharfer Temperaturgradienten versagen. Der Anwendungsbereich reicht z. B. von elektrisch und thermisch isolierenden Schutzrohren für Laboröfen, Industrieöfen und Induktionserwärmungsanlagen, Rohren für Drehrohröfen, großdimensionierten Flamm- und Rauchgasführungsrohren in petrochemischen Großanlagen und Reaktoren bis hin zu den unterschiedlichsten Ausführungen von Ofenrollen, so z. B. für die Glüh- und Beizlinien der Edelstahl- und NE-Metallindustrie.

Plasmakeramik gehört neben siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Siliziumnitrid/Aluminiumoxid-Systemen (sog. SiAlONe), Bornitrid und Cordierit zu den thermoschockbeständigsten technischen Keramiken überhaupt und besitzt unter den oxidischen Strukturkeramiken die höchste Temperaturwechselbeständigkeit. Sie weist eine weitaus bessere Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität auf als nichtoxidische Materialien.

Hauptnachteil plasmakeramischer Produkte ist deren geringe Festigkeit mit der Folge, daß ihre Einsatzmöglichkeiten, insbesondere für den Temperaturbereich bis 1300°C, stark eingeengt sind. Insbesondere einige gesinterte und heißgepreßte Nichtoxid-Strukturkeramiken, wie z. B. die Siliziumnitride, besitzen eine bemerkenswert hohe Festigkeit, doch ist die Herstellung von Bauteilen aus solchen Werkstoffen sehr aufwendig und kostspielig, insbesondere bei Einzelfertigung. Darüberhinaus sind gesinterte und heißgepreßte Bauteile üblicherweise sehr spröde und reagieren auf kleinste Oberflächenschäden wie Gläser mit einem beträchtlichen Festigkeitsverlust (geringe "Schadentoleranz"). Sie können außerdem nur bis zu einer bestimmten Größe gefertigt werden, wogegen sich durch Plasmaspritzen emorme Abmessungen ohne Probleme realisieren lassen.

Ein Nachteil aller thermoschockbeständigen Keramiken ist die auffällige Empfindlichkeit ihrer Thermoschockbeständigkeit in Bezug auf die Bauteilgröße, d. h. die Thermoschockbeständigkeit nimmt mit zunehmender Bauteilgröße und Kompaktheit ab. Dieser Bauteilgrößeneffekt ist nachweislich umso ausgeprägter, je thermoschockbeständiger ein Material ist. Dies betrifft Plasmakeramik nachweislich ebenso wie z. B. Borosilikatgläser und Siliziumnitrid.

Fehlende mechanische Stabilität und Thermoschockempfindlichkeit dickwandiger Bauteile sind insofern sich verstärkende Nachteile, als üblicherweise versucht wird, die mangelnde Belastbarkeit plasmakeramischer Produkte durch massivere Ausführung auszugleichen.

Seit den 70er Jahren gab es vereinzelte Versuche, Sinterkeramiken mit Metallagen zu verstärken. Dies geschah im wesentlich durch geeignetes Zusammenfügen der herstellungsfertigen Keramik- und Metallschichten. Die Versuche, auf diese Weise geeignete Hochtemperaturverbunde herzustellen, scheiterten an der niedrigen Einsatztemperatur des Fügemediums und der unterschiedlichen Wärmedehnung der Materialpartner, die entweder zum Bruch an der Fügestelle oder, bei sehr fester Fügung, zum Bruch der Keramiklagen führte.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Sie wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben. Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert. Danach lassen sich thermisch gespritzte Formteile mit ebenfalls thermisch gespritzten temperatur- und korrosionsbeständigen metallischen Werkstoffen verstärken, beispielsweise Stahllagen. Solche Multilagenstrukturen aus beispielsweise plasmagespritzter Keramik ("Plasmakeramik", Handelsname plascera®) und hochlegierten Stählen lassen sich in einem kontinuierlichen Produktionsablauf herstellen. Dieser beinhaltet ein im Wechsel durchgeführtes Aufspritzen einer relativ dicken (< 1 mm) Schicht aus Keramik und das Aufspritzen (z. B. Drahtflammspritzen) einer 0,1-15 mm dicken Zwischenlage aus Metall.

Aufgespritzt wird auf ein wiederverwendbares Kernwerkzeug in einem kontinuierlichen Produktionsablauf. Nach vollendeter Auftragung wird das Kernwerkzeug, wie bei der Plasmakeramikherstellung üblich, kalt ausgeschrumpft. Die Beschichtung resultiert dann als freitragendes Bauteil. Solche Multilagenverbunde überstehen Temperatureinsätze bis zur Anwendungstemperaturgrenze des Metallwerkstoffes (z. B. 1200°C für NiCr 8020; 1350°C für CrAl 25 5 So) schadlos, und das trotz der erheblichen Unterschiede in der Wärmedehnung von Keramik und Metallage.

Auf oben beschriebene Weise lassen sich beispielsweise plasmakeramische Rohre und Platten mit ein oder mehreren, mindestens milimeterstarken hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Stahlschichten versehen und mechanisch beträchtlich verstärken. Dabei bleibt das exzellente Thermoschockverhalten der reinen plasmakeramischen Komponente erhalten, wobei der Verbund durch das Vorhandensein zäher, duktiler und rißhemmender Lagen in bezug auf Biegebruchfestigkeit, Schadentoleranz und Rißzähigkeit beträchtlich verbessert wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur mechanischen Verstärkung keramischer Formteile durch Metallagen, dadurch gekennzeichnet, daß der freitragende Formkörper aus Keramik- und Metallagen im Wechsel thermisch gespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil als Multilagenverbund durch ein im Wechsel durchgeführtes Aufspritzen einer relativ dicken Schicht aus Keramik und das Aufspritzen einer Zwischenlage aus Eisen- und Nichteisen- (NE-) Metallen hergestellt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff durch Plasmaspritzen aufgebracht wird und die metallische Zwischenlage durch Drahtflammspritzen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des metallischen Werkstoffs am Gesamtbauteil 15 bis 50% beträgt.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Metallagen aus hochtemperatur- und korrosionsbeständigen metallischen Werkstoffen bestehen, vornehmlich aus legierten Edelstählen der Hauptgruppen 1 und 2 und der Sortennummern 46, 47, 48 und 49 nach DIN 17007 (z. B. 2.4869).

6. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß kompatible Werkstoffpaarungen verwendet werden, wie z. B. Spinell (MgAl₂O₄), reines Aluminiumoxid (Al₂O₃), kalzium- und magnesiumstabilisierte Zirkoniumoxide (Ca- u. Mg-ZrO₂) als keramische Werkstoffe mit Metallagen aus NiCr 80 20 (2.4869) und Cr Al 25 5 So (Thyssen Elastochrom).