DE3011878A1 - Feinkeramische schutzschichten fuer thermomechanisch hochelastete keramikformteile - Google Patents
Feinkeramische schutzschichten fuer thermomechanisch hochelastete keramikformteileInfo
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Description
- Bezeichnung:
- Feinkeramische Schutzschichten für therme.
- mechanisch hochbelastete keramikformteile Die Erfindung betrifft einen feinkeramischen Schutzüberzug auf hochwertige, keramische Formteile, die in der llüttenindustrie sehr großer thcrmomechiischer Beanspruchung sowie lleißerosion und -korrosion ausgesetzt sind, wie Ausgüsse und Verschlüsse, wobei die Schutzschichten mit Hilfe der Plasmatechnik aufgebracht werden.
- Bekanntlich werden hochwertige, keramische Formteile, wie u.a. Tauchausgüsse beim Stranggießen von Metallschmelzen, Stopfen sowie andere Verschlußteile aus z.B. tonerdereichem Material in der Hüttenindustrie sehr großen thermomechanischen Beanspruchungen sowie der Heißerosion und -korrosion ausgesetzt, so daß diese Teile nur geringe Standzeiten aufweisen und oft ausgetauscht werden müssen.
- Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, die Standzeit dieser Teile dadurch zu erhöhen daß sie mit hilfe eines feinkeramischen Schutzüberzuges versehen werden, der die Lebensdauer der hochlrertigen Teile um den eigenen Heißverschleiß der aufgebrachten Schicht verlängert.
- Es wurde nun gefunden, daß für derartige Beanspruchungen Schichtwerkstoffe aus sonderkeramischen Werkstoffen wie TiN, Si3N4, ZrB2 und Cr203 besonders gecignet sind.
- Sie besitzen eine gute chemische Beständigkeit gegenüber Metallsclunelzen und Schlacken bei hohen Temperaturen. Die Beständigkeit gegenüber thermomechanischer Beanspruchung ist gut, wenn die Schicnten eine bestimmte Dicke nicht überschreiten.
- Solche Schutzschichten werden zweckmäßigerweise dtrch das beim Aufbringen von Schichten auf metallische Werkstoffe bekannte Plasmaspritzen auf das keramische Grundmaterial aufgetragen, da nach diesem Verfahren alle hochschmelzenden materialien aufgeschmolzen werden können (Plasmatemperatur bis 20 000 °C). Als Plasmagase werden N2 f2r das Spritzen von TiN und Formiergas (95 N2/5 H2) für ZrB2 und Cr2O3 vewendet.
- Das sonderkeramische Ausgangsmaterial liegt dabei in Pulverform vor mit einer Korngröße (gemäß DIN 32529 Blatt 1 Pulverförmige Spritzwerkstoffe) im Bereich von +22,3 um bis -45»m, wie es kommerziellerhältlich ist.
- Die Spritzpulver werden über einen Pulvergeber in die Plasmapistole gefördert, im Plasma aufgeschmolzen und auf die heiße Oberfläche des Substrates geschleudert, wo sie haften und die cntsprechende Schutzschicht bilden.
- Die Oberfläche der kermie eben Teile wird weder zusätzlich behandelt noch bearbeitet, so daß die Oberflächenrauheit üar des Sinterzustandes entspri ch-,.
- Wesentlich für das Auftragen des erfindungsgemäßen Schutzüberzuges ist der heiße Zustand des Substrates, wobei Temperaturen von größer 800 OC vorzugsweise 1000 OC vorherrschen sollen. Die keramischen Teile werden in einer Ofenanordnung (bestehend aus zwei gekoppelten Durchschuböfen, wobei der eine zum langsamen kontinuierlichen Aufheizen, der andere zum langsamen kontinuierlichen Abkühlen dient) aufgeheizt. Zwischen den beiden Öfen befindet sich die installierte Plasmapistole, so daß Teile beim Verlassen des Aufheizofens kontinuierlich mit den sonderkeramischen Schichten versehen werden und unmittelbar in den Abkühlofen eingeschoben und langsam abgekühlt werden.
- Durch dieses Vorgehen wird eine weitgehende Tißfreiheit der schutzschichten und des Grundmaterials (Substrat) gewäh@leistet.
- Da Si3N4 -Pulver zur herstellung von plasmagespl'itzten Schichten nicht verwendet werden karl, da es sich bei Temperaturen um 1850 OC zersetzt, werden die erfindungsgemä.ßen Schutzschichten aus Si3NL so hergestellt, daß Si-Pulver im Stickstoffplasma auf die Substratoberfläche dünn aufgetragen und in Stickstoffatmosphäre bei hohen Temperaturen nitridiert wird, bevor die nächste Belegung mit Si erfolgt. Durch die alternierende Vorgehensweise (Belegung mit Si und Nitridierungen) erhält die Si3N4 -Schutzschicht einen feinlamellaren Aufbau. Zur Beschleunigung des Nitridierungsprozesses werden dem Si-Pulver kleinste Mengen an katalytisch wi rk enden Beimengungen, vornehmlich eisen, zugegeben.
- Die durch mechanische Verankerung und chemische Wechselwirkung entstandene haftung kann in Fällen, in denen sie nicht ausreicht, durch eine gezielte Wärmebehandlung der beschichteten Teile erhöht werden.
- Im Falle der Cr2O3 -SChicht führt dies z.B. zur Bildung einer Ubergangszone zwischen Schicht und Grundmaterial infolge von Mischkristallbildung, was an einer Rosafärbung des Grenzbereichs sichtbar wird.
- Die Dichte der feinkeramischen Schutzschichten liegt im Bereich von 80 bis größer 99% des theorçtischen Wertes. Die Schichtdicken betragen im feingeschliffenei Zustand 1 bis 3, vorzugsweise 2 mm. Schichten mit größerer Dicke neigen zur lißhildung infolge zu h:er innerer SpaiInungen und gewährleisten dadurch nicht mehr die notwendige Dichtigkeit der Schutzschicht gegenüber den Metall- und Schlackeschmelzen.
- Beispiele: Nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wurden tonerdereiche, keramische Teile (Al2O3 -Gehalt um 909b) mit plasmagespritzten feinkeramischen Schichten verschen uiid im Kontakt mit einer Baustahlschmelze (0,185 C; 1,14 Mn; 1,04 Cr) getestet. Bei einer Temperatur von 1600 OC in neutraler Atmosphäre und einer Kontaktzeit von 60 min konnte sowohl die Resistenz der TiN- als auch der Cr 203-Schicht nachgewiesen werden, d.h. daß beide Schichten von 1,5 mm Dicke vollständig heißkorrosionsbeständig waren. Eine zusätzliche Prüfung auf Heißerosion, wobei zweit mit Schutzschichten versehene Teile unter Lart gegeneinander bewegt wurden und dabei gleichzeitig in Kontakt mit einer Metallschmelze standen, führten zum gleichen guten Ergebnis. Auch hier betrug die Temperatur 1600 OC und die Einwirkungszeit 60 min.
Claims (5)
- P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verwendung von feinkeramischen Schutzüberzügen aus TiN, ZrB2 und Cr2O3' die durch Plasmaspritzen auf hochwertige Keramikteile, vorwiegend auf solche mit einem Al2O3 - Gehalt um 90% aufgebracht werden, für Teile, die in der H@tteuindnstrie sehr großer thermomechanischer Beanspruchung sowie Heißerosion und -korrosion ansgestzt sind, wie u.z. Ausgüsse beim Stranggießen, Stopfen und andere Verschlußteile.
- 2. Schutzschichten nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie auf das heiße Grundmaterial aufgebracht werden und das beschichtete Grundmaterial langsam abgekühlt wird, um die Schichten und das Grundmaterial weitgehend frei von Rissen zu halten.
- 3. Schutzschichten aus Si 3N4 nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n -zeichnet., daß dünne Si-Belegungen auf das Grull(lmaterial. aufgebracht und anschließend nitridiert werden, so daß durch diese alternierende Vorgehensweise Si3N4 - Schichten bestimmter Dicke erzeugt werden können.
- 4. Schutzschichten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur 13eschleun@gung des Nitridierprozesses für die Berstellung von Si3N Schichten dem Si-Pulver katalytisch wirkende Beimengungen vorwiegend aus Eisen zugegeben werden.
- 5. Schutzshcichten nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, V daß zur Erhöhung der Haftung der plasmagespritzten Schichten auf dem Grundmaterial zur mechanischen vErankerung eine chemische Bindung infolge einer entsprechenden Wärmebehandlung der beschichteten Teile hinzugefügt werden kann.
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