Einfluss von Aluminiumoxid- und Titanoxid-Zusätzen auf die Thermoschockbeständigkeit von feinkörnigen MgO-teilstabilisierten Zirkoniumdioxid für Anwendungen bei endabmessungsnahen Gießtechnologien in der Metallurgie

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Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht die Entwicklung eines feinkörnigen, thermoschockbeständigen Zirkoniumdioxid-Spinell-Verbundwerkstoffes und insbesondere die Untersuchung der Wirkung der oxidischen Zusätze auf die für den Thermoschock relevanten Eigenschaften über die Ermittlung von Thermoschockkoeffizienten. Mittels der Zugabe von Aluminiumoxid- und Titandioxid- Pulver wird während der Sinterung in situ Spinell in der Zirkoniumdioxidmatrix aus der Reaktion zwischen Aluminiumoxid und MgO-Stabilisator erzeugt. Die in situ Spinellbildung und die Destabilisierung des Zirkoniumdioxides führen zur Erzeugung von Mikrorissen, die die Thermoschockbeständigkeit erheblich verbessern. Sekundäres Ziel ist die Begrenzung der Porosität, um die Metallschmelzeinfiltration in Grenzen zu halten. Durch das entstehende Mikrorissgefüge bei kleinerer Porosität soll ein Thermoschockverhalten wie bei porösen, grobkörnigen Feuerfestwerkstoffen erreicht werden. In einem atmosphärischen Rasterelektronenmikroskop mit eingebauter Heizbank wird die Sinterung online durchgeführt und die Gefügeausbildung auf der Oberfläche verfolgt. Für die Prüfung der Thermoschockbeständigkeit wird der fertige Werkstoff einerseits im Rasterelektronenmikroskop in Luftatmosphäre von 600 °C auf Raumtemperatur (RT) mehrfach abgeschreckt, andererseits werden die Restfestigkeiten nach Abschreckversuchen von 1000°C und 600°C in Wasser ermittelt. Die Grundporosität wird durch unterschiedliche Zirkoniumdioxid - Ausgangskorngrößen bei konstanten Prozessparametern insbesondere des Sinterbrandes verändert, während das Mikrorissgefüge durch Variation der Menge und Ausgangskorngrößen im Mikro- und Nanometerbereich der Zusätze gesteuert wird. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erfolgt über eine hochauflösende Computertomographie erstmals eine zerstörungsfreie, dreidimensionale Charakterisierung im Inneren des Gefüges der Zirkoniumdioxidproben, ohne dass das Phasenverhältnis monoklin/tetragonal/kubisch über eine nachträgliche Bearbeitung beeinträchtigt wird. Die Computertomographie wird nach jedem Verfahrensschritt (grüne Proben, gebrannte Proben) und im Anschluss an die Thermoschockversuche angewendet.