Hochtemperaturbenetzbarkeit von oberflächenstrukturierten keramischen Werkstoffen in Kontakt mit oxidhaltigen Schmelzen
Final Report Abstract
Als Ziel des Forschungsvorhabens entfaltet sich die Grundlagenuntersuchung der physikalischen und chemischen Wechselwirkungsmechanismen bei der Benetzung von Keramiken gegen Oxidschmelzen mit oder ohne einer gezielten laserunterstützten Mikrostrukturierung der Kontaktoberfläche als Funktion der Zeit, der Temperatur und der Atmosphäre. Dabei beeinflusst die spezifische Bearbeitungsart der Oberflächenstrukturierung die Topographie als auch die Beschaffenheit. Als MikroStrukturen dienen bei Raumtemperatur bewährte Oberflächentopographien, die zu modifizierten Benetzungswinkeln fuhren. In einem speziellen Erhitzungsmikroskop werden der makroskopische Winkel nach Young, der Fortschreite- und Rückzugswinkel und der Abrollwinkel der ausgewählten, strukturierten Keramiken in Kontakt mit einer Fayalit- Schmelze registriert. Über die Erfassung des Ausbreitungsradius in einem Rohrofen werden die Kinetik und insbesondere die Aktivierungsenergie von den unterschiedlichen Benetzungsstadien bestimmt. Als zusätzlicher Punkt wurde die Benetzung von spannungsbeaufschlagten Proben aufgenommen, und die erzielten Ergebnisse wurden den laserstrukturierten Proben gegenübergestellt. Die bisherigen Versuche zeigen erstmalig, dass die Wenzel- Gleichung ihre Gültigkeit auch bei höheren Temperaturen bewahrt. Eine höhere Rauhigkeit von gut benetzenden Keramiken fuhrt in Kontakt mit Schmelzen zu höherer Benetzung. Die spannungsunterstützten Proben erfüllen die Young - Lippmann - Gleichung, eine höhere Spannung bei gut benetzenden Keramiken fuhrt auch zu höherer Benetzung. Abhängig vom Vorzeichen der Spannung werden unterschiedliche Grenzflächenschichten im Bereich 100 bis 300 (am erzeugt, die ausschlaggebend für das Benetzungsverhalten sind. Beim Anlegen einer positiven Spannung wird die geringste Benetzung registriert. Interessanterweise beeinflusst die angelegte Spannung auch die Chemie der Schlacke in der Nähe der Grenzflächenschicht. Bei allen Proben, laserstrukturierten und spannungsbeaufschlagten, konnten nach einem Arrhenius - Ansatz (Messung des Ausbreitungsmaßes als Funktion der Zeit bei zwei unterschiedlichen Temperaturen) die drei Aktivierungsenergien der drei Benetzungsstadien identifiziert werden, a) Beginn der Benetzung, b) Ausbreitung und c) Infiltration und Reaktion. Bei höherer Benetzung sinken die Aktivierungsenergien der drei Benetzungsstadien. Interessanterweise hat sich herauskristallisiert, dass bei der Erfassung der Aktivierungsenergien eine gravierende Rolle nicht nur die Rauhigkeit nach Wenzel spielt (Verhältnis der realen Oberfläche zu der projektierten Oberfläche), aber zusätzlich auch die hinterlassene nach der Laserbearbeitung Mikroporosität. Die dynamische Adhäsionsarbeit kann entweder über die Differenz des Fortschreitewinkels und des Rückzugswinkels oder als Funktion des Abrollwinkels erfasst werden. Die Messung der dynamischen Adhäsionsarbeit über die Erfassung des Abrollwinkels wird bevorzugt, da die Identifizierung des Fortschreitewinkels und insbesondere der Rückzugswinkels nur an axisymmetrischen Tropfen möglich ist. Dabei wurde festgestellt, dass niedrige Aktivierungsenergien der Benetzungsstadien zu einer hohen Adhäsionsarbeit fuhren. Interessant hat sich herausgestellt, dass die Proben mit der größten Rauhigkeit bei höheren Temperaturen zu geringeren Benetzungswinkeln fuhren. Dieses Verhalten ist vermutlich auf die höhere Anziehung des „Gelösten" an der Oberfläche zurückzuführen. Der Abtransport des Gelösten wird verhindert und damit steigt die Korrosionsbeständigkeit. Schließlich führen die spannungsbeaufschlagten Proben unabhängig vom Vorzeichen der Spannung zu höheren Benetzungswinkeln als Funktion der Zeit. Eine spannungsunterstützte Sinterung (Reduzierung der Mikroporosität) wurde registriert. Die bisherigen Ergebnisse sind vom großen technologischen Interesse für Tauchausgüsse und insbesondere zur mechanischen Strukturierung ihrer Oberfläche für geringere Korrosionsangriffe an deren Außenseite in Kontakt mit Gießpulvern und Stahl (Dreiphasenlinie Stahl/Schlacke/Keramik) als auch für spannungsinduzierte und/oder mechanisch strukturierte Anti - Clogging - Maßnahmen im Inneren des Ausgusses in Kontakt nur mit der Metallschmelze. Weiterhin sind die Erkenntnisse für den Anwendungsbereich Metallschmelzefiltration anhand von porösen Keramikfiltern von großer Bedeutung. Die Einschlüsse (Verunreinigungen) in der Metallschmelze sollen das keramische Material benetzen und an dem Material haften. Eine hohe Benetzung und eine hohe Adhäsionsarbeit (Material und Mikrostruktur) sind gefragt.
Publications
- Hochtemperaturbenetzbarkeit von Feuerfesterzeugnissen in Kontakt mit Schmelzen, Technische Keramische Werkstoffe, Loseblattwerk, Nr. 5.4.2.1, Hrsg. Prof. Dr. J. Kriegesmann, HvB-Verlag, Ellerau (2005)
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- Herstellung und Eigenschaften von Magnesia-Kohlenstoff- Erzeugnissen. Technische Keramische Werkstoffe, Loseblattwerk, Nr. 8.1.2.2., Hrsg. Prof. Dr. J. Kriegesmann, HvB-Verlag, Ellerau (2007)
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- Smart Refractories, ein Beitrag für Prozess- und Umweltinnovation, Vision Keramik 2008+, IKTS Dresden, 17.-18. Januar 2008
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