DE4139105C2 - Verwendung einer PSZ-Keramik mit Zusatz von Spinell als Verschleißbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Verschleißbauteilen aus teilstabilisierter Zirkoniumdioxidkeramik (PSZ-Keramik) mit Zusatz von 5 bis 30 Gew.-% Magnesiumspinell. Derartige Keramiken und daraus gefertigte Bauteile, wie Ziehdüsen und Ventil­ führungen und deren Verwendung bei Temperaturen über 900°C als dauerbelastete Bauteile sind aus der EP-B 0 200 954 bekannt, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Verwendung als Verschleißbauteil für tribologische Anwendungen ist dieser Schrift nicht zu entnehmen. Die US-Patentschrift 4 587 225 beschreibt teilstabilisierte Zirkoniumdioxidkeramiken, die in ihren Zusammensetzungen nicht mit den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Keramiken zu vergleichen sind. Auch die in der US-Patentschrift beschriebenen Keramiken werden für dauerbelastete Bauteile und nicht als Verschleißbauteile für tribologische Anwendungen verwendet.

Teilstabilisierte Zirkoniumdioxidkeramiken weisen eine gute Thermowechselbeständigkeit ΔT auf, während die Härte und Bruch­ festigkeit gegenüber anderen technischen Keramiken, wie z. B. Al₂O₃ mäßigere Werte aufweisen.

Die Thermowechselbeständigkeit ΔT ist aber insbesondere in den Einsatzfällen von Bedeutung, wo entweder im Normalbetrieb Ver­ schleißbauteile einer plötzlichen Abkühlung im Bereich von ΔT 50 bis 150°C unterworfen werden oder, wo bei kurzzeitigen Betriebsstörungen, z. B. durch trockene Reibung eines normalerweise flüssigkeitsgekühlten Verschleißbauteils, extrem starke Erwärmungen an der Reibfläche auftreten, die bei Wiedereintritt in den Normalbetrieb durch Flüssigkeitszufuhr eine schockartige Abkühlung erfahren. Bei derartigen Belastungen weisen bisher bekannte Keramiken Zerstörungen durch Risse oder Abplatzungen auf, die zum Versagen des Verschleißbauteils und zur Beschädigung des darüber hinweggeführten Reib- oder Gleitpartners führen.

Die Thermoschockbeständigkeit wird dabei wie folgt definiert:

R₁= σ/ε·α wobei,
R₁= maximal erlaubte Temperaturdifferenz,
σ = Biegefestigkeit,
ε = E-Modul,
α = thermische Dehnung.

Bei Draht- und Fadenleitorganen, die normalerweise einer trockenen Reibung unterliegen, gilt folgende Beziehung:

R₂= R₁ · λ, wobei
R₂= maximal erlaubter Wärmefluß durch den Körper unter der Voraussetzung, daß ständig Wärme fließt
λ = Wärmeleitfähigkeit.

Es muß also R₁ und R₂ berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine teilstabilisierte Zirkoniumdioxidkeramik mit Zusatz von Magnesiumspinell für die Verwendung als Verschleißbauteil für tribologische Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird durch den Anspruch 1 und die darauf zurückbezogenen Unteransprüche 2 bis 4 gelöst.

Es ist bekannt, daß Zirkoniumdioxidkeramiken durch den Zusatz von MgO und/oder Yttriumoxid als Stabilisator zum Sinterversatz erheblich verbessert werden können; dabei wird dieser Zusatz von 4 bis 12 eq-% gewählt. Unter eq-% wird dabei folgendes verstanden:
äquimolare Mengen des MgO können durch äquimolare Mengen Yttriumoxid ersetzt werden. Für die erwünschte Steigerung der Härte hat sich der Zusatz von 5 bis 30 Gew.-% Magnesiumspinell, insbesondere aber 10 bis 20 Gew.-%, bewährt. Die Sinterung eines derartigen Versatzes findet vorzugsweise bei einer Temperatur von mind. 1600°C bei einer Haltezeit von mind. 30 Min. statt. Eine anschließende Temperung während eines Zeitraumes von 0,5 bis 10 Std. bei einer Temperatur von 1250 bis 1400°C verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften des Verschleißbauteils. Derartig hergestellte Verschleißbauteile werden insbesondere als Siebtische, Foils, (Entwässerungsleisten), Deflektoren, Saugerbeläge, Dichtleisten oder Schaber­ klingen im Naßteil von Papiermaschinen eingesetzt, wo sie im Gleitkontakt mit dem Blattbildungssieb oder dem Filz stehen.

Bevorzugt können derartige Verschleißbauteile aber auch als Draht- oder Fadenleitorgane bei der Draht- oder Fadenherstellung eingesetzt werden, wo durch punktuelle Reibungsbelastung besondere Anforderungen an die Thermoschockbeständigkeit gestellt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung derartiger Verschleißbauteile als Hochdruckkolben in Fluidpumpen, insbesondere, wenn diese durch Fluide mit stark unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagt werden.

Die folgende Tabelle zeigt die vorteilhaften Eigenschaften von teilstabilisierten Zirkoniumdioxidkeramiken mit Magnesium- Spinellzusatz im Vergleich zu einer Zirkoniumdioxidkeramik ohne Spinellzusatz. Sowohl die Bruchfestigkeits- als auch die Härtewerte sind deutlich besser als beim Vergleichswerkstoff. Während der Oberflächenporosität beim Vergleichswerkstoff recht hoch und die Porendurchmesser groß sind, ist die Oberflächenporosität bei den erfindungsgemäß eingesetzten Keramiken deutlich niedriger und die Porendurchmesser erheblich kleiner. Ebenso überlegen zeigen sich die teilstabilisierten Zirkoniumdioxidkeramiken beim Wärmespannungsfaktor wie auch beim Wärmefluß.

Tabelle

Claims (4)

1. Verwendung einer PSZ-Keramik mit Zusatz von 5 bis 30 Gew.-% Spinell (MgAl₂O₄), wobei das ZrO₂ mit 4 bis 12 eq-% MgO und/oder Y₂O₃ stabilisiert ist und die Keramik eine Dichte im Bereich von 4,9 bis 5,7 g/cm³,
eine Biegebruchfestigkeit σ_3B von < 550 MPa,
eine Härte nach Vickers HV_0,5 von 1300 bis 1600,
eine Oberflächenporosität von weniger als 2,5%,
einen Porendurchmesser an der Funktionsoberfläche von weniger als 4,0 µm
und eine Thermowechselbeständigkeit ΔT von 250 bis 450 K aufweist,
als Verschleißbauteil für tribologische Anwendungen.

2. Verwendung einer PSZ-Keramik nach Anspruch 1 als Verschleißbauteile in Papiermaschinen, wie Siebtische, Foils, Deflektoren, Saugerbeläge, Dichtleisten, Schaberklingen.

3. Verwendung einer PSZ-Keramik nach Anspruch 1 als Draht- oder Fadenleitorgane.

4. Verwendung einer PSZ-Keramik nach Anspruch 1 als Hochdruckkolben in Fluidpumpen.