Fallstudie: Rissbildung an Aluminiumoxid-Tiegeln bei der Hochtemperatur-Dehydratisierung

Einleitung

Ein Kunde meldete den vollständigen Ausfall einer Charge großer Aluminiumoxidtiegel bei Hochtemperaturtrocknungsläufen. Die Tiegel, die ursprünglich als Isolierkomponenten gedacht waren, wurden verwendet, um Pulvermaterialien während des Erhitzens zu halten. Sobald sie schnellen Temperaturschwankungen und Dampf ausgesetzt waren, zerbrachen die Tiegel.

Nach einer Überprüfung des Kundenprozesses identifizierten die Ingenieure von Stanford Advanced Materials (SAM) den Temperaturschock in einer feuchten Umgebung als Ursache. Aluminiumoxid ist zwar sehr temperaturbeständig, eignet sich aber nicht für Anwendungen, die mit Dampf und schneller Erhitzung verbunden sind. SAM schlug mehrere alternative Materialien vor und half dem Kunden schließlich beim Übergang zu einer Lösung mit besserer thermischer Stabilität.

Hintergrund

Der Kunde hatte Tiegel aus hochreinem Aluminiumoxid verwendet, um die Vorteile ihrer hohen Temperaturbeständigkeit (bis zu 1750 °C) zu nutzen. In der Praxis wurden die Tiegel jedoch einer Hochtemperatur-Ofenatmosphäre mit erheblichen Dampfmengen ausgesetzt. Dabei wurde pulverförmiges Material auf über 1000 °C erhitzt, um Feuchtigkeit auszutreiben.

Diese Anordnung führte zu zwei Stressfaktoren:

• Hohe thermische Gradienten durch schnelles Aufheizen und Abkühlen

• regelmäßiger Kontakt mit Wasserdampf, der auf manche Keramiken unterschiedlich wirkt

Obwohl Aluminiumoxid über gute chemische und mechanische Eigenschaften verfügt, ist es aufgrund seiner schlechten Temperaturwechselbeständigkeit - vor allem unter feuchten Bedingungen - anfällig für Risse. Der Kunde kam zu uns und fragte nach einem Tiegel, der sowohl der Hitze als auch der Feuchtigkeit standhält, ohne die Struktur zu beeinträchtigen.

Klärung des Anwendungsumfelds

Durch eine offene Kommunikation mit dem technischen Team des Kunden konnte SAM umfangreiche Informationen über den Prozess gewinnen:

• Ofenbedingungen: Hochtemperaturrampen, über 1000 °C, mit kontinuierlicher Zufuhr von Wasserdampf
• Funktionelle Rolle: Tiegel, die nicht nur als Behälter, sondern als direkte Prozessgefäße in einem laufenden Entwässerungsprozess eingesetzt werden
• Versagensmuster: Risse und katastrophales Versagen traten bereits in den ersten Heizzyklen auf
• Anforderungen an das Material: Temperaturbeständigkeit, Thermoschockbeständigkeit und chemische Stabilität in Dampf

Auf dieser Grundlage wurde deutlich, dass Standard-Aluminiumoxid in diesem speziellen Anwendungsfall über seine Konstruktionsgrenzen hinaus belastet wurde.

Materialvergleich und -auswahl

Werkstoff	Stärken	Beschränkungen
Tonerde (Al₂O₃)	- Kann bis zu 1800 °C aushalten - Gute mechanische Festigkeit - Chemisch resistent gegen Korrosion	- Anfällig für Temperaturschocks - Thermisch empfindlich gegenüber Dampfeinwirkung - Spröde, Rissbildung bei extremen Temperaturen
Zirkoniumdioxid (ZrO₂)	- Deutlich verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit - Extrem hoher Schmelzpunkt (~2700 °C) - Inert gegenüber Chemikalien im Dampf	- Höhere Kosten - Schwerer zu bearbeiten - Längere Vorlaufzeit für kundenspezifische Teile
Pyrolytisches Bornitrid (PBN)	- Geringe Temperaturwechselbeständigkeit - Inaktiv in Dampf oder rauen Atmosphären - Stabil unter hohen Temperaturbedingungen	- Teuer - Erfordert kundenspezifische Fertigung für große Mengen

Empfehlung und Umsetzung

Nach Abwägung von Materialleistung, Kosten und Vorlaufzeit bot SAM eine Reihe von Alternativen an. Der Kunde entschied sich dann für Pyrolytisches Bornitrid (PBN). PBN nimmt im Gegensatz zu Aluminiumoxid kein Wasser auf, und seine Mikrostruktur aus Schichten reagiert gut auf thermische Belastungen. Zwar waren die Anschaffungskosten pro Tiegel höher, aber der Kunde schätzte die langfristige Zuverlässigkeit und Prozesskontinuität auf Kosten der kurzfristigen Wirtschaftlichkeit.

Lisa Ross, leitende Ingenieurin bei SAM, bemerkte dazu:

"Unser Ziel war es nicht nur, ein stärkeres Material vorzuschlagen, sondern den Tiegel an die spezifischen Belastungsbedingungen anzupassen. PBN eignet sich in diesem Fall perfekt - Hitze, Feuchtigkeit und wiederholte Zyklen sind die Bedingungen, unter denen es gedeiht."

Kunden-Feedback

Nach mehrwöchigem Einsatz berichtete der Kunde:

• Keine Rissbildung oder Verformung unter wiederholten thermischen Zyklen
• Größeres Vertrauen in die Durchführung von Hochtemperatur-Trocknungsschritten
• Weniger Prozessunterbrechungen und bessere Konsistenz bei verschiedenen Chargen

"Wir hatten keine Ahnung, dass die Atmosphäre die Tiegel so stark beeinträchtigen könnte. SAM hat das Problem nicht nur genau erkannt, sondern uns auch durch mehrere Materialoptionen geführt, bis wir die richtige gefunden hatten. Die Verbesserung trat sofort ein."

Fazit

Die Auswahl des Materials ist nicht nur eine Frage der Temperaturwerte, sondern auch eine Frage der Gesamteinstellung: Atmosphäre, Zyklusrate, chemische Belastung und mechanische Beanspruchung.

In diesem Fall wurde eine Standard-Hochtemperaturkeramik - Aluminiumoxid - durch Dampfeinwirkung und Temperaturschock stark beeinträchtigt. Durch die Umstellung auf ein geeigneteres Material konnte der Kunde Fehlerquellen beseitigen, Ausfallzeiten reduzieren und die Prozessstabilität verbessern.

Stanford Advanced Materials lieferte mehr als nur ein Material - wir halfen dem Kunden, die Wechselwirkung zwischen seinen Tiegeln und der Prozessumgebung zu überdenken. Das ist der Unterschied zwischen Lieferung und Problemlösung.

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