Fallstudie: Wie YSZ die Haltbarkeit von ZSBN-Düsen verbessert hat

Einführung

In dieser Fallstudie wird beschrieben, wie Stanford Advanced Materials (SAM) den Bedarf eines Kunden an länger haltbaren ZSBN-Düsen in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Verschleiß erfüllt hat. Durch Anpassungen der keramischen Rezeptur und der Formgebungsparameter konnte eine Lösung gefunden werden, die die Abriebfestigkeit und die thermische Degradation verbessert, ohne die Kosten wesentlich zu erhöhen.

Hintergrund

ZSBN-Düsen (Zirconia Strengthened Boron Nitride) werden häufig beim thermischen Spritzen, bei der Handhabung von geschmolzenem Metall und anderen industriellen Prozessen eingesetzt, bei denen sowohl Hitze als auch Verschleiß eine ständige Herausforderung darstellen. Einer unserer Kunden berichtete, dass seine vorhandenen Düsen, die auf standardmäßigem ZrO2-verstärktem BN basierten, in Bezug auf die Lebensdauer zu kurz waren. Ausfälle traten bei Betriebstemperaturen von über 1000 °C und in Anlagen mit schnell bewegten abrasiven Medien auf. Der häufige Austausch von Düsen führte zu Ausfallzeiten und höheren Wartungskosten.

Der Kunde verwendete ursprünglich eine Formulierung mit unstabilisiertem Zirkoniumdioxid. Unsere Aufgabe war es, die Haltbarkeit unter realen Bedingungen zu verbessern, insbesondere bei zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen.

Zentrale Herausforderung

Das Hauptproblem war die vorzeitige Abnutzung und thermische Rissbildung des Düsenmaterials. BN bietet zwar Schmierfähigkeit und thermische Beständigkeit, aber dem ursprünglichen Additivsystem fehlte es an ausreichender Phasenstabilität und mechanischer Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen. Es wurde eine thermisch robustere Verstärkungsphase benötigt, ohne Sprödigkeit zu verursachen oder die Bearbeitbarkeit zu beeinträchtigen.

Evaluierte Lösungen

Option 1: Beibehaltung des ursprünglichen Zirkoniumdioxid-Additivs, Anpassung des Pressverfahrens

• Vorteile: Minimale Änderung der Rohmaterialbeschaffung oder des Brennprofils

• Nachteile: Begrenzte Verbesserung der Wärme- oder Verschleißbeständigkeit

Option 2: Ersetzen durch Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ)

• Vorteile: Verbesserte Hochtemperaturstabilität, bessere Verschleißfestigkeit, stärkere Integrität der Korngrenzen

• Nachteile: Etwas höhere Materialkosten; erfordert überarbeitete Misch- und Sinterprotokolle

Option 3: Aufbringen von Schutzschichten auf der Düsenoberfläche

• Vorteile: Abrasionsschutz auf Oberflächenebene

• Nachteile: Komplexe Herstellung, Beschichtung kann bei hohen Temperaturen abblättern, höhere Kosten

Ausgewählter Ansatz: Option 2 - Ersetzen von Standardzirkoniumdioxid durch 3 Mol-% YSZ, kombiniert mit einer geringfügigen Optimierung des Umformprozesses.

Lösung und Umsetzung

Wir führten 3 Mol-% YSZ als Verstärkungsphase innerhalb der BN-Matrix ein. YSZ bietet eine hervorragende Phasenstabilität über 1000 °C und trägt dazu bei, die Rissausbreitung unter Belastung zu verlangsamen. Zusätzlich zum Materialwechsel haben wir die Phase des kaltisostatischen Pressens (CIP) modifiziert:

• Presszeit: Erhöhung der Haltezeit von 30 s auf 60 s

• Pulver-Ausgangsmaterial: Umstellung auf eine YSZ-BN-Verbundpulvermischung mit höherer Dichte

• Sintern: Beibehaltung des ursprünglichen Zeitplans, um zusätzliche Energiekosten zu vermeiden

Diese Änderungen trugen dazu bei, eine bessere Grünlingsdichte und letztlich ein gleichmäßigeres Sintergefüge zu erreichen.

"Wir konzentrierten uns auf subtile, aber wirksame Verbesserungen: eine bessere Partikelpackung, eine stabilere Verstärkungsphase und eine strengere Kontrolle bei der Formgebung. Die Ergebnisse zeigten sich sofort", so Lisa Ross, Senior Ceramics Engineer bei SAM.

Ergebnisse & Feedback

Leistungsmetriken

Der Kunde meldete eine um 20-25 % längere Lebensdauer der Düsen unter identischen Prozessbedingungen. Die Wartungsintervalle wurden verlängert und die ungeplanten Ausfallzeiten reduziert. Der Kunde genehmigte die neue Formulierung für den erweiterten Einsatz in zwei zusätzlichen Produktionslinien.

"Die verbesserten Düsen halfen uns, unser Sprühsystem zu stabilisieren und ungeplante Stillstände zu reduzieren. Das ist eine bedeutende Verbesserung." - Produktionsleiter des Kunden

Empfehlungen und zukünftige Arbeiten

• Einführung einer YSZ-basierten Formulierung für Produktionsdüsen

• Weitere Überwachung der Langzeitleistung unter verschiedenen Belastungszyklen

• Bewertung der Auswirkungen einer Optimierung der Sintertemperatur in zukünftigen Chargen

SAM wird weiterhin eng mit dem Kunden zusammenarbeiten, um die Materialeigenschaften nach Bedarf zu optimieren und technische Unterstützung für die Skalierung der verbesserten Düsen zu leisten.

Fazit

Dieses Projekt zeigt, wie gezielte Werkstoffsubstitutionen - gepaart mit praktischen Anpassungen bei der Formgebung - zu realen Haltbarkeitssteigerungen führen können. Durch den Ersatz von herkömmlichem Zirkoniumdioxid durch YSZ und die Verlängerung der Presszeit konnte Stanford Advanced Materials (SAM) sowohl die thermische als auch die mechanische Leistung des ZSBN-Düsensystems verbessern.

Das Ergebnis: längere Lebensdauer, bessere Beständigkeit gegen raue Prozessbedingungen und niedrigere Gesamtbetriebskosten für den Kunden.

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