Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Thermoschockbeständige Formschalen und Tiegel auf der Basis von neuartigen Feuerfest-Kompositwerkstoffen für den Feinguss von hochschmelzenden und hochreaktiven Legierungen

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen neue, feuerfeste Werkstoffe entwickelt werden, um die Vorteile zur Erzeugung von hochwertigen Titan-Feingussteilen zu nutzen. In vorangegangenen IGF-Projekten wurde Calciumzirkonat (CaZrO3) als thermodynamisch stabiler Feuerfest-Werkstoff für Titanschmelzen identifiziert. Allerdings muss dessen Thermoschockbeständigkeit verbessert werden.

Der neue Lösungsansatz sieht die Erzeugung von CaZrO3-Fasern und Fasermatten über Electrospinning vor. Erfolgreiche Vorversuche zum Electrospinning von CaZrO3 zeigen, dass die Herstellung solcher Fasermatten im Labor in ausreichender Menge möglich ist.

Die Fasern sollen zur Herstellung eines feuerfesten Kompositwerkstoffes verwendet werden, der durch das Vorhandensein von Fehlstellen im Gefüge (gezielte Porosität, lokalisierte Eigenspannungen) eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit besitzt. Eine reduzierte Festigkeit durch Fehlstellen verbessert die Thermoschockbeständigkeit stärker als eine Erhöhung der Brucharbeit durch Festigkeitssteigerung, was anhand des Hasselman-Thermoschockparameters R‘‘‘‘ nachgewiesen wurde. Ein wichtiger Mechanismus ist hierbei die Rissablenkung/-überbrückung.

Die Fasern werden in der Sintermatrix fest eingebunden und stellen damit keine Gesundheitsgefährdung während des Brandes und des Einsatzes mehr dar. Für die Herstellung von Formschalen und Tiegeln ist eine Kombination aus Schlickerguss und Flammspritzen geplant.

Neben dem Hauptziel, der deutlichen Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit, soll eine Möglichkeit zur Herstellung von Tiegeln mit komplexer Geometrie geschaffen werden. Dazu soll eine Kombination von Schlickerverfahren und Flammspritzen zum Einsatz kommen. Das Flammspritzen von CaZrO3 ist Gegenstand aktueller Forschung, deren Ergebnisse in das Projekt einfließen.

Der Nutzen für KMU sind die Herstellung neuer, feuerfester Werkstoffe und die Erweiterung des Produktportfolios um hochreaktive Legierungen, im speziellen von Titanlegierungen

Ergebniszusammenfassung:

Angestrebt wird die Nutzung der Forschungsergebnisse in allen Bereichen entlang der Wertschöpfungskette — von der keramischen Werkstoff- und Verfahrenstechnik (Rohstoffe, Tiegel, Schlicker, Einbettmassen) über die Optimierung von Gießanlagen (Hard- und Software) bis hin zur Gussteilerzeugung und —bearbeitung (z.B. Oberflächentechnik) für die Schmuckherstellung und weitere Branchen, z.B. Medizintechnik, Maschinenbau, sowie Luft- und Raumfahrttechnik. Der Beitrag der Projektergebnisse umfasst die technologische Anwendung des Elektrospinnings für die Herstellung von Nano-Fasern für thermoschockbeständige (TSB) Komposit- Tiegel für den Titanfeinguss. Dies ermöglicht eine gießtechnische Prozessoptimierung hinsichtlich der Möglichkeit, Tiegel für den Mehrfachguss verfügbar zu machen. Außerdem wird dadurch eine Erweiterung des Spektrums verarbeitbarer Legierungen erreicht. Die getestete Kompositversätze mit Formschalenschlicker haben keine signifikanten Verbesserungen der TSB gezeigt. Da für Formschalen die Notwendigkeit einer Verbesserung der TSB nicht so hoch war wie bei den Tiegeln und diese ihre Funktion erfüllen, wurde kein weiterer Forschungsaufwand investiert.

Außerdem erfolgten Untersuchungen zum Recycling der bereits entwickelten Formschalen als Beitrag zur Rohstoffeffizienz und Nachhaltigkeit. Einen weiteren Beitrag liefern die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt für die Gießereitechnik. Es wurde ein neues Messverfahren zur Bestimmung der Gasdurchlässigkeit von Formschalen konzipiert, entwickelt und unter realen Bedingungen an CaZrO3-Formschalen erprobt. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit kommerziellen Einbettmassen verglichen. Die so ermittelten Permeabilitäten können zu Vergleichszwecken mit verschiedenen anderen Werkstoffen herangezogen werden und zur Gestaltung von Gießmodellen bezüglich Entlüftung dienen.