Hydrothermalbeständige Keramik für hochbeanspruchte Apparaturen und Armaturen

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Prinzipiell kombinieren all diese Werkstoffe Eigenschaften, die sie für Einsätze in abrasions- und korrosionsbeständigen Apparaturen und Armaturen qualifizieren. Als besonders günstig zeigt sich hierfür das mit Yttrium teilstabilisierte Zirkonoxid „Y-TZP“ (s. Abb. 1).

Die Kombination von sehr hoher Festigkeit und Zähigkeit macht diesen Werkstoff besonders geeignet für stoßende oder schlagende Beanspruchungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wärmedehnung und der E-Modul denen des Stahl ähnlich sind, was eine Verbindung beider Werkstoffe erleichtert, da sich in thermisch beanspruchten Konstruktionen kaum kritische Spannungen bilden.

Neben dem reinen Zirkonoxidwerkstoff Y-TZP haben in den letzten Jahren solche an Bedeutung gewonnen, die einen höheren Aluminiumoxidgehalt von 20 bis 30 Gewichtsprozent aufweisen und als ATZ-Werkstoffe gemäß der englischen Bezeichnung „Alumina toughened Zirconia“, also aluminiumoxidverstärkte Zirkonoxide bezeichnet werden. Diese Werkstoffe haben das Potenzial zu einer nochmals höheren Festigkeit bei Raumtemperatur als das Y-TZP, bei allerdings etwas reduzierter Bruchzähigkeit. Über erfolgreiche Einsätze dieses Werkstoffes für Umformwerkzeuge, z.B. für Rohrziehdorne, wurde bereits berichtet.

Y-TZP-Keramik: ein Alleskönner?

Die Eigenschaften des Y-TZP werden durch eine gezielte Einstellung der kristallographischen Phasen und der Korngröße der Keramik erreicht. Bei Raumtemperatur weist das Zirkonoxid normalerweise die monokline Modifikation auf, die sich beim Sintern bei rund 1100 °C in die tetragonale Kristallstruktur umwandelt: Dadurch vermindert sich das Volumen um vier bis sechs Volumenprozent. Ohne Zusätze wie z.B. Yttriumoxid wäre die Struktur des gesinterten Körpers instabil und würde beim Abkühlen wieder in die voluminösere monokline Kristallstruktur zurückfallen. Der Einbau von Yttrium-Ionen in den Zirkonoxidkristall ermöglicht jedoch, die tetragonale Modifikation als metastabile Phase im Werkstoff bei Raumtemperatur zu erhalten.

Unglücklicherweise sind diese Y-TZP-Keramiken aber nicht beständig in Wasserdampfatmosphäre, wobei der Degradationsprozess, oberhalb von etwa 150 °C an Geschwindigkeit zunimmt. Vermutlich löst der Wasserdampf die stabilisierenden Ionen aus dem Kristall heraus, wodurch die tetragonale Phase instabil wird und beginnt, an der Oberfläche unter Volumenzunahme in die monokline Phase umzuwandeln. Erste Anzeichen dafür können schon bei der Sterilisation chirurgischer Instrumente bei 135 °C beobachtet werden.

Dieses ungünstige Verhalten des Y-TZP hat die Werkstoffforschung genauer untersucht und herausgefunden, dass zwei Faktoren die-se Reaktion einschränken und die Hydrothermalbeständigkeit des Werkstoffes verbessern können: Man erhöht den Aluminiumoxidgehalt im Ausgangspulver und arbeitet mit einem Sinterprozess, der ein möglichst geringes Kornwachstum mit nahezu vollständiger Verdichtung verbindet. Besonders feinkörnige und dichte Gefüge können durch das Sinter-Hipen (heißisostatisches Pressen) oder Nach-Hipen erzielt werden, was auch die Festigkeit der Werkstoffe nochmals deutlich steigert.

Tests haben gezeigt, dass eine Erhöhung des Alumiumoxidgehaltes auf etwa 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent wie im Werkstoff Y-TZPE, die Hydrothermalbeständigkeit auf 150 °C erhöht, was für medizinische Anwendungen und Implantate ausreicht, aber nicht für technische Anwendungen, wo z.B. in Pumpen, Armaturen und Ventilen der Ölindustrie, der Petrochemie oder der Energieerzeugung deutlich höhere Wasser- oder Wasserdampf-Temperaturen gefahren werden oder auftreten können.

Für diese Einsatzbereiche hat FCT-H den Zirkonoxid-Werkstoff ATZ entwickelt, der rund 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxid enthält. Dadurch ist er hochbeständig und weist im Spektrum der betrachteten Werkstoffe (s. Abb. 2) auch nach der Hydrothermal-Beanspruchung noch die höchste Festigkeit auf. Grund dafür ist vermutlich, dass das zugesetzte Aluminiumoxid einerseits das Kornwachstum im Zirkonoxid-Basismaterial behindert, wodurch bereits ein sehr feinkörniger und bezüglich der tetragonal-monoklin-Umwandlung stabilerer Werkstoff resultiert.

Daneben scheint das Aluminiumoxid aber auch die Eindiffusion von Hydroxyl-Ionen zu behindern, den vermutlich für die Destabilisierung verantwortlichen Wasserbestandteilen. Diese Vermutung wird auch durch die gute Beständigkeit des monolithischen Aluminiumoxid-Werkstoffes (neben dem S-SiC) unterstrichen. Neben dem ATZ sind somit auch das Aluminiumoxid sowie das S-SiC geeignet für Einsätze unter hydrothermalen Bedingungen, bieten aber nicht die Festigkeit des ATZ und erfordern deshalb bei hohen mechanischen Beanspruchungen wesentlich größere Bauformen.

Fazit: Mit dem ATZ-Werkstoff, insbesondere in der gehipten Variante, steht ein hochfester und zäher Werkstoff zur Verfügung, der auch unter Hydrothermal-Bedingungen bis mindestens 200 °C beständig ist. Er ist schlagfest, hoch abriebbeständig und beweist auch in Kavitationstests hohe Widerstandsfähigkeit. Damit ist er prädestiniert, in Apparaturen und Armaturen mit keramischen Komponenten die beschriebenen Schädigungen zu vermindern oder sogar vollständig zu verhindern und Betriebssicherheit zu gewährleisten.

* G. Wötting ist Mitarbeiter, W. Martin ist GF der FCT- Hartbearbeitungs GmbH, Sonneberg, H. Albert ist Mitarbeiter der Cera System Verschleißschutz GmbH, Hermsdorf.

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