Bestimmung des Verschleißwiderstandes von Keramik

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1 ABGESCHLOSSENE FORSCHUNGSVORHABEN Projektleiter Dr. Michael Rudschuck Bestimmung des Verschleißwiderstandes von Keramik 72 Abb. 1: Am BMBF-Verbundprojekt beteiligte Firmen Projekt-Nr. BMBF 02PD2214 (DKI 7835) Laufzeit bis Ansprechpartner Dr. Michael Rudschuck Tel / Fax 06151/ Wo sich Oberflächen mit oder ohne Trennung durch Schmierstoffe gegeneinander bewegen, muss mit Verschleiß gerechnet werden. Das gilt speziell für Plastifiziereinheiten von kunststoffverarbeitenden Maschinen, indenensowohlmetallischeflächen als auch Kunststoffgranulate und -schmelzen auf anderen Metalloberflächen reiben. Dieser funktionsbedingte Verschleiß verstärkt sich, wenn zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften Füll- und Verstärkungsstoffe zugesetzt wurden. Andererseits gelingt es vor allem mit den verstärkten Kunststoffen immer häufiger, z. B. im Bereich der Metallsubstitution neue funktionelle und wirtschaftliche Anwendungen zu realisieren. Obwohl in der jüngeren Vergangenheit erhebliche Fortschritte im Bereich von verschleißminimierenden Ausrüstungen von Schnecken und Zylindern erzielt wurden, sind nach wie vor Anstrengungen erforderlich, um ausreichend verschleißresistente und gleichzeitig kostengünstige Lösungen für die verschiedenen Polymere und Polymermischungen zu erhalten. Gerade die immer wichtiger werdenden hochgefüllten oder halogenierten Polymere zeigen gegenüber ungefüllten Materialien ein stark verändertes Fließ- und Reibverhalten und wirken daher häufig deutlich stärker abrasiv und/oder korrosiv [1]. Forschungsziel Die Zielsetzung war, Einsatzmöglichkeiten von technischen Keramiken als Verschleißschutz in Kunststoffverarbeitungsmaschinen zu untersuchen, sowie ein Verständnis der Verschleißmechanismen der Keramiken in diesem neuen Tribosystem zu gewinnen. Die hier beschriebenen Arbeiten waren Bestandteil eines Verbundprojektes, das in enger Kooperation mit Rohstoffherstellern, Maschinenherstellern und Forschungsinstituten durchgeführt wurde (Abb. 1) [2]. Um die Eigenschaften von Keramiken sinnvoll und effektiv nutzen zu können, reicht es nicht aus, ein vorhandenes Bauelement aus einem herkömmlichen metallischen Werkstoff detailgetreu in Keramik umzusetzen [3]. Es müssen die thermischen, elektrischen, mechanischen und chemischen Belastungen berücksichtigt werden. Zu den Schlüsselbelastungen in der Kunststoffverarbeitung zählen u. a. der Einsatzbereich von 25 C bis 350 C, hohe Drücke bis zu 2000 bar, schnelle Temperaturänderungen, hohe Verschleißbelastungen durch Trockenreibung und die Verwendung von halogenierten und gefüllten Polymerschmelzen [4]. Aufgabe des DKI in diesem Verbundprojekt war die Bestimmung der tribologischen Eigenschaften ausgewählter technischer Keramiken hinsichtlich ihres Verhaltens gegenüber Kunststoffformmassen. Keramische Werkstoffe Als Werkstoffe für die Probekörper wurden verschiedene technische Keramiken ausgesucht. Zum Vergleich wurden herkömmliche Werkzeugstähle, mit welchem am DKI bereits viele Untersuchungen durchgeführt wurden, verwendet. Die Untersuchungen wurden dabei auf technische Keramiken aus dem Bereich der Oxidkeramiken und auf ausgewählte Nichtoxidkeramiken konzentriert. Unter Oxidkeramik werden alle Werkstoffe verstanden, die im Wesentlichen aus einphasigen und einkomponentigen Metalloxiden (> 90 %) bestehen. Die Materialien sind glasphasenarm oder glasphasenfrei.

2 TECHNOLOGIE Thema Keramische Komponenten zur Verarbeitung von stark verschleißend wirkenden Stoffgemischen Keramikschnecke Die Rohstoffe werden synthetisch hergestellt und besitzen einen hohen Reinheitsgrad. Bei hohen Sintertemperaturen entstehen gleichmäßige Mikrogefüge, die für die verbesserten Eigenschaften verantwortlich sind. Untersucht wurden aus dieser Stoffklasse das Aluminiumoxid und das Zirkonoxid. Oxidkeramiken werden als Strukturkeramiken, also als Konstruktionswerkstoffe eingesetzt. Sie bieten dafür geeignete typische Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Verschleiß- und Hochtemperaturfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit. Das Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) ist der technisch wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Dichtgesintertes Aluminiumoxid zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Härte, Temperaturstabilität, hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen aus. Zirkonoxid (ZrO 2 ) hat in den letzten Jahren zunehmende Bedeutung wegen seiner hohen Biegebruch- und Zugfestigkeit, guten Bruchzähigkeit und hervorragender Verschleißfestigkeit bzw. Korrosionsbeständigkeit erlangt. Sowohl die niedrige Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung als auch der E-Modul sind ähnlich den Werten in der Kunststoffverarbeitungsmaschinen eingesetzten Stähle. Zirkonoxid tritt in monokliner, tetragonaler und kubischer Kristallmodifikation auf. Dichtgesinterte Bauteile lassen sich in der kubischen und / oder tetragonalen Kristallmodifikation herstellen. Um die kubische Kristallmodifikation zu stabilisieren, müssen dem ZrO 2 Stabilisatoren in Form von Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) oder Yttriumoxid (Y 2 O 3 ) zugesetzt werden, gegebenenfalls kommen auch CeO 2, ScO 3 oder YbO 3 als Stabilisatoren zum Einsatz. Bei vollstabilisiertem Zirkoniumoxid (FSZ) bleibt durch den Einbau von Fremdoxiden in das Kristallgitter die kubische Hochtemperaturstruktur auch nach dem Abkühlen erhalten. Bei teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ) wird die Menge der Fremdionen gegenüber einem FSZ so weit verringert, dass neben der kubischen Phase auch ein verträglicher Anteil von umwandlungfähigem tetragonalem Zirkoniumoxid vorliegt. ZrO 2, das sich auf Grund seines extrem feinen Gefüges (< 100 nm) bei der Abkühlung zwar von der kubischen in die tetragonale, danach aber nicht in die monokline Phase umwandelt, wird als TZP (tetragonal zirconia polycrystal) bezeichnet. Die fein ausgebildete tetragonale Kristallphase im PSZ und im TZP zeigt ein einzigartiges Phänomen im Bereich der Hochleistungskeramik: Die tetragonalen Kristallite wandeln sich unter hohen mechanischen Spannungen in die monokline Kristallmodifikation um, wobei sie eine Volumenexpansion erfahren und damit pseudoelastisch" reagieren können, aber dabei z. T. auch eine sehr feine Mikrorissbildung in ihrer umgebenden Matrix erzeugen. Risse, die unter hoher Zugbelastung durch den Werkstoff zu laufen beginnen, werden durch die so genannte Umwandlungsverstärkung an ihrer Ausweitung gehindert bzw. verlangsamt. Der Rissdurchlauf wird also durch die ihm entgegentretende Volumenexpansion bzw. durch die Mikroriss-Entstehung bei dieser Kristallumwandlung von der tetragonalen zur monoklinen Modifikation gestoppt, verlangsamt oder verzweigt. Dies führt bei PSZ- und vor allem aber TZP-Keramiken zu hohen Bau- 73

3 ABGESCHLOSSENE FORSCHUNGSVORHABEN 74 teilfestigkeiten, welche bis zu einer Anwendungstemperatur von ca. 600 C genutzt werden können. ZrO 2 -Keramiken werden daher bevorzugt für mechanisch hochbelastbare Komponenten eingesetzt. Diesen ausgeprägten Effekt zeigten die Probekörper bei den hohen Scherbelastungen in der DKI-Plättchenapparatur. Aus diesem Grund war das Zirkonoxid einer der Favoriten von den zu untersuchenden Keramiken im Verbundprojekt. Die Nichtoxidkeramiken beinhalten keramische Werkstoffe auf der Basis von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Silizium. In der Regel weisen Nichtoxidkeramiken einen hohen kovalenten Bindungsanteil auf. Dieser ermöglicht hohe Einsatztemperaturen, sorgt für einen hohen Elastizitätsmodul und verleiht hohe Festigkeit und Härte, verbunden mit guter Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Weiterhin besitzen Carbide eine elektrische Leitfähigkeit. Drucklos gesintertes Siliciumcarbid (SSIC) wird aus gemahlenem SiC Feinstpulver hergestellt, das mit Sinteradditiven versetzt in den keramiküblichen Formgebungsvarianten verarbeitet und bei bis C unter Schutzgas gesintert wird. SSIC zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus, die bis zu sehr hohen Temperaturen (ca C) dauerhaft konstant bleibt. Dieser Werkstoff weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien auf, denen er bis zu hohen Temperaturen standhalten kann. Diese in der Gruppe der Hochtemperaturkeramiken herausragenden Eigenschaften werden durch SiC-typische hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und eine diamantähnliche Härte wertvoll ergänzt. Das SSIC ist daher für Anwendungen mit extremen Ansprüchen prädestiniert, z. B. für Gleitringdichtungen in Laugenpumpen, Hochtemperaturbrennerdüsen oder auch Brennhilfsmittel für sehr hohe Anwendungstemperaturen. Siliciumnitrid (Si 3 N 4 ), oder auch SSN, spielt unter den Nitridkeramiken eine dominierende Rolle. Si 3 N 4 verfügt über eine gute Kombination von hervorragenden Werkstoffeigenschaften wie eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit sowie eine sehr gute Verschleißfestigkeit. SSN hat weiterhin eine niedrige Wärmeausdehnung, mittlere Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit sowie eine sehr gute chemische Beständigkeit. Diese Eigenschaftskombination ergibt eine Keramik, die das Potenzial hat, äußersten Einsatzbedingungen gerecht zu werden. Si 3 N 4 -Keramik ist prädestiniert für Maschinenbauteile mit sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Um dichtes Si 3 N 4 herzustellen, wird von einem mit Sinteradditiven (Al 2 O 3, Y 2 O 3, MgO etc.) versetzten, mikronisierten Si 3 N 4 -Pulver ausgegangen, das nach dem Formgebungsprozess bei Temperaturen zwischen bis C gesintert wird. Bedingt durch die Zersetzung von Si 3 N 4 zu Si und N 2 ab ca C bei Normaldruck wird während des Sinterns ein zusätzlicher Druck auf das Bauteil aufgebracht, um der Zersetzung entgegenzuwirken. Das sog. GPSSN (gas pressure sintered Si 3 N 4 ) wird daher in einem Gasdrucksinterofen bei einem N 2 -Überdruck von bis zu 100 bar gesintert. Der große Nachteil dieser Keramik ist die hohe Härte bereits vor dem Sintern. Die Bearbeitung, insbesondere beim Drehen oder Schleifen, verursacht hohen Verschleiß an Bearbeitungswerkzeugen, so dass häufiger Werkzeugwechsel notwendig wird. Verschleißprüfungen Die abrasiv-korrosive Komplexbeanspruchung, die typisch ist für den Verschleiß von kunststoffverarbeitenden Maschinen, kann mittels der DKI-Plättchenapparatur untersucht werden. Der Vorteil der Plättchenapparatur liegt in der einfachen Geometrie des Strömungsquerschnittes, die eine Beibehaltung konstanter rheologischer Verhältnisse während des gesamten Versuches ermöglicht. Hinsichtlich einer Korrosions-

4 TECHNOLOGIE prüfung hat die Methode den Vorteil, dass die Proben mit einer praxisnah aufbereiteten Schmelze belastet werden. Bei dieser Methode wurden zwei keramische Probekörper (15 x 10 x 5 mm 3 ) mit einem definierten Spaltabstand (0,2 0,5 mm) in die Düse einer Spritzgießmaschine eingebaut. Mit Hilfe einer kommerziellen Spritzgießmaschine wurde die Schmelze plastifiziert und durch den engen Prüfspalt gespritzt. Dies wurde unter Beibehaltung konstanter zyklischer Randbedingungen (Einspritzzeit 6 Sekunden, Zykluszeit ca. 30 Sekunden) so lange wiederholt, bis ein definierter Formmassedurchsatz (10, 20 oder 40 kg, in Einzelfällen bis 100 kg) erreicht wurde. Nach den Versuchen wurden der Verscheiß gravimetrisch bestimmt und die Proben oberflächenanalytisch untersucht. Als Kunststoff-Formmassen kamen eine Auswahl von gefüllten und halogenierten Polymeren zum Einsatz, die in der betrieblichen Praxis als stark abrasiv bzw. korrosiv gelten. PP GF 35 LFT (Langglasfaserverstärktes Polypropylen) ABS (TiO 2 ) (Titandioxid gefülltes ABS) PA 66 GF 50 (Kurzglasfaserverstärktes Polyamid) PVC-C (Nachchloriertes Polyvinylchlorid) Die Auswahl der Formmassen erfolgte derart, dass sämtliche Belastungsarten von Korrosion bis hin zur reinen Abrasion erfasst werden konnten. In der obigen Liste sind die untersuchten Formmassen von reinem abrasiven Verhalten (PP GF 35 LFT) zu reinem korrosiven Verhalten (PVC-C) sortiert. Die Plastifiziertemperaturen wurden in Anlehnung an die Datenblätter der Rohstoffhersteller gewählt. Die Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen sind in Abb. 2 dargestellt. Gegenüber den bisher eingesetzten Werkstoffen ergibt sich eine Minimierung des durchsatzbezogenen Abtragvolumens um den Faktor 10 bis 45 (vgl. Abb. 3). Verfahrenstechnische Eignung der untersuchten Keramiken Grundsätzlich sind alle der verwendeten Keramiken für den Einsatz in Schneckenmaschinen geeignet. Die Kombination von Keramik als Schnecken- oder Zylinderwerkstoff bzw. als Werkstoff zur Substitution von Metallkomponenten beispielsweise in Austragselementen (z. B. Düsen- und Ringelemente) lässt zum Teil nur bestimmte Materialkombinationen zu. Beispielsweise kann bei Verwendung von SSN bei der Verarbeitung von hellen keramischen Formmassen eine Verfärbung durch den dunklen Abrieb der Keramik auftreten. Der Einsatz hängt daher vom speziellen Anforderungsprofil an das fertige Produkt und an die zur Verfügung stehende Maschinentechnik ab. Das günstige Eigenschaftsprofil der Keramiken erlaubt den Einsatz in korrosiver Umgebung. Bei den Verschleißversuchen mit PVC-C konnte nur geringer Verschleiß festgestellt werden. Die Kunststoffschmelze wurde, entgegen der Verarbeitung in der realen Praxis, gezielt thermisch geschädigt, damit korrosive Spaltprodukte erzeugt werden konnten. Der korrosive Verschleiß dürfte in der betrieblichen Praxis daher geringer ausfallen. Im Vergleich zu herkömmlichen Stahlwerkstoffen liegt der Materialabtrag der keramischen Bauteile bei abrasiver Belastung deutlich unter dem von Stahlwerkstoffen. Beim abrasiven Verschleiß spielt außerdem die Größe der Verschleißpartikel eine wichtige Rolle. Das Vorhandensein von Verschleißpartikeln fördert das Entstehen weiterer Partikel, die die Verschleißwirkung von schon grundsätzlich als abrasiv wirkend bekannten Schmelzen begünstigen. Die Entstehung von Verschleißpartikeln bei keramischen Bauteilen konnte zwar nachgewiesen werden, jedoch lagen die entstandene Menge und die Größe der Partikel in der Nähe der Nachweisgrenze der Messapparaturen. Die Hauptbeanspruchung fand in der Nähe von Probekörperkanten statt, die sich in Abplatzungen und Ausbrüchen (insbesondere beim Abb. 2: Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen / 40 kg Durchsatz Abb. 3: Verschleißwiderstand verschiedener Werkstoffe / 40 kg Durchsatz. 75

5 ABGESCHLOSSENE FORSCHUNGSVORHABEN TECHNOLOGIE Zirkonoxid) äußerte. Um jedoch die Belastungsgrenzen der Keramiken zu erfahren, mussten die in der betrieblichen Praxis üblichen Verfahrensparameter deutlich überschritten werden. Die Materialbeanspruchungen in den Modellprüfapparaturen mussten daher um ein vielfaches höher als in der betrieblichen Praxis liegen. Der tatsächliche Verschleiß kann somit deutlich niedriger ausfallen. Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), aus dessen Haushaltsmitteln dieses Forschungsvorhaben unter der Nummer 02PD2214 gefördert wurde. Ferner danken wir der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V. für die zusätzliche finanzielle Unterstützung. Wir danken weiterhin unseren Projektpartnern für die Unterstützung und die vielen hilfreichen Anregungen und Diskussionen. 76 Abb. 4: Im Rahmen des Projektes von der Firma H. C. Starck hergestellte Keramikschnecken. Abb. 5: Abrasionsverlust an einem keramischen Spitzkopf, der im Rahmen des Projektes von der Firma H. C. Starck hergestellt wurde und sich im Einsatz beim Hermsdorfer Institut für Technische Keramik bei der Extrusion keramischer Formmassen befindet. In der letzten Projektphase wurden von der Firma H. C. Starck gefertigte Schnecken bei der Firma Händle, dem HITK und der Firma Battenfeld unter Betriebsbedingungen getestet (Abb. 4). Es zeigte sich, dass alle an die Schnecken gestellten Anforderungen erfüllt wurden. Neben den guten Verschleißschutzeigenschaften wirkten sich die keramischen Schneckenelemente positiv auf das Drehmoment aus. Abb. 5 zeigt den Verschleiß einer Keramikschnecke im realen Einsatz bei der Verarbeitung von keramischen Formmassen. Die gefundenen Verschleißmengen zeigen, dass sich die Ergebnisse von den Modellprüfapparaturen gut auf eine im Einsatz befindliche Schnecke übertragen lassen. Mit Abschluss dieses Projektes stehen keramische Komponenten für die Kunststoffverarbeitung zur Verfügung, mit denen sich hoch abrasive Formmassen verarbeiten lassen. Literatur [1] G. Mennig; Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung; Hanser Verlag 1990 [2] Internetseite des Projektes [3] H. Wampers; Keramischnecken zum Fördern und Spritzen; IKKM/IPAK Seminar Aachen 2002 [4] M. Reinhard, P. Hartung; Technische Keramiken, Neue Werkstoffe für den Verschleißschutz; Kunststoffe 75 (1985) S

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