Abstrakt

In der organischen Chemie 2018: Synthese von mit Keramikpartikeln verstärkten Magnesiumaluminat-Verbundwerkstoffen für Schleifanwendungen – Saad Alotaibi

Manoj Mishra  

 Ziel dieses Projekts war die Untersuchung der Möglichkeit, ein mit Keramikpartikeln verstärktes Magnesiumaluminat-Komposit zu synthetisieren, das als Schleifmaterial verwendet werden kann. Im Allgemeinen wird Magnesiumaluminat (MgAl2O4) in der Industrie häufig als feuerfestes Material verwendet. Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität zielt dieses Projekt darauf ab, die industriellen Einsatzmöglichkeiten von Magnesiumaluminat als Schleifmaterial zu erweitern. Schleifmaterialien werden üblicherweise zum Abschluss der Bearbeitung von Metallteilen verwendet, um ihnen ihren endgültigen Glanz zu verleihen. Dieses Projekt soll die Härte von Magnesiumaluminat durch Einarbeitung harter Keramikpartikel wie Boride oder Carbide erhöhen. Zur Verstärkung der Magnesiumaluminatmatrix wurde Titancarbid (TiC) ausgewählt. Ziel dieser Arbeit ist die Synthese eines MgAl2O4-TiC-Komposits in hochdichter Form. Das Zielkomposit wird durch selbstfortschreitende Hochtemperatursynthese (SHS) synthetisiert. SHS ist ein In-situ-Prozess, bei dem Synthese und Sintern in einem Schritt durchgeführt werden können. Nach unserem besten Wissen lässt sich dieses Komposit in seiner dichten Form nicht durch SHS herstellen. Es werden verschiedene Faktoren untersucht, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Endobjekts bestimmen. Diese Faktoren umfassen Korngröße der Ausgangsmaterialien, Presslast, Anfangstemperatur der Reaktion, Menge der keramischen und metallischen Zusätze. Magnesiumaluminat/MoSi2- und Magnesiumaluminat/Mo5Si3-Komposite wurden erfolgreich durch Verbrennungssynthese hergestellt, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf die Thermodynamik der am Prozess beteiligten Reaktionen gelegt wurde. Bei der Methode wird eine sehr schwache exotherme Bildungsreaktion von MgAl2O4 auf eine stark exotherme Bildungsreaktion von MoSi2 und Mo5Si3 aufgebracht. Das Ausgangsmaterial war eine Mischung aus MoO3, SiO2, Al und MgO. Die Wirkung der Al-Korngröße (−5 bis −71 μm), des stöchiometrischen Werts von MoO3 (0,7–1,25x), der MgO-Zusätze (15–25 Gew.-%) und des Arbeitsdrucks (50 bar) auf den Syntheseprozess wurde untersucht. Die Mikrostruktur der Verbrennungsprodukte wurde mittels SEM untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass zur Vervollständigung der Reaktion Al mit einer Korngröße von −5 μm verwendet werden muss. Ein höherer stöchiometrischer Wert von MoO3 erwies sich als notwendig, um dessen Verflüchtigung aus dem Reaktionsmedium auszugleichen. Zugabe von MgO als Verdünnungsmittel senkte die Verbrennungstemperatur, reagierte jedoch unerwarteterweise mit gewissen Mengen SiO2 und bildete die Mg2SiO2-Phase sowie Mo5Si3 statt MoSi2. Die Erhöhung des Reaktionsdrucks erwies sich jedoch als der wirksamste Faktor zur Unterdrückung der MoO3-Verflüchtigung. Die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur von aluminiumoxidreichen Magnesiumaluminat-Spinell/Wolfram-Verbundwerkstoffen (14 und 22 Vol.-% W), die durch Heißpressen bei 1650 °C unter reduzierenden Bedingungen gewonnen wurden, werden untersucht. Die R-Kurve für diese Verbundwerkstoffe wurde mit der Eindringfestigkeitsmethode geschätzt und anschließend mit dem unter ähnlichen Bedingungen gewonnenen monolithischen Spinell verglichen.Bei den Verbundwerkstoffen wurde insbesondere bei höherem Wolframgehalt ein ansteigendes R-Kurven-Verhalten beobachtet. Andere mechanische Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit wurden ebenfalls für beide (Verbundwerkstoffe und monolithisches Magnesiumaluminat) bestimmt. Hybride Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (HAMCs) sind die zweite Generation von Verbundwerkstoffen, die dank verbesserter Eigenschaften das Potenzial haben, einfach verstärkte Verbundwerkstoffe zu ersetzen. In diesem Artikel wird die Machbarkeit und Rentabilität der Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker Hybridverbundwerkstoffe für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie untersucht. Darüber hinaus wurden auch die Herstellungseigenschaften und das mechanische Verhalten von HAMCs untersucht, die im Rührgussverfahren hergestellt wurden. Die optischen Mikrofotografien der HAMCs zeigen, dass die Verstärkungspartikel gleichmäßig in der Matrixlegierung verteilt sind und daher die Porositätsgrade für die gegossenen Verbundwerkstoffe akzeptabel sind. Die Dichte, Härte, das Zugverhalten und die Bruchzähigkeit dieser Verbundwerkstoffe sind mit denen der keramikverstärkten Verbundwerkstoffe vergleichbar oder diesen überlegen. Aus der Literatur geht hervor, dass die direkte Verstärkung von Verbundwerkstoffen durch das Vorhandensein von harten