Erkennung von Mikrorissen in gebrannter Keramik

Die Herausforderung

Keramikhersteller brennen Feinsteinzeug und Terrakotta bei Temperaturen über 1100 °C und kühlen die Teile anschließend mit Geschwindigkeiten ab, die vom Produktionsdurchsatz bestimmt werden. Schnelle Abkühlung (200 °C/min durch Luftventilation) spart Zeit, birgt aber das Risiko der Mikrorissbildung. Quarz durchläuft bei 573 °C während der Abkühlung eine allotrope Umwandlung, und ein zu schnelles Passieren dieses Übergangs erzeugt innere Spannungen, die die keramische Matrix aufreißen. Diese Mikrorisse schwächen das Produkt, sind aber für eine visuelle Inspektion zu klein. Hersteller benötigen eine Methode, um sicherzustellen, dass ihre Brand- und Abkühlzyklen strukturell einwandfreie Teile erzeugen.

Die Lösung

Forscher am Centre Technique de la Céramique in Limoges setzten IET ein, um sowohl Elastizitätsmoduln als auch innere Reibung von Feinsteinzeug- und Terrakottaproben zu messen, die unter verschiedenen Bedingungen gebrannt wurden. Sie verglichen schnell abgekühlte Proben (200 °C/min Luftventilation) mit kontrolliert abgekühlten Proben (50 °C/h) und variierten die Brenntemperaturen um 25-50 °C innerhalb des Produktionsbereichs jedes Materials.

Die Messung der inneren Reibung erwies sich als entscheidend. Elastizitäts- und Schubmodul variierten zwischen schneller und kontrollierter Abkühlung nur um 2,0-2,7 %. Die innere Reibung änderte sich um den Faktor 2,5. Das Dämpfungssignal erfasste Mikrorissschäden, die Steifigkeitsmessungen allein als innerhalb der Toleranz eingestuft hätten. Das Tempern schnell abgekühlter Proben bei 700 °C heilte die Schäden teilweise, was den Mikroriss-Mechanismus bestätigte.

Ergebnisse

Die IET-Messung der inneren Reibung unterschied Abkühlungsschäden mit 2,5-facher Empfindlichkeit gegenüber dem Elastizitätsmodul. Bei Terrakotta führte eine Erhöhung der Brenntemperatur um 50 °C zu messbaren Eigenschaftsgewinnen durch verringerte offene Porosität. Die Studie zeigte, dass eine einzelne IET-Messung, die Modul und Dämpfung in einem Impuls erfasst, die Wärmebehandlungsqualität in der Produktion verifizieren kann. Keramikhersteller können die Dämpfung als Frühwarnsignal für Abkühlungsprobleme nutzen, bevor mechanisches Versagen nachgelagert auftritt.

Kernaussage: Die durch IET gemessene innere Reibung ist 2,5-mal empfindlicher für Abkühlungsschäden als der Elastizitätsmodul. Die Dämpfung ist damit der entscheidende Parameter zur Überprüfung der Wärmebehandlungsqualität in der Keramikproduktion.