Gefügedesign optimiert Hochleistungskeramik

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Im Vergleich zu konventionellem Siliziumnitrid zeichnen sich die keramischen Werkstoffe SiAlONe durch eine noch höhere Härte (HV₁ > 1700) bei gleich guter Zähigkeit aus (K_IC ≥ 7 MPam^1/2) aus. Die α-SiAlON-Phase ist sehr hart, die β-SiAlON-Phase hat wie konventionelles Siliziumnitrid eine gute Risszähigkeit. Die Phasenanteile von α-SiAlON, β-SiAlON und der Korngrenzphase können in weiten Bereichen eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Werkstoffeigenschaften von α-β-SiAlONe den Anforderungsprofilen unterschiedlicher Anwendungen anzupassen.

Einlagerung von Partikeln oder Fasern verbessert mechanische Eigenschaften der Hochleistungskeramik

Unter speziellen Bedingungen kann sogar ein Gradientenwerkstoff hergestellt werden, der an der Oberfläche einen höheren Anteil an α-SiAlON enthält als im Inneren. Die Ceramtec GmbH, Plochingen, nutzt diesen Vorteil zum Beispiel bei einigen hochverschleißfesten Schneidkeramiksorten für die Metallzerspanung: Durch den Gradienten im α-SiAlON-Gehalt hat die Oberfläche der Wendeschneidplatte eine höhere Härte als der Kern (Bild 4). Die Risszähigkeit im Inneren ist dabei auf hohem Niveau. Durch dieses Werkstoffdesign wird die Verschleißfestigkeit des keramischen Schneidstoffs deutlich gesteigert und es werden höhere Standzeiten in der Anwendung erreicht.

Eine weitere Strategie, die Eigenschaften technischer Keramikwerkstoffe gezielt zu verändern, ist die Einlagerung von Hartstoffpartikeln in die Werkstoffmatrix, zum Beispiel von Siliziumkarbid in SiAlONe. Dadurch kann die Härte und Verschleißfestigkeit von α-β-SiAlONe noch weiter gesteigert werden. Diese Werkstoffvariante hat sich zum Beispiel bei tribologisch hoch beanspruchten Maschinenteilen in der Papierindustrie bewährt.

Fasern in der Keramik weder zu lose noch zu fest an die Matrix anbinden

Die Verbesserung der Schadenstoleranz kann insbesondere durch die Einlagerung von Fasern erreicht werden. Die Kunst dabei ist es, die Fasern so einzulagern, dass sie weder zu lose noch zu fest an die Matrix angebunden sind. Ist dies gelungen, können daraus hergestellte faserverstärkte Keramikkacheln auch mit Nägeln durchschlagen werden, ohne dass sie zerspringen.

Sowohl über die Rohstoffauswahl also auch über die Variation der Mischung können die Eigenschaften von technischer keramischer Werkstoff deutlich beeinflusst werden. Die Variationsbereite ist groß. Aus diesem Grund werden auch in Zukunft gezielt immer weitere Mischungen für Anwendungen entwickelt werden.

* Dr. Ilka Lenke gehört zur Leitung Technologiemanagement im Bereich Technologiemanagement des Service-Center Entwicklung bei der Ceramtec GmbH in 73207 Plochingen.

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