SIALON KERAMIK – HOHE FESTIGKEIT UND THERMISCHE LEITFÄHIGKEIT

Siliziumnitrid und SiAlONe sind Materialien, die über eine exzellente Kombination aus Bruchfestigkeit, Härte und Stärke verfügen und dadurch das Potenzial für Anwendungen in vielen Industrien haben.

Das Problem bei der Herstellung dieser Keramiken wurde in der Frage gesehen, wie man dem Material eine hohe Bruchfestigkeit verleihen, gleichzeitig aber seine große Härte und Stärke erhalten kann.

Das entscheidende mikrostrukturelle Kriterium, das die Stärke und Härte der SiAlON-Keramik bestimmt, ist die α→β Phasentransformation, die während der Verdichtung bei hohen Temperaturen stattfindet.

Diese Transformation wird von einem Zuwachs der verlängerten β-Phase auf Kosten der gleichachsigen α-Phase begleitet, wie in nachstehender Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Transformation von α→β Si₃N₄ während des Hochtemperatursinterns.

Man hat entdeckt, dass die Form der transformierten β- Si₃N₄–Körner zur Erzielung einer hohen Bruchfestigkeit und Stärke einen geringen Durchmesser und eine hohe Länge behalten und eine zirkuläre an Stelle einer rechtwinkligen Kreuzsektion haben muss.

Diese neue, fadenähnliche Struktur ist in nachstehender Abb. 2 dargestellt. Mit dieser Mikrostruktur ist es möglich, eine Keramik herzustellen, die eine exzellente Kombination aus Bruchfestigkeit und Härte aufweist, wie man sie bei anderen Keramiken nicht findet.

Ein Beispiel für eine solche Struktur ist in Abb. 2 für hochdicht gesinterte Werkstücke dargestellt. An Stelle einer plattenförmigen Körnung, wie sie bei diesem Keramiktyp normalerweise zu finden ist, weist die neue SiAlON-Keramikstäbchen- oder fadenförmige β-SiAlON-Körner mit einem Durchmesser von 1 - 2 μm und einem Längenverhältnis von 6 bis 12 auf.

Eine Mikrostruktur dieses Typs sorgt für eine Kombination aus hoher Bruchfestigkeit und Härte (Tabelle I), wie man sie bei am Markt verfügbaren Materialien nicht findet. Die hohe Bruchfestigkeit und Härte lässt diesen Keramiktyp als für solche Anwendungen geeignet erscheinen, bei denen nur Metalle und Komposite eingesetzt werden.

Dies umfasst auch Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Stahl und Nichteisenlegierungen, Maschinenbauteile und Komponenten für die metallschmelzende Industrie.

Tests haben gezeigt, dass dieser Keramiktyp exzellente Leistungen bei Schneidarbeiten an Gusseisen und Stahl zeigt, ferner als Ersatz für Tonerde-Schneidwerkzeuge mit dem weiteren Vorteil, dass es beim Hochgeschwindigkeits-schneiden eine bessere Reaktionsträgheit im Kontakt zu Eisen hat.

Denn neben der nicht hinreichenden Bruchfestigkeit und Härte klassischer Keramik aus Siliziumnitrid hat sich deren hohe Reaktivität mit dem Werkstück bei Schneidarbeiten als Hauptproblem der bereits existierenden siliziumnitrid-basierten Keramik erwiesen.

Der reaktionsgeförderte Verschleiß des Werkzeugs während der Stahlbearbeitung war das größte Hindernis für einer weitere Verbreitung von Siliziumnitrid als Werkzeugmaterial zur Bearbeitung von Stahl und Nichteisenlegierungen.

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