Gesamtpaket aller Decks(ohne Bilder) Flashcards
Minimaldefinition: keramischer Werkstoffe
Anorganische und nichtmetallische Werkstoffe, die aus einer Rohmasse geformt werden und ihre typischen Eigenschaften durch einen Sintervorgang erhalten.
Typische Kristallstrukturen bei überwiegend kovalenter Bindung
krz
kfz
Zinkblende-/Diamantstruktur
Auswahlkriterien für keramische Ausgangspulver
Reinheit
Partikelgröße (~ 1 / Sinterfähigkeit)
Morphologie und Größenverteilung
Agglomerationsgrad
Preis pro kg
Verfügbarkeit
Was ist Sintern?
WBH mit dem Ziel Stofftransport auszulösen, so dass in Pulverstrukturen Zusammenhalt entsteht und die Porosität abnimmt.
Durch Sintern gewinnt der Grünling seine Festigkeit und Gebrauchseigenschaften.
Def. Piezoelektrischer Effekt
Umwandlung mechanischer Verformung in elektrische Signale und umgekehrt.
Einteilung der Keramik nach Funktion
Gebrauchskeramik (klassische Silikatkeramik)
- >grob (Ziegel, Baukeramik)
- > fein (Töpferwaren, Porzellan
technische Keramik (Ingenieur-/Hochleistungskeramik)
- > Funktionskeramik (elektr., thermisch, optisch etc)
- >Strukturkeramik (mech., chem., tribolog. etc)
Typische Kristallstrukturen bei überwiegend ionischer Bindung
Antiflourit-Struktur
Rutil
hdp
Vor- und Nachteile von kleinen Partikeln
+ schnelleres Sintern
+ weniger Poren im gesinterten Bauteil
+ Herring’sches Gesetz
- schlechtes Packverhalten
- Agglomeration
- höheres Reaktionsverhalten mit Verunreinigungen
3 Teilschritte beim Sinterprozess
Umordnung der Pulverteilchen
Verdichten des Körpers (abnehmende Porosität)
Vergröberung der Körner (Kornwachstum)
(Prozesse überlappen teilweise)
Unterschied zwischen direktem und inversen Piezo-Effekt
direkt: mechanische Deformation des Kristalls -> Entstehung einer zur Deformation proportionalen elektrischen Polarisation an der Oberfläche (Prinzip der Sensorik)
invers: Anlegen einer elektrischen Spannung -> Entstehung einer zur angelegten Spannung proportionalen inneren mechanischen Spannung (Prinzip der Aktorik)
Stoffliche Einteilung der Keramik
+ Merkmale
Oxidkeramik
-> ionische Bindung, unter Sauerstoff stabil
Silikatkeramik
-> mehrphasig, hoher Glasanteil
Nichtoxidkeramik
-> kovalente Bindung, extreme Härte, hoher E-Modul, höchste Schmelzpunkte
Typische Kristallstrukturen bei Auftreten mehrerer Bindungsstrukturen
Silikate, wie z.B. Quarzkristalle
Synthesemöglichkeiten zum Herstellen von keramischen Pulvern
Festkörperreaktion
Schmelzverfahren
Synthese aus Lösungen
Gasphasenabscheidung (CVD)
Pyrolyse
Was passiert beim Sintern (energetisch)?
Oberflächen u. später Grenzflächenenergien sinken durch Konrwachstum.
- > steigender Anteil abgesättigter chem. Bindungen
- > Verfestigung
Arten von piezoelektrischen Materialien
Piezoelektrika (Pyroelektrika (Ferroelektrika))
Industrielle Formgebungsverfahren für Keramiken
Eindrehen
Pressen / Gießen
Stampfen
Vibrieren
Explosivformung
Warum wird die theoretische Festigkeit nicht erreicht?
Keramiken sind durch Polykristallinität und statistisch verteilte Gefügefehler gekennzeichnet.
Herstellungsmethoden für Al2O3-Pulver
Bayer-Verfahren aus Lösung
Hydrolyse von Alkoxiden
Alum-Verfahren
Sol-Gel aus Lösung
Makros- und Mikroskopische Vorgänge beim SIntern?
Schwindung
Umordnung v. Teilchen
Änderung der Poren: * Form * Menge * Größe und Verteilung
Kornwachstum
Entstehung neuer Phasen möglich
veränderung mech. u. phys. Eigenschaften
Gebräuchlichste Herstellungsverfahren für Piezokeramiken
Pressverfahren
Foliengießverfahren
Arten von Formgebungsverfahren: Schlickergießen
Vollguss
Hohlguss
Kombiguss
Einflussfaktoren auf die Festigkeit und Zuverlässigkeit keramischer Werkstoffe
Diagramm
Bayer-Verfahren zur Herstellung von Al2O3
Bauxit -> brechen / mahlen
Rohstoff + NaOH + H2O unter Druck -> filtrieren
Rotschlamm abscheiden, Na[Al(OH)4] abkühlen
Kalzinieren des Aluminiumhydroxids
Drehrohröfen
Mahlen
99,5% reines Aluminiumoxid
Triebkraft des Sinterns
Erreichen Zustands geringster freier Enthalpie
Hohe OF Energie im Pulver stellt Triebkraft bereit, Temperatur lediglich zur Aktivierung der Diffusion Beeinflussung des Sinterverhaltens durch … möglich: mech. Druck (Drucksintern) Konzentrationsgradienten oder chem Reaktion der Ausgangsstoffe (Reaktionssintern -> AluminiumNitrit?) Anwesenheit einer Schmelze die Teilchenumorientierung bzw. Lösung und Wiederausscheidung ermöglicht ( Flüssigphasensintern)
Klassische Anwendungsbeispiele für Piezo-Keramiken
Piezoelektrische Injektoren
Abstandssensoren für Einparkhilfe-Systeme
Arten von Formgebungsverfahren: Bildsame Formung
Quetschformen
Spritzformen
Drehformen
Strangformen
Die drei Grundfälle der Rissausbreitung
Bild
Herstellungsmethoden für ZrO2-Pulver
ZrO2 aus Lösung
ZrO2 aus Schmelze
ZrO2-Y2O3 aus Lösung
Verdichtungsverlauf (Diagramm)
Diagramm
Def.: Kondensator
- Einfluss von Dielektrika
Elektrisches Bauelement, dass zur Speicherung von elektrischer Ladung und Energie dienen.
-> Die Kapazität von Kondensatoren lässt sich durch Dielektrika um Zehnerpotenzen erhöhen.
Arten von Formgebungsverfahren: Pressen
Heißpressen
Isostatikpressen
Trockenpressen
Stampfen
Feuchtpressen
Bruchzähigkeit
- Def.
- Formel
Bruchzähigkeit ist der Widerstand gegen instabilen Risswachstum
Die Bruchzähigkeit wird durch den kritischen Spannungsintensitätsfaktor KIC beschrieben.
Herstellungsmethoden für SiC-Pulver
Acheson-Prozess
kontinuierlicher Acheson-Prozess
Carburierung
Gasphasenreaktion
Verdichtungsstadien beim Sintern I Anfangsstadium
* Umordnung der Körner * Sinterhalsbildung * ca 75% theoretische Dichte * Diffusion an Kornoberfläche * offenes Porennetzwerk * beginnende Verfestigung * starker Verlust der Triebkraft durch Reduktion der freien Oberflächen * Sinterhälse bilden sich ! * Kontaktpunkte zu Kontaktflächen * Teilchen bilden Kettenkoordination oder lokal enge Cluster * Materialtransport von OF zu den Hälsen macht partikel schlanker
Unterschied zwischen elektronisch leitenden Stoffen und ionisch leitenden Stoffen
elektronisch leitend: Elektronen bzw. Löcher sind die Ladungsträger. z.B. Metalle
ionisch leitend: Ionen bewegen sich über Leerstellen im Gitter oder über das Zwischengitter
z.B. Keramik
Grundlegender Unterschied von bildsamer Formgebung und Pressen
Bildsame Formgebung: Arbeitsmassen mit Feuchtigkeitsgehalten von 15-25%
Pressen: Verwendung von Pulvern als Arbeitsmasse.
Möglichkeiten an Verstärkungsphasen
spröde Teilchen
Faser bzw. Whisker
duktile Teilchen
Acheson-Prozess
Kohlenstoff-Kern mit angeschlossenen Elektroden wird mit einer Mischung aus SiO2 und C +Additive umschüttet.
Bei einer Temperatur von etwa 2300°C entsteht amorphes SiC und SiC
SiO2 + 3C -> Alpha-SiC + 2 CO
Kornwachstum beim Sintern (skizze)
Skizze
Klausurrelevante Diffusionsmechanismen
Zwischengittermechanismus
Zwischengitterstoßmechanismus
Leerstellenmechanismus
Platzwechselmechanismus
Allgemeiner Verfahrensablauf für die Keramikherstellung
Rohstoffgewinnung / Rohstoffsynthese
Rohstoffaufbereitung / Mahlen, Feinmahlen (->Pulver)
Masseaufbereitung / Mischung eines Feedstocks
Formgebung
Grünkörperbearbeitung
Trocknung / Entbinderung (Ausbrennen) (->brauner Zustand)
Vorsintern (Verglühen) / Weißbearbeitung (->weißer Zustand)
Sintern (Brand)
Endbearbeitung (Hartbearbeitung und Finishing)
Typische E-Module von SiC, Al2O3 und t-ZrO2
SiC: 400-450 GPa
Al2O3: 350-400 GPa
t-ZrO2: 190-230 GPa
Herstellungsmethoden für Si3N4-Pulver
Direktnitrierverfahren
Diimid-Verfahren
Carbothermische Reduktion
Gasphasen-Verfahren
Festphasensintern
Sintern ohne überschreiten des Schmelzpunkts der Inhaltsstoffe (mehr und einphasig)
Verdichtung beruht auf Umlagerung von Teilchen und deren Form- und Größenänderung
Verdichtung durch Leerstellendiffusion
Triebkraft: Minimierung der Grenzflächenenergie
Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle
Bild
Möglichkeiten, um Nachteile von keramischen Werkstoffen zu umgehen
Verbundwerkstoffe mit Verstärkungsphase (keramische Matrix)
Schichtverbundwerkstoffe (keramische Schicht)
Grundsätze zum Fügen von Keramiken
Vermeidung von
- Spannungsspitzen und Punktlasten
- Zugspannungen
- Schlag- und Stoßbeanspruchung
- Zusatzbeanspruchung durch behinderte Wärmedehnung
Ausgleichen von Verformungsdifferenzen
Formschluss / Kraftschluss
Verfahren zur Granulatherstellung: Granulation
Granulation durch Abrollbewegung an geneigter Fläche
definierte Zugabe des Bindemittels durch Einspritzdüsen
Steuerung der Pelletgröße über Bindemittelanteil und Granulationsparameter (Tellerneigung, Drehgeschwindigkeit)
Flüssigphasensintern
mindestens ein Ausgangsstoff oder sich bildende Phase wird schmelzflüssig bei 3N4 ) bei >15Vol% kann die Schmelze alle Poren ausfüllen (WC/Co und SiSiC)
Verdichtung durch Umordnung fester Teilchen die von der Schmelze umschlossen werden
Verdichtung abhängig von guter Benetzung, gesteuert durch Kapillardruck
Vorteilhaft: Löslichkeit des Feststoffs in der Schmelze
Verfahren zur Granulatherstellung: Extrusion
(Ablauf und Einflussnahme auf Granulation)
Mischen -> Kneten -> Extrudieren
Granulation durch Extrusion von polymergebundenem Keramikpulver
definierte Zugabe des Bindemittels durch Einspritzdüsen
Steuerung der Pelletgröße über Schnittlänge und Düsendurchmesser
Einfluss von Sinterdruck und Korngröße
Heißpressen: schnelleres Sintern bei geringerer Temp. höhere Verdichtung wird erreicht (fast 100%) feinere Ausgangskorngröße hat ähnlichen (aber schwächeren) Effekt
Verfahren zur Pulverherstellung: Sprühgranulation
Homogenisierung / Stabilisierung -> Zerkleinerung -> Sprühtrocknung
Verdichtungsstadien beim Sintern II Zwischenstadium
* Körner bewegen sich nicht mehr * Korngrenzen- und Volumendiffusion * beginnendes Kornwachstum * Porenkonzetration in Kornzwischenräumen * Porenvolumen geschlossen * 75-90% der theoretischen Dichte - Schritt mit stärkster Schwindung! Wachstum der Hälse zu Korngrenzen führt zu Änderung der Kornform * durchgehende Porosität wird lateral eingeengt -> schlauchförmige schwindungsfähige Poren
Vergleich Gegenstrom-/Gleichstrom-Sprühtrockner
Gleichstrom: trocknet schonender, gleichmäßigere Kornform, Prozess dauert länger, hohe und schlanke Bauweise
Gegenstrom: energiesparend, Hohlkugeln und Donuts, schnellere Trocknung, niedrigere und breite Bauweise
Verdichtungsstadien beim Sintern III Endstadium
* ausgeprägtes Kornwachstum * Korngrenzdiffusion * Porenelemination * mögliche Behinderung der Verdichtung durch eingeschlossene Gase * >95% der theoret. Dichte * Verdichtung kommt zum Erliegen * Kornwachstum, Porenschwund und Porenwachstum
Prozessziele beim Mahlen
günstige Korngrößenverteilung
prozessoptimierte Kornform
größtmögliche aktive Oberfläche
Aufschließen von Rohstoffen
Struktuveränderung und chem. Reaktionen
Homogenisierung
Dispergierung
Diffusionsvorgänge im Anfangsstadium
- Verdampfung und Kondensation 2. Oberflächendiffusion 3. Volumendiffusion von der Oberfläche 4. Volumendiffusion von Korngrenzen 5. Grenzflächendiffusion entlang Korngrenze
2-5: Beim Keramik vorherrschend
4 + 5 verantwortlich für Schwindung
Technisches Prinzipien beim Mahlen: Zerkleinerung durch Beanspruchung an einer Festkörperoberfläche
Korn gegen Oberfläche, z.B. Jet-/Prallmühle
Oberfläche gegen Korn, z.B. Rührwerksmühle
Korn gegen Korn, z.B. Jetmühle
Was passiert?
Regelfall: a wird größer (180°) * Abstand äuserer Körner nimmt zu * Abnahme der Schwindung
a wird kleiner: * Abstand äuserer Körner wird kleiner * Sinteraktivität steigt * Spannungen im Gefüge
Technisches Prinzipien beim Mahlen: Zerkleinerung durch Beanspruchung zwischen zwei Flächen
Schlag, z.B. Nocken im Walzenbrecher
Druck, z.B. Kugelbrecher, Kugelmühle
Scherung, z.B. Trommelmühle, Ringspaltmühle
Rolle der Additive beim Festphasensintern (+ Art der Einflussnahme)
Aufgaben: Verbesserung der Verdichtung, Erhöhung der Sintergeschwindigkeit, Hemmung des Kornwachstums
Erzielbar durch: Schaffung von Defektstellen, Behinderung der Krongrenzbeweglichkeit, Anreichern an Korngrenzen
Einflussgrößen auf die Mahlwirkung
Mahlaggregat
Mahlkugeln
Mahlbehälter
Mahlmedien
Mahldauer
Beanspruchungsart
Füllgrad
Temperatur
Sinterstadien beim Flüssigphasensintern
* Aufschmelzen des Additivs, Teilechenumlagerung * Lösung und Wiederauscheidungsprozesse der Festphase, Kornwachstum * Festphasensintern zur Dichtesteigerung (Skelettsintern)
Verdichtung erfolgt durch rasch ablaufende Anziehungs und Umlagerungsprozesse
Skizze: Funktionsprinzip einer Kugelmühle
Bild
Flüssigphasensintern: Teilchenumlagerung
Triebkraft wie immer! Sinterung abhängig vom Gehalt der fl. Phase und dem Benetzungswinkel
Keramische Systeme: Gute bis Vollständige Benetzung
Kapillarkräfte halten Teilchen stärker zusammen, ohne Verdichtung zu erwirken. ab ca. 30% Flüssigphase erfolgt Umorientierung in richtung dichteste Packung. Analog zu Parikelumlagerung im ersten Stadium der Festphasensinterung
Definition: Pulver
Disperses System aus Elementen von Pulverteilcen in mehr oder weniger lockerem Zusammenhalt
Kollektiv aus Teilchen unterschiedlicher Form und Größe
Halsbildung beim Flüssigphasensintern
Anziehungskraft 2er Teilchen: F=Benetzung-Kapillardruck
Wenn Benetzung Schlecht: F klein -> langsame Annäherung
==> Werkstoffe mit guter Benetzung und geringem Kapillardruck wählen
Möglichkeiten zur Bestimmung von Partikelgrößen
Quecksilberdruckporosimetrie (Porenradienverteilung von keram. Pulvern und Festkörpern)
Lasergranulometrie (Partikelgrößenverteilung “äquivalenter Kugeln” von Pulvern und Suspensionen)
Zusamenfassung der Teilechnumlagerung beim Flüssigphasensintern
aufschmelzen der niedrigschmelzenden Komponente
Hals und Brückenbildung
Kapillarkräfte ermöglichen schnelle Teilchenumorientierung
Gefahr der Ausbildung von Hohlräumen die später nicht mehr gefüllt werden
Teilchen noch in urspünglicher Form nur lokal dichter gepackt
Formgebungsverfahren monolithischer Keramiken
Trockenpressen
Nasspressen / Feuchtpressen
Isostatisches Pressen
Extrudieren
Spritzgießen
Schlickerguss
Foliengießen
Heißpressen
Flüssigphasensintern: Lösung und Wiederausscheidung
(Analog der Verdampfung und Kondesation beim Festphasensintern) Nach Teilechnumlagerung liegt eine mehr oder minder dichte Teilepackung vor
Triebkraft: Energieminimierung
Ebenfalls: Reduktion des chem. Potentials
Mit steigender Temp diffusionsgesteuerte Verdichtungsvorgänge (Lösungsreaktionen)
Konzentrationsunterschiede steuern den Vorgang. (-> Abflachung von Körnern und scharfen Kanten -> Reduzierung der Reibung -> bessere Verdichtung
Verfahrensablauf des drucklosen Schlickergießens
Schlickerherstellung (Mischen -> Mahlen -> Entlüften)
Formgebung (in Form gießen -> Fluid entziehen -> Schichtwachstum -> (optional) Schlicker ausgießen -> Trocknen -> Scherben entnehmen)
Thermische Behandlung (Vortrocknen / Entbindern -> Sintern -> Endkontrolle)
Flüssigphasensintern:
Lösung und Wiederausscheidung - Stadium
- Stadium Diffusionsgestuerte Prozesse (Lösung u. Wiederaus. und Formangleichung)
unterschiedliche chem. Potentiale werden ausgeglichen
Ostwald Reifung
Verrundung der Körner bzw. Formangleichung an den Nachbarn Idiomorphes Wachstum bei schlechter Benetzung möglich
Vorteile des drucklosen Schlickergießens
+ Preiswerter Rohstoff
+ Flexibilität
+ geringe Investitionskosten
+ große und komplexe Bauteile realisierbar
+ homogene Gefügestrukturen
+ hohe Gründichte im Vergleich zum Axialpressen
Flüssigphasensintern - Skelettsintern
Am Ende des fl.Ph.Sinterns: Poreneliminierung und Kornwachstum
Wichtig: Benetzungsverhältnisse die auch Temperaturabhängig sind. Zu geringer Anteil an Schmelze ermöglicht an Berührpunkten Festphasensintern
Gefüge besteht aus starren Teilchenbrücken die von Schmelze umgeben sind -> Skelettartig
Nachteile des drucklosen Schlickergießens
- Verschleiß und chem. Alterung der Gießformen
- große Formenzahl bei Serienfertigung
- großer Raumbedarf = hohe Lagerkosten
- lohnintensive Fertigung
- langsame Scherbenbildung
- Formen müssen nach Scherbenbildung getrocknet werden
- Wiederaufbereitung des Schlickers ist arbeits-/kostenintesiv
Flüssigphase Skelettsintern (Aussehen des Gefüges)
Diffusionsvorgänge: Kornwachstum und Poreneliminierung
Körner bei Metallen rundliche bei Keramiken gerne Idiomorph
Typisch:
- Ebene kristallograph. Begrenzungsflächen
- Mantel-Kern-Strukturen mit Mischkristallen epitatktisch auf unreagiertn Körnern liegen
- isolierte, runde Poren im Bereich der Schmelze
Eckige Poren, einspringende Winkel sowie fest/fest KG deuten auf Skelettbildung hin
Wichtig für Gefüge: der Winkel am Fest/fest/flüssig-Punkt
Schlickerdefinition
Gießfähige Suspension mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30-40 vol-%
Drucksintern
Druckunterstützung (mechanisch oder Gasdruck)
Verdichtung auch durch plastische Fließvorgänge
Prozesse: Plastic Yielding/Power Law Creep/Lattice and Surface Diffusion
Höhere Aufheizgeschwindigkeit -> feinkörniger, härter und weniger Risszäh
niedrigere Sintertemperatur möglich
geringste Porosität
beste mechanische und elektrische Eigenschaften
geringerer Zeit- und Energieeinsatz
Verfahrensablauf des Druckschlickergießens
Dosieren, Mahlen, Mischen
Verfahren: Schließen der Form -> Füllung mit niedrigem Druck -> Druckerhöhung auf Enddruck -> Druckabbau und Öffnen der Form -> Abnahme des Scherbens -> evtl. Restschlickerrücklauf und Nachverfestigung durch Druckluft
Verschwammen, Verputzen
Trocknen
Sintern
Finishing + Endkontrolle
Reaktionssintern
Herstellung von Materialien die nicht konventionell herstellbar sind
homogene Gefüge (Enstehung aus Gasphase)
Überlagerung von Sintern u. chem Reaktion (gewählter Stoff liegt vorher nicht als Pulver vor)
Geschwindigkeit und Verdichtung maßgeblich Abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit bei Aktivgasen (N2)
hohe offene Porosität notwendig bei Festphasenreaktion
homogene Verteilung der Reaktanden nötig
Vorteile des Druckschlickergießens
+ geringer Verschleiß der Kunststoffformen
+ hohe Formtreue und konstante Maßtoleranzen
+ kleines Formenlager, schneller Formenwechsel
+ schnelle Scherbenbildung
+ keine Formenrücktrocknung nötig
+ höhere Festigkeit als beim drucklosen Verfahren
+ sehr hoher Massefluss
+ kontinuierliche Fertigung
+ geringe spezif. Formkosten pro Grünling
+ hohe Produktivität
2 Wichtige reaktionsgesinterte Stoffe + Eigenschaften
Siliziumnitrid Si3N4: Zäh und Fest, ausgezeichnete Temperaturwechselfestigkeit, Verschließfest, niedrige Wärmedehnung, gute chem. Beständigkeit
Siliziumkarbid SiC: hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, Korrosionsfest, hohe Festigkeit, Oxidationsbeständig, gut Temperaturwechselfest, gute Wärmeleitung
Nachteile des Druckschlickergießens
- teure Formwerkstoffe (Sinterpolymere)
- hohe Investitionskosten (Anlagentechnik)
- großes Schlickervolumen in Umlauf (Sedimentationsgefahr)
Sinteranlagentechnik 2 Ofentypen
Bild
Verfahrensablauf des Foliengießens
Schlickerherstellung: Mahlen, Mischen, Entlüften
Formgebung: Foliengießen, Trocknen, Stanzen / Prägen, Laminieren / Wickeln
Therm. Behandlung: Ausheizen, Sintern, Endkontrolle
Vor- und Nachteile Batchbetrieb Sinteröfen
+ * einfache Ofentechnik * keine Brenngutmanipulation nötig * gleichmäsige Wärmeverteilung durch umseitige Heizung
- * lange Prozessdauer von kalt zu kalt * hoder Bedarf an Brennhilfsmitteln * geringe Automatisierung
Verfahrensablauf des Siebdrucks
Mahlen, Mischen, Walzen, Entlüften
Über Siebmaskierung Siebdrucken, Trocknen, ggf. Laminieren
Ausheizen, Sintern
Endkontrolle
Vor und Nachteile kontinuierlicher Betribe Sinteröfen
+ * hohe Ausbringung * kurze Durchlaufzeiten * hohe Automatisierung
- * hoher Invest * hoher Raumbedarf * (hoher Automatisierungsgrad?) * aufwendige Brenngutmanipulation * aufwendige Isolierung je nach Bauform
(Allg.) Verfahren zur Pressformgebung pulverkeramischer Bauteile
Axialpressen
Isostatisches Pressen
Konventionelle spanende Verfahren
Unterschiede bei Hochleistungskeramiken
konv.: Drehen / Fräsen / Bohren hohe Zeitspanvolumina bei Alu oder Stahl
HL Keramiken haben zu hohe Härte und Steifigkeit dafür. -> Nur Diamantwerkzeuge mit sehr geringen Zeitspanvolumina -> Nur Endbearbeitung
Verfahrensvarianten des Axialpressens
Kaltaxialpressen
Heißpressen
Schleifen (mit gebundenem Korn)
Regelmäsiges Abrichten und Profilieren notwendig (-> Bildung neuer Schneidkanten)
Große Verfahrensvielfalt -> Viele Bauteilgeometrien
Mehrstufige Prozesse zur Erhaltung der BT Festigkeit (Schruppen -> Schlichte -> Ausfeuern)
Verfahrensvarianten des isostatischen Pressens
Kaltisostatpressen bei RT (Nassmatrizen- und Trockenmatrizenverfahren
Warmisostatpressen bei T = 80 bis 500°C
Heißistostatpressen bei T = 500 - 180°C
Unterschied Werkstofftrennung Spröd/Duktil beim Schleifen
Spröder Werksstoff: Spanbruchstücke (primär: vor Schneide / sekundär: hinter Schneide) Mikrorisse im WS
Zonen: el. Deformation // Druckerweichung // Ritzen
Rissbildung um die Spanspur
duktiler WS: 1 Span
Zonen: el Verf. u. Reib. Korn/WS // el. u. pl. Verf. u. Reib. // el. und pl. Verf. + Spanabnahme u. Reibung
Vorteile des Axialpressens
+ einfache Bauteile können endkonturnah hergestellt werden
+ großserientauglich, hohe Stückzahlen
+ günstig
+ gute Grünfestigkeit
+ gut automatisierbar
+ hohe Dichte
Läppen/Polieren (freies Korn)
kontinuierliche Zugabe von Diamantsuspension (-> kein Abrichten)
nur ebene Geometrien
niedrige Zeitspanvolumina
Verbesserung von Formgenauigkeit und Oberflächengüte (Ra < 0,1um)
Nachteile des Axialpressens
- Dichte innerhalb des Presskörpers nicht konstant
- keine Hinterschneidungen
- Bohrungen / Vertiefungen nur in Pressrichtung möglich
- teure Werkzeuge bei komplexen Bauteilen
Werkstoff Abtrag beim Läppen
Oberflächenmaterial wird abgetragen durch Rollbewegung und durch Ritzen (bei temporärer Verankerung mit der Läppscheibe) der Schneidkörner.
Es entstehen: nahezu isotrope Oberflächentopographien
regelos angeordnete Riefen
viele homogen verteilte Mulden
vereinzelt interkristalline Oberflächenausbrüche
Vorbereitung des Pulvers für das Heißpressen
Mischen, Mahlen
Absieben der Mahlkörper
Trocken, Sieben
->gebrauchsfertiges Heißpresspulver
Honen (mit gebundenem Korn)
2 komponentige Bewegung (mind. 1 oszillierend) nach größe der Oszill.Amplitude
unterschied Lang-/Kurzhubhonen
charakteristische gekreuzte Spur auf Oberfläche
geringe thermische Belastung durch niedrige Schnittgeschw.
Vorteile des Heißpressens
+ schnell
+ Absenkung von Haltezeiten und Sintertemperaturen
+ feine, homogene Gefüge
+ Verarbeitung von problematischen Pulvern
+ sehr gut für Prototypen und Vorversuche geeignet
+ 100% dichte Bauteile
Neue Verfahrensvarianten:
Ultraschall-Schleifen/Läppen
5-Achs-Schleifen
US-Schleifen/Läppen: überlagerung der konvent. Kinematik mit US Schwingung im Mikrometerbereich -> Reduzierung der Kräfte,Spangrößen,Werkzeugverschließ und Wärmeentwicklung -> Besser Oberflächengüte
5-Achens-Schleifen: Fräsen von Freiformflächen
Höchste Maß und Formtoleranz bei schwer spanbaren Materialien
Nachteile des Heißpressens
- nur einfache Geometrien
- Nachbearbeiten erst im fertiggesinterten Zustand möglich
- geringer Durchsatz
- hohe Energiekosten
- hohe Investitionskosten
- Bauteileigenschaften nicht immer besser
Endbearbeitungsverfahren
- State of the Art
- Neuartig
SotA: Polieren Schleifen Läppen
Neu: EDM Laser
Typische Presskörperfehler beim Kaltisostatpressen
Bild
Einordnung der EDM (funkenerosive Bearbeitung) in Herstellung von Präzisionsteilen
Hochgeschw. zerspanung ungeeignet für Hochleistungskeramik
Dicht gesinterte monolithische Keamik (hohe festigkeit und Härte) nicht konventionell Fräs und Drehbar
Trockenbearbeitung von gepressten Grünkörpern mit anschließender optimierter Sinterung ist Stand der Technik
Net-Shape Herstellung durch Spritzgießen bzw. Axialpressen (präzise u. komplexe Pressformen)
Funkenrosive Bearbeitung von el. leitfähigen Keramiken mit herausragenden mech. Eigenschaften
Vorteile des kaltisostatischen Pressens
+ hohe Pulverpackungsdichte
+ homogenes Gefüge
+ isotrope Materialeigenschaften
+ beste Grüneigenschaften aller Verfahren
+ Trockenmatrizenverfahren automatisierbar
+ moderate Formkosten
Motivation für EDM
Werkzeuge und Formen für Herstellung von z.B. Spritzgieß Keramik oder Faserverst. Polymeren sind Hochbeansprucht.
Steigerung der Standzeit durch Einsatz von Keramiken in den Werkzeugen
Präzisionswerkzeuge enthalten filigrane Strukturen und scharfe Kavitäten -> Konventionelle Herstellung nicht mehr möglich (Formgebung und Endbearbeitung) -> EDM (nach dem Sintern ist BT erst Halbzeug -> komplexe Geos durch EDM)
Nachteile des kaltisostatischen Pressens
- Grünbearbeitung zwingend erforderlich
- hohe Investitionskosten
- Geometrie stark eingeschränkt
Verfahrensprinzip EDM
Materialabtrag durch aufeinanderfolgende el. Entladung zwischen Werkzeugelektrode und el. leitfähigem Werkstück (dazwischen Dielektrikum, nicht leitend)
Varianten: Senkerodieren und Drahterodieren
Vorteile: Bearbeitung von Abrasionsfesten Werkstoffen
komplexe Geometrien
benötigt el. leitfähiges Werkstück
Verfahrensablauf Heißisostatisches Pressen
Kapselung von Pulver in vakuumdichter Hülle
Evakuierung der Hülle
Pulverkonsolidierung unter Druck und Temperatur
Chem. Ablösen bzw. Zertrümmern der Kapsel
3 Phasen der EDM
Phase 1
Aufbauphase
Anstieg der Spannung zwischen den Elektroden
Ionisierung der Teilchen des Dielektirkums -> Bläschenbildung
Aufbau eines Plasmakanals
Stromfluss auf den Mantelflächen des Plasmakanals -> Durchbruch von Spannung (vgl. Blitz)
Vorteile des heißisostatischen Pressens
+ sehr feine Gefüge erzielbar
+ höchste Dichte
+ max. Härte
+ optimale Festigkeitseigenschaften
+ homogenes Gefüge
+ isotrope Materialeigenschaften
3 Phasen der EDM
Phase 2
Entladephase
Stromfluß zwischen Elektroden
Absinken der Spannung auf Arbeitsniveau
Aufschmelzen und Verdampfen von Werkstück und Werkzeug
Ausbildung einer Gasblase um den Plasmaknal
Bei Ladungstrennung brechen Spannung und Strom ein -> Übergang zu Phase 3
Nachteile des heißisostatischen Pressens
- hohe Investitionskosten
- teure Endbearbeitung
- nur einfache Geometrien möglich
3 Phasen der EDM
Phase 3
Abbruchphase
Abschalten des Stroms
Implosion der Gasblase
Herauschleudern des geschmolzenen Materials
Spülung des Arbeitsspalts
Kühlung der Oberflächen
Spritzgießverfahren
Thermoplastisches Spritzgießen
Niederdruck-Spritzgießen
Thermodur-Spritzgießen
Sonderverfahren
Abtragmechanismen EDM im Vergleich Keramik/Stahl
bei Stahl: nur Ausschleudern von schmelzflüssigem Stahl und Verdampfen
bei Keramiken: Thermoschock (Risse aber hoher Abtrag) (TiB2)
Abplatzen von Wiedererstarrtem Material (wenig Abtrag) (B4C)
Aufschmelzen und Herausschleudern (Al2O3-TiC)
Herauslösen von Körnern durch Abtrag elektrisch besser leitender umliegender Phase (SiSiC) -> Unterschiedliche Mechanismen -> kein Zusammenhang zwischen Abtragsleistung und Schmelztemp oder therm. leitfähigkeit -> Abtragmechanismen abhängig vom GEFÜGE
Spritzgießprozess - Formgebung
Füllen
Nachdrücken
Auswerfen
Oxidkeramiken für EDM: ZrO2 Based
Vor- und Nachteile
+ Hohe Zähigkeit, Hohe Biegefestigkeit
- Große Menge an leitfähiger Phase nötig (feinkörnige Matrix) -> verringerung der mech. Eigenschaften
Moderate Härte
Hohe Rohstoffkosten (ZrO2 + leitf. Phase)
Schematische Darstellung des Masseflusses bei verschiedenen Angusstypen
Bild
Oxidkeramiken für EDM: ZTA (ZrO2-toughened Al2O3) Based
Vor- und Nachteile
+ Hohe Härte -> Verschleißfest
Hohe Biegefestigkeit
wenig leitf. Phase nötig (gröbere Al2O3 Matrix
geringere Rohstoffkosten
- Moderate Zähigkeit
Vorteile des Spritzgießens
+ hohe Maßhaltigkeit
+hohe Oberflächengüte
+ gute Reproduzierbarkeit
+ komplexe Geometrien möglich
+ kurze Arbeitszyklen veim Spritzgießprozess
+ große Stückzahlen möglich
+ hoher Automatisierungsgrad
ZrO2 vs. ZTA
ZrO2 leicht fester und zäher
ZTA deutlich härter
ZrO2 teurer
-> ZTA-based Materialien für die EDM Bearbeitung
Nachteile des Spritzgießens
- hohe Werkzeugkosten
- aufwändige Masseaufbereitung
- komplexe Katalyse- und Pyrolysechemie der Bindemittel und Additive
- vergleichsweise langwieriger Gesamtprozess
- aufwendige Materialsysteme
Leitfähigkeit in ZrO2 und ZTA
Erzielung Einflüsse auf LF
Einflüsse auf die Phasen der EDM
Michkeramik nötig
Leitfähige Phasen(z.B: TiN, TiC(N), WC, TiB2,…) und umgebenden Berieche schliesen sich zu Perkolationspfaden zusammen -> Keramik wird leitfähig
Leitfähigkeit abhängig von Volumenanteil und Partikelgröße (kleiner ist besser) des Ausgangspulvers der leitfähigen Komponente
Je nach el. leitfähiger komp. unterschiedliche Erodierbarkeit und Rauheit nach dem Erodieren (Rauheit aber allg. sehr gering)
Vergleich von Spritzgießen und Heißgießen
- Plastifizierung
- Formgebung
Bild
EDM
Vor- und Nachteile
+ scharfe innenliegende Kanten möglich, filigrane Strukturen, komplexe Geometrien, Erzeugen von Freiformflächen möglich, Formgebung am gesinterten Bauteil, Keine Sinterschwindung des BT
- bislang teure Herstellung von Halbzeugen (Heißpressen)
langsame Bearbeitung z.T. teure Rohstoffe
-> EDM nur bei: -Geringer Stückzahl - High-Tech-Anwendung (Formenbau)
Verfahrensablauf des Heißgießens
Pulver+Bindemittel ->
Vorteile des Heißgießens
+ hohe Flexibilität
+ geringe Werkzeugkosten
+ komplexe Geometrien möglich
+ vergleichsweise geringe Schwindung
+ feinere Strukturen möglich, da geringerer Druck
Nachteile des Heißgießens
- geringe Rohbruchfestigkeit
- sehr aufwendige Entbinderung
- nur teilautomatisierbar -> hohe Personalkosten
Extrudertypen für das Extrudieren
Vakuum-Schneckenextruder
Kolbenextruder
Vor-/Nachteile von Vakuum-Schneckenextrudern
+ zweistufige Maschine
+ kontinuierliche Arbeitsweise
+ Verarbeitung thixotroper Massen
- Erwärmung des Extrudats
- Schneckentexturprobleme (“Formgedächtnis”)
- begrenzter Arbeitsdruck (ca 100 bar)
Vor-/Nachteile von Kolbenextrudern
+ geringe Wärmeentstehung
+ Flexibilität
+ hohe Arbeitsdrücke (400 bar)
+ kostengünstig
+ sehr wenig Totvolumen
- Massehubel erforderlich
- Empfindlichkeit gegenüber Masseeigenschaften
- Dichtungsverschleiß
Vorteile des Extrudierens keramischer Massen
+ komplexe axialsymmetrische Bauteile möglich
+ kontinuierlicher Prozess (Schneckenextruder)
+ serientauglich für kleine bis sehr große Bauteile
+ hoher Automatisierungsgrad
Nachteile des Extrudierens keramischer Massen
- Formgedächtnis (bei Schneckenextruder)
- teure Werkzeuge bei komplexen Baugeometrien
- geometrische Einschränkung auf axialsymmetrische Bauteile
Vorteile der Grünkörperbearbeitung
+ Herstellung kundenspezifischer Lösungen
+ endkonturnahe Bearbeitung möglich
+ hohe Zeitspanvolumina
+ bearbeitung mit konventionellen Werkzeugen
+ komplexe Geometrien herstellbar
Nachteile der Grünkörperbearbeitung
- Kerben führen zu fehlerhaften Fertigteilen
- schwierige Handhabung der Grünlinge (geringe Festigkeit)
- hohe Anforderungen an die Homogenität des Grünkörpers
Vorteile der Weißbearbeitung
+ höhere Festigkeit als Grünkörper
+ höhere Schnittkräfte möglich
+ zu berücksichtigende Schwindung ist geringer
Nachteile der Weißbearbeitung
- geringes Zeitspanvolumen
- erzeugte Kerben beschädigen das Bauteil stärker, da die Risse sich leichter Ausbreiten
Welche Fertigungstechnik muss eingesetzt werden, wenn folgende Randbedingungen gelten:
- Massenfertigung
- einfache Geometrie
- hoher Preisdruck
Axialpressen
Welche Fertigungstechnik muss eingesetzt werden, wenn folgende Randbedingungen gelten:
- geringe Stückzahlen
- hohe Anforderungen an die Bauteileigenschaften
- Prototypen / Kleinserien
Kaltisostatisches Pressen (CIP)
Heißisostatisches Pressen (HIP)
Welche Fertigungstechnik muss eingesetzt werden, wenn folgende Randbedingungen gelten:
- Massenfertigung, hohe Stückzahl
- komplexe Bauteilform
Spritzgießen (CIM)
Welche Fertigungstechnik muss eingesetzt werden, wenn folgende Randbedingung gilt:
- Die Grünfestigkeit des Bauteils ist sehr gering
Weißbearbeitung
