DE102005023753A1 - Bauteil aus einer Sialon-Keramik mit gehärtetem Randbereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines keramischen Bauteils mit einer oberflächigen Härtung, wobei die gesinterte und fertig bearbeitete Keramik in einer Salzschmelze behandelt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren an einer Sialon-Keramik angewendet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Sialon-Keramik.
• Bauteile aus technischen Keramiken werden in Anwendungen mit hoher mechanischer Belastung eingesetzt. Vor allem bei tribologischer Beanspruchung kommt es wesentlich auf die Eigenschaften der Oberfläche an.
• Nach dem Stand der Technik werden Werkstücke, z. B. nach der Formgebung, mit einer harten Substanz aus einem anderen Material beschichtet (physical/chemical vapour deposition).
• Keramiken können auch teilweise wie Metalle durch Kugelstrahlen gehärtet werden.
• Das Auftragen von harten Schichten auf beliebige Werkstücke durch das genannte PVD/CVD bringt Haftungsprobleme zwischen dem Substrat und der aufgetragenen Substanz mit sich. Wenn Keramiken durch Kugelstrahlen gehärtet werden, muss jede zu verändernde Oberflächenposition sequentiell abgefahren und bestrahlt werden.
• Bekannt ist eine oberflächliche Härtung von Keramiken durch Austausch von Kationen, wobei die gesinterte und fertig bearbeitete Keramik in einer Salzschmelze bearbeitet wird (siehe DE 17 71 232 C3 ).
• Ziel der Erfindung ist die Steigerung der Härte einer technischen Keramik nur an der Oberfläche eines Werkstücks, da dort der Verschleiß durch starke mechanische Belastung beginnt. Ein harter keramischer Vollkörper ist dagegen nicht erwünscht, um keinen Bruch durch zu geringe Bruchzähigkeit zu riskieren.
• Erfindungsgemäß wird das an sich bekannte Verfahren zur oberflächlichen Härtung durch Austausch von Kationen an einer Sialon-Keramik angewendet.
• Sialon-Keramiken können durch die Wahl der Zusammensetzung der Ausgangspulver und Sinterbedingungen mit unterschiedlichen Härten und Bruchzähigkeiten hergestellt werden. Das Werkstück soll dabei zum einen durch eine hohe Bruchzähigkeit stabil gegen Rissausbreitung sein, andererseits kommt es aber auch auf eine hohe Härte zum Schutz vor oberflächlichem Verschleiß an. Ziel ist daher ein Material, das im Inneren zäh und an der Oberfläche hart ist. Das hier beschriebene Verfahren geht von einer zähen Probe aus, deren Oberfläche durch eine Behandlung nach dem Sinterprozess gehärtet wird.
• Sialon-Keramiken sind zum Beispiel beschrieben in DE 198 50 597 A1 , WO 02/070419 A1 oder WO 2005/016847 A1.
• Bevorzugt wird die Keramik vor der Behandlung in der Salzschmelze zumindest in Teilbereichen poliert.
• In spezieller Ausgestaltung wird die Keramik zwischen 5 und 15 Stunden, bevorzugt ca. 9 Stunden in eine Salzschmelze mit einer Temperatur zwischen 400 °C und 800 °C, bevorzugt um 600 °C, gelegt.
• Als Salzschmelze eignet sich vorteilhaft Kaliumnitrat KNO₃.
• Bevorzugt weist die noch nicht in der Salzschmelze behandelte Keramik eine Härte von ungefähr HV1 1650 auf. HV bedeutet Vickershärte.
• Eine erfindungsgemäße Sialon-Keramik weist im Inneren eine Härte von ungefähr HV1 1650 und im Randbereich eine Härte von ungefähr HV1 1900 auf. Bevorzugt ist diese Sialon-Keramik nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
• Die Erfindung zeichnet sich demnach dadurch aus, dass die gesinterte und fertig bearbeitete Keramik einige Stunden in eine Salzschmelze gegeben wird, die Kationen mit einem größeren Ionenradius als in der Keramik enthält. Dabei findet ein Austausch von Kationen statt, der in der Randschicht Druckeigenspannungen erzeugt.
• Eine Sialon-Keramik eignet sich besonders vorteilhaft für dieses Verfahren. Eine Probe mit polierter Oberfläche wurde neun Stunden in eine Schmelze aus KNO₃ bei einer Temperatur von 600 °C gelegt. Danach wurde eine Härtesteigerung auf HV1 1900 im Vergleich zu der unbehandelten Probe mit HV1 1650 beobachtet.
• Die Technik der oberflächlichen Härtung durch Austausch von Kationen wird zur Härtung von Gläsern schon lange eingesetzt. Neu ist die Übertragung des Prinzips auf Sialon-Keramiken. In beiden Fällen findet eine Diffusion kleinerer Kationen aus der Probe in die Schmelze und größerer Kationen von der Schmelze in die Probe statt. Die größeren Kationen erzeugen in der Randschicht Druckeigenspannungen und steigern dadurch die Härte.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist technologisch leicht zu handhaben. Die Probe wird in einer Salzschmelze bei relativ niedrigen Temperaturen von einigen hundert Grad (Sintertemperatur der Sialon-Keramik 1700-1900 °C) behandelt. Danach wird sie aus der Schmelze genommen, auf Raumtemperatur abgekühlt und anhaftendes Salz in Wasser gelöst. Anschließend ist die Probe sofort einsetzbar.
• Als Kationenlieferant dienen preiswerte Salze wie beispielsweise Kaliumnitrat.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung eines keramischen Bauteils mit einer oberflächlichen Härtung, wobei die gesinterte und fertig bearbeitete Keramik in einer Salzschmelze behandelt wird, gekennzeichnet durch die Anwendung an einer Sialon-Keramik.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik vor der Behandlung in der Salzschmelze zumindest in Teilbereichen poliert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik zwischen 5 und 10 Stunden, bevorzugt werden 9 Stunden, in eine Salzschmelze mit einer Temperatur zwischen 400 °C bis 800 °C, bevorzugt um 600 °C, gelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzschmelze aus Kaliumnitrat KNO₃ besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht in der Salzschmelze behandelte Keramik eine Härte von ungefähr HV1 1650 aufweist.
6. Sialon-Keramik, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik im Inneren eine Härte von ungefähr HV1 1650 und der Randbereich eine Härte von ungefähr HV1 1900 aufweist.
7. Sialon-Keramik nach Anspruch 6, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.