DE102005023753B4

DE102005023753B4 - Verwendung einer Salzschmelze zur oberflächlichen Härtung einer SiAION-Keramik

Info

Publication number: DE102005023753B4
Application number: DE102005023753A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Prof. Hoffmann; Stefan Holzer
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: DE102005023753A1

Abstract

Verwendung einer Salzschmelze zur oberflächlichen Härtung eines Bauteils aus einer gesinterten und fertig bearbeiteten SiAlON-Keramik durch Behandlung in der Salzschmelze.

Description

Die Erfindung betrifft eine Salzschmelze zur oberflächlichen Härtung eines Bauteils aus einer gesinterten und fertig bearbeiteten Keramik durch Behandlung in der Salzschmelze.
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.
Aus der DE 34 23 911 C2 ist ein oberflächenbeschichteter Keramikkörper auf Sialonbasis bekannt, dessen harte Überzugsschicht aus Nitrid besteht. Zur Herstellung der Überzugsschicht werden das CVD und das PVD Verfahren genannt.
Erfindungsgemäß wird die an sich bekannte Salzschmelze zur oberflächlichen Härtung eines Bauteils aus einer gesinterten und fertig bearbeiteten Keramik durch Behandlung in der Salzschmelze an einer SiAlON-Keramik verwendet.
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.
Für die Salzschmelze wird vorteilhaft Kaliumnitrat KNO₃ eingesetzt.
Bevorzugt wird als noch nicht in der Salzschmelze behandelte Keramik eine SiAlON-Keramik mit einer Härte von HV1 1650 eingesetzt und die Behandlung erfolgt so, dass der oberflächliche Randbereich eine Härte von HV1 1900 aufweist. HV bedeutet Vickershärte.
Eine erfindungsgemäß behandelte SiAlON-Keramik weist im Inneren eine Härte von ungefähr HV1 1650 und im Randbereich eine Härte von ungefähr HV1 1900 auf.
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

Verwendung einer Salzschmelze zur oberflächlichen Härtung eines Bauteils aus einer gesinterten und fertig bearbeiteten SiAlON-Keramik durch Behandlung in der Salzschmelze.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik vor der Behandlung in der Salzschmelze zumindest in Teilbereichen poliert wird.
Verwendung 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.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Salzschmelze Kaliumnitrat KNO₃ eingesetzt wird.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als noch nicht in der Salzschmelze behandelte Keramik eine SiAlON-Keramik mit einer Härte von HV1 1650 eingesetzt wird und die Behandlung so erfolgt, dass der oberflächliche Randbereich eine Härte von HV1 1900 aufweist.