DE4119254A1

DE4119254A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von bauteilen mit einer keramischen oberflaeche

Info

Publication number: DE4119254A1
Application number: DE19914119254
Authority: DE
Inventors: Hans W Prof Dr Bergmann; Martin Hald; Emil Dipl Ing Schubert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1992-12-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächen behandlung von Bauteilen mit einer keramischen Oberfläche.

Die Festigkeit von keramischen Bauteilen oder Bauteilen mit keramischen Oberflächen ist von stochastisch verteilten Fehl stellen, wie beispielsweise Korngrenzen, Poren und Rissen, ab hängig. Dies führt zu einer großen Streuung der Festigkeits werte. Bruchmechanik und Spannungsanalyse belegen, daß die versagensentscheidenden Fehler in der Regel Oberflächenfehler sind, die entweder während der Vorfertigung, beispielsweise der Formgebung durch Pressen oder Sintern, oder durch spanende End bearbeitung, beispielsweise Schleifen oder Polieren, entstanden sind. An diesen Defekten kommt es aufgrund der Kerbwirkung zu einer Spannungsüberhöhung. Überschreitet der Wert dieser Span nungsüberhöhung die Festigkeit des Werkstoffs, so führt dies zum Versagen des Bauteils.

Eine Möglichkeit, die Anzahl und das Ausmaß der Defekte zu verringern und damit höhere Festigkeiten bzw. geringere Schwan kungen zu erreichen, ist die Verwendung reinerer Ausgangswerk stoffe. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine höhere Oberflächenqualität durch eine mechanische Bearbeitung herbei zuführen. So ist beispielsweise eine Erhöhung der Festigkeit des Bauteils durch Feinschleifen, Polieren, Läppen oder Fun kenerodieren möglich. Bei diesen materialabtragenden Verfahren können jedoch neue Schäden entstehen, so daß nicht in allen Fällen die gewünschte Verbesserung eintritt. Durch mechanische Endbearbeitung können beispielsweise Mikrorisse oder verformte Bereiche mit vom üblichen Oberflächenbereich abweichenden, oft unerwünschten Eigenschaften auftreten. Um ausreichende Ober flächenqualitäten mit Rauhtiefen in Bereichen weniger µm zu erreichen, ist bei Feinschleifprozessen außerdem ein erheb licher Zeitaufwand erforderlich.

Eine befriedigende und sichere Verringerung der Streuung der Festigkeitswerte und Erhöhung der Bruchfestigkeit kann somit durch mechanische Endbearbeitung entweder nicht oder nur mit erheblichem Aufwand erzielt werden.

Die Oberflächenqualität eines Bauteils mit einer keramischen Oberfläche spielt nicht nur für die mechanischen Eigenschaften eine Rolle. Auch für andere Eigenschaften, beispielsweise der elektrischen Spannungsfestigkeit von Isolatoren, ist die Ober flächenqualität ausschlaggebend. Auch in diesem Fall sind oft mals mechanische Endbearbeitungsschritte erforderlich, die ebenfalls fertigungstechnisch aufwendig sind und oftmals nicht zu einem befriedigenden Ergebnis führen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mit einer keramischen Ober fläche anzugeben, bei dem mit verringertem fertigungstechnischen Aufwand eine Verbesserung der Oberflächenqualität erzielt werden kann.

Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die keramische Oberfläche eines Bauteils mit einem gepulsten ultravioletten Laserstrahl belichtet wird. Die Belichtung kera mischer Oberflächen mit einem energiereichen ultravioletten La serstrahl stellt einen berührungslosen optischen Prozeß dar, der zu einer glasartigen Ausbildung der Oberfläche führt. Dabei wird die Oberfläche geglättet und ihre Porosität reduziert. Die gute Absorption keramischer Werkstoffe im ultravioletten Spek tralbereich und die Verwendung eines gepulsten ultravioletten Laserstrahls führt zu einem Aufschmelzen nur sehr dünner Ober flächenschichten ohne thermische Belastung des darunter liegen den Grundmaterials. Geeignete keramische Werkstoffe sind sowohl oxidkeramische Werkstoffe, beispielsweise Al₂O₃ oder ZrO₂ als auch nichtoxidkeramische Werkstoffe, beispielsweise SiC, Si₃N₄ oder BN, und Mischkeramiken, beispielsweise SiSiC, RBSN (reaction bonded silicon nitride) oder HIPRBSN (hot isostatic pressed reaction bonded silicon nitride).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Belichtung mit einem gepulsten Laserstrahl vorgesehen, dessen Energiedichte zwischen 10 mJ/mm² und 60 mJ/mm² und dessen Puls dauer zwischen 10 und 300 ns beträgt. Unter Pulsdauer ist da bei die zeitliche Halbwertsbreite zu verstehen. Die Anzahl der Pulse, mit denen derselbe Oberflächenbereich belichtet wird, beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 50.

Zur Belichtung der Oberfläche ist insbesondere ein Excimer laser vorgesehen.

Im folgenden sind die in einem Biegeversuch an unterschiedlich belichteten Al₂O₃-Biegebruchproben ermittelten Ergebnisse in Form einer Tabelle dargestellt. Zur Belichtung wurde ein XeCl- Excimerlaser verwendet, der einen gepulsten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 308 nm und einer Pulsdauer des Einzel pulses von etwa 40 nsec emittiert. Als Biegebruchproben wurden Stäbchen mit verrundeten Kanten verwendet, deren Abmessungen 38×4×4 mm betrugen. Untersucht wurden nicht vorhandene Proben der Reinheiten 96%, 98% und 99,7%. Bei den Proben mit 99,7%iger Reinheit wurden außerdem noch Versuche mit Proben durchgeführt, die bis zu einer Rauhtiefe von 3 µm vorpoliert worden ist. Die Belichtung erfolgte mit unterschiedlichen Energiedichten und unterschiedlicher Anzahl der Pulse, mit denen derselbe Oberflächenbereich belichtet wurde. Für jedes Parameterfeld wurden 30 Biegebruchstäbchen untersucht und die Biegebruchfestigkeit im 4-Punkt-Biegeversuch bestimmt.

Als Maß für die Streuung der im Biegeversuch ermittelten Festig keitswerte ist der sogenannte Weibull-Modul m angegeben, der um so größer ist, je geringer die Streuung ist. Die Ermittlung und Bedeutung des Weibull-Moduls m sind beispielsweise in dem Lehr buch Keramikbearbeitung, G. Spur, Carl Hanser Verlag München Wien 1989, S. 52ff ausführlich erläutert.

Tabelle

In der Tabelle ist außerdem für die untersuchten Biegebruch proben der Wert der Biegebruchfestigkeit bei einer zulässigen Versagenswahrscheinlichkeit von 10% angegeben.

Der Tabelle ist zu entnehmen, daß bei allen untersuchten Pro ben der Weibull-Wert nach erfolgter Belichtung deutlich größer ist als im unbelichteten Zustand. Außerdem ist zu erkennen, daß bei Proben mit geringer Reinheit durch Belichtung zusätz lich eine Erhöhung der Biegebruchfestigkeit verbunden ist, während bei den hochreinen Proben die Biegebruchfestigkeit im wesentlichen gleich bleibt.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mit einer keramischen Oberfläche, bei dem die Oberfläche mit einem ge pulsten ultravioletten Laserstrahl belichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Belichtung ein gepulster Laser strahl verwendet wird, dessen Energiedichte zwischen 10 mJ/mm² und 60 mJ/mm² und dessen Pulsdauer zwischen 10 und 300 ns be trägt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anzahl der Pulse, mit denen der selbe Oberflächenbereich belichtet wird, zwischen 10 und 50 beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Belichtung der Oberfläche ein Excimerlaser verwendet wird.