EP2150511A2 - Keramischer werkstoff - Google Patents

Keramischer werkstoff

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EP2150511A2
EP2150511A2 EP08749724A EP08749724A EP2150511A2 EP 2150511 A2 EP2150511 A2 EP 2150511A2 EP 08749724 A EP08749724 A EP 08749724A EP 08749724 A EP08749724 A EP 08749724A EP 2150511 A2 EP2150511 A2 EP 2150511A2
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Peter Schröter
Wolfgang Jaschinski
Volker Sommer
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Abstract

Keramische Werkstoffe sind spröde und deshalb in der Regel nicht für dynamische Belastungen, insbesondere durch Vibrationen und Stöße hervorgerufen, geeignet. Erfindungsgemäß wird deshalb ein Werkstoff vorgeschlagen, zusammengesetzt aus einem hohen Anteil an Aluminiumoxid sowie Zirkonoxid und Strontiumaluminat.

Description

Keramischer Werkstoff
Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff, der insbesondere für dynamische Belastungen geeignet ist.
Keramische Werkstoffe bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ihre Zusammensetzung kann durch gezielte Zugabe von bestimmten Elementen und/oder deren Verbindungen auf den jeweils vorgesehenen Einsatz abgestimmt werden. Aluminiumoxid und Zirkonoxid beispielsweise sind keramische Werkstoffe, die einzeln oder in Kombination miteinander unter anderem zu Schneidwerkzeugen, Katalysatorträger oder Prothesen verarbeitet werden.
Keramische Werkstoffe sind spröde und deshalb in der Regel nicht für dynamische Belastungen, insbesondere durch Vibrationen und Stöße hervorgerufen, geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen Werkstoff vorzustellen, der für dynamische Belastungen geeignet ist.
In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass sich ein Aluminiumoxidwerkstoff in der nachfolgend tabellarisch aufgeführten Zusammensetzung im Sinterkörper als
Werkstoff mit der Fähigkeit zur Energieabsorption bei dynamischer Belastung eignet.
Somit eignet sich dieser Werkstoff insbesondere für die Anwendung als
Schutzkeramik, also zur Herstellung von Bauteilen, bei denen eine Energieabsorption erforderlich ist, wie beispielsweise bei Panzerungen, insbesondere bei Beschussplatten.
Aluminiumoxid in entsprechender Ergänzung zu 100 Gew.-% Dominierender Gefügebestandteil einer solchen Werkstoffkombination ist das Aluminiumoxid. Daher liegen die eigenschaftsbestimmenden Merkmale wie Härte, Elastizitäts-Modul und Wärmeleitfähigkeit, dicht an den Eigenschaften von reinem Aluminiumoxid. Die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat sind in die Aluminiumoxidmatrix eingelagert. Die Rohstoffe werden vorzugsweise in hoher Reinheit eingesetzt. Durch die hohe Reinheit der Rohstoffe bilden sich nur in extrem geringem Umfang Korngrenzenphasen. Das Strontiumaluminat bildet charakteristische plättchenförmige Kristallite, Platelets, die wesentlich zur Steigerung der Festigkeit beitragen.
Die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat tragen zur Steigerung der Risszähigkeit bei, die um etwa 60% höher liegt als bei reinem Aluminiumoxid. Durch diese Verstärkungskomponenten wird die Festigkeit fast um den Faktor 2 gesteigert, gleichzeitig steigt die Schadenstoleranz, das heißt die Eigenschaft des Bauteils, auch bei einer möglichen Beschädigung noch eine hohe Restfestigkeit zu behalten.
Bei hoher mechanischer Belastung eines aus dem Werkstoff hergestellten Sinterkörpers werden überraschenderweise Mechanismen aktiviert, die beispielsweise eine Rissausbreitung hemmen oder stoppen. Der wichtigste Mechanismus ist dabei die spannungsinduzierte Umwandlung des Zirkonoxids von der tetragonalen zur monoklinen Phase. Die mit der Umwandlung einhergehende Volumenvergrößerung des Zirkonoxids bewirkt die Ausbildung lokaler Druckspannungen, die der äußeren Zugbelastung entgegenwirkt und somit das Risswachstum behindert.
Durch die eingelagerten Platelets wird überraschenderweise der Risspfad abgelenkt, so dass zusätzliche Energie bei der Rissausbreitung absorbiert wird.
Als Besonderheit des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist anzusehen, dass sich die beiden Mechanismen wechselseitig verstärken, so dass die effektive Steigerung der Risszähigkeit sogar größer ist, als es durch simple Addition der Einzelmechanismen zu erwarten wäre. Eine bevorzugte Werkstoffzusammensetzung mit ihren Eigenschaften ist nachfolgend aufgeführt:
Der Gehalt an AI2O3 ergänzt sich von 72,65 Gew.-% bis 74,54 Gew.-%. Rohstoffbedingte Verunreinigungen (< 0,05 Gew.-%) sind möglich, aber wegen ihres geringfügigen Anteils nicht gesondert aufgeführt.
Die Herstellung von Sinterform körpern aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff erfolgt mittels konventioneller Keramiktechnologie. Die wesentlichen Prozessschritte sind:
a) Pulvermischung gemäß vorgegebener Zusammensetzung in Wasser ansetzen, Verwendung von Verflüssigern zur Vermeidung der Sedimentation. b) Homogenisieren im Dissolver (schnelllaufender Rührer). c) Mahlen in Rührwerkskugelmühle, dabei Erhöhung der spezifischen Oberfläche der Pulvermischung (= Zerkleinerung). d) Zugabe von organischen Bindern. e) Sprühtrocknen, dabei entsteht ein rieselfähiges Granulat mit definierten Eigenschaften. f) Befeuchten des Granulats mit Wasser. g) Axial oder isostatisch pressen. h) Spanabhebende Grünbearbeitung, dabei wird unter Berücksichtigung der Sinterschwindung weitgehend die Endkontur abgebildet. i) Vorbrand, dabei Schwindung auf ca. 98% der theoretischen Dichte. Die noch verbleibenden Restporen sind nach außen geschlossen. j) Heißisostatisches Pressen unter hoher Temperatur und hohem Gasdruck, dadurch praktisch vollständige Endverdichtung. k) Sogenannter Weißbrand, dadurch wird das beim heißisostatischen Pressen erzeugte Ungleichgewicht der Sauerstoffionen in der Keramik ausgeglichen.
I) Hartbearbeitung durch Schleifen und Polieren, m) Tempern. Die Eigenschaften des Sinterformkörpers aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff können noch durch Einlagerungen verstärkt werden. So ist es möglich, Whisker und/oder Fasern vor der Ausformung eines Sinterkörpers in den Werkstoff zu mischen oder netzartige Strukturen oder Gewebe in den Werkstoff im Grünzustand einzuarbeiten. Die Whisker, Fasern oder Netze oder Gewebe müssen aus einem Werkstoff sein, der nicht mit dem keramischen Werkstoff in der Weise in Wechselwirkung tritt, dass eine Verschlechterung seiner Eigenschaften eintritt. Außerdem darf sich der Werkstoff während des Sinterns nicht in einer Weise verändern, dass der Werkstoff geschädigt wird.
Sinterform körper, die aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff gefertigt werden, vereinen überraschenderweise die jeweils besten Eigenschaften der an sich konkurrierenden keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid und Zirkonoxid, insbesondere für die Anwendung als Schutzkeramik, in sich: Härte, Alterungsbeständigkeit, Benetzungsverhalten gegenüber Wasser und hohe Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Aluminiumoxid bekannt sind, hohe Festigkeit und hohe Risszähigkeit, das heißt Schadenstoleranz, sind Eigenschaften, die von Sinterform körpern aus Zirkonoxid bekannt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er 72 bis 82 Gew.-% AI2O3, 18 bis 28 Gew.-% ZrO2, O bis 1 Gew.-% Cr2O3, O bis 6 Gew.-% Y2O3, O bis 2 Gew.-% SrO, O bis 0,5 Gew.-% TiO2 und O bis 0,5 Gew.-% MgO enthält.
2. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er 24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,26 bis 0,35 Gew.-% Cr2O3, 0,50 bis 0,6 Gew.-% Y2O3, 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO, sowie AI2O3 in Ergänzung zu 100 Gew.-% enthält.
3. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 4- Punkt-Biegefestigkeit > 1000 MPa beträgt.
4. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchzähigkeit K|C ≥ 5,5 MPam0 5 ist.
5. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Weibull-Modul > 7 ist.
6. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte HV10 > 1740 ist.
7. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte ED2000 > 4,360 g/cm3 ist.
8. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zusätzlich mit Whiskern und/oder Fasern oder netzartigen Strukturen oder Geweben aus geeigneten Werkstoffen durchsetzt ist.
9. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat in der Aluminiumoxidmatrix eingelagert sind.
10. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strontiumaluminat in Form von plättchenförmigen Kristalliten, Platelets, vorliegt.
11. Sinterformkörper, erhältlich aus einem keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.
12. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von Sinterformkörpern.
13. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von Bauteilen mit der Fähigkeit zur Energieabsorption bei dynamischer Belastung.
14. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß Anspruch 13 zur Herstellung von Panzerungen, insbesondere Beschussplatten.
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