TY - BOOK

T1 - Oberflächenzustand und Festigkeit von kommerziellem Siliziumnitrid

AU - Harrer, Walter Stefan

N1 - nicht gesperrt

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Die Festigkeit von Keramiken wird durch Defekte begrenzt. Diese Defekte entstehen entweder während der Herstellung im Gefüge der Keramik oder werden während der Fertigung von Proben an der Oberfläche eingebracht. Um die Festigkeit des Werkstoffes zu messen, muss die Oberflächenbearbeitung daher sehr sorgfältig durchgeführt werden. Dies ist in der Regel mit großem Aufwand verbunden und dementsprechend kostspielig. Auch die Oberfläche keramischer Bauteile wird (zumindest in einigen Bereichen) bearbeitet. Daher ist auch bei Bauteilen die Festigkeit und Zuverlässigkeit von der Oberflächenbearbeitung abhängig. Bei einem uniaxialen Spannungszustand sind nur Risse gefährlich, die senkrecht zur Spannung orientiert sind. Bei einem biaxialen Spannungszustand spielt die Orientierung der Risse aber keine Rolle. Zur Untersuchung des Einflusses von Oberflächendefekten ist daher ein biaxiales Prüfverfahren besser geeignet als ein uniaxiales. In dieser Arbeit wird der Einfluss von verschiedenen Oberflächenzuständen auf die Festigkeit untersucht. Als Prüfmethode wird der biaxiale 4-Kugelversuch herangezogen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitungstechnik einen starken Einfluss auf die mittlere Festigkeit der als Modellwerkstoff herangezogenen kommerziellen Siliziumnitrid-keramik (Hersteller: FCT Ingenieurkeramik, Deutschland) und auf die Streuung der Festigkeitswerte hat, wenn die durch die Bearbeitung erzeugten Defekte größer und häufiger als die Defekte im Inneren des Werkstoffes sind. Beim Schleifen mit grobkörnigen oder schlecht geschärften Schleifscheiben kommt es zu einer deutlichen Verringerung der Probenfestigkeit. Beim nachträglichen Polieren werden die beim Schleifen eingebrachten Fehler weitgehend beseitigt und die mittlere Festigkeit ist hoch. Es werden aber vereinzelt neue oberflächennahe Defekte freigelegt, die zu einer beträchtlichen Streuung der Festigkeit führen. Durch eine eigens entwickelte Wärmebehandlung ist es gelungen einen Großteil der oberflächlichen Defekte auszuheilen. Es bildet sich eine dünne Glasschicht an der Oberfläche, welche die Risse und Poren verklebt sofern diese nicht zu tief in das Material hineinreichen. Mit dieser Wärmebehandlung konnte die mittlere Festigkeit stark erhöht und die Streuung der Festigkeitswerte deutlich verringert werden. Aufgrund der hohen Bearbeitungskosten und in manchen Fällen auch aufgrund der Geometrie der Bauteile ist eine Erhöhung der Oberflächenqualität durch eine bessere Endbearbeitung oft nicht möglich. Daher ist eine Kombination aus einer guten Oberflächenbearbeitung und der entwickelten Wärmebehandlung ein interessanter Ansatz, die Festigkeit, Standzeit und Zuverlässigkeit von Bauteilen aus Siliziumnitrid mit geringem Aufwand und daher auch zu geringen Kosten zu verbessern.

AB - Die Festigkeit von Keramiken wird durch Defekte begrenzt. Diese Defekte entstehen entweder während der Herstellung im Gefüge der Keramik oder werden während der Fertigung von Proben an der Oberfläche eingebracht. Um die Festigkeit des Werkstoffes zu messen, muss die Oberflächenbearbeitung daher sehr sorgfältig durchgeführt werden. Dies ist in der Regel mit großem Aufwand verbunden und dementsprechend kostspielig. Auch die Oberfläche keramischer Bauteile wird (zumindest in einigen Bereichen) bearbeitet. Daher ist auch bei Bauteilen die Festigkeit und Zuverlässigkeit von der Oberflächenbearbeitung abhängig. Bei einem uniaxialen Spannungszustand sind nur Risse gefährlich, die senkrecht zur Spannung orientiert sind. Bei einem biaxialen Spannungszustand spielt die Orientierung der Risse aber keine Rolle. Zur Untersuchung des Einflusses von Oberflächendefekten ist daher ein biaxiales Prüfverfahren besser geeignet als ein uniaxiales. In dieser Arbeit wird der Einfluss von verschiedenen Oberflächenzuständen auf die Festigkeit untersucht. Als Prüfmethode wird der biaxiale 4-Kugelversuch herangezogen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitungstechnik einen starken Einfluss auf die mittlere Festigkeit der als Modellwerkstoff herangezogenen kommerziellen Siliziumnitrid-keramik (Hersteller: FCT Ingenieurkeramik, Deutschland) und auf die Streuung der Festigkeitswerte hat, wenn die durch die Bearbeitung erzeugten Defekte größer und häufiger als die Defekte im Inneren des Werkstoffes sind. Beim Schleifen mit grobkörnigen oder schlecht geschärften Schleifscheiben kommt es zu einer deutlichen Verringerung der Probenfestigkeit. Beim nachträglichen Polieren werden die beim Schleifen eingebrachten Fehler weitgehend beseitigt und die mittlere Festigkeit ist hoch. Es werden aber vereinzelt neue oberflächennahe Defekte freigelegt, die zu einer beträchtlichen Streuung der Festigkeit führen. Durch eine eigens entwickelte Wärmebehandlung ist es gelungen einen Großteil der oberflächlichen Defekte auszuheilen. Es bildet sich eine dünne Glasschicht an der Oberfläche, welche die Risse und Poren verklebt sofern diese nicht zu tief in das Material hineinreichen. Mit dieser Wärmebehandlung konnte die mittlere Festigkeit stark erhöht und die Streuung der Festigkeitswerte deutlich verringert werden. Aufgrund der hohen Bearbeitungskosten und in manchen Fällen auch aufgrund der Geometrie der Bauteile ist eine Erhöhung der Oberflächenqualität durch eine bessere Endbearbeitung oft nicht möglich. Daher ist eine Kombination aus einer guten Oberflächenbearbeitung und der entwickelten Wärmebehandlung ein interessanter Ansatz, die Festigkeit, Standzeit und Zuverlässigkeit von Bauteilen aus Siliziumnitrid mit geringem Aufwand und daher auch zu geringen Kosten zu verbessern.

KW - Siliziumnitrid

KW - 4-Kugelversuch

KW - Festigkeit

KW - Defekte

KW - Wärmebehandlung

KW - silicon nitride

KW - Ball-on-Three Balls test

KW - strength

KW - defects

KW - heat treatment

M3 - Dissertation

ER -