Keramik - 04 Der keramische Brand / Sintern Flashcards
(29 cards)
Definition Brand
Technische Vorgänge zur Konsolidierung eines pulverigen Formkörpers
Definition Sintern
Physikalisch-chemische Vorgänge, die bei der Konsolidierung vom Pulver zum Festkörper ablaufen
- Wärmebehandlung unterhalb des Schmelzpunktes der höchstschmelzenden Verbindung
- Verfestigung des Formkörpers durch Sinterhalsbildung
Ausgangszustand beim Sintern
Grünteil
- relative Dichte zwischen 50% und 70%
Ziele beim Sintern
- Verdichtung eines porösen Grünlings zu einem dichten Festkörper
oder - Festigkeitssteigerung ohne Änderung der Form, Gestalt und Porosität
Treibende Kräfte für die Sinterphänomene
Minimierung der Oberflächen- (E0) und Grenzflächenenergie (EG)
Verdichtung vs. Vergröberung
Verdichtung: Poreneliminierung
Vergröberung: Kornwachstum, Porenwachstum
Sinterstadien: Anfangsstadium
- große Krümmungsgradienten der Oberflächen
- Partikelkontaktflächen berühren einander nicht
- Verdichtung < 3%
- Korngröße <= Partikelgröße
- Gesamtoberfläche >= 50% der Anfangsoberfläche
Sinterstadien: Zwischenstadium
- relative Dichte zwischen 70 und 90%
- offene Porosität
- zylinderförmige, miteinander verbundene Poren
- im späten Stadium: Kornwachstum
- > Korngröße >= Partikelgröße
Sinterstadien: Endstadium
- relative Dichte zwischen 90 und 100%
- geschlossene Porosität
- Kollaps der zylindrischen Poren -> sphärische Poren
- langsame Verdichtung
- starkes Kornwachstum
Treibende Kraft für den Massetransport am Sinterhals
Spannungsgradient
Oberflächentransport
OD = Oberflächendiffusion VK = Verdampfung - Kondensation GD = Gitterdiffusion
Volumentransport
PV = plastische Verformung
KD = Korngrenzendiffusion
GD = Gitterdiffusion
Nur Volumentransport bewirkt eine Verdichtung und die Abnahme der Porosität
Bewegung von Leerstellen beim Sintern:
- entlang der Partikeloberfläche
- > Oberflächendiffusion (OD)
- entlang der Korngrenzen
- > Korngrenzendiffusion (KD)
- durch das Kristallgitter
- > Gitterdiffusion (GD)
Verhältnis Sinteraktivität mit Temperatur und Partikelgröße
- Die Sinteraktivität nimmt mit zunehmender Temperatur zu.
- Die Sinteraktivität nimmt mit abnehmender Partikelgröße zu.
idealer Fertigungsprozess
- Alle Pulverpartikel sind gleichgroß
- Jeder Pulverpartikel besteht aus einem kristallographischen Korn
realer Fertigungsprozess
- Einige Körner wachsen auf Kosten kleinerer Körner
- > Anzahl Seiten des Korns < 6: Korn schrumpft
- > Anzahl Seiten des Korns = 6: Stabiles Korn
- > Anzahl Seiten des Korns > 6: Korn wächst
- Ostwaldreifung
Treibende Kraft für das Schießen von Poren
Sinterspannung als Druckspannung
Zusätzliche Verdichtungsmechanismen, die beim Heißpressen und Heißisostatischen Pressen wirken
- Plastisches Fließen
- Versetzungskriechen
- Korngrenzenkriechen
- > Vollständige Verdichtung bis zur theoretischen Dichte ist möglich
Vorteile des druckunterstützten Sinterns
- Sinterzeiten werden verkürzt
- Sintertemperatur kann reduziert werden
- Vollständige Verdichtbarkeit schwer sinterbarer Systeme
Beispiele für heißgepresste keramische Werkstoffe
Heißgepresstes Silizizmkarbid (HPSiC):
- T = 2000°C, p <= 50MPa
- B- und Al-haltige Sinterzusätze
- theoretische Dichte ist erreichbar
- Anwendung: Ventilstößel
Heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN):
- Temperatur zwischen 1700 und 1800°C
- Haltezeit ca. 90min
- Sinterzusätze: 1% MgO oder 4% Y2O3
- Anwendung: Schneidkeramik für Gusseisen und Nickelsuperlegierungen
Beide Werkstoffe:
- Atmosphäre: Stickstoff
- Verdichtungsmechanismus: Flüssigphasensintern
Heißisostatisch gepresstes Siliziumkarbid (HIPSiC)
- Temperatur zwischen 1900 und 2300°C, p <= 100-400MPa
- Zwei Herstellkosten
- Pulver in einer formgebenden, dünnwandigen Hülle
- Vorgeformter Grünling in einer zylindrischen Kapsel mit Kieselglas als Zwischenstoff
- Aufheizen auf ca. 1000°C und danach aufbringen des Drucks
Heißisostatisch gepresstes Siliziumnitrid (HIPSN)
- Temperatur zwischen 1700 und 1850°C
- p <= 100-400MPa
- HIP vorgeformte Grünlinge
- Anwendung: Turbolader
Heißisostatisches Pressen
- Loses Pulver in Kapsel
- Verdichtung durch HIP bis zu voller Dichte
Heißisostatisches Nachverdichten
- Grünling drucklos bis zu geschlossener Porosität gesintert
- Nachverdichtung in HIP-Anlage bis zu voller Dichte
- Anwendungen:
- > Gelenkkugeln aus Al2O3 für Hüftgelenksendprothesen
- > Turboladerräder aus SiC
