Werkstoffkunde
Keramik
Keramik
Kartei Details
| Zusammenfassung | Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau die Eigenschaften und Verarbeitung von Keramiken, mit Fokus auf Rohstoffe, Gefüge und Sinterprozesse. Sie erklären die Bedeutung von Korngröße, Porosität und Verdichtung für die Festigkeit und Umwandlung von Bauteilen. Besonders nützlich für Studierende der Werkstoffkunde, die sich mit der Herstellung und Optimierung keramischer Werkstoffe befassen. |
|---|---|
| Karten | 111 |
| Lernende | 5 |
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 04.04.2012 / 29.02.2024 |
| Weblink |
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Wie sehen die Gefüge der Silikatkeramik, der feuerfesten Werkstoffe und der Hochleistungskeramik prinzipiell aus ?
SLK: heterogen, porös, Korngröße wenig relevant
FFK: heterogen, 15-17vol% Porosität, sehr grobkörnig
HLK: extrem homogen, Porosität und Korngröße auf Anwendungsfall zugeschnitten
Wie sehen Mg-PSZ-Gefüge aus ?
Grobkörnige kubische Matrix mit feinen tetragonalen Ausscheidungen, die nach monoklin umwandeln können.
Wie sehen Y-TZP-Gefüge aus ?
Feinkörniges Gefüge (< ca. 500 nm)
Wie unterscheiden sich der metallurgische und der keramische Prozess prinzipiell voneinander ?
Wegen der fehlenden Umformbarkeit nach der Halbzeugherstellung erfolgt bei der Keramik zuerst die Rohstoffaufbereitung und Formgebung zum (kreideähnlichen) Grünkörper, dann die irreversible, zu stofflichen und strukturellen Änderungen führende Wärmebehandlung. Das Teil ist danach so verfestigt, dass eine weitere Behandlung nur noch durch Schleifen möglich ist.
Metalle können – evtl. nach Wiedererwärmung - weiter
verformt werden.
Wie unterscheiden sich feinkörnige und grobkörnige Pulverpackungen in ihrem Sinterverhalten in Bezug auf die Materialtransportmechanismen der Verdampfung und Kondensation bzw. der Oberflächendiffusion?
Feinkörnige Teilchen haben einen höheren Dampfdruck als grobe. Die freie Weglänge für Oberflächendiffusion ist kleiner bei feinkörnigen Materialien. Die gen. Mechanismen sind also
sehr viel wirksamer als bei grobem Pulver.
Wie unterscheiden sich feinkörnige und grobkörnige Pulverpackungen in ihrem Sinterverhalten in Bezug auf die Materialtransportmechanismen der Verdampfung und Kondensation bzw. der Oberflächendiffusion?
Feinkörnige Teilchen haben einen höheren Dampfdruck als grobe. Die freie Weglänge für Oberflächendiffusion ist kleiner bei feinkörnigen Materialien. Die gen. Mechanismen sind also
sehr viel wirksamer als bei grobem Pulver.
Wie verhalten sich nanokristalline Pulver nach der Herstellung bei Raumtemperatur?
Sie beginnen bei Kontakt bereits spontan Sinterhälse auszubilden. Schädlich für die Formgebung !
Man muss erst diese Teilchenketten „knacken“.
Wie wichtig ist das Mahlen, Homogenisieren, Dispergieren der Rohstoffe für den weiteren
Herstellungsprozeß und die Eigenschaften der Erzeugnisse ?
Sehr wichtig für:
a) Formgebung: größere und gleichmäßige Packungsdichten werden erzielt
b) Sinterprozess: Schwindung beginnt bei niedrigeren Temperaturen und führt zu höheren Enddichten
c) mechanische Eigenschaften: höhere Festigkeit
Wie wirken Eigenspannungen in einer Al2O3/ZrO2-Mischkeramik auf die Phasenumwandlung?
"Alpha":
Al2O3= 8x10-6 1/K;
ZrO2= 10x10-6 1/K
Sind ZrO2-Keramiken gute verschleisresistente Werkstoffe ? Argumentieren Sie mit der Harte und der Warmeleitfahigkeit?
Al2O3-Matrix schwindet weniger als ZrO2-Teilchen. Es entstehen um das ZrO2-Teilchen radiale Zugspannungen, die die Umwandlung fördern. Auf diese Weise lässt sich die Umwandlung gerade so unterdrücken, dass das ZrO2 (bei kleiner Korngröße) in einem Lastspannungsfeld umwandelt.
Wie wirken sich große Teilchen relativ zu kleinen Teilchen bei gleichem Abstand aus ?
Große Teilchen heißt großes 2r im Diagramm; Kurven steigen nach links an, d.h. Festigkeitserhöhung
nimmt (wenig) zu.
Wie wirken sich hohe Teilchenkonzentrationen auf den Rißablenkungsmechanismus aus ?
Zunächst positiv, bis es zu einer Überlagerung der Spannungsfelder kommt und der Riss nicht mehr in Wechselwirkung mit diesen tritt. Ferner beachten Sie bitte das steigende Risiko für die Bildung von Gefügeinhomogenitäten und Defekte.
Wie wirkt sich das Glasieren und Dekorieren von Silikatkeramik wirtschaftlich auf die Kosten der traditionellen Erzeugnisse aus ?
Verteuernd wegen der Handarbeit.
Wie wirkt sich eine höhere Ausgangsdichte auf den weiteren Verdichtungsprozess aus ?
Wie wirkt sich eine höhere Ausgangsdichte auf den weiteren Verdichtungsprozess aus ?
Schwindung beginnt bei geringeren Temperaturen und führt zu höheren Enddichten.
Wie würden Sie einen leichten, aber wasserdichten Sinterkörper herstellen ?
~Abbruch des Sintervorgangs am Ende des 2.Sinterstadiums (Schwindungsstadium);
~Nutzung des Porenschlusses zur Ausbildung definierter geschlossener Porosität (ein kleiner Rest offener Porosität bleibt ggf. übrig).
Wieso benötigen Hartgewebeersatz-Implantate („Knochenreparaturstücke“) aus Calciumphosphatkeramik
eine definierte Porosität ?
Knochenzellen konnen Keramik besser resorbieren, wenn die Porendurchmesser 70-400 ym betragen. (Zelldurchmesser ca. 30 ym).
Wieso kann die Wärmeleitfähigkeit durch reine Korngrenzen und große Körner verbessert werden ?
Größere freie Weglänge für Phononen bis zur nächsten Impedanz (Hindernis): Korngrenze.
Wieso wirken die mehrphasigen Sintersysteme kornwachstumshemmend ?
Körner einer Zweitphase stehen der Korngrenzenwanderung der Matrixphase im Wege und andersherum. Sie müssen von der Korngrenze umgangen oder geschnitten werden.
Dabei baut sich eine Linienspannung auf, die der weiteren Korngrenzenbewegung entgegengerichtet ist.
Wo würde man am besten Qualitätskontrollen einbauen ?
~Rohstoffe (Eingangsprüfung:(Mineralbestand, Korngröße, chemische Zusammensetzung);
~danach mangels hochauflösender Charakterisierungsmethoden nahezu unmöglich;
~nach dem Sinterprozess (Rissfrei, Verzug der Geometrie); ~nach der Hartbearbeitung (Schleifen...), dann mechanische, elektrische usw. Funktionsprüfung.
[Bei den nicht kontrollierbaren Zwischenschritte sollten zumindest die apparativen Parameter erfasst und archiviert werden, damit man später Fehler zurückverfolgen kann.]
Wovon hängt die Ausgangsdichte ab ?
~Von der Packungsdichte und Korngröße der Pulver: also möglichst hohe Packungsdichte (gleichmäßige Pulverteilchen, Kugelform hilfreich, kleine Korngrößen).
[Im Idealfall Korngrößen so wählen, dass man auch die Lücken in der Dichtestpackung füllen kann.]
~Ferner vom Formgebungsverfahren, das eine möglichst hohe Grünkörperdichte erreicht
(Kaltisostatpressen > axiales Trockenpressen > Schlickerguss > Spritzguss.)
Würden Sie – um ein homogenes Gefüge bei optimaler Verdichtung einzustellen – eher länger bei niedrigeren Temperaturen sintern oder lieber kurz bei hohen Temperaturen (Begründung)?
Lieber kurz bei höheren Temperaturen, da höhere Enddichten erzielbar sind.
Aus welchen Komponenten und Werkstoffen besteht ein Hüftgelenksimplantat ?
~Schaft (Titanlegierung)
~Distanzstück (rostfreier Stahl)
~Kugel (Al2O3)
~Pfanne (Keramik, Kunststoff oder Stahl)
Die Endbearbeitung von Keramikbauteilen erfolgt mittels Schleifen mit Diamantwerkzeugen.
Wie müssen die Schleifriefen in Ihrem Bauteil relativ zur axialen Lasteinleitung verlaufen, um eine maximale Festigkeit zu garantieren (Zeichnung) ?
Schleifrichtung parallel zur Zugspannung, sonst Kerbwirkung !
Die für eine hohe Thermoschockbeständigkeit geforderten Eigenschaften zielen nicht immer
in die gleiche Richtung. Zeigen Sie anhand der erforderlichen Korngröße, welche Eigenschaften sich verbessern und welche sich verschlechtern.
Wärmeleitfähigkeit verbessert sich mit steigender Korngröße (freie Weglänge der Phonen)
Eigenspannungen erhöhen sich (ist schlecht für Thermoschock), Festigkeit sinkt.
Was tun? Experimentellen Kompromiss suchen !
Ein Bauteil wurde mittels der Vickers-Prüfmethode auf Härte geprüft. Können Sie dieses Bauteil noch für mechanische Belastungen verwenden ?
Unterscheidung:
~Makrohärte
~Mikrohärte
Härteprüfung bedeutet Herstellung eines Eindrucks (= Fehler); bei Keramik ist dies ferner mit Rissbildung (Medianrisse, Lateralrisse) gekoppelt, die viel größer sind als
der Eindruck selbst.
Daher: Achtung mit solchen Teilen:
~Makrohärtetests generell schädlich für Festigkeit
~Mikrohärtetests kann man durchgehen lassen.
Ein Fabrikant will von Ihnen einen Kredit für eine große Investition zu einer Produktfertigung.
In seinen Akten finden Sie ein Weibulldiagramm zu diesem Produkt. Worauf achten Sie
und warum ?
Festigkeitsniveau, Streuung der Werte (Geradensteigung); sind einzelne Fehlerpopulationen (Unterkurven) sichtbar ?
Dies bedeutet evtl., dass eine Abhilfe im Produktionsprozess
möglich ist.
Erläutern Sie die Griffith-Gleichung in ihrer Bedeutung für die Herstellungstechnik.
Griffith-Gleichung: Bruchzähigkeit erhöhen (Gefügeoptimierung, Werkstoffentwicklung!
Defektgrößen erniedrigen, feine Pulver nehmen, homogene Dispersion, sorgfältige (saubere) Aufbereitung, Abrieb und Kontaminationen vermeiden, ggf. durch Reinraumtechnik;
intelligente Sinterparameter wählen, Kontrolle der Prozessschritte soweit möglich. Proof-Tests am Ende der Herstellungskette.
Für welche Sinterschritte sind besondere Pulvereigenschaften erforderlich ?
Verdamofung/Kondensation und Grenzfächendiffusion
verändert; später ist die Ausgangskornform nicht mehr von Bedeutung. Im 1. Stadium entscheidet auch die Korngröße, inwieweit Verdampfung usw. stattfindet
(siehe Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Korngröße).
Gibt es „Grauzonen“ zwischen den drei Branchen ?
Wo würden Sie die Zündkerze zuordnen ?
Welche High-Tech-Funktionsteile gibt es im Bereich Feuerfest ?
Überlappungen oder Zuordnungsschwierigkeiten gibt es bei den trad. tech. Keramiken (Zündkerze, Isolatoren), die manchmal der SLK, manchmal der HLK zugeordnet werden [Achtung: daher oft Verfälschung der Marktstatistiken !].
Ferner werden für die Feuerfestbranche besondere Funktionselemente entwickelt wie Schieber, Verschlüsse, Ventile, Sonden etc., die High-Tech-Charakter aufweisen.
Gibt es bei Keramiken eine „Verfestigung“ wie bei Metallen ?
Nein, es gibt nur dann einen Spannungsanstieg, wenn sich grobe Körner verhaken und das Korngrenzengleiten behindern.
Hartgewebeersatz-Implantate („Knochenreparaturstücke“) aus Calciumphosphatkeramik benötigen eine definierte Porosität.
Wie würde Sie eine solche Porosität einstellen??
Sintern im 1. Sinterstadium;
organische Füller einbauen und Ausbrennen
mit Laser Löcher bohren.
In welchem Sinterstadium bildet sich das rechts dargestellte Gefüge aus ?
Welche Materialtransportmechanismen waren wirksam ?
~im 1. Sinterstadium
~Verdampfung/Kondensation und Oberflächendiffusion
In welchen Anwendungen hatten ker. Bauteile zunächst sehr gute Einsatzchancen, kamen aber dann doch nicht zum Zug ?
Warum war hier die Keramik gegenüber metallischen
Bauteilen benachteiligt ?
In welchen Anwendungen hatten keramische Bauteile zunächst sehr gute Einsatzchancen,
kamen aber dann doch nicht zum Zug ? Warum war hier die Keramik gegenüber metallischen
Bauteilen benachteiligt ?
Komponenten in der Kfz-Technik:
Turbolader, Ventil, Motorblock, Zylinderköpfe, Portliner etc.;
~Herstellung zu teuer, Verhalten zu unzuverlässig;
~starke Konkurrenz zu Metallen;
~geringerer Nutzen als erwartet (Wirkungsgrad,NOx-Emission..)
Ist das fortschreitende Kornwachstum nützlich oder schädlich
a) für den Verdichtungsprozess und
b) für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils (Begründung)?
a) nützlich: wandernde Korngrenzen konnen auch Poren treffen, wobei diese durch Grenzflachendiffusion ausheilen konnen. Die ist kinetisch leichter als durch Volumendiffusion (Transport von O2, N2, CO2, H2O usw. durch einen Festkorper !!).
b) schädlich wegen 1/"wurzel-a" (Griffith-Gleichung); wenn sonst keine Defekte da sind, ist die Korngröse der Defekt.
Ist der Mechanismus der Verdampfung und Wiederkondensation für das Sintern von Pulvern
hilfreich oder schädlich (Begründung) ? Welche Gefügeveränderungen erwarten Sie grundsätzlich?
Schädlich !
Verlust an Triebkraft ohne Schwindung ! Bildung vom Teilchenketten; Öffnung neuen Porenraums.Gut, wenn man poröse Sinterkörper braucht !
Kann man Keramiken spannungsfrei glühen ?
Worin liegt hier der wesentliche Unterschied zu Metallen ??
Nicht sinnvoll, da oberhalb To geglüht werden muß und sich beim Abkühlen dann die Spannungen wieder aufbauen.
Metalle: Versetzungen !
Keramische Werkstoffe gelten als unempfindlich gegenüber Säuren und Laugen, Metallschmelzen
und Schlacken. Unterscheiden Sie nun genauer zwischen den Körnern und den
Korngrenzen. Welches sind die chemisch stabileren Gefügebestandteile und warum ?
Korngrenzen sind strukturell undefiniert (Großwinkel-KG sind quasi-amorph) und haben Verunreinigungen angereichert. Sie sind daher weniger resistent gegen Korrosion (siehe Folien: Diffusionskoeffizienten in Gläsern !) als die Körner. Keramiken werden also entlang der Korngrenzen chemisch „gespalten“. Daher sind auch grobkörnige Feuerfestprodukte besser als feinkörnige (mehr Korngrenzen).
Nennen Sie einige keramische Bauteile für die Energietechnik:
~ Brennkammer für Gasturbine,
~ Kacheln für Müllverbrennungsanlagen
~ Wärmetauscher für Kraftwerke, Heizungen...
~ Brennerdüsen für Öl-/Gasheizungen
~ Wärmedämmplatten/-schichten für Ofen, Turbinenschaufeln, [Space Shuttle]
Schätzen Sie ab, bei welchen Temperaturen elastische Spannungen in keramischen Werkstoffen
relaxieren.
Begründung ?
OK: um 800 °C (wg. Glasphasen)
NOK: 900-1200 °C.
Verunreinigungen spielen auch eine Rolle !
Begründung: => Spannungsrelaxationstemperatur
Sie wählen billige Rohstoffe für eine Massenanwendung geringer Wertschöpfung. Diese sind daher mit Verunreinigungen versehen.
Wo finden Sie diese Verunreinigungen nach dem Sintern wieder?
An den Korngrenzen. Durch die strukturellem Verzerrungen finden Verunreinigungsatome/ionen immer einen geeigneten Platz in den Korngrenzen.
Sind steile oder eher flache R-Kurven nützlich für die Verstärkung keramischer Bauteile gegen statische Belastungen ?
Steile sind besser, da ein laufender Riß sofort einen großen Anstieg des Bruchwiderstandes sieht (damit bleibt auch a klein).
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