Werkstoffkunde
Keramik
Keramik
Kartei Details
| Karten | 111 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 04.04.2012 / 29.02.2024 |
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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).
Sind ZrO2-Keramiken gute thermoschockresistente Werkstoffe?
Argumentieren Sie mit der Wärmedehnung, der Wärmeleitfähigkeit und dem E-Modul.
Nein, Wärmedehnung sehr hoch, Wärmeleitfähigkeit sehr gering; der E-Modul istz aber gering, was wieder günstig ist; es reicht aber nicht, um die anderen Nachteile zu kompensieren.
Tragen die Materialtransportmechanismen der Verdampfung und Kondensation bzw. der Oberflächendiffusion zur Verdichtung eines Sinterkörpers bei ?
Nein:
sie führen zur Teilchenverschlankung und zur Kettenbildung.Sie tragen aber über die Sinterhalsbildung zur ersten Verfestigung bei.
Warum besitzen feuerfeste Werkstoffe üblicherweise eine Porosität von 15-17 vol.-% ?
Elastizitätsmodul sinkt mit steigender Porosität; Dehnungen steigen, Thermoschockbeständigkeit
wird besser.
Aber: Infiltrationsbeständigkeit ? Daher möglichst geschlossene Poren einstellen !
Warum bilden sich nadelige Apatitkristalle (siehe Biowerkstoffe) beim Sintern von Calciumphosphat-
Keramik aus ?
Anisotropie der Oberflächenenergie dominiert Erniedrigung der Gesamtoberflächenenergie; daher keine Kugelform.
Warum gibt es heute kaum noch keramische Isolatoren ? Und wenn ja, für welche Einsatzfälle ?
Kunststoffe leichter, besser, dünnwandiger, billiger und zuverlässiger in der Herstellung;
Ausnahme:
~ Hochspannungsbereich, hier Glas als Konkurrenz
~ Multilayersubstrate mit integrierten Leiterbahnen
Warum gibt es keine dichten Implantate aus Calciumphosphatkeramik ?
Keine guten mechanischen Eigenschaften erzieltbar (KIc = 1 MPam1/2), schlecht sinterfähig wegen Zersetzung.
Warum ist das Kornwachstum bei höheren Temperaturen schneller als bei niedrigeren Temperaturen?
Es ist mehr thermische Energie für den Materialtrasnsport zur Verfügung.
Warum ist der Schleifprozess (Hartbearbeitung) der wichtigste Prozess-Schritt?
~ Letzter Schritt, kann neue und große Fehler einbringen (Schleifriefen, Furchen, Risse)
~ kostet 50% der Gesamtproduktionskosten.
Warum ist es werkstofftechnisch schwierig, Space-Shuttle-Kacheln unter Weltraumbedingungen
zu reparieren ?
1) Man muss adhäsive Bindungen bei –150°C herbeiführen !
2) Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminiumkonstruktion, Fasermatte und Kunststoffkleber.
Warum kann man Keramik nicht einfach gießen wie Metalle und dann umformen ?
~Sprödigkeit, keine plastische Verformbarkeit;
~Guß wegen sehr hoher Schmelztemperaturen oder Zersetzung (Siliciumnitrid) kaum möglich;
[wird in Ausnahmen für sehr große Feuerfestteile im Lichtbogenofen gemacht: sog. Schmelzgegossene Erzeugnisse].
Warum muss man eigentlich heizen, obwohl die Triebkräfte alle auch bei Raumtemperatur vorhanden sind ?
Materialtransportmechanismen benötigen Aktivierungsenergie.
Warum müssen Y-TZP-Gefüge extrem feinkörnig sein ?
Zur Unterdrückung der spontanen Umwandlung. Erforderliche Korngröße korreliert mit Stabilisatorkozentration.
Warum nimmt die Wärmeleitfähigkeit keramischer Stoffe mit zunehmender Temperatur zunächst ab, dann aber wieder zu ?
Gerichtete Phononenbewegung wird durch thermische Schwingungen zunehmend behindert, dann übernehmen Strahlung und Konvektion den Wärmetransport.
Warum nimmt man kein Titan als Zahnersatz ?
Sieht nicht gut aus.
Warum sind die verstärkenden Teilchen in ihrer Größe einer sinnvollen Beschränkung unterworfen?
Müssen < ac sein.
Warum sind eingelagerte Fasern besser als Plättchen oder Kugeln ?
Mit steigendem Verhältnis von Länge zu Dicke nimmt der Einfluss von Rissverkippung und Rissverdrillung zu, d.h. neben dem KIc werden dann auch KIIc und KIIIc wirksam.
Warum sollte eine Produktion vom Pulver bis zum Bauteil möglichst in einer Hand sein – andersherum gefragt:
Wieso sollte man keine keramischen „Halbzeuge“ (z.B. Grünkörper) einkaufen, um sie dann fertigzustellen ?
~Kette der Fehlerfortpflanzung ist dann nachvollziehbar; man kann daher Defektquellen finden und abstellen.
~Das komplette Verständnis ist in einer Hand – damit auch die gesamte Wertschöpfungskette.
~Grünkörper lassen sich schlecht versenden: Bruch.
Warum sollten Sie nur reine Rohstoffe für Hochtemperaturanwendungen benutzen ?
Verunreinigungen bilden eine Art Glasphase an der Korngrenze; diese beginnt oberhalb der Glastransformationstemperatur (bei Oxiden ca. 800oC) zu erweichen. Es erfolgt viskose Verformung. Auch sind „saubere“ Korngrenzen stabiler gegenüber Diffusion/Korrosion wie glasartige
Was bedeutet der KIc-Faktor ?
Kritischer Spannungsintensitätsfaktor:
Bruchwiderstand, Bruchzähigkeit. Materialeigenschaft,
die über die behandelten Verstärkungsmechanismen beeinflusst werden kann.
Was bewirkt die Zerkleinerung noch außer der Verringerung der Korngröße ?
~ Erhöhung der spezifischen Oberfläche (m2/Gramm), d.h. Erhöhung der Sinteraktivität
~ Verbesserung der Dispersion bei mehrphasigen Rohstoffen, verbesserte Homogenisierung
