Vom Pulver bis zum Bauteildesign

Das Frauenhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) in Dresden

Das Fraunhofer IKTS entwickelt anwendungsorientiert moderne keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante pulvertechnologische Herstellungsverfahren und prototypische Bauteile. Im Mittelpunkt stehen Strukturkeramiken, Funktionskeramiken und Cermets/Hartmetalle für innovative Lösungen in vielen Branchen der Wirtschaft. In interdisziplinärer Zusammenarbeit erforschen Chemiker, Physiker und Werkstoffwissenschaftler verfahrenstechnische Lösungen zum Pulverprocessing, für pulvertechnologische Formgebungs-, Sinter- und Bearbeitungsverfahren und Produktdesign für die Umsetzung in die industrielle Praxis. Ein breites Spektrum innovativer Anwendungen von Hochleistungskeramiken gibt es im Motorenbau, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Medizintechnik. Konkrete Beispiele hierfür sind: keramische Ventile, Brennkammerauskleidungen, Wälz- und Gleitlager, keramische Filter oder Implantate. Vor allem hier eignen sich neuartige Keramiken aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeits-, Verschleiß- und Korrosionseigenschaften sowie durch ihre Hochtemperatur- und Formbeständigkeit. Die besondere Herausforderung beim Einsatz von Keramik liegt darin, keramische Werkstoffe und Bauteile so zu entwickeln und einzusetzen, daß zuvor unerreichte Kombinationen aus mechanischen, elektrischen, thermischen und chemischen Eigenschaften entstehen können. Das IKTS hat 80 festangestellte Mitarbeiter und wird von Prof. Dr. Waldemar Hermel geführt. Es ist in die vier Abteilungen Technologie/Verfahrens- und Bauteilentwicklung (DI Claus Richter), Strukturkeramik (Dr. Christian Schubert), Funktionskeramik (Dr. Andreas Schönecker) und Charakterisierung (Dr. Udo Gerlach) untergliedert. Das IKTS wird an Hand einiger ausgewählter Anwendungsbeispiele von unserem NanoMat-Sprecher für das IKTS, Dr. Christian Schubert, vorgestellt.

Herstellung, Struktur, Eigenschaften

Eine wichtige Rolle am IKTS spielt die Optimierung der Pulvertechnologie.Sie umfaßt das Gebiet der Nanotechnologie, die Verarbeitung von Nanopulvern und die Charakterisierung von daraus gesinterten Werkstoffen. So verfolgt das IKTS beispielsweise die Technologie des Heißgießen aus pulverförmigen Ausgangsstoffen mit nachfolgenden Sintern, wenn z.B. komplexe Bauteilgeometrien mit den Eigenschaften von Hochleistungswerkstoffenverbunden werden sollen. Mit Hilfe spezieller Bindersysteme können so unterschiedliche Hochleistungswerkstoffe wie Keramiken,Gläser oder Metalle verarbeitet werden.

FESEM-Aufnahme einer chemisch polierten Bleibariumtitanat-Keramik.

"Mapping" der Kristallorienierung

Dem IKTS steht eine umfangreiche, moderne und in vielen Bereichen unikale Labor- und Technikumsausrüstung für präparative, technologische und analytische Arbeiten zur Verfügung. (Die Aufstellung ist im IKTS-Jahresbericht 98 enthalten und kann von der NanoMat-Geschäftstelle auf Wunsch zugesandt werden.)

Innovative Hochleistungskeramik als Wettbewerbsvorteil

Das Anwendungsspektrum der Fertigungs- und Umformtechnik reicht von der Drahtherstellung über Werkzeuge zum Stauchen, Biegen und Klemmen bis zu Tiefzieh- und Warmflußpreßwerkzeugen. Niedrige Reibungs- und Umformkräfte, hohe Oberflächengüte, geringer Adhäsionsverschleiß, hohe Standmengen und ein geringer Schmierstoffverbrauch sind die von der Industrie gewünschten Eigenschaften für Umformwerkzeuge. Mit der Hochleistungskeramik Siliziumnitrid (bSi3N4) z.B. kann die Eigenschaftskombination hochfest-thermoschockstabil-bruchzäh erzielt werden. Siliziumnitrid ist deshalb auch als geeigneter Werkzeugwerkstoff für die Warmumformung anzusehen. Im IKTS wurde das Querwalzen von Kupfer zur Rohrherstellung mit einem Siliziumnitridwerkzeug bei einer Anwendungstemperatur im Kontaktbereich von 900°C erfolgreich getestet.

Große Fortschritte für Lebensdauer und Einsatzfähigkeit von Wälz- und Kugellagern ergeben sich durch die Verwendung hochfester Keramiken aus Siliziumnitrid.

Neuere Entwicklungen lassen durch Nutzung anderer Kristalltypen im Stoffsystem Si-Al-O-N eine Härtesteigerung um 20–30% auf HV10=1800...2000 bei gleichzeitiger Beibehaltung der hervorragenden Zähigkeit des bisher üblichen bSi3N4 erwarten. Damit sind Anwendungen sowohl in der spanenden Formgebung als auch in der Umformtechnik attraktiv. Wird Siliziumnitrid als Kugellagerwerkstoff eingesetzt, erlaubt es den Verzicht spezieller Schmiermittel. Chemische Widerstandsfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit ermöglichen den Einsatz dieser Lager auch in aggressiven Medien und in metallischen Schmelzen bis zu 800°C.

Komponenten in Gasturbinen müssen 1500°C bei gleichzeitiger mechanischer Belastung und Thermoschock sicher aushalten. Neben den durch die typischen Hochtemperaturprozesse wie Kriechen und unterkritische Rißausbreitung auftretenden Schädigungen im Werkstoff spielen insbesondere Oxidations- und Korrosionsprozesse während Langzeitanwendungen unter sehr reaktiven Heißgasbedingungen die entscheidende Rolle. Es wird im IKTS an innovativen Siliciumnitridwerkstoffen für diese Anwendung gearbeitet. In einer oxidierenden Gasatmosphäre bilden sich bei diesen Werkstoffen selbstgradierte Schutzschichten (SiO2) mit rißheilenden Fähigkeiten aus, die die Langzeitstabilität (Langzeiteinsatz bis 10000 Stunden) erhöhen. Um das Potential dieser Werkstoffe vollständig ausschöpfen zu können, werden neue Werkstoffkonzepte untersucht um den Oberflächenschutz gegen Verdampfung von SiO bzw. Si(OH) zu verbessern.

Schneidkeramik und Schleifmittel

Die Verbindung äußerster thermischer und chemischer Stabilität, mit höchster Härte und Schlagfestigkeit gelingt bei einfacher Herstellung mit Korund (aAl2O3), wenn die Korngröße kleiner als 0,5 µm ist und Gefügedefekte minimiert sind. Drucklos gesinterte Werkzeuge aus Submikrokorund weisen dann eine höhere Härte und Festigkeit auf als heißgepreßte "Schwarze Keramik" (Al2O3 / Ti(C,N)-Komposite) und ermöglichen eine sprunghafte Steigerung der Abtragsleistung beim Schleifen und Schneiden unter härterer Beanspruchung. Sol/Gel-Schleifmittel aus Submikrokorund erhöhen den Abtrag beim Schleifen von Stahl mit Fiberscheiben um 50% und im Pulververfahren hergestellte defektarme Submikro-aAl2O3-Schleifmittel sogar mehr als 100% im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzkorund (Grafik). Mit der Schneidkeramik aus Submikrosinterkorund ist sowohl eine Hochgeschwindigkeitsfeinbearbeitung von Stahl als auch eine Grobbearbeitung der äußeren Haut harter Wellen (unterbrochener Schnitt) möglich.

Beim Schleifen von Stahlwerkstücken läßt sich mit Schleifmitteln aus pulvertechnisch erzeugtem Submikrosinterkorund eine hohe Abtragsleistung erzielen.(P = Porosität)

Hartstoffe für starke abrasive Beanspruchung

Bei der Entwicklung ultrafeiner Hartmetalle wurde am IKTS ein binderfreies Hartmetall entwickelt, das sich wie übliche Hartmetalle pressen und sintern läßt. Dieses Wolframcarbid (WC) bewährt sich zudem bei starker abrasiver Beanspruchung. Sie hat eine Korngröße um 0,3 µm und eine Vickers-Härte bis HV10=2700. Ziel weiterer Arbeiten ist es, die Härte dieser WC-Keramik durch weitere Verringerung der Korngröße bis auf etwa HV10 =3000 zu steigern. An Werkstoffen mit Gefügen im Nanometerbereich wird auch gearbeitet.

Poröse Keramik

Die Entwicklung von offenporigen Schaumkeramiken am IKTS hat ihr Anwendungspotential bei Filtern, Wärmetauschern, Katalysatorträgern oder bei der Schalldämmung. Membranen werden für die Flüssigfiltration und Gasseparation eingesetzt. Trotz der Überlegenheit hinsichtlich mechanischer, thermischer und chemischer Beständigkeit von Keramikmembranen gegenüber Polymermembranen verhindert noch der hohe Preis viele potentielle Anwendungen.

REM-Gefügebild einer gesinterten Flachmembran mit grobporöser Trägerschicht und Mikrofiltrationsschicht (Querschnitt). Prinzipieller Aufbau der Flachmembran.

Im IKTS wird deshalb eine kostengünstige Herstellungsvariante für planare Siliziumkarbidmembranen mit hoher Filtrationsfläche entwickelt. Mit SiC-Basiskörnungen und Glas als Flüssigphasenbildner wird bei Temperaturen von 1000°C unter Luft ein schwindungsfreies und gleichzeitiges Sintern mehrerer Schichten unterschiedlicher Korngröße ermöglicht. Ein grün-in-grün Foliengießverfahren mit wäßrigen Gießschlieckern für die verschiedenen SiC-Pulver sowie angepaßte Präge- und Laminiertechniken wurden für das Multikanakelement entwickelt. Eine Mehrschichtfolie wird nach der Trocknung wellenförmig geprägt und mit einer planaren Mehrschichtfolie laminiert. Die Flachmembran wird in einem einzigen thermischen Prozeß entbindert und gesintert, was sich als sehr kostensparend erweist.