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SiAlON – Silizium-Aluminiumoxid-Nitrid
Keramische Werkstoffe zum gezielten Design mechanischer Eigenschaften
α/β-SiAlON Keramiken gehören mit zu den jüngsten Werkstoffen der Technischen Keramik und sind mit den Siliziumnitriden verwandet. Sie entstehen nur bei bestimmten Rohstoff-Zusammensetzungen und bestehen mindestens aus den drei Phasen α-SiAlON, β-SiAlON sowie einer amorph oder teilkristallinen Korngrenzphase.
Kennwertbeispiel SiC-α/β-SiAlON
- E-Modul: 345 GPa
- Härte HV1: ca. 17 GPa
- Bruchzähigkeit: 5,5 MPam1/2
Härte-Zähigkeitsverlauf:
Ein zäher Kern (1) ist umgeben von einer sehr harten,
verschleißfesten Oberfläche (2).
Die Materialklasse der α/β-SiAlONe zeichnet sich besonders durch die Kombination einer im Vergleich mit normalem Siliziumnitrid noch höheren Härte bei gleich guter Zähigkeit aus. Die α-SiAlON-Phase ist sehr hart, die β-SiAlON-Phase weist, wie auch normales Siliziumnitrid, eine gute Risszähigkeit auf. Die Phasenanteile von α-SiAlON, β-SiAlON und Korngrenzphase können in weiten Bereichen eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Werkstoffeigenschaften der α/β-SiAlONe an die Anforderungsprofile unterschiedlicher Anwendungen anzupassen.
Unter speziellen Bedingungen kann sogar ein Gradientenwerkstoff hergestellt werden, der an der Oberfläche einen höheren Anteil an α-SiAlON enthält als im Inneren. CeramTec nutzt dies zum Beispiel bei einigen hochverschleißfesten Schneidkeramiksorten für die Metallzerspanung aus: durch den Gradient im α-SiAlON-Gehalt weist die Oberfläche der Wendeschneidplatte eine höhere Härte auf als der Kern, wodurch eine deutlich gesteigerte Verschleißfestigkeit des keramischen Schneidstoffs erreicht wird. Die Risszähigkeit im Inneren ist dabei auf hohem Niveau.
Durch Einlagerung von Hartstoffen wie Siliziumkarbid kann die Härte und Verschleißfestigkeit der α/β-SiAlONe noch weiter gesteigert werden. Diese Werkstoffvariante der Silizium-Aluminiumoxid-Nitride hat sich zum Beispiel bei tribologisch hoch beanspruchten Bauteilen in der Papierindustrie bewährt.