Teilprojekt B1
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Keramische Werkstoffe für den Einsatz in hochbelasteten Gleitsystemen Prof. Dr. rer. nat. Michael J. Hoffmann Ein vielversprechender Ansatz ist dabei einen im Inneren relativ zähen Keramikkörper mit einer nach außen zunehmend härteren Randschicht zu versehen. Aus dem Bereich der Glasherstellung kennt man die chemische Härtung, bei der ein Werkstück in einer Salzschmelze einen Kationenaustausch erfährt. Hier sollte zum ersten Mal an Sialonen ermittelt werden, ob sich dieser Mechanismus auf Keramiken mit einer amorphen Korngrenzenphase übertragen lässt. Eine weitere Möglichkeit der Randschichthärtung an Sialonen ist die Erhöhung alpha-Sialon Anteils an der Oberfläche.  In geschmierten Gleitsystemen begünstigt eine gute Fluidverteilung durch Schmiertaschen an der Oberfläche das Entstehen eines tragenden Schmiermittelfilms und reduziert Reibzahl und Verschleiß. Im Rahmen dieses Vorhabens soll ein analoger Effekt durch Plasmaätzen von Sialon Oberflächen erreicht werden. Die Anwendungen, für die dieses Teilprojekt Materialien entwickelt, beinhalten ein Kollektiv tribologischer, mechanischer und chemischer Belastungen. Parameter wie Härte, Bruchzähigkeit und Festigkeit sowie Reibzahl und Verschleiß sind bereits Bestandteil der Untersuchungen. Für den Einsatz über längere Zeiträume in realen Systemen sind allerdings noch Fragen zum unterkritischen Risswachstum von großer Bedeutung. Diese wurden für Sialon-Keramiken bisher in der Literatur nicht behandelt. Es ist zu vermuten, dass dabei die oxidische Korngrenzphase eine wichtige Rolle spielt. Die Randschichthärtung durch Kationenaustausch zeigte eine Zunahme der Härte bis zu einer Verweilzeit von 8 Stunden um ca. 8%. Eine vergleichbare Härtesteigerung konnte durch eine Wärmebehandlung bei 1800°C an dichten Sialonkeramiken durch Erhöhung des alpha-Sialon Anteils an der Oberfläche erreicht werden, wobei im Probenkern das zähere beta-Sialon erhalten blieb. Die Oberflächenstrukturierung durch Plasmaätzen hat sich als eine gute Methode herausgestellt, die es erlaubt durch Veränderung der ätzparameter und des alpha/beta-Anteils eine gezielte Oberflächentopographie einzustellen. Tribologische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit TP B3 zeigten deutlich geringere Reibungszahlen im Vergleich zu polierten bzw. geschliffenen Oberflächen. Der hohe Risswachstumsexponent n von mehr als 100, der bei den Untersuchungen an Sialonkeramiken unter destilliertem Wasser bzw. Isooktan festgestellt wurde, deutet auf ein sehr schwaches, medienbedingtes unterkritisches Risswachstum hin. Speziell für diese Art von Materialien mit extrem hohen Risswachstumsexponenten wurde eine neue Auswertemethode entwickelt, bei der Durchläufer auf einem höheren Lastniveau erneut belastet werden können. |