Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen

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1 Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen von K. Pfeifer (i.r), vorm. FRIATEC AG, Mannheim-Friedrichsfeld Überarbeitung 2004 Technische Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik kommen heute in vielen Bereichen der Industrie zum Einsatz. In den meisten Fällen müssen solche Teile höchste Anforderungen in bezug auf Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erfüllen. Der Bericht stellt die wichtigsten Eigenschaften und Hauptanwendungsgebiete von Al 2 O 3 -Keramik vor und geht auf die erfolgreiche Nachbearbeitung mit Diamantenwerkzeugen ein. 1. Einleitung Die Verwendung von Bauteilen aus Keramik nimmt in den verschiedensten Bereichen der Industrie weiter zu. Von wesentlicher Bedeutung für den fortschreitenden Einsatz technischer Keramikbauteile sind die Oxidkeramiken, das sind Sinterwerkstoffe aus reinen, hochschmelzenden Metalloxiden. Die Ausgangsstoffe für Oxidkeramiken sind heute vornehmlich Aluminium- (Al 2 O 3 ), Beryllium- (BeO), Magnesium- (MgO) und Zirkonoxid (ZrO 2 ). Die Formgebung solcher Bauteile erfolgt nach den eingeführten keramischen Verfahren wie Trocken- oder Strang- sowie isostatisches Pressen, Spritzgießen und Schlickerguss. Der wichtigste Werkstoff für technische Anwendungen ist sicherlich die Aluminiumoxidkeramik, deren Gehalt an Al 2 O 3 in Abhängigkeit vom Einsatzzweck der jeweiligen Bauteile zwischen 90% bis nahezu 100% schwanken kann. Technische Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik werden heute mit höchster Präzision hergestellt. Dies wird neben einer möglichst perfekten keramischen Formgebung u.a. auch durch Nacharbeiten der gesinterten Bauteile vornehmlich mit Diamantwerkzeugen und emulsionen bzw. pasten erreicht. Auf diese Weise können schwindungsbedingte Maßabweichungen ausgeglichen und darüber hinaus höchste Oberflächengüten sowie Ebenheitswerte erreicht werde. Im folgenden sollten, aus einer Vielzahl relevanter Bauteile, einige von der FRIATEC AG, Mannheim, hergestellte technische Keramikbauteile aus Al 2 O 3 vorgestellt und deren Fertigungsprozess unter Einbeziehung der spanenden Nachbearbeitung kurz skizziert werden. 2. Eigenschaften von Al 2 O 3 -Keramik Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Eigenschaftsrichtwert von Al 2 O 3 -Keramik [1], wobei der hohe Schmelzpunkt von etwa 2000 C Voraussetzung für alle Hocht emperaturanwendungen des gesinterten Werkstoffes ist. Die Grenze für die maximale Anwendungstemperatur hängt vom Al 2 O 3 -Gehalt ab. Sie beträgt z.b. bei 90% etwa 1200 C, bei 95% etwas 1500 C und bei 99,5% etwas 1800 C. Die Wärmeleitfähigkeit ist am besten bei dichtem Material und einem Al 2 O 3 -Gehalt von 99,5%. Im allgemeinen haben Metalle eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit als Oxidkeramiken, wobei poröse Gefüge generell weniger empfindlich sind als dichte. Aufgrund der Härte des Korunds und der festen Bindung gesinterten Materials zwischen den einzelnen Kristallen erreichen Al 2 O 3 -Keramiken bei optimaler Gefügeausbildung Festigkeitswerte, die an jene von Metallen herankommen. Bruch- und Verschleißfestigkeit nehmen mit zunehmender Reinheit, d.h. höherem Al 2 O 3 -Gehalt sowie abnehmender Porosität und Korngröße zu, wobei der letztgenannte Einfluss besonders zu beachten ist. Wie alle keramischen Werkstoffe besitzt gesintertes Aluminiumoxid einen hohen elektrischen Widerstand und ist darüber hinaus besonders resistent gegenüber Säuren und Laugen.

2 Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen 2 Tabelle 1: Eigenschaftsrichtwerte von Al 2 O 3 -Keramik Sinterwerkstoff Gefügezustand dicht Al 2 O 3 porös Struktur der Kristallitphase Korund hexagonal offene Porosität [%] 0 25 Korngrößenschwerpunkte [µm] Reinheit [%] > 99 > 99 Dichte [g/m³] 3,8... 3,9 2, Physikalische Eigenschaften thermische : Schm elzpunkt [ C] Ausdehnungskoeffizient ( C) 10-6 * [m/m K] 8 8 W ärmeleitfähigkeit ( 20 C) [W /m K] 25 3 W ärmeleitfähigkeit (1000 C) [W /m K] 5 3 Temperaturwechselbeständigkeit* ) III II mechanische : Biegebruchfestigkeit (20 C) [N/m m ²] Biegebruchfestigkeit (1000 C) [N/m m ²] Druckfestigkeit (20 C) [N/m m ²] Härte (nach MOHS) 9 Elastizitätsmodul (20 C)10 5 * [N/mm²] 3,8 1,5 elektrisch : spez. W iderstand (20 C) [Ohm cm] > > spez. W iderstand (1000 C) [Ohm cm] 10 6 spez. W iderstand (1500 C) [Ohm cm] 10 4 Dielektrizitätskonstante (20 C, 1Mhz) 10 Dielektrischer Verlustfaktor (20 C, 1Mhz) 10-4 Chemische Eigenschaften (>1000 C): Beständigkeit* ) gegen saure Gläser und Schlacke I IV Beständigkeit* ) gegen basische Gläser und Schlacke III V Beständigkeit* ) gegen reduzierte Gase I I * ) I = gut, V = schlecht

3 Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen 3 3. Hauptanwendungsgebiete Die wichtigsten technischen Anwendungsbereiche von Al 2 O 3 -Keramik sind heute in der metallverarbeitenden, der chemischen, optischen, elektrischen sowie der Keramik- bzw. Glasindustrie und im Motorenbereich zu sehen. Eine vom Volumen her noch relativ kleine, aber äußerst interessante Anwendung für Al 2 O 3 -Keramik außerhalb der Technik ist die Humanmedizin [2]. Im technischen Bereich setzt man Al 2 O 3 -Keramik u.a. als Zündkerzen, Fadenführer, Drahtführungen, Pumpen- und Röhrenbauteile, Ofenauskleidungen, Thermoschutzelemente, Substratmaterial und als Schneidkeramik ein. Insgesamt kann man zwei Hauptanwendungsgebiete unterscheiden, die zum einen auf der Beständigkeit der Al 2 O 3 -Materialien bei hohen Temperaturen bis 1800 C, zu m anderen auf der ausgezeichneten Bruch- und Verschleißfestigkeit unterhalb 1000 C basieren. Eine Aufstellung der wesentlichen Anwendungsgebiete von Al 2 O 3 -Keramik in bezug auf die erforderlich Eigenschaften sowie Werkstoffstruktur enthält Tabelle 2 [1]. Tabelle 2: Anwendungsbereiche für Al 2 O 3 -Werkstoffe [1] Anwendungen und Industriebereiche thermisch erforderliche Eigenschaften mechanisch elektrisch chemisch optisch spezielle Anforderungen Werkstoff- Struktur ++ sehr hohe Anforderungen + hohe Anforderungen ( ) bei speziellen Anwendungen Hochtemperaturbest. Temperaturwechselbest. Wärmeleitfähigkeit Bruchfestigkeit Verschleißfestigkeit Kriechfestigkeit Elektr. Widerstand Dielektrische Eigensch. Korrosionsbeständigk. Lichtdurchlässigkeit Oberflächengüte Haftfestigkeit einer Metallisierung Zündkerzen für die Motorenindustrie Reinheit Dichte Korngröße Fadenführer, Textilindustrie (+) ++ + (+) + (+) Drahtführungen, metallverarb. Industrie Schneidkeramik, metallverarb. Industrie Pumpenteile, chem. Industrie (+) + (+) Substante, Elektronik-Ind (+) + + Röhrenbauteile, Elektronik-Ind (+) + Lampenrohre, optische Ind Ofenbauteile, keramische Ind Thermoelement-schutzrohre, keram., chem., metallurg. und Glas-Industrie (+) Biokeramik, Humanmedizin

4 Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen 4 4. Nachbearbeitung keramischer Bauteile Für viele Anwendungen werden Präzisionsteile mit sehr kleinen Toleranzen und bestimmten Oberflächenausbildungen benötigt. Dazu dient eine Nachbearbeitung durch Trennen, Schleifen, Läppen, Honen oder Polieren. Die dafür verwendeten Maschinen sind vornehmlich Grundausführungen, wie sie auch in der Metall-, Hartmetall- und teilweise auch in der Glasindustrie für spanende Bearbeitungsabläufe eingesetzt werden. Solche Maschinen werden in der Regel modifiziert und für die jeweilige Anwendung umgerüstet. Für spezielle Einsatzfälle, wie z.b für das Trennen von Porzellanisolatoren, wurde auch eine gezielte Maschinenentwicklung [3] betrieben. Ebenso wird bei der Konzeption von mit Diamant-Schleifstoffen zu beschickenden Läpp- und Poliermaschinen die Bearbeitung keramischer Bauteile besonders berücksichtigt, weil dies, neben dem Läppen von Hartmetall, einer der Hauptanwendungsgebiete für solche Einrichtungen ist. Beim Schleifen mit Diamantscheiben ( Bild 1) wird Material abgetragen, um die Bauteilgeometrie den geforderten Toleranzen entsprechend herzustellen. Gearbeitet wird vornehmlich im Nassschliff mit bronzegebundenen Diamant-Schleifscheiben. Auch hier gilt, wie z.b. in der Hartmetallbearbeitung, die Regel, dass zur Erreichung einer bestimmten Oberflächenqualität Schleifscheiben entsprechender Korngrößen unter genau zu ermittelnden Zerspanungsbedingungen eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus ist die zu erzielende Oberflächengüte bei keramischen Materialien von der Kristallgröße des Werkstückmaterials abhängig. Bild 1: Schleifen eines Gleitringes mit Diamantwerkzeugen Bei ebenen, zylindrischen oder kugelförmigen Flächen kann die Oberflächengüte durch Läppen und nachfolgendes Polieren verbessert werden. Dazu verwendet man entweder Borkabid sowie in Emulsion aufbereitete lose Diamant-Mikropulver oder gebundene Diamant-Läppscheiben. Unter [4] wird darüber hinaus eine mit Läppschleifen bezeichnete Technik beschrieben, bei der Läppscheiben von kontrollierter Härte Verwendung finden. Die Diamantkörnungen arbeiten sich im Verlauf des Bearbeitungsprozesses in die Läppscheiben ein, so dass man hier von einer Kombination zwischen dem Läppen mit losem Korn und gebundenen Diamanten-Läppscheiben sprechen kann. Beim Läppen mit losem Korn werden die Werkstücke meist lose in einem Käfig geführt und im Gleich- und /oder Gegenlauf zur Läppplatte bzw. noch um die eigene Achse bewegt ( Bild 2). Beim Läppen mit Zweischeiben-Läppmaschinen werden gebundene Diamant-Läppscheiben eingesetzt. Dieses Verfahren ist aber nur anwendbar, wenn ein Bauteil lediglich auf ein bestimmtes Maß bearbeitet werden soll, ohne dass Anforderungen bestehen, auf einer Seite mehr abzutragen als auf der Gegenseite.

5 Bauteile aus Al2O3-Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen 5 Bild 2: Läppen von Dichtscheiben 5. Anwendungsbeispiele 5.1 Dichtscheiben Dichtscheiben für Sanitär- und Industriearmaturen aus Al2O3 haben eine wesentlich länger Lebensdauer als solche aus herkömmlichen Materialien. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die Oberflächenqualität der Dichtflächen, die feingeschliffen und dann geläppt werden. Verlangt ist eine Ebenheit < 0,6 µm und eine Oberflächengüte Ra <0,2 µm. 5.2 Bandführung und Gleitring Bei Bandführungen für Videorecorder und Kameras wirkt sich die hohe Härte der Al2O3-Keramik vorteilhaft auf die Lebensdauer des Bauelements aus. Die für Videorecorder und Kameras verwendeten Bänder sind z.t. mit Metalloxiden beschichtet, so dass der Verschleiß bei Bandführungen aus herkömmlichen Materialien sehr groß ist. Die Laufflächen solcher Bauteile müssen eine hohe Präzision aufweisen und glatt poliert sein, um einwandfreie Spurtreue und damit die verlangte hervorragende Ton- bzw. Bildqualität zu gewährleisten. Bei Gleitringen zum Abdichten rotierender Wellen in Pumpen und Rührwerken ist ein hoher mechanischer Nachbearbeitungsaufwand erforderlich, wobei bei den hochglanzgeläppten Oberflächen eine Oberflächengüte Ra <0,2µm und eine Ebenheit <0,6µm einzuhalten sind. Bei dieser Anwendung wirken sich extreme Härte und Verschleißfestigkeit der Oxidkeramik, kombiniert mit einer Korrosionsbeständigkeit gegenüber nahezu allen Chemikalien und hohe Festigkeit gegenüber Zug, Druck und Biegung vorteilhaft aus. 5.3 Andere Verschleißteile Hochdruck- und Dosierkolben aus Al2O3-Keramik werden überall dort eingesetzt, wo konventionelle Werkstoffe infolge von Korrosions- und Abrasionsproblemen nicht verwendet werden können. Entscheidend für die Lebensdauer der Abdichtung mit einer Manschette oder Stopfbuchse ist die Oberflächengüte des Kolbens. Die Frialit-Kolben weisen eine feinpolierte Oberfläche mit einer Oberflächengüte Ra <0,2 µm auf. Durch den wesentlich geringeren Reibungswiderstand des auspolierten Materials wird die Lebensdauer eines Aggregates entscheidend erhöht. Der Einsatz von Förderschnecken und Drahtziehkonen aus Al2O3-Keramik profitiert gleichfalls von den hervorragenden physikalischen Eigenschaften des Al2O3-Materials wie hohe Härte, Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber organischen und anorganischen Substanzen.

6 Bauteile aus Al 2 O 3 -Keramik und ihre Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen Elektroisolierbauteile Al 2 O 3 -Keramik bieten hohe Isolationswerte mit günstigen, dielektrischen Eigenschaften und eignet sich deshalb besonders auch für den Einsatz als Isolierwerkstoff in der Elektro- und Elektronikindustrie. Druckbeständigkeit und Hochvakuumdichtigkeit zeichnen die elektrischen Durchführungen aus, siehe Bild. Literatur [1] Held, K.; A. Reckziegel. Oxidkeramik. Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie. Band 17. Verlag Chemie GmbH, Weinheim, [2] Heimke, G. Oxidkeramik in der Medizin. Industrie Diamanten Rundschau 17 (1983) Nr. 1, S. 49. [3] von Rohr, L. Trenn-Schleifmaschine für die Bearbeitung von Hochspannungsisolatoren mit Diamantwerkzeugen. Industrie Diamanten Rundschau 11 (1977) Nr. 3 S [4] Stähli, A.W. Läppen mit Diamanten. Industrie Diamanten Rundschau 14 (1980) Nr. 3, S Bildnachweis: FRIATEC AG, Mannheim-Friedrichsfeld Wurde veröffentlicht in: Industrie Diamanten Rundschau IDR 17 (1986) Nr. 3.

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