DE2616775B2 - Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Aluminiumoxid - Google Patents

Description

ilfe eines spezifiDie im folgenden näher beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der F/»C t ICrL·*»! t \Jr\T\ Δ liirriiniiimnvifJ w-r

sehen Abschreckungsverfahrens.

Den Ausführungen in der deutschen Patentschrift 8 42 467 kann entnommen werden, daß es bereits bekannt ist, bei gemischtkristallinen Werkstoffen (Steatit plus Siliciumkarbid) eine Steigerung der Festigkeit durch Abschreckung zu erreichen. Diese vorbekannten Arbeiten beziehen sich aber ausdrücklich nur auf gemischtkristalline keramische Werkstoffe, da dort verschiedene Kristallarten unter Volumenzunahme innere Spannungen hervorrufen und eine Festigkeitserhöhung bewirken.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich dagegen um die Härtung von oxidkeramischen Stoffen, in erster Linie um Aluminiumoxid. Bei diesen Materialien kommt während des gesamten Herstellungsprozesses nur eine einzige Kristallart vor. Dabei besteht der Mechanismus zur Erhöhung der Festigkeit aus einem ganz anderen Verlauf, als wie er in der Patentschrift 8 42 467 beschrieben ist.

Betrachtet man während eines Abschreckungsvorganges einer zylinderförmigen Aluminiumoxidprobe Mantel und Kern der Probe in ihrem zeitlichen Abkühlverhalten, so ist leicht einzusehen, daß der Mantel schneller abkühlt als der Kern. Die dadurch bedingte, örtlich verschiedene Volumenkontraktion ruft in der ersten Abkühlphase im Kern Druckspannungen, im Mantel Zugspannungen hervor, wobei im noch heißen Kern die Warmstreckgrenze erreicht wird und ein ausgeprägtes Fließen auftritt. Im Laufe der Abkühlung erkaltet auch der Kern. Die Spannungen kehren sich nun in ihrem Vorzeichen um, da der innere Kern im noch heißen Zustand durch einen Fließvorgang dem Druck ausgewichen war; der sofort abgekühlte Mantel konnte jedoch nicht fließen. Das heißt mit anderen Worten, daß die zuletzt im Kern abkühlenden Werkstoffteilchen durch die schon erkalteten Mantelzonen am Kontrahieren behindert werden.

Der Mantel steht daher nach dem Erkalten unter Druckspannungen und der Kern unter Zugspannungen. Diese Druckspannungen in der Oberfläche erhöhen die Festigkeit im Werkstoff, da sie verhindern, daß sich an der Oberfläche ein Anriß bildet. Dieser Mechanismus wurde experimentell nachgeprüft, das heißt, die verbliebenen Oberflächenspannungen wurden nach der Methode der Röntgenpeakverschiebung bestimmt.

Kirchner (Journal of Applied Physics, Vol. 42, Nr. 10, Sept. 71; H. P. K i r c h η e r, R. E. W a I k e r und D. R. Platts, »Strengthening Aluminia by Quenching in various Media«) hat verschiedene Abschreckmedien geprüft, beispielsweise Preßluft, Heliumgas, Kohlendioxidgas, Siliconöle, Motoröle. Kerosen und Wasser. Dabei stellte sich heraus, daß Siliconöl eine Festigkeitssteigerung von über 100% hervorruft, Gase eine vergleichsweise geringere. Bei Wasser gingen alle Proben während des Abschreckvorganges zu Bruch.

Die von Kirchner angegebenen Versuche wurden nachvollzogen, wobei sich ein großer Nachteil herausstellte: Schon während der Abschreckversuche gingen 60—70% der Proben durch Schockwirkung zu Bruch und konnten nicht auf ihre Festigkeit geprüft werden.

Daraus ergibt sich, daß die wirtschaftlicht Nutzung der betreffenden Materialien für die Herstellung von Schaltern, Isolatoren und sonstigen elektrotechnischen Bauelementen allein von einem Abschreckmedium abhängt, das dem Werkstoff cmc große resiigkeiiserhöhurig vermittelt, ihn aber nicht durch thermische Schockwirkung zu Bruch gehen läßt.

Die wirtschaftliche Nutzung drückt sich zum einen in Materialersparnis, zum anderen durch Energieersparnis aus. Dies kann jedoch nur gewährleistet werden, wenn wahrend des Abschreckvorganges möglichst wenig Material zu Bruch geht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Aluminiumoxid wird folgendermaßen gehandhabt:

Kant- und Rundproben werden in einem Temperaturbereich von 800—1700⁰C in einem Ofen in oxydierender Atmosphäre erhitzt und beim Erreichen der jeweils gewünschten Temperatur in das wassergekühlte Abschreckmedium fallen gelassen.

Dieses Medium hat Zimmertemperatur und besieht erfindungsgemäß aus einer Emulsion aus organischem oder anorganischem öl und V/asser oder aus öl und einer Flüssigkeit, die nur einen geringen Anteil an Wasser besitzt (beispielsweise wäßrige Lösungen aller Art wie Salzlösungen oder flüssig-flüssig Lösungen und Mischungen). Es kann auch Öl und Essigsäure, öl und Ameisensäure, öl und Tetrachlorkohlenstoff oder auch geschmolzenes Bleioxid verwendet werden. Die Anwesenheit von Feststoffen jeglicher Art beeinflußt die Wirkung der betreffenden Emulsion in keiner Weise.

Die so behandelten Aluminiumoxidproben wurden dann wie allgemein üblich auf einer B^;^gemaschine auf ihre Biegefestigkeit untersucht.

So wurden beispielsweise bei einer Abschrecktemperatur von I55O°C eine Biegefestigkeit von 883,78 MN/m² erzielt, bei einer Ausgangsfestigkeit von 380.15 MN/m², wobei bei einer Probenserie von 50 Proben keine einzige zu Bruch ging.

Durch den oben beschriebenen Abschreckvorgang in öligen Emulsionen findet neben der enormen Festigkeitssteigerung (132%) auch noch eine Diffusion von Kohlenstoff auf bzw. in die Probenoberflächc statt. Diese Diffusion entsteht aus dem sich z.ersetzcnden öl bei hohen Temperaturen und ist besonders für die biomedizinische Technik interessant.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steigerung der Festigkeit von Formkörpern aus Aluminiumoxid durch Erhitzen in oxydierender Atmosphäre auf 800—1700°C und anschließendem Abschrecken in einem kühlenden Medium, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulsion aus öl und Wasser als Abschrekkungsmedium dient.

2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Äbschreckungsemulsion aus öl und wäßrigen Lösungen jeglicher Art besteht.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen Emulsion Feststoffe jeglicher Art beigemengt sind.