Energieeffizientes Zwei-Stufen-Sintern von ZTA-Keramiken

Projekt

© Fraunhofer IKTS
Thermisches Profil der Zwei- Stufen-Sinterung.
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Mikrogefüge der ZTA-Keramik nach Zwei-Stufen-Sinterung.
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Gegenüberstellung der Sinterdichten.

Zirkoniumdioxid (ZrO2) verstärktes Aluminiumoxid (Al2O3), sogenannte ZTA-Keramiken, gehören zu den Mischoxidkeramiken und sind hydrothermal beständiger und fester als reines ZrO2 und reines Al2O3. Daher eignen sich ZTA-Keramiken hervorragend für medizinische Anwendungen. Entscheidend für die verbesserten Eigenschaften von Mischoxidkeramiken ist die Verteilung der einzelnen Phasen: Bei einer homogenen Phasenverteilung und hoher Sinterdichte werden höhere Festigkeiten und Härten erreicht. Konventionell werden ZTA-Keramiken entweder einstufig gesintert oder nach dem Sintern energie- und kostenintensiv über heißisostatisches Pressen (HIP) nachverdichtet. Am Fraunhofer IKTS wurde eine Zwei-Stufen-Sintermethode etabliert, die genauso dichte Gefüge (bei vergleichbarer Korngröße) erzielt, wie die konventionellen Methoden, jedoch wesentlich ressourcen- und energieschonender ist. Die Herstellung der Grünkörper erfolgte zunächst über die Mahlung der kommerziell erhältlichen Rohstoffe (75 Gew.-% Al2O3, 25 Gew.-% ZrO2 – stabilisiert mit 3 Mol% Yttriumoxid) in einer Hochenergie-Kugelmühle, Sprühgranulierung und anschließender Formgebung mittels dem Trockenpressverfahren. Grünkörper mit einer theoretischen Dichte von > 56 % wurden in drei Gruppen eingeteilt – die erste wurde konventionell an Luft gesintert, die zweite anschließend mit HIP behandelt, während die dritte Gruppe in zwei Stufen an Luft gesintert wurde. Die Sinterdichten zeigen, dass das Zwei-Stufen-Sintern gegenüber dem einstufigen Sintern zu einer deutlich höheren Verdichtung (4,36 g/cm3 – entspricht > 99,9 % der theoretischen Dichte) führt. Auch gegenüber dem Sintern mit anschließender kostenintensiver HIP-Behandlung erzielt das Zwei-Stufen-Sintern vergleichbare Ergebnisse bei Sinterdichte und Mikrogefüge. Somit ist das Zwei-Stufen-Sintern eine vielversprechende alternative Sintermethode zur Erhöhung der Energieeffizienz.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Werkstoffsynthese und -entwicklung
  • Werkstoffspezifische Formgebung und Entwicklung von prototypischen Bauteilen und Pilotserien
  • Beratung zu werkstoff-, konstruktions- und einsatzspezifischen Fragestellungen

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