Werkstoffwissenschaften (Fach) / Keramik (Lektion)

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• Erklären sie den Acheson-Prozess. Ein Ofen beinhaltet SiO2-Sand und Petrolkoks. Mittels Strom wird das Sand-Kohle-Gemisch aufgeheizt auf 200-2500°C. Die Stoffe reagieren miteinander und um einen Graphitkern bildet sich eine Schicht aus Siliziumkarbid. Eigenschaften SiC: Hohe Härte, Wärmeletifähigkeit, Halbleiter, E-Modul: 410GPa bis 1600C°. Formel: SiO2(s)+3C(s) = SiC(s)+2CO(g) Kostengünstig, hohe Produktionsrate.
• Erläutern sie das Bayer-Verfahren. Fein gemahlener Bauxit wird mit einer 35-38%iger Natronlauge (NaOH) in einem Druckkessel unter 5-7 bar Druck, 6-8 Stunden auf 140-250°C erhitzt, wobei das Aluminium als Aluminat in die Lösung geht und Eisen als Rotschlamm rausfällt. (Das ist das Bayerverfahren) Durch Filtration werden Eisenoxide im Form von Rotschlamm entfernt. Durch starkes verdünnen lässt sich die filtrierte, abgekühlte, Aluminium-Lauge als Aluminiumhydroxid ausrühren. ( Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3+NaOH ) Das Aluminiumhydroxid (Al(OH)3) wird im Drehroe oder Wirbelschichtöfen bei 1200°C zu Al2O3 entwässert.
• Nenne 2 Festphasenreaktionen. Nenne 3 Nass-chemische Reaktionen Nenne 2 Gasphasenreaktionen. Kalzinierung, Acheson-Prozess Bayer-Prozess, Sol-Gel-Prozess,Schmelzverfahren Chemical Vapour Deposition, Gasphasensynthese
• Was fällt unter die Pulveraufbereitung? Aus heterogenen und variablen Rohstoffen (Pulver), wird eine homogene Masse mit räumlich und zeitlich konstanten Eigenschaften hergestellt um optimal in den nächsten Verfahrenschritten vorgehen zu können. (z.B Formgebung). Mischen -> Zerkleinern -> Klassieren -> Granulieren -> Konditionierung.
• Was passiert beim Mischen und Zerkleinern? Was kann man dafür verwenden? Einzelne Rohstoffe werden ineinander verteilt und in die gewünschte Partikelgröße gebracht. Ringspaltmühle, Rührwerkskugelmühle, Attritor, Planetenkugelmühle, Rotationsverdampfer, Wirbelschichttrocknung, Sprühtrockung.
• Erläuter die Wirbelschicht- und Sprühtrockung. 1: Eine Suspersion wird mit Druckdüsen zerstäubt und trocknet dann mit Heißgas in einer Wirbelschicht. 2: Beim Düsenturm wird mit Druckdüsen zerstäubt, trocknet dann im Heißgas im Gleich-oder Gegenstrom und wird durch Zyklone/Filter ausgeschieden.
• Was passiert beim Klassieren? Womit kann man dies umsetzen? Durch das Klassieren werden die Partikel nach ihrer Dichte und/oder Größe getrennt. Durch Sieben, Sichten, Sedimentieren oder Zentrifugalabscheiden.
• Was passiert beim Granulieren? Wie kann man dies umsetzen? Aus Pulvern, plastischen Massen oder Schlickern wird ein einheitliches Vorprodukt (Granulat) hergestellt.  Vorteile: Riesenfähigkeit, Enge Korngrößenverteilung, Reproduzierbare hohe Schüttdichte, Geringe Verstaubung, Schutz gegen Entmischen, Fließverhalten, Gute Verpressbarkeit, Dichte Oberflächenstruktur. Durch Sprühgranulation.
• Erkläre den Vorgang der Sprühgranulation. Festoff Lösungen bzw. Suspensionen werden auf die fluidisierten Partikel mittels Düsen in Form von Tropfen versprüht. Der Feststoff lagert sich auf den Partikeln ab und das Suspensionsmittel verdunstet durch heißes Gas. Somit wachsen die Partikel, sie granulieren (feine kugelförmige Agglomerate) Austragen des Pulvers direkt aus dem Turm oder durch Festphasenabscheidung(Zyklon) der Ablauft. Durch die quasi sphärischen Agglomerate entstehen gut rieselfähige Pulver, dieeine hohe Schüttdichte aufweisen. Die Agglomerate hängen nur über schwacheBindungskräfte zusammen, so dass sie sich gut verpressen lassen. Eindüsen ( Bindertröpfchen mit dispergierten Partikeln) -> Befeuchten (Flüssigskeitsbrücken) -> Kompaktierung (Feststoffbrücken) -> Agglomerat.
• Was ist Konditionierung? Hier werden zusätzliche Maßnahmen aber auch Zusätze (Additive) in die keramischen Massen zugesetzt, um sie auf die vorgesehenen Anforderungen zu bringen. Vor allem Erzeugung spezieller Eigenschaften wie:Plastizität, Festigkeit, Blasenfreiheit, chemische Langzeitstabilität.  Additive: Dispergiermittel, Binder, Plastifizierer, Entschäumungsmittel, Gleitmittel, Konservierungsmittel.
• Nennen sie 5 wichtige Formgebungsverfahren. Trockenpressen, Schlickerguss, Spritzguss, Extrusion, Foliengiessen.
• Wie funktioniert Trockenpressen (uni-axial)? Man füllt eine Metallform mit rieselfähigen Granulaten, diese werden in den Stahlmatrizen verdichtet & erhalten ihre gewünschte Form. Anschließend werden sie ausgestoßen/entfernt.  Nachteil: Hohe Kosten für das Werkzeug, lohnt nur für große Serien.
• Wie funktioniert kaltisostatisches Pressen? Das Pulver wird in eine Form (Gummi oder Polymerfolie) eingefüllt. Außerhalb der Form befindet sich eine Flüssigkeit (Öl, Öl-Wasser), die auf die Form eine homogene Druckverteilung ausübt.  Der Druckabbau erfolgt langsam (10-30 min bei 200-1000Mpa) damit die Form mit ihrem Inhalt keinen Schaden bekommt, durch Zurückfedern der Form oder Ausdehnung vom Restgas.
• Wie funktioniert das Extrudieren? Diverse organische Gleitmittel und Binder, neben Wasser werden zu dem Pulver gegeben damit eine plastisch verformbare Masse entsteht.  Durch eine Schnecke oder einen Kolben wird die plastische Masse zu einem Mundstück gepresst und so zu Endlossträngen geformt, der Konus komprimiert alles zum gewünschten Querschnitt.  Geeignet für rotationssymetrische Bauteile (Rohre, Stäbe, Wabenkörper) Komplizierte Profile bei entsprechender Mundstück auslegung.
• Erkläre den Vorgang vom Spritzgießen. Pulver aus Keramik und Werkstoff wird zu einer homogenen, spritzfähigen Keramikmasse aufbereitet. Schnecke/Kolben befördert die Masse zur Injektionskammer. Werkzeug wird geschlossen und eine Einspritzeinheit fährt gegen die Ausgußbuchse. Plastifizierte Masse wird ins kühlere Werkzeug gepresst und nach einer gewissen Abkühlzeit fällt das Spritzgußteil aus dem geöffneten Werkzeug. Entscheidend: Temperatur, Druck, Einspritzzeit, Kühlrrate, Kühlzeit. Vorteile: Automatisch, Komplexe Formen, Schnell, Reprozudizerbar. Nachteile: Teure Material und Werkzeugkosten, Hohe Anforderung an Werkstoffen.
• Was passiert beim Schlickerguss? Man befüllt eine poröse Gießform mit Schlicker in der sich anschließend Scherben bilden. Der überflüssige Schlicker wird abgegossen und es erfolgt eine partielle Trocknung. Es entsteht eine feste Schickt (Scherben).
• Was ist Schlicker? Nennen sie 3 Anforderungen. Keramische Schlicker sind Dispersionen aus Feststoffen die verteilt in einem flüssigen Medium liegen. (Meist Wasser) Anforderungen: Hoher Anteil keramischen Feststoffs, Homogenität, Stabilität, Festigkeit, Kostengünstig, keine gefährlichen Chemikalien.
• Wie funktioniert das Foliengießen? Keramikpulver wird zu einem fließfähigem Gießschlicker verarbeitet. Der luftblasenfreie Schlicker wird dann auf die Gießstation aufgegeben. Mit exakt eingestellten Gießrakel wird der Schlicker gleichmäßig auf der Gießunterlage verteilt.
• Nenne drei Sinterprozesse. Festphasensintern, Flüssigphasensintern, Reaktionssintern.
• Erkläre die drei Stadien des Festphasensinterns. Anfangsstadium: Kontaktbildung und Kontaktwachstum zwischen benachbarten Pulverteilchen, Mechanische Festigkeit durch Oberflächendiffusion wird erhöht, weil Teilchen-Teilchen-Kontakte verstärkt werden. Zwischenstadium: Bereits in der Aufheizperiode, breiter Zeitraum isothernen Sinterns. Hohe Schwindungsgeschwindigkeit, hohe Zunahme der Dichte. Polykristalliner Körper bildet sich. Korngrenzen- und Volumendiffusion dominieren in diesem Stadium. Endstadium: Nach etwa 93% der theoretischen Dichte. Schwindungsrate nimmt stark ab und theoretische Dichte wird angenähert. Porosität ist vorrangig in Form von geschlossener, voneinander isolierter Poren. Häufig durch Kornwachstum gekennzeichnet.
• Was ist Kornwachstum? Seine Folgen? Das System versucht Korngrenzflächen zu verkleinern um Energie einzusparen. Dies löst Korngrenzbewegung aus, die in einer Zunahme der Korngröße mit der Zeit münden. Temperaturen müssen hoch und lang genug da sein, damit diffusionskontrollierte Bewegung der Korngrenze wirksam wird. Große Körner haben schlechte Eigenschaften, inhomogene Korngrößenverteilung, Abnormales kornwachstum und Poren in den Körnern sind Probleme.
• Gefügemorphologie beim Flüssigphasensintern? 1. Teilchenumlagerung -> 2. Lösung/Widerausscheidung -> 3. Skelettsintern 1. Flüssige Phase benetzt die benachbarten Pulverteilchen, Teilchenumlagerung und Verdichtung des Sinterkörpers, Additive schmelzen auf. 2. Lösungs- und Wiederausscheidungsprozesse der Festphase und Kornwachstum 3. Festphasensintern zum Erzielen vollständiger Dichte. Zusatz: Durch die Zusätze bildet sich eine flüssige Phase, Diffusion durch die Phase führt zu Umorientierung der Partikelteilchen und Auftrennung der Agglomerate.
• Was ist Reaktionssintern? Nenne ein Beispiel. Während Sintervorgangs mit chemischer Reaktion überlagert. Mehrere Komponenten zu ein- oder mehrphasigen Material. Beispiel: 3Si + 2N2 -> Si3N4 Si3N4 lässt sich alleine nicht sintern, also sintert man vorgesintertes Si-Pulver in einer N2-Atmosphäre.
• Erläutere den Vorgang beim Heißpressen. Das HP-Verfahren ermöglicht die Verdichtung schlecht sinternder Werkstoffe durch Konbination einer hohen Sintertemperatur (bis 1600°C) und der Überlagerung eines Axialen Drucks (bis 100kN). Normalerweise in Graphit-Werkzeugen in einer Kammer mit kontrollierter Sinteratmosphäre.
• Erkläre Heiß-isostatisches Pressen? Unter Anwedung hoher Temperaturen (bis 2000°C) und einer isostatischen Druckbeaufschlagung von mehreren hundert MPa werden Werkstoffe gleichmäßig verdichtet.  Inerte Gase werden als Druckübertragung genutzt, durch die Methode erfolgt vollständige Eleminierung geschlossener Poren. Nur Bauteile mit einer geschlossenen Porositätkönnen ungekapselt verwendet werden, da sonst das Gas in die Poren eindringtund diese nicht verdichtet werden.
• Erkläre das Sinterverfahren FAST? In einem Maschinenstempel herrscht Starkstrom durch Elektrode und Strom im Presswerkzeug. Das Pulver wird durch einen elektrischen Impuls gleichmäßig erhitzt. (Ähnlich mit Heißpressen)
• Erkläre Flash-Sintern? Kurzer, intensiver elektrischer Strom, der zur Aufheizung dient. Erzeugung von Punktdefekten und Anstieg der Verdichtungsrate.
• Was ist charakteristisch für Keramiken? Nenne Beispiele wo dies von Nutzen ist. Hoher E-Modul, Hohe Bruchspannungen, geringe Duktilität und Zähigkeit, Bruch ohne plastische Verformungen. Bremsscheiben, Implantate, Schutzausrüstung, Tunnelvortriebsmaschinen.
• Was ist die Definition vom Sintern? Mit Sintern bezeichnet man ein Fertigungsverfahren, in dessen Verlauf ein poröserGrünkörper in einen dichten Festkörper überführt wird. Die Sintertemperaturen betragen zwischen 1300 und 2500°C (abhängig vonden Diffusionsraten und Sintermechanismen) Als wesentliches Merkmal des Sinterns tritt eine Schrumpfung des gesinterten Werkstücks von ungefähr 20% (in jede Richtung) auf.
• Was ist die Triebkraft des Sinterns? Triebkraft des Sinterns ist die Verringerung der freien Energie des Systems. Verringerung der freien Energie des Systems erfolgt durch Verringerungder Oberfläche und durch Umwandlung von Fest-Gas in Fest-Fest-Grenzflächen.
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• Wie bestimmt man heutzutage die Härte? Erläutere das Prinzip. Mit verschiedenen Indentergeometrien aus Diamant. Belastung bis permanenter Eindruck bleibt.Bestimmung der Härte aus der Last mit der der Eindruck eingebracht wurde proKontaktfläche oder projizierte Kontaktfläche, so dass die Einheiten, die sich fürdie Härte ergeben gleich der einer Spannung sind [Pa]. Beispiele:  Brinell Indenter (Kugel) gibt Brinell Hardness Number [BHN], Vickers Indenter (Pyramide) gibt Vickers Hardness Number [VHN] Unterschiedliche Härtewerte je nach Geometrie.
• Was ist Verschleiß? Verschleiß bezeichnet den fortschreitenden Materialverlust aus der Oberflächeeines Körpers, der durch mechanische Ursachen, d.h. durch Kontakt oderRelativbewerbung zu einem Gegenkörper entsteht.
• Was ist ein Hartstoff? Nenne 3 Beispiele. Zeichnen sich durch besonders hohe Härte aus, praktisch nicht weiterverarbeitbar. Wird oft als Verbundwerkstoff als Zuschlag in einer metallischen Matrix eingesetzt. Häufig: Kobalt, Bor, Wolfram, Titancarbid, Titannitrid. Zusatz: Hartstoffe die so genutzt werden sind Hartmetalle mit hohe Härte, Verschleißfestigkeit und hohe Warmhärte. Nutzen in Stanz und Umformtechnik (Bohren, Fräsen, Drehen, Abbau, Schneidwerkzeuge).
• Was ist ein Volumenfehler? Nenne 3 Beispiele. Inhomogenitäten im Material die auf den Herstellungsprozess zurückzuführen sind. Beispiele: Poren, Poröse Spalten/Bereiche, Agglomerate, Exogene Einschlüsse, Grobkornbildung, Interne Risse.
• Nenne die 5 Punkte der Griffith-Theorie. Alle Materialen haben Defekte. Kleine Defekte schwächen spröde Materialien. Duktile Materialien können Spannungsüberhöhungen ausgleichen (durch plastische Deformation an der Rissspitze). Alle spröden Materialien besitzen eine natürliche Defektverteilung. Spröde Materialien versagen, wenn die Spannungsüberhöhung an der Rissspitze die theoretische Festigkeit des Materials übersteigt.
• Wovon hängt die Bruchzähigkeit ab? Von der Defektgröße und Festigkeit.
• Wie lautet die Griffith Gleichung? σb = Sqrt( 2*E*γs / π*Ccrit ) E = E-Modul, Y =Spez. Oberflächenenergie, Ccrit = kritische Risslänge, ob = Bruchspannung.
• Mit welcher Methode bestimmt man die Festigkeit von Keramiken? Nachteile? 4-Punkt-Biegeversuch (liefert Biegefestigkeit). Bestimmung der Zugfestigkeit bei Keramiken aufwendig und teuer. Grund:Gewindeeinspannung der Proben nicht möglich, aufwendige Herstellung derProben und exakte Einspannung der Proben notwendig.
• Nenne 3 Oberflächenfehler. Kratzer, Ausbrüche oder Risse. Passieren während Herstellung oder bei Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeug.
• Was besagt die Weibull-Theorie? Eine Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied. Formeln für Versagenswahrscheinlich der Weibulltheorie nachgucken! wichtig.
• Erläutere den Vorgang vom Sprühtrockner. Alkoholische oder wässrige Pulversuspension(en) (sog. Schlicker) werden im Sprühturm fein zerstäubt. Durch heißes Gas verdampft das Suspensionsmittel. Es entstehen feine kugelförmige Agglomerate, die so groß wie oder kleiner als die Tröpfchengröße sind (d~100 μm) Kritische Parameter: Suspensionsbeladung (zu gering: Donut-Effekt), sowie Temperatur (zu gering: Granulate verkleben). Austragen des Pulvers direkt aus dem Turm oder durch Festphasenabscheidung (Zyklon) der Ablauft.

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