Microwave and gas-pressure sintered Si3N4/SiAlON ceramics for bearing applications

Abstract

Heutzutage ist eine nachhaltige und kosteneffektive Produktion notwendig, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu sein. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Herstellungsrouten von Wälzkörpern aus Siliciumnitrid- und SiAlON-Keramiken untersucht. Ein Ziel war die Reduzierung der Herstellungskosten mittels reduziertem Energieverbrauch zusammen mit geringeren CO-Emissionen ohne dabei die Materialeigenschaften wie hohe Dichte, Härte, Risszähigkeit, Verschleißfestigkeit usw. zu mindern. Die Arbeit betrachtet die Rohmaterialsituation (Si3N4- im Vergleich zu SiAlON-Keramikpulvern), untersucht den Formgebungsprozess (uniaxiales Trockenpressen versus kaltisostatischem Pressen und Hochgeschwindigkeitsverdichten) sowie zwei Sinterverfahren (klassische Gasdrucksinterung versus Mikrowellensintern). Dotierungen durch ZrO2 und TiO2 verbesserten die Mikrowellenkopplung und Konsolidierung während des Sinterns ohne die keramischen Eigenschaften wesentlich zu verringern, sowohl für Siliciumnitrid- als auch SiAlON-Keramiken. Die Mikrowellenbehandlung erwies sich als besonders gut geeignet für die SiAlON-Keramiken und erlaubte eine schnellere Sinterung bei niedrigeren Temperaturen im Labormaßstab. Bei nachfolgender Aufskalierung kann solch eine Technik erfolgreich zu einer kosteneffektiven Produktion von SiAlON-Wälzkörpern für Wälzlageranwendungen beitragen. Für die untersuchten Siliciumnitridkeramiken stellten sich mehrstufige Druckprofile als vorteilhaft heraus, um gute Kennwerte bei reduzierteren Sintertemperaturen zu erzielen.<br />Das SiAlON-Pulver erwies sich als geeigneter Ersatz gegenüber klassischen Siliciumnitridmischungen. Die erzielten Ergebnisse hinsichtlich Gefüge und keramischen Eigenschaftskennwerten liegen im selben Ergebnisbereich wie die klassischen Siliciumnitride, sowohl nach dem Gasdruck- als auch nach dem Mikrowellensintern. Dennoch wurden die meisten Eigenschaftskenndaten der SiAlON-Proben bei niedrigeren Sintertemperaturen erzielt im Vergleich zu den Si3N4-Proben. In der Zukunft werden Praxistests solcher Proben in Lageranwendungen die Weiterführung im nächsten Schritt der Aufskalierung sein.<br />

Sustainable and cost-efficient manufacturing is necessary to be competitive nowadays. On that score different production routes of rolling elements of Si3N4 and SiAlON ceramics were investigated in this work. One aim was a decrease in fabrication costs by reduced energy consumption coupled with lower CO2 emissions without deterioration of product properties such as high density, hardness, toughness, wear resistance etc. The thesis took the raw materials situation (Si3N4 versus SiAlON powder) as well as shaping process (dry uniaxial pressing versus CIP and HVC) and sintering routes (classical high-pressure sintering versus microwave sintering) into account.<br />Additions of ZrO2 and TiO2 proved to enhance microwave coupling and consolidation upon sintering without decreasing the ceramics properties substantially of both Si3N4 and SiAlON. The microwave treatment occurred to be favourable for SiAlON ceramics and allowed faster sintering at lower temperatures on a laboratory scale. By successive upscaling such a technique could be favourable for cost-efficient production of SiAlON rolling elements for bearing applications. For the tested Si3N4 ceramics multilevel pressure profiles were beneficial to achieve favoured values at reduced sintering temperature.<br />The SiAlON powder proved to be an appropriate substitute to classical Si3N4 mixtures. The achieved results concerning microstructure and ceramic product properties are in the same dimensional range of classical Si3N4 values in both gas pressure and microwave sintering. Yet most of the properties of the SiAlON samples were attained at lower sintering temperatures compared to Si3N4 specimens. In the future practical suitability tests in bearing applications will be the follow-up for the next step in upscaling.