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Nanopulverkeramik: Alternative zu Metallen

Von der EU finanzierte Forscher haben eine neue Technik entwickelt, die den Einsatz von Keramiken auf Basis von Nanopulver als eine Alternative zu Metallen bei verschleißfesten Holzschneidwerkzeugen sowie medizinischen und mikrokleinen Geräten voranbringen könnte.
Nanopulverkeramik: Alternative zu Metallen
Schneidwerkzeuge, Zahnräder und Lager sind üblicherweise Metallteile. Keramische Nanopulver haben ein großes Potenzial als Alternative zu Metall bei der Herstellung von verschleißfesten Holzschneidwerkzeugen sowie von Bauteilen für die Medizintechnik, für Mikroreaktoren und Mikrosensoren zu bieten.

Um diese Chancen ausnutzen, arbeiteten durch Finanzmittel aus dem Nanoceram-Projekt ("Cutting tools and miniaturised parts with complex geometry based on nano powders") finanzierte europäische Forscher an der Entwicklung plasmachemischer Technologien zur Nanopulverherstellung sowie an neuen Technologien für Oberflächenmodifikationen der Pulver zum Einsatz beim Standard-Gelgießen, Spritzgießen und Pressen. Überdies sollten sie Sinterverfahren zur Herstellung dichter Materialien mit nanokleiner Mikrostruktur entwickeln.

Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf den Einsatz von Siliziumnitrid (Si3N4) für Holzschneidwerkzeuge und yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (Y, ZrO2) für Teile aus der Medizintechnik und für Mikrobauelemente.

Den Wissenschaftlern gelang die erfolgreiche Herstellung von vier Chargen plasmabearbeiteten Si3N4-Pulvers in der erforderlichen Qualität und Menge. Außerdem führten sie Oberflächenmodifikationen der nanofeinen Pulver aus, um eine gute Partikeldispersion und ausreichend Festigkeit gegenüber dauerhaft hohen Belastungen zu erzielen.

Zur Herstellung von Teilen aus reinem Si3N4-Plasmapulver oder Si3N4-Gemischen wurde ein Verfahren zum Gelgießen entwickelt. Die hergestellten Platten waren frei von Fehlern und konnten mit einer ausgezeichneten Biegefestigkeit, Härte und Bruchzähigkeit aufwarten.

Außerdem wurden aus Si3N4-Plasmapulvern oder dieses enthaltenden Gemischen unter Einsatz des Gelgießens, Metallpulverspritzgießens (MPIM) und kaltisostatischen Pressens (CIP) geformte Teile anschließend gesintert, um den Ablauf des Sinterns zu optimieren.

Aus Si3N4 hergestellte Fräser wurden im Vergleich mit Hartmetallfräsern getestet. Obgleich die keramischen Schneiden flockenförmige Abplatzungen oder Bruchstückchen erzeugten, wiesen Untersuchungen der Kanten nach dem Schleifen per Feldemissionsrasterelektronenmikroskop keine Beschädigungen nach.

Nanoceram blickt nun auf die Entwicklung einer wertvollen neuen Technologie zurück, welche die Herstellung von Holzschneidewerkzeugen, Medizintechnik und Mikrobauelementen aus Nanopulverkeramik unter Einsatz von Standardverfahren einschließlich Gelgießen, Spritzgießen und Pressen ermöglichen wird.

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