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A. Franzkowiak:
"Microwave and gas-pressure sintered Si3N4 / SiAlON ceramics for bearing applications";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): R. Haubner, J. Wernisch, A. Liersch, W. Lengauer; Institut für Chemische Technologien und Analytik, 2010; Rigorosum: 21.06.2010.

In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Herstellungsrouten von Wälzkörpern aus Siliciumnitrid- und SiAlON-Keramiken untersucht. Heutzutage ist eine nachhaltige und kosteneffektive Produktion notwendig, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu sein. Ein Ziel war die Reduzierung der Herstellungskosten mittels reduzierten Energieverbrauchs, zusammen mit geringeren CO2-Emissionen, ohne dabei die Materialeigenschaften wie hohe Dichte, Härte, Risszähigkeit, Verschleißfestigkeit usw. zu mindern. Die Arbeit
betrachtet verschiedene Rohmaterialien (Si3N4- im Vergleich zu SiAlON-Keramikpulvern), untersucht den Formgebungsprozess (uniaxiales Trockenpressen im Vergleich zu kaltisostatischem
Pressen und Hochgeschwindigkeitsverdichten) sowie zwei Sinterverfahren (klassische Gasdrucksinterung im Vergleich zu Mikrowellensintern).
Zusätze von ZrO2 und TiO2 zu den Basispulvermischungen verbesserten die Mikrowellenkopplung und Konsolidierung der Keramiken während des Sinterns, ohne die keramischen Eigenschaften wesentlich zu beeinflussen, sowohl für Siliciumnitrid- als auch SiAlONKeramiken.
Die Mikrowellenbehandlung erwies sich als besonders gut geeignet für die SiAlON-Keramiken und erlaubte im Labormaßstab eine schnellere Sinterung bei niedrigeren Temperaturen. Bei entsprechender Aufskalierung kann diese Technik zu einer kosteneffektiven Produktion von SiAlON-Wälzkörpern für Wälzlageranwendungen
beitragen.
Bei der klassischen Sinterung mittels Gasdruck stellten sich mehrstufige Druckprofile besonders für die hergestellten Siliciumnitridkeramiken als vorteilhaft heraus, um gute Kennwerte bei abgesenkten Sintertemperaturen zu erzielen.
Die Keramiken aus SiAlON-Pulvern erwiesen sich als geeigneter Ersatz gegenüber klassischen Siliciumnitridmischungen. Die erzielten Ergebnisse hinsichtlich Gefüge und keramischen Eigenschaftskennwerten liegen im selben Bereich wie die der klassischen Siliciumnitride, sowohl nach dem Gasdruck- als auch nach dem Mikrowellensintern. Im Vergleich zu den Si3N4-Proben wurden bei den SiAlON-Proben die vergleichbaren Eigenschaftskennwerte bereits bei niedrigeren Sintertemperaturen erzielt.
Als nächster Schritt erfolgt eine Aufskalierung bis zur industriellen Umsetzung. Praxistests der keramischen Wälzkörper in Lageranwendungen werden im Anschluss an diese Arbeit durchgeführt.

In this work different production routes of rolling elements of silicon nitride and SiAlON ceramics were investigated. On the score of sustainable and cost-efficient manufacturing this is necessary to be competitive nowadays. One aim was a decrease in fabrication costs by reduced energy consumption coupled with lower carbon dioxide emissions without deterioration of the product properties such as high density, hardness, toughness, wear resistance etc. The thesis took different raw materials (silicon nitride versus SiAlON powder) as well as the shaping process (dry uniaxial pressing versus CIP and highvelocity compaction) and the sintering routes (classical high-pressure sintering versus microwave sintering) into account.
Additions of ZrO2 and TiO2 to the basic powder mixtures proved to enhance microwave coupling and consolidation of the ceramics upon sintering without decreasing the ceramics properties substantially of both silicon nitride 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 classical sintering via gas pressure multilevel pressure profiles were beneficial for the prepared Si3N4 ceramics to achieve favoured values at lowered sintering temperature.
The ceramics of SiAlON powders proved to be an appropriate substitute to classical silicon nitride mixtures. The achieved microstructures and product properties of the SiAlON are in the same range like classical Si3N4 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.
As next step an upscaling up to industrial realisation will be carried out. Practical suitability tests in bearing applications will be accomplished subsequent to this work.

Keramik, Mikrowellensintern