452 Prakt. Met. Sonderband 38 (2006)
| Flache/ Elemente | Al Si Ti_| tr |_V_, Mn _| Mo | Fe _| Zn
1_ metallisch - 10,6 | 0,4 j - 1524, - -
2 metallisch - | Rl - 126,55] - =
3_metallisch | - T144708] J] 08 [3690] - [438] -
4 metallisch 98,8 | - | - | - - ee -
F_ oxynitridisch 96,8 | - = Se -
Tabelle 5: EDX-Analysen der Felder aus Bild 17 in Gew.-% der Elemente. Bei den
Messpunkten 1-4 wurden weder Sauerstoff noch Stickstoff detektiert: Stelle F ist SizNy
neben Si-Al-O-N-Glasphase.
4. DISKUSSION
Die Schadigungen von Siliciumnitrid-Gesenken wahrend des Thixoschmiedens las-
sen sich in drei Kategorien unterteilen: Durch Uberlagerung von thermischen Span-
nungen während der raschen Warmeeinleitung mit den herstellungsbedingten inne-
ren Spannungen kommt es zu einer horizontalen Werkzeugspaltung. Radiale Bruch-
erscheinungen hangen mit den hohen Preßkräften bei der Einformung des Bolzens
zusammen. Dieses Versagen kann durch eine geeignete Armierung kompensiert
werden. Die mit dem Einformen verbundenen Scherkräfte bewirken bei Temperatu-
ren zwischen 1370 und 1430°C jedoch auch tribochemische Reaktionen, die mit gro-
ßer Wahrscheinlichkeit folgendermaßen ablaufen:
1) Oberflächliche Erwärmung der Keramik über 1000°C, Erweichung der Glasphase,
2) Auf der Stahlseite relative Anreicherung von Legierungselementen wie Mn, Cr, V
durch prozessbedingte Entmischungen (Flüssig-Fest-Trennung)
3) Ausquetschen der keramischen Glasphase durch Druck und Scherung
4\ Redoxreaktionen zwischen Glasphase, Si3N, und Stahl bzw. Stahlschmelze
4) Bildung von tribochemischen Schichten
6) Delamination, Fragmentierung und Abscherung der Schichten
7) Wiederholung des Vorgangs mit dem nächsten Schmiedezyklus
Schritt 1) läßt sich aus dem Hochtemperaturverhalten der Siliciumnitridkeramik ablei-
ten. Der hier eingesetzte Werkstoff zeigt oberhalb 1000°C einen starken Abfall des
Elastizitätsmoduls von 280 GPa auf 150 GPa bei 1200°C [2], ferner einen Abfall der
Biegefestigkeit im gleichen Temperaturintervall. Dies ist auf die Erweichung der Oxy-
nitrid-Glasphase zurückzuführen. Das Erweichen und Ausquetschen solcher Glas-
phasen wurde an zahlreichen Beispielen dokumentiert, z.B. beim laserunterstützten
Drehen solcher Werkstoffe [4], wo er gezielt zum spanenden Abtrag von Si3N4- oder
LPS-SiC genutzt wird; dieser Mechanismus ist aber auch bei konventionellen
Schleifprozessen bereits beobachtet worden [5]. Mit dem Thixoprozess geht auf-
grund der hohen Fließgeschwindigkeiten eine Entmischungtendenz einher, die zu
einem Voreilen der Schmelze führt, während der relativ erhöhte Feststoffanteil zu-
rückbleibt. Eine Schmelzinfilitration in Spalten zwischen Werkzeugen ist bereits do-
kumentiert worden [6]. Hierbei sind insbesondere diejenigen Legierungselemente
beteiligt, die den Schmelzpunkt des Stahls wesentlich erniedrigen [7], was die ge-
genüber der Ausgangszusammensetzung um das 10-30fache erhöhte Konzentration
an Mangan, Vanadium, Molybdän und Chrom erklärt. Im Falle La»O3/Y2Os-dotierter
SiaN4-Keramiken wurden am Kontakt mit Wolframstählen in der Grenzschicht die Bil-
dung von Schmelzphasen und Neuausscheidungen solcher Legierungsbestandteile
gefunden, wogegen in der Keramik selbst in der Nähe der Randzone Abreicherungen
