A Study on Femtosecond Laser Ablation and Fracture Toughness of Silicon Nitride Ceramics

Siliziumnitrid ist aufgrund seiner guten Eigenschaften wie geringer Dichte und hoher Verschleißfestigkeit eine der meistverwendeten Keramiken für Kugeln und Rollen in Hybridlagern. Der begrenzende Faktor für die Lebensdauer von Siliziumnitrid-Kugeln sind Abplatzungen an der Oberfläche aufgrund von Rissausbreitung. Daher ist es wichtig, die Bruchzähigkeit dieser Bauteile genau zu bestimmen. Standardisierte Versuche verwenden in der Regel Biegebalken, welche aus Kugeln gefertigt werden können. Mit diesen wird die Bruchzähigkeit im Zentrum der Kugel bestimmt und nicht an der Oberfläche, die für die Anwendung wichtiger wäre. Unterschiede in der Bruchzähigkeit zwischen Oberfläche und Zentrum können durch Gefügeinhomogenitäten oder Eigenspannungen verursacht werden. In dieser Arbeit wurden erste Untersuchungen zur Entwicklung einer neuen Methode, welche die Bruchzähigkeit nahe der Oberfläche von Kugeln bestimmt, durchgeführt.
Um die Bruchzähigkeit zu messen, werden in der Regel Risse in dem zugbeanspruchten Bereich der Bruchzähigkeitsproben eingebracht, beispielsweise durch „Pre-Cracking“, mithilfe von Härteeindrücken, oder durch Erzeugung von spitzen Kerben mit kleinem Kerbradius durch Honen. Viele dieser Methoden sind aufwändig umsetzbar und benötigen viel Erfahrung. Deswegen wurde untersucht, ob scharfe Kerben mithilfe eines Femtosekundenlasers in Proben eingebracht werden kann. Der Grund für die Verwendung eines Femtosekundenlasers ist der minimale Energieeintrag in das Grundmaterial bei der Ablation. Parameter wie die Fluenz, Wiederholungen und mehr werden systematisch variiert und die entstandenen Kerben mikroskopisch untersucht.
Die Ergebnisse der systematischen Laserparameterstudie wurden herangezogen, um optimale Parameter für die Erzeugung von tiefen V-Kerben und halbelliptischen V-Kerben mit niedrigen Kerbradien zu finden. Diese lasergekerbten Proben wurden für die Bestimmung der Bruchzähigkeit an ausgewählten Siliziumnitriden herangezogen und mit standardisierten Testmethoden verglichen. Eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Methoden konnte nachgewiesen werden.
Die Erzeugung dieser rissähnlichen Defekte mit einem Femtosekundenlaser in Siliziumnitrid bildet die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Methode, mit der nicht nur bearbeitete Proben, sondern auch reale Bauteile, wie beispielsweise Lagerkugeln, geprüft werden können. In einem weiteren Schritt kann der notched-ball test, der die Kugeloberfläche mit Zugspannungen belastet, so modifiziert werden, dass die Bruchzähigkeit mit lasergefertigten Kerben geprüft werden kann.