Kategorien

Keramische Werkstoffe

23.07.2018

Keramische Werkstoffe sind nichtmetallische, anorganische Werkstoffe, die durch Brennen aus gepressten Pulverrohlingen hergestellt werden. Die modernen keramischen Werkstoffe, Technische Keramik oder Hochleistungskeramik genannt, werden zunehmend im Maschinenbau als Einbauteile und in der Fertigungstechnik als Werkzeuge verwendet. Sie übernehmen spezifische Aufgaben, die nur sie aufgrund ihrer besonderen
Eigenschaften erfüllen können.

Die keramischen Werkstoffe haben ein gemeinsames Eigenschaftsprofil, das sie insbesondere von den Stählen unterscheidet: Große Härte und Druckfestigkeit, gleitfähige Oberfläche mit hoher Verschleißfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit bis etwa 2000 °C, Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit, geringe Dichte von etwa 2 bis 4 kg/dm3, überwiegend elektrisch isolierend. Sie sind jedoch nicht verformbar und gegen starken Schlag empfindlich. Sie können keine Spannungsspitzen zum Beispiel an Kerben abbauen und keine großen Zugbelastungen tragen. Aufgrund dieser Eigenschaften erfüllen Bauteile aus keramischen Werkstoffen entweder Sonderaufgaben oder sie sind als Spezialbauteil in eine Baugruppe eingebaut. Dort übernehmen sie beispielsweise eine Verschleiß- oder Hochtemperaturaufgabe.

Die Herstellung geht von den pulverisierten Ausgangsstoffen aus und umfasst mehrere Fertigungsschritte: Mahlen / Mischen des Ausgangspulvers zur Ausgangsmasse, Formgebung der Rohteile (Grünlinge) durch Formpressen von Pulver oder Spritzgießen und Extrudieren teigiger Pulverpasten, Brennen der Rohlinge zum Keramikbauteil bei Temperaturen von 1400 °C bis 2500 °C. Die Endbearbeitung erfolgt durch Schleifen und Polieren.

Silikatkeramik – Industrieporzellan oder technisches Porzellan – wird aus 50 % Tonerde (AI2O3), 25 % Quarzsand (SiO2) und 25 % Feldspat (KAlSi3O3) gebrannt, hat einen weißen, dichten Scherben, besitzt gute mechanische Festigkeit, Beständigkeit gegen viele Chemikalien und sehr gutes elektrisches Isolationsvermögen. Haupteinsatzgebiet sind elektrische Isolierteile in Maschinen, Elektroheizgeräten, Schalter und Lampen. 

Keramikbauteile (Bild: Vogt GmbH)

 

Hochdichtes, gesintertes Aluminiumoxid (AI2O3) ist der wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Es besitzt hohe Druckfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit sowie Temperaturbeständigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Es wird zum Beispiel zu Spinndüsen, Dichtscheiben, Fadenführungen, Biegerollen, Gleitringdichtungsringen und Schneidplatten verarbeitet. Auch druckgesintertes Zirkoniumoxid (ZrO2) wird für ähnliche Anwendungen eingesetzt.

Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Aluminiumoxid und Silikatglas (Quelle: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik; VCH-Verlag)

 

Nichtoxidkeramik, beispielsweise Siliziumcarbidkeramik (SiC), besitzt neben hoher Härte, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit eine niedrige thermische Ausdehnung, hohe Wärmeleitfähigkeit und beste Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren und Metallschmelzen. Es wird zu Thermometerschutzrohren und Schmelzbadauskleidungen für Aluminiumschmelzen, zu Heizstäben und Gleitringdichtungsringen verarbeitet.

Siliziumnitridkeramik (Si3N4) verfügt über eine außergewöhnliche Eigenschaftskombination aus Härte, Verschleiß- und Temperaturfestigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit sowie großer Druckfestigkeit und hinreichender Zähigkeit und kann dadurch für mechanisch hoch belastete und schnell bewegte Bauteile, wie beispielsweise Gleitringe, Lagerkugeln, Walzkörper oder Werkzeuge für die Gussbearbeitung eingesetzt werden.

Der Verbund aus Kohlenstoff und beispielsweise Siliziumcarbid (Kohlenstoffkeramik) vereinigt Hochtemperaturbeständigkeit mit einer der höchsten Zug-, Druck- und Verschleißfestigkeit. Es dient zur Fertigung von Hochleistungsbremsscheiben.

Keramische Beschichtungen finden für Bauteile aus Stahl mit hoher Festigkeit und Zähigkeit, die die Oberflächenbeschaffenheit der Keramik erhalten sollen, Anwendung. Die Teile erhalten daduch eine extrem hohe Härte und Druckfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und elektrische Isolation. Häufig aufgebrachte Schichten bestehen aus einer Kombination aus Aluminiumoxid und Titandioxid. Sie werden durch Plasmaspritzen hergestellt.