Materialkunde Keramik
Der Begriff Keramik bezeichnet eine Vielzahl anorganischer nichtmetallischer Werkstoffe. Die für die Industrie verwendete Keramik wird Hochleistungskeramik oder auch Technische Keramik genannt. Durch spezielle und weiterentwickelte Fertigungsprozesse findet die Hochleistungskeramik in vielen Branchen des Maschinenbaus Verwendung. Nachfolgend werden die Vorteile des Werkstoffes und seine möglichen Anwendungsbereiche aufgezeigt.
Weitere Informationen zu Keramik
- Korrosionsbeständig
- Extreme Festigkeit
- Hohe Temperaturbeständigkeit
- Hohe Verschleißbeständigkeit
- Unterschiedliche Formen
Definition von Hochleistungskeramik
Keramiken sind Verbindungen aus metallischen und nichtmetallischen Elementen. Das aus dem Griechischen stammende Wort keramos bedeutet „Töpferton“. Keramik bezeichnet damit sowohl den Werkstoff als auch das daraus hergestellte Produkt.
Die Hochleistungskeramik, auch Technische Keramik genannt, unterscheidet sich von der herkömmlichen Keramik in ihrer präzisen Verarbeitung. Das Geheimnis hierbei liegt in der Gefügestruktur. Eine bestimmte Körnung, die durch ihre Reinheit und Korngröße in einem definierten Toleranzbereich liegen muss, ist ausschlaggebend für die positiven Eigenschaften.
Ein synthetisch hergestelltes keramisches Pulver bringt diese hohen Anforderungen an chemischer Reinheit und Homogenität mit sich, welche natürlich vorkommende Rohstoffe nicht liefern können. Die daraus resultierende Vielzahl an Hochleistungskeramiken findet im Maschinenbau ihre Verwendung.
Eigenschaften Keramik
- Korrosionsbeständig
- Chemische Beständigkeit
- Keine Wärmeleitfähigkeit
- Nicht magnetisch
- Geringe elektrische Leitfähigkeit (modifizierbar)
- Duktile Verformbarkeit
- Extreme Festigkeit und Formstabilität
- Hohe Verschleißbeständigkeit
- Hochtemperaturfestigkeit
Hohe Verschleißbeständigkeit und Härte
Im Vergleich zu anderen Werkstoffgruppen haben Keramiken eine außerordentliche Härte. Je nach Gefüge und Art des Werkstoffes gibt es aber Unterschiede. Die Härteprüfung findet nach Vickers (HV) statt. Im Gegensatz zu den metallischen Werkstoffen treten bei keramischen Werkstoffen, bei Raumtemperaturen, keine plastischen Verformungen auf. Dennoch entsteht durch den Probenkörper ein messbarer Eindruck, der aber mit einer starken Rissbildung radial und lateral begleitet wird.
Die von uns genutzte Keramik Si3N4 besitzt eine Vickers-Härte von bis zu 1700 HV 10. Im Vergleich liegt der übliche Wälzlagerstahl 100Cr6 bei ca. 700 HV 10.
Hohe Temperaturbeständigkeit
- Da Keramiken auch bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit und Steifigkeit beibehalten, sind Hochtemperaturanwendungen möglich.
- Die Wärmeleitfähigkeit eines Werkstoffs hängt von seiner Porosität und Korngröße ab. Durch die geringen Zwischenräume und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, ergibt sich die für die Keramik positive Eigenschaft der geringen Wärmeleitfähigkeit.
- Je nach Fertigungsverfahren wird die maximale Anwendungstemperatur beeinflusst.
Übersicht Hochleistungskeramik
| Übersicht | Produktbeispiel |
|---|---|
| CERAZUR | |
| Z141 | |
| Si3N4 |
Anwendungsbereiche Hochleistungskeramik
In vielen Bereichen in denen Metalle und Kunststoffe im Prozess Probleme bereiten, wird auf eine Hochleistungskeramik zurückgegriffen. Die Vorteile und positiven Eigenschaften des Werkstoffes schaffen immer neue Einsatzgebiete und einen wachsenden Absatzmarkt.
Chemie-, Lebensmittel-, Pharmaindustrie
Besondere Anforderungen in dieser Branche erfordern den Einsatz spezieller Werkstoffe, wie der Hochleistungskeramik. Bestimmte Eigenschaften, wie der Resistenz gegenüber Säuren und Laugen sowie abrasiven Stoffen, ermöglichen es der Keramik in vielen Filtern, Auskleidungen, Füllkörpern, Armaturen und Ventilen zum Einsatz zu kommen. Die hohe Korrosionsbeständigkeit und die geringen Reaktionen mit anderen Substanzen schließen unerwünschte chemische Reaktionen mit dem Werkstück aus. Beeinträchtigungen des Endprodukts können so verhindert werden. Speziell im Bereich der Lebensmittelindustrie erfüllen bestimmte Keramiken die Hygienestandards. Ein Produktbeispiel ist Auflagebolzen Keramik
Elektronikindustrie
Die Elektronikindustrie benötigt aufgrund der speziellen Anforderungen in der Fertigung auch einen speziellen Werkstoffeinsatz. Empfindliche und komplex zu bearbeitende Bauteile und hohe Taktraten sind Anforderungen, die einen Einsatz von Keramik fordern.
Der sonst oft verwendete Kunststoff besitzt nicht annähernd die Verschleißbeständigkeit, die Keramik mit sich bringt. Eine weitere Anforderung in der Elektronikindustrie ist die elektrische und elektromagnetische Neutralität der verwendeten Werkstoffe. Für den Einsatz in Hoch-, Niederfrequenz- und Induktionsanwendungen kann auch hier auf eine der vielen Hochleistungskeramiken zurückgegriffen werden.
Automobilbranche
Die hohe Auslastung einer Automation und das Vermeiden von Stillstand sind Merkmale der heutigen Produktionslinien der Automobilbranche. Eine möglichst hohe Lebensdauer bzw. Standzeit ist die technische Herausforderung, die es hier zu bewältigen gilt. Die positiven Eigenschaften der Hochleistungskeramik, wie der extremen Festigkeit, hohen Abrasions-, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, erhöhen die Prozesssicherheit und die Prozessqualität. Der geringe Verschleiß erhöht die Standzeiten und verringert die Wechselintervalle der Komponenten.
Beispielhaft sind hier Aufnahmebolzen aus Keramik. In Vorrichtungen mit sehr hohen Wechselintervallen und Taktzahlen kompensieren die Aufnahmebolzen den sehr hohen Verschleiß. Die Standzeit kann damit um ein Vielfaches erhöht werden.