Definition Die besonderen Eigenschaften technischer Keramik

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Im ersten Teil des Grundlagenbeitrags zu technischer Keramik standen die verschiedenen Werkstoffe und deren Eigenschaften im Mittelpunkt. Wie Bauteile aus technischer Keramik gefertigt werden oder welche Vor- und Nachteile aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften resultieren, beantwortet dieser zweite Teil des Beitrags.

Aus der Beschreibung der verschiedenen keramische Werkstoffe wird deutlich, dass sie sich nicht nur in ihren Eigenschaften unterscheiden, sondern sich teilweise auch völlig gegensätzlich verhalten. So sind Porzellan, Steatit und Aluminiumoxid elektrische Isolatoren, während Siliziumkarbid elektrisch leitend ist und zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Elektrisch isolierend ist indes Aluminiumnitrid, leitet aber Wärme ebenfalls gut.

Hohe Lebensdauer gefordert

Einer der wichtigsten Anforderungen an die technische Keramik ist eine hohe Lebensdauer. Keramische Werkstoffe werden daher heute in Bereichen eingesetzt, die denen in der Vergangenheit vor allem verschiedenste Metalle die erste Wahl waren. In diesem Zusammenhang machen ihre wesentlichen Eigenschaften technische Keramik zu einem hochinteressanten Werkstoff für verschiedenste Anwendungen. Zu diesen Eigenschaften zählen u.a.:

• hohe Härte

• hohe Verschleißfestigkeit

• hohe Korrosionsbeständigkeit

• eine hervorragende Temperaturstabilität bei niedrigem spezifischen Gewicht

Definition

Was ist technische Keramik?

Vom Pulver zum Hochleistungsbauteil

Wie im ersten Teil dieses Grundlagenartikels angesprochen, sind keramische Werkstoffe anorganisch, nicht-metallisch und polykristallin. Die grundlegenden Schritte bis hin zum fertigen Bauteil bestehen aus

• der Aufbereitung der Ausgangspulver,

• der Formgebung und

• dem Sinterprozess.

Vereinfacht dargestellt wird hierzu die Rohmasse aus Keramikpulver, einem organischen Binder und Flüssigkeit geformt, wobei die typischen bzw. charakteristischen Werkstoffeigenschaften erst in einem Sintervorgang bei hohen Temperaturen entstehen.

Additive Fertigung

Technische Keramik im 3D-Druck

Durch unterschiedliche Brennverfahren (z. B. heißisostatisches Pressen) und Brennatmosphären sowie durch die Korngröße und Brenntemperatur lassen sich hierbei verschiedenste Eigenschaften des gleichen Stoffgemisches erzielen. Die eigentliche Ingenieurleistung liegt somit in der genauen Gestaltung der Herstellung und hier vor allem in der gezielten Beeinflussung der Mikrostrukturen im abschließenden Sinterprozess.

Diese Formgebungsverfahren kommen zum Einsatz:

Für die Formgebung von keramischen Werkstoffen stehen folgende Verfahren zur Verfügung:

• Pressen (0-15% Feuchte),
  

• Plastische Formgebung (15- 25% Feuchte)

• Gießen (Feuchte >25%)

Ohne an dieser Stelle genauer auf diese Thematik einzugehen, sind die Unterschiede zwischen den Formgebungsverfahren sehr groß. Daher ist es wichtig, ein Verfahren zu wählen, das auch im Hinblick auf die Bauteilgeometrien zu den gewünschten Anforderungen und Eigenschaften des zukünftigen Produktes führt. Da z. B. eine Nacharbeit von sehr harter Keramik aufwendig ist, sollte möglichst eine Formgebung gewählt werden, die den Endkonturen des Bauteils sehr nahekommt.

Nachteilige Materialeigenschaften Technischer Keramik

Konstrukteure müssen vor allem einen entscheidenden Nachteil keramischer Werkstoffe berücksichtigen: Trotz hoher mechanischer Beständigkeit sind sie spröde und haben nur eine niedrige Bruchzähigkeit. Daher tritt bei technischer Keramik in Folge einer elastischen Verformung ein Bruch sofort ein, also noch bevor es zu einer plastischen Verformung, wie z. B. bei Metallen, kommt.

Technische Keramik

Neue Keramik aus China ist so biegsam wie Metall

Eine „keramikgerechte“ Konstruktion kann indes das Risiko eines Sprödbruchs reduzieren, z. B. indem scharfe Kanten oder Innenkonturen vermieden werden und Änderungen in der Wandstärke eines Bauteils nicht stufig, sondern möglichst kontinuierlich erfolgen. Insbesondere bei Biege- bzw. Zugbeanspruchungen können die oben genannten Merkmale leicht Risse verursachen, die sich selbst bei geringen Kräften durch das ganze Bauteil ausbreiten und es in der Folge zerstören.

Vorteilhafte Materialeigenschaften Technischer Keramik

Die vielfältigen Vorteile technischer Keramik sind unumstritten. Nachfolgend daher eine Auswahl einiger wesentlicher positiver Materialeigenschaften, auch im Hinblick auf konkrete Einsatzfelder.

• hohe Temperaturbeständigkeit mit Einsatztemperaturen weit über 2000° C (z. B. für Heizelemente, Öfen, Brenner)

• hohe elektrische Isolation (z. B. Einsatz als Isolator bzw. Isolierstoff bei Zündkerzen oder Freileitungen im Bereich der Energieversorgung)

• hohe Permittivität (z. B. für elektronische Bauelemente wie Keramikkondensatoren)

• hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit (z. B. für Gleitringdichtungen in Pumpen oder als Gleitlager in Kolben und Zylinder sowie für Schneiddüsen im Bereich Laser- und Wasserstrahlschneiden)

• hohe Härte (z. B. für Kugellager, für Schneidwerkzeuge in der zerspanenden Produktion)

• hohe Korrosionsbeständigkeit (z. B. für spezielle Pumpen in der chemischen Industrie, Pumpen für Seewasseranwendungen oder als Beschichtungen für Metalle)

• hohe Biokompatibilität in Kombination mit hoher Festigkeit (z. B. für eine Vielfalt an medizintechnischen Anwendungen)

Additive Fertigung

Wie mit Verfahren des Kunststoff-3D-Drucks Bauteile aus Metall, Keramik oder Glas entstehen

Technische Keramik steht heute gleichberechtigt neben vielen anderen Werkstoffen und hat sich aus der einstigen High-Tech-Nische heraus mittlerweile eine Vielzahl an neuen Anwendungen erschlossen. Jüngste Forschungen und vor allem wirtschaftliche Produktionsverfahren wie z. B. die additive Fertigung selbst komplexer Bauteile im 3D-Druck eröffnen immer wieder neue Potenziale, z. B. für Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik und den Maschinenbau.

Anbieter technischer Keramik

• Advanced Ceramics

• AKG Hochleistungswerkstoffe

• Aliaxis

• Alumina Systems

• CC ceramic components

• Ceramaret

• FCT Systeme

• Felix Vuckovic

• Hilgenberg-Ceramics

• Kager Industrieprodukte

• Keraguss

• Klein & Becker

• Kyocera Fineceramics

• Moeschter Group

• Nabaltec

• Sczesny Werkzeugbau

• Sembach

• Stecher Ceramicparts

• Steinbach

• Vogt

• Zell Quarzglas und technische Keramik

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: www.wiki.induux.de, www.keramverband.de, www.ceramtec-industrial.com, https://wzr.cc/, www.chemie.de, www.wikipedia.org

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