Wozu taugt die Industriekeramik?



Im täglichen Leben begegnet uns Keramik in den unterschiedlichsten Formen. Verbrauchern ist sie in erster Linie als Geschirrporzellan oder in Form von Sanitärkeramik präsent. In diesen Bereichen stehen Hygiene und Ästhetik im Vordergrund. Hochleistungs- oder Industriekeramik hingegen verrichtet ihre zahlreichen Aufgaben eher im Verborgenen. Sie wird wegen ihrer zahlreichen positiven Eigenschaften geschätzt.


Industriekeramik – die verschiedenen Begrifflichkeiten


Vor mehr als drei Jahrzehnten wurde der Begriff der Hochleistungskeramik geprägt. Ziel war es, eine Abgrenzung zu traditionellen Keramiken auf Tonbasis zu ziehen. Gleichzeitig diente der Begriff dazu, die Werkstoffe zusammenzufassen, welche auch für technische Anwendungen geeignet sind. Daher wird auch häufig das Synonym «Technische Keramik» verwendet.


Verschiedene Bezeichnungen mit ähnlichen Bedeutungen


In diesem Zusammenhang finden für die unterschiedlichen Teilgebiete weitere, meist historisch gewachsene Begriffe mit teilweise überlappender Bedeutung Anwendung. Werkstoffe, deren Fokus darauf liegt, mechanischen Belastungen standzuhalten, werden der Gruppe der Struktur- oder Konstruktionskeramiken zugeordnet. Die Bezeichnungen Ingenieur- oder Industriekeramik haben eine praktisch identische Bedeutung.


Funktionskeramiken


Bei der Familie der Funktionskeramiken hingegen handelt es sich um Werkstoffe, deren innewohnenden Eigenschaften für eine aktive Funktion Anwendung finden. Dazu gehören zum Beispiel keramische Bauelemente mit elektrischen, magnetischen, optischen oder dielektrischen Kennwerten.


Die Elektrokeramik


Die sogenannte Elektrokeramik bezeichnet Werkstoffe, die aufgrund ihrer ausgesuchten Eigenschaften in der Elektronik und der Elektrotechnik eingesetzt werden. Vor mehr als einem Jahrhundert wurde Porzellan erstmals als elektrischer Isolator eingesetzt. Dies war ihre erste technische Anwendung.


Schneidekeramik: aussergewöhnlich verschleissfest und hitzebeständig


Bohren, Drehen oder Fräsen: Die Erledigung dieser Aufgaben wird längst nicht mehr von metallischen Werkzeugen dominiert. Aufgrund extrem hoher Beständigkeit gegenüber Verschleiss und Hitze ist die Schneidekeramik prädestiniert für die Herstellung von Werkzeugen zur Hartbearbeitung.


Unterschiedliche Eigenschaften, eine Gemeinsamkeit



Abhängig von ihrer Zusammensetzung besitzen die verschiedenen Hochleistungskeramiken unterschiedliche Eigenschaften. Doch eines haben alle Werkstoffe gemein: Sie werden überwiegend aus nichtmetallischen, anorganischen, synthetischen Rohstoffen hergestellt. Dafür ist es notwendig, dass sie zunächst einen speziellen Aufbereitungsprozess durchlaufen. Anschliessend kann der Werkstoff in die gewünschte Form gebracht werden.


Um dem Produkt die benötigte Festigkeit zu verleihen, steht am Ende der Herstellung ein Hochtemperatur- oder Brennprozess. Gilt es, die geforderten Toleranzen in der Masshaltigkeit oder eine gewünschte Oberflächengüte zu erzielen, schliesst sich daran häufig ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt an.


Wie bestimmen sich die Eigenschaften der Industriekeramik?


Die stoffliche Zusammensetzung und das jeweilige Gefüge bestimmen die individuellen Eigenschaften der Hochleistungs- oder Industriekeramik. Der Grössenmassstab verschiebt sich dabei immer weiter bis auf wenige Nanometer.


Schon kleine Beimengungen oder Dotierungen spielen eine entscheidende Rolle. Ähnlich sieht es mit den Vorgängen an den Korngrenzen aus. Dort gilt es, spezifische dielektrische oder elektrische Eigenschaften konstant zu erzeugen.


Werkstoffe für extreme Bedingungen: moderne Industriekeramik


Moderne Fortbewegungsmittel werden immer effizienter und leistungsfähiger. Das stellt auch steigende Anforderungen an die verwendeten Materialien. So ist es nicht verwunderlich, dass auch in der Luftfahrt die technische Keramik permanent auf dem Vormarsch ist.


Ein besonders spannender Werkstoff, der zukünftig immer häufiger als leistungsstarker Ersatz für metallische Bauteile in Turbinen dienen könnte, sind textil verstärkte Keramiken – sogenannte Ceramic Matrix Composites oder kurz CMC.



Weitläufig gelten Keramiken als sehr harte und gleichzeitig spröde Werkstoffe. Kommt es zu Fehlern im Korngefüge, kann dies zu katastrophalem Versagen der Werkstoffe führen. Für Einsätze in dynamischen Belastungsszenarien bedeutete dies eine Einschränkung.


Oxidkeramische Faserverbundkeramiken (Oxide Ceramic Matrix Composites oder O-CMC) setzen genau an diesem Punkt an. Daher finden sie vor allem im Bereich der Anlagen- und Energietechnik in den letzten Jahren verstärkt Anwendung.


Der Werkstoff überzeugt mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit und weist gegenüber metallischen Werkstoffen eine geringe Dichte auf. Des Weiteren besitzt er in Verbindung mit einem schadentoleranten Bruchverhalten eine hohe Festigkeit. All diese Eigenschaften bergen ein hohes Potenzial, um den Werkstoff unter anderem in Gasturbinensystemen einzusetzen.



Sprühgefrierganulation für die Herstellung hochwertigster keramischer Granulate


Während der Herstellungsprozesse der modernen Werkstoffe spielen die verwendeten Schlicker eine entscheidende Rolle. Für die Herstellung keramischer Granulate stellen Schlicker die Grundlage dar.


Hierbei kann es sich auch um nicht faserverstärkte technische Keramiken handeln. Die Granulate dienen vielen Formgebungsverfahren von Keramiken als Ausgangsmaterial. Vor allem für das Trockenpressen sind die Granulate üblicherweise die gewählte Rohstoffform.


Für eine reproduzierbare Formfüllung der Pressformen kommt es neben einer guten Rieselfähigkeit der Granulate ausserdem auf eine homogene Verteilung der Einzelrohstoffe sowie eine gute Granulat-Verpressbarkeit an.


Für die Herstellung keramischer Granulate haben sich Sprühtrocknungsprozesse etabliert. Eine Lösung, die aus Lösungsmittel (meist Wasser), Keramikpulver und organischen Hilfsmitteln besteht, wird in einem Sprühturm in Form feiner Tröpfchen versprüht.


Durch einen heissen Luftstrom fallen die Tröpfchen zu Boden. Das enthaltene Lösungsmittel in den Tröpfchen verdampft, und es entsteht ein lösungsmittelfreies Granulat. Es wird anschliessend am Boden des Sprühturms ausgetragen. Nicht nur für Isolatoren oder Dichtscheiben stellen diese so gewonnenen Granulate bewährte Rohstoffe dar.


Steigende Anforderungen an keramische Produkte


Durch den vermehrten Einsatz und die sich verändernden Bedingungen steigen die Anforderungen an keramische Produkte. Weiterhin werden immer wieder völlig neue Produkte aus den Hightech-Werkstoffen entwickelt.


Eine Realisierung mit klassischen Keramikgranulaten ist vielfach nicht mehr möglich. Als Beispiel können transparente Keramiken oder medizintechnische Bauteile genannt werden, die höchsten Ansprüchen gerecht werden müssen.


Werden keramische Granulate nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt, hat dies verschiedene Nachteile. Kommt es zu einer ungleichmässigen Verteilung der Ausgangsrohstoffe im Granulat, kann dies etwa zu einer sogenannten Bindersegregation an der Granulatoberfläche führen.


Bedingt durch die Herstellung besitzen die Granulate eine Hohlform. Sie weisen dadurch eine hohe Festigkeit auf. Im ungünstigsten Fall bedeutet dies während der Verpressung, dass sie nicht gleichmässig zerfallen. Im Endprodukt sind unerwünschte Schalenstrukuren erkennbar.


Die Bildung sehr fester Agglomerate im Granulat stellt einen weiteren relevanten Nachteil dar. Die teilweise sehr festen Agglomerate lassen sich beim Pressprozess nicht zerstören. Als Folge können im Keramikkörper sichel- oder rissförmige Poren (Fehlstellen), Dichtegradienten sowie unzerstörbare Granulatstrukturen auftreten.


Die Eliminierung der Nachteile


Weisen Keramiken Fehler auf, führen diese zu einer deutlichen Schwächung der Bauteile. Das macht es notwendig, Granulierungsverfahren zu entwickeln, die diese Nachteile eliminieren.


So entwickelte die Technische Hochschule Nürnberg das sogenannte Sprügefriertrocknungsverfahren. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren passieren die Tröpfchen keine heisse Luft, sondern flüssigen Stickstoff.


HIC Ceramic – hochelastischer Allrounder für viele Branchen


Zirkonoxid (Zr02) gehört zu den oxidkeramischen Werkstoffen. Durch die Zugabe bestimmter Oxide entsteht daraus eine Hochleistungskeramik. Sie weisst einerseits die urtypischen keramischen Merkmale wie Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit auf.


Andererseits besitzt sie Eigenschaften, die für diesen Werkstoff eher untypisch und nur bei Metallen bekannt sind. Hierzu zählt eine sehr hohe Festigkeit und Zähigkeit. Wird Zirkonoxid als «keramischer Stahl» bezeichnet, ist es mit Yttriumoxid (Y203) als Stabilisator dotiert.


Unsere High Impact Ceramic aus Zirkonoxid ist ein moderner Spezialist mit vielen positiven Eigenschaften:


  • Es ist hochelastisch und zugleich überaus stabil. So kann sich zum Beispiel eine 18 cm lange Klinge aus HIC Ceramic um rund 5 cm biegen, ohne dabei Schaden zu nehmen.

  • Kommt es zu einem Schlag mit Rissbildung auf das Material, breiten sich die entstandenen Risse nicht aus.

  • Vergleicht man die High Impact Ceramics mit üblicher Standardkeramik, bleibt bei dem schlagfesten HIC-Material die mechanische Festigkeitsbeständigkeit erhalten.

  • Besonders bei der Anwendung ans Schneidewerkzeug ist dies ein entscheidender Faktor: Die Mikro- und Makrospanbeständigkeit einer Klinge ist ein Synonym für ein langlebiges Produkt und einer perfekten Schärfe.

  • Mit 15 MPa hat das HIC-Material eine sehr hohe Bruchzähigkeit Klc.

  • Exzellente Werte in der 3-Punkt-Biegeprüfung durch die EMPA Zürich. Lassen Sie sich von dem Videobeweis überzeugen.

  • Haben Sie schon einmal ein klassisches Keramikmesser fallen lassen? Trifft die Klinge auf den Boden, bricht sie entweder gleich ganz durch, oder es splittern Teile heraus. Auch hier kann die High Impact Ceramic auf ganzer Linie überzeugen. Selbst aus einer Höhe von 3,5 m übersteht eine Messerklinge einen Falltest schadlos.


Moderne Industriekeramik von BSQ Tech GmbH


Hochwertige Keramik-Granulate sind aus der modernen Keramikindustrie nicht mehr wegzudenken. Vor allem in Sektoren, die hohe Anforderungen an Lebensdauer, Temperatur- und chemische Beständigkeit stellen, erschliessen sich technische Keramiken immer mehr Anwendungspotenziale.


Als erfahrener Hersteller und Entwickler von Hochleistungs- und Industriekeramik steht BSQ Tech von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt gerne an Ihrer Seite. Sprechen Sie uns an, wir beraten Sie gerne!

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