Zirkonoxidkeramik: Anwendungsbereich sowie Vor- und Nachteile


(Fräswerkzeug aus Zirkonoxidkeramik)


Das 21. Jahrhundert stellt gänzlich neue Herausforderungen an Werkstoffe. Zirkonoxidkeramik gehört zur Familie der Hochleistungskeramiken. Im Bereich von Anwendungen, bei denen starke thermische, chemische und/oder mechanische Beanspruchungen gegeben sind, kommt ihm eine besondere Rolle zu.


Zirkonoxidkeramik: Werkstoff für mehr Leistungsfähigkeit und Funktionalität


Hochleistungskeramiken wie Zirkonoxidkeramik werden schon seit vielen Jahren in unzähligen Bereichen eingesetzt. Konsequente und permanente Verbesserungen sorgen dafür, dass der Werkstoff zu jeder Zeit den aktuellen Anforderungen entspricht.


Nachteile wie spröde Eigenschaften werden dabei immer weiter ausgemerzt. In der technischen Keramik hat der High-Tech-Werkstoff Zirkonoxidkeramik somit völlig neue Massstäbe und Akzente gesetzt. Besonders herausragend sind hierbei die extreme Risszähigkeit und eine aussergewöhnliche Biegebruchfestigkeit.


Damit erhält ein Konstrukteur einen Werkstoff, der es erlaubt, auch bei filigranen Designs den Nutzen der Eigenschaften vollkommen auszuschöpfen. Dazu besitzt die Keramik eine angenehme Haptik und überzeugt mit hoher Biokompatibilität sowie hoher Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit. Weiterhin wissen Designer die ästhetische Optik zu schätzen.


Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Zirkonoxidkeramik


Aktuelle Situation:


Heute setzt man Hartmetallwerkzeuge mit individuellen Beschichtungen ein. Man kann nicht bestreiten, dass diese Entwicklung sehr gut war und heute in Millionen Stückzahlen eingesetzt werden. Die Entwicklung ist hier aber stehen geblieben und neue Kundenanforderungen können nicht erfüllt werden mit der Beschichtungstechnologie.


Wärmebildung auf Beschichtungen ist nicht ideal, da ein Verschleiss sich auf die Oberfläche des Fräswerkzeuges setzt. Mit der Zeit löst sich die Beschichtung auf der Schneidekante und der Hartmetall kommt zur Berührung mit dem Metall. Das hat zur Folge, dass die Schneidkante stumpf wird und die Qualität der Teile nimmt ab. Hoher Druck auf das Werkzeug entsteht, welches bis zu einem Bruch des Hartmetall Fräswerkzeuges kommt.


Wieso ist die Zirkonoxidkeramik die Lösung für dieses Problem?


In den letzten Jahren wurden viele Materialentwicklungen für Fräswerkzeuge unternommen. Reiner Zirkonoxidkeramik hat sich nicht durchgesetzt. Die Zirkonoxidkeramik wurde mittels Aluminiumoxid verstärkt, um eine höhere Härte zu erreichen.


Als weiterer Punkt ist die Verbesserung der Biegefestigkeit, da nun hohe Belastungen auf Biegung möglich sind damit die Keramikfräser nicht bei kleinsten Schlägen im Fräsprozess brechen.


Wo finden Fräswerkzeuge aus Zirkonoxidkeramik Anwendung?


Fräswerkzeuge aus Zirkonoxidkeramik finden hohe Beliebtheit bei Hochleistungskunststoffen wie PEEK, Polycarbonatkunststoffe mit Glasfaseranteilen und Kohlenfaserverbundwerkstoffen. Standardkunststoffe funktionieren ebenfalls sehr gut und können auch eingesetzt werden.


Ein weiteres Anwendungsgebiet von Fräswerkzeugen aus Zirkonoxidkeramik sind Leichtmetalle (Aluminium) und Buntmetalle (Kupfer und Kupferlegierungen).

Wir stellen ihnen die Frässtrategie und die Schnittparameter zur Verfügung um besten Erfolg zu erzielen.


Welche Standzeiten sind möglich?


Nach vielen Versuchsreihen bei Hochleistungskunststoffe, Leichtmetallen und Buntmetallen erreichen wir eine Standzeit von mindestens das 7-fache bis 10-fache an Standzeiten gegenüber Hartmetallfräser Werkzeugen. Das ist eine riesige Verbesserung, welche wir entwickelt haben und können nun diese Technologie jedem verfügbar machen.


Was bieten wir an?


Wir, die BSQ TECH GmbH und Partner A&L Tool AG haben uns spezialisiert individuelle Fräswerkzeuge aus Zirkonoxidkeramik ab der Losgrösse 1 Stück herzustellen.

Grosse Lose, ab 10, 100 oder mehr sind problemlos herstellbar und müssen individuell auf die Anwendung angepasst werden.


Welche Dimensionen sind möglich?


Wir können ihnen Werkzeuge ab ø1 mm bis ø10 mm anbieten.


Welche Typen sind möglich?


Wir können ihnen Schaftfräser, Torusfräser, Kugelfräser und Sonderform Fräser in allen Durchmessern herstellen. Dieses Angebot ist weltweit einzigartig und wird nur von BSQ TECH GmbH angeboten.


Zirkonoxidkeramik: filigrane Designs und weniger Verschleiss


Der hochleistungsfähige Werkstoff erlaubte ein deutlich filigranes Design. Gleichzeitig wurde ein deutlich höheres Drehmoment übertragen. Die Bauteile zeichneten sich durch eine gute Kantenstabilität und Bruchfestigkeit aus.


Zirkonoxidkeramik und seine Phasen



Die geschilderten Eigenschaften sind möglich, da Zirkonoxid in mehreren Phasen existiert. Unterschieden wird zwischen der kubischen, der tetragonalen und der monoklinen Phase. Seit mehr als sechs Dekaden ist Zirkonoxid als Hochtemperaturwerkstoff bekannt. Dabei werden Einsatztemperaturen von bis zu 2000 °C erreicht.


Um einen Werkstoff zu entwickeln, der mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften auf ganzer Linie überzeugt, führten Keramiker immer wieder Versuche durch. Metalloxide wurden dem Zirkonoxid als Stabilisatoren hinzugefügt. Hierbei sind besonders Yttriumoxid oder Magnesiumoxid zu erwähnen.


Beide Oxide ermöglichen eine Teilstabilisierung. Das Ergebnis dieser Vorgehensweise zeigt sich in dem markant gelben MG-PSZ und in dem weissen Y-PSZ. Durch die entsprechende Steuerung des Sinterregimes entsteht ein tetragonales Gefüge mit eingebetteten Keimen der monoklinen Phase.


Die Herausforderung: Die monokline Phase beansprucht mehr Platz. Das hat zur Folge, dass mechanische Spannungen entstehen und sich eine Rissstruktur bildet. Kommt es infolge einer Schlagbeanspruchung von aussen zur Rissbildung, absorbiert das Rissgeflecht ihre Energie. Der Riss wird somit zuverlässig und wirkungsvoll gestoppt.


Hochleistungskeramiken: Schlüsselkomponenten in technischen Systemen


Der Innovationsprozess bei Hochleistungskeramiken erstreckt sich über eine vielgliedrige und lange Wirkungskette. Sie beginnt bei der Synthese von Roh- und Ausgangsstoffen, die exakt auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten werden können.


Weiter beinhaltet sie multi-parametrisierte Herstellungstechnologien und die Gewährleistung von funktionellen und/oder strukturellen Materialparametern. Sie reicht bis zu anwendungsbezogenen Aspekten der Zuverlässigkeit sowie der Wirtschaftlichkeit.


In den für die jeweilige Applikation wichtigen Fragen rund um die Themen Systemintegration, Design und Prüfung findet die Wirkungskette schliesslich ihren Abschluss.


Für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Werkstoffdisziplinen sowie den verschiedenen Anwendungsdisziplinen stellt sie zunehmende Herausforderungen dar. Es bieten sich dadurch aber auch völlig neue Chancen, hier eine Schlüsselrolle einzunehmen.


Zirkonoxidkeramik und die Bedeutung von Hochleistungskeramiken


High-Tech-Werkstoffe wie Zirkonoxidkeramik profitieren in etablierten und neuen Anwendungsgebieten von einem Wachstum. Ihnen kommt als Leistungsprofil ganzer Systeme eine Schlüsselstellung zu, da sie einen Wettbewerbs-entscheidenden Einfluss nehmen.


Neben der reinen Materialkompetenz erfordert diese Stellung in zunehmendem Masse auch tiefergehende Kenntnisse im Bereich der Systemtechnologien der Anwendungen. Für die Ausrichtung zukünftiger Entwicklungen stärkt dies die Rolle der Anwenderindustrie in erheblichem Masse und führt verstärkt zu eigenen Entwicklungen.


Teilweise resultieren daraus ausserdem Fertigungen keramischer Systemelemente. In vielen Branchen sind keramische Schlüsselelemente seit Jahrzehnten unverzichtbar. Sie tragen dort zu einer Wertsteigerung der Hochleistungskeramik innerhalb hochwertiger technischer Systeme wie Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Dieseleinspritzsystemen bei.


Hochleistungskeramiken für Anlagen- und Maschinenbau und Chemie


Das Anwendungsfeld Chemie, Maschinen- und Anlagenbau stellt an die keramischen Materialeigenschaften eine grosse Breite an spezifischen Anforderungen. Gleichzeitig nehmen die Herausforderungen hinsichtlich adäquater und kostengünstiger Fertigungstechnologien, Bauteildesign und die Systemintegration der keramischen Komponenten immer weiter zu.


Im Bereich des Anlagen- und Maschinenbaus herrscht ein sehr starker Wettbewerb mit anderen Wertstoffklassen. Ihre Kostenstruktur macht es stets erforderlich, den Nachweis ihrer überlegenen Eigenschaften zu erbringen.


Die gezielte Verbreitung des Anwendungsnutzens und die überdurchschnittlichen technologischen Neu- bzw. Weiterentwicklungen stellen hierfür die Grundlage dar. Wirksame Entwicklungen können nicht isoliert, also nicht nur von keramischer Seite betrieben werden. Daher ist ein enger Austausch mit den Anwendungsindustrien unerlässlich.


Es gilt, durch gezielte Informationen zu Werkstoffentwicklungen und Design die Bereitschaft der Anwender für keramische Lösungen zu erhöhen. Gleichzeitig kommt es darauf an, ein Verständnis für die speziellen Anforderungen im Rahmen der Fertigung bei der Weiterverarbeitung des keramischen Bauteils seitens des Anwenders in der keramischen Industrie zu schaffen.


Schliesslich gilt es, eine problemlose Einbindung in die verschiedenen Anlagensysteme zu realisieren. Unpassende Normen können mitunter für keramische Werkstoffe und ihren Einsatz ein Hindernis darstellen. Gemeinsame Entwicklungen sind wünschenswert, um diese Annäherungsschwierigkeiten gemeinsam zu überwinden.


Typische Anwendungsfelder


Hochleistungskeramiken wie Zirkonoxidkeramik eignen sich hervorragend, um daraus keramische Gleitlager, Dichtungen, Ventile oder Regelelemente herzustellen. Sie finden unter anderem Einsatz in Pumpenanwendungen.


Durch spezielle und neue Konstruktionen und Neuentwicklungen von Werkstoffen können kosten- und zeitintensive Inspektionsintervalle verlängert werden. Eine der Herausforderungen besteht darin, die zu erwartende Lebensdauer selbst unter schwierigen Einsatzbedingungen zu erreichen. Das gelingt durch eine höhere Robustheit, zum Beispiel im Bereich von Gleitlagern.


Funktionelle Anwendungen für biologische und chemische Verfahren


Die Stofftrennung gehört im Bereich der Verfahrenstechnik zu den wichtigsten Prozessschritten. Zu diesen Methoden zählen folgende Verfahren:


- Destillation

- Extraktion

- Adsoprtion

- Rektifikation

- Membrantrennung


Insbesondere bei der Membrantrennnung und der Adsorption spielen keramische Materialien eine essenzielle Rolle. Der selektive Transport der Stoffe wird durch definierte Porositäten, Porengrössen und durch spezifische Wechselwirkungen mit der Materialoberfläche realisiert.


In wässrigen Anwendungen für die Ultrafiltration, die Mikrofiltration und die Nanofiltration haben sie sich für verschiedene Einsatzgebiete besonders bewährt. In der Lebensmittelindustrie erfolgt mithilfe keramischer Materialien die Sterilisierung und Klarfiltration von Getränken.


Auch die chemische Industrie und die Pharmazie verwenden keramische Produkte für die Abwasserbehandlung. Hier liegt der Schwerpunkt auf kleinen und hochbelasteten Abwasserströmen.


Die Badpflege, zum Beispiel Öl/Wasser-Emulsionen oder Reinigungsbäder im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung lassen sich mit keramischen Werkstoffen wirtschaftlich realisieren. Weitere Einsatzspektren sind die Produkttrennung und die Produktreinigung. Als Beispiel kann hierbei die Caseinabtrennung aus Milch genannt werden.


Zirkonoxidkeramik und Hochleistungskeramiken für die Mobilität


Dank ihrer herausragenden strukturellen und funktionellen Eigenschaften spielen Hochleistungskeramiken in der Automobiltechnik seit vielen Jahren eine unverzichtbare Rolle.


Keramische Folien zur Herstellung von Hybriden in elektronischen Steuerungssystemen, Bauteile, die im Bereich der Kühlwasser- und Kraftstoffpumpen eingesetzt werden, oder Piezokeramiken für Klopf- und Abstandssensoren sind nur einige Beispiele.


Durch die Veränderung der Automobiltechnik und dem damit verbundenen Handlungsdruck besteht seitens der Automobilhersteller ein steigendes Interesse, keramische Komponenten im Abgas- und Antriebsstrang zu integrieren.


Begegnen Sie den Herausforderungen für Ihr Unternehmen


Die BSQ TECH GmbH ist seit Jahrzehnten ein erfahrener Partner, der keramische Produkte entwickelt, die auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind. Wir begleiten Sie von der ersten Idee bis zur Fertigstellung des endgültigen Produkts. Nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf. Wir freuen uns auf Sie!

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