Hochleistungskeramik: Werkstoff ermöglicht wahlfreien Metallverbund

Hart im Nehmen

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Es ist nunmehr etwa 70 Jahre her, dass aus der äusserst schwer schmelz-baren Tonerde (Bezeichnung für reines Alumi-niumoxid) durch Sintern bei sehr hohen Tempera-turen Formstücke hergestellt und für technische Anwendungen in den Handel gebracht werden. In diesem Zeitraum haben sich Bauteile aus reinem Al2O3 zahlreiche Anwendungsgebiete in den verschiedensten Zweigen der Technik erobert. Durchdachte Verbundkonstruk-tionen erweitern die Anwendungsfelder ständig.

Der Autor Dipl. Ing. Alexander Heitmann, ist Product Manager Ingenieurkeramik im Geschäftsbereich Keramik der Friatec AG, Mannheim

Werkstoff-eigenschaften
Für den Maschinenbauer, der traditionell „in Stahl denkt“, ist sehr wichtig, die in den Tabellen aufgeführten Physikalischen Werkstoffdaten richtig zu interpretieren, damit die optimale Lösung für das entsprechende Problem gefunden wird. Auch die Verbindungstechnik Keramik zu den meist metallischen Komponenten einer Anlage stellt gelegentlich hohe Anforderungen an die Konstruktion. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die mit der hohen Härte verbundene Sprödigkeit der Keramiken sind in die Überlegungen über die Ausführung einzubeziehen.
Herausragende Eigenschaften der Hochleistungskeramiken sind
– Verschleißfestigkeit
– ausserordentliche Härte
– Gleitverhalten (Oberfläche)
– niedriges spezifisches Gewicht
– Korrosionsbeständigkeit
– Hochtemperaturfestigkeit
– elektrische Eigenschaften
Diese Eigenschaften stehen einem erhöhten Preisniveau und der Notwendigkeit der konstruktiven Anpassung gegen-über. Meist wird der Nachteil des höheren Preises nur dann kompensiert, wenn ein Bauteil dem Werkstoff mehrere der herausragenden Eigenschaften abverlangt. Gute Gleiteigenschaften sind bei Gleitlagern häufig bei zusätzlichem korrosiven Angriff erforderlich. Es gibt günstigere Werkstoffe, die entweder gute Gleiteigenschaften besitzen oder ausreichend korrosionsbeständig sind. Wenige jedoch vereinen beispielsweise nicht nur diese beiden Eigenschaften in einem Werkstoff, sondern auch Hochtemperaturfestigkeit u.v.m.
Fertigungsverfahren von Keramiken
Im nachfolgenden wird der Werdegang von keramischen Bauteilen aufgezeigt.
Zuerst die Formgebung:
– Trockenpressen: Oberstempel und Unterstempel verpressen in Matrizen Granulat zu einem Grünling, der kreideähnliche Festigkeit hat. In der Regel wird der Grünling ohne weitere Bearbeitung gebrannt wodurch er seine außerordentliche Härte erhält. Die Endbearbeitung durch Diamantwerkzeuge erfolgt anschließend. Dieses Verfahren findet Anwendung bei großen Serien und einfacheren Geometrien für Dichtscheiben, Ringe und Platten. Außenkonturen und Bohrungen können werkzeugtechnisch frei gestaltet werden, wohingegen Hinterschneidungen mit diesem Verfahren nicht realisiert werden können.
– Isostatisches Pressen: Auch hier wird ein Granulat verpresst. Flüssigkeit überträgt über eine Gummiform den Pressdruck auf das Pulver. Große Bauteile können so gefertigt werden. Dieses Verfahren eignet sich auch für die Kleinserien- sowie Prototypenfertigung. Eine Nachbearbeitung im Grünzustand (grün = vor dem Brennen) ist in der Regel erforderlich.
– Strangpressen: Das Strangpressen (Extrudieren, Ziehen) verwendet als Bindemittel organische Leime, die dem Pulver beigemischt werden. Es entsteht eine plastisch verformbare teigähnliche Masse, die durch eine Düse zu einem Strang gepresst wird. Der entstehende Strang wird getrocknet und gesintert (gebrannt).
– Spritzguß: Das Verfahren entspricht weitgehend dem bekannten Spritzguß von gefüllten Kunststoffen. Nach dem Spritzen wird der Kunststoffanteil jedoch chemisch oder thermisch entfernt. Der verbleibende „Füllstoff“ wird gebrannt und so zu einem dichten keramischen Bauteil.
– Schlickerguß: Das keramische Pulver wird in Wasser suspendiert in eine entsprechende Gipsform gegeben. Der Gips entzieht der Suspension das Wasser und das verbleibende Pulver wird ähnlich einem Filterkuchen verdichtet und ein Bauteil entsprechend der Gipsform entsteht.
Bearbeitung vor dem Brand
Die jeweils nach den beschriebenen Systemen hergestellte Bauteile haben eine Festigkeit, die man mit der von Kreide vergleichen kann. Eine Bearbeitung in diesem Zustand ist möglich und besonders für die Herstellung kleinerer Serien beliebt. Es werden aus der Metallbearbeitung bekannte spanabhebende Verfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren eingesetzt.
Sinterung (Brennen)
Hier erfolgt die eigentliche Verdichtung bei einer Temperaturbehandlung unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvers. Der Sinterprozeß ist mit einem Volumenschwund von 30 bis 50% verbunden.
Die Schwindung ist von Brenntemperatur, Brandführung, Vorverdichtung und der Zusammensetzung des Granulates abhängig. Die Vorausberechnung gelingt mit einer Genauigkeit von ±2 bis 5%.
Nachbearbeitung
Mit der Sinterung ist die Herstellung des oxidkeramischen Bauteils zunächst abgeschlossen. Für viele Anwendungen in der Technik werden jedoch Bauteile benötigt, deren Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit ohne Nachbearbeitung nicht erfüllt werden. In diesen Fällen wird eine Nachbearbeitung erforderlich.
Für die Hartwerkstoffe stehen Verfahren wie Schleifen, Läppen, Honen und Polieren zur Verfügung. Da die Nachbearbeitung zeit- und kostenintensiv ist, wird versucht, endformnah zu brennen. Toleranzerweiterungen können häufig Nacharbeiten überflüssig machen ohne die Funktion einzuschränken.
Anwendungs-beispiele
Mini-Mühle mit großer Wirkung:
Dieses Mini-Aggregat Perlmühle wurde für ein Laboratorium konstruiert und von der Division der Friatec AG gefertigt. Das Mahlgut wird mit Wasser und Mahlperlen (aus Keramik) in den Mahlbecher eingefüllt, der gerade einmal das Format einer Kaffeetasse hat. Ein Keramik-Zylinder rührt dann mit bis zu 10 000 1/min in diesem Becher. Durch die entstehende Reibung wird das Mahlgut zerkleinert. Bei Neuentwicklungen stehen häufig nur geringste Mengen an aufwendig hergestelltem Mahlgut zur Verfügung und entsprechend kleine Mühlen werden dann gebraucht. Um keinen Abrieb im Aggregat durch Abrasion in das Mahlgut zu bekommen, wurden die verschleißbeständigsten technischen Werkstoffe wie Friatit-Degussit-FZM für Rotor und Welle sowie Friatit-Degussit- F99,7 für Becher und Deckel für die Konstruktion dieser Laborperlmühle mit Erfolg getestet.
Metall-Keramik-Verbund-konstruktion:
Metall hat eine gute Zähigkeit und Keramik ist hart und korrosionsbeständig. So ist es gelungen, diese zwei Eigenschaften in einem Bauteil zu vereinen. Die Einsatzgebiete von Metall-Keramik-Verbundkonstruktion reichen über Maschinen-, Pumpen-, Apparatebau bis hin zu Hochtemperatur- und elektrischen Anwendungen.
Konstruktion und Beratung
Die Konstruktion eines keramischen Maschinenelementes sieht grundsätzlich anders aus, als die Konstruktion des entsprechenden Teils aus Metall. Hersteller von Bauteilen aus Keramik sollten bei der Auslegung von neuen kundenspeziefischen Bauteilen mit einbezogen werden. Der Keramikhersteller gibt Hinweise über die Grundregeln der Keramikgerechten Konstruktion und berät den Anwender. Für die Auslegung eines neuen Bauteils ist die Auswahl des geeigneten Fertigungsverfahrens häufig maßgebend.
Ausführliche Informationen
Ingenieurkeramik
KEM 583
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