Eine Herausforderung für den Konstrukteur

Autor Alexander Heitmann Technischer Vertrieb Division Keramik, Friatec

Mit dem klassischen Bild von Keramik haben moderne Hochleistungskeramiken fast nichts mehr gemein. Die hochreinen Werkstoffe werden in aufwendigen chemischen Prozessen aus Naturstoffen gewonnen. Heute gibt es bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten mit teilweise verblüffenden Eigenschaften. Aluminiumoxid nimmt unter all den Oxiden, Carbiden und Nitriden eine Sonderstellung ein. Es hat die größte Verbreitung und beispiellose Rohstoffressourcen. Aluminium ist mit ca. 8 % das häufigste Metall der Erdkruste. Bei Aluminiumoxidkeramik, wie sie Friatec mit dem Werkstoff Frialit anbietet, ist mit einer Verknappung der natürlichen Ressourcen also nicht zu rechnen, auch wenn die Gewinnung der reinen Pulver aus den Naturvorkommen ein aufwendiger und energieintensiver Prozess ist.

Die Vorteile von Hochleistungskeramiken liegen in Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, außerordentliche Härte, niedriges spezifisches Gewicht, sehr gute Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren und Laugen und Hochtemperaturfestigkeit bis 1950 °C. Diesen außerordentlich reizvollen Werkstoffeigenschaften steht die wirtschaftliche Kenngröße Preis gegenüber. Der Nutzen des Keramikteils muss diesem Mehrpreis zumindest entsprechen. Eine Anpassung der gesamten Konstruktion kann mitunter erforderlich werden und für den Konstrukteur eine Herausforderung darstellen. Für den Keramikhersteller sind die Produktionseinrichtungen extrem kapitalintensiv und die Werkstoffentwicklung ist aufwendig. Die erforderlichen Brennprozesse bei Temperaturen um 1800 °C sind anspruchsvoll und energieintensiv. Härte und Verschleißfestigkeit der Erzeugnisse lassen die Bearbeitung zum zeitraubenden Kraftakt werden.

Der höhere Preis zahlt sich aus, wenn eine Anwendung einem Bauteil mehrere herausragende Eigenschaften gleichzeitig abverlangt. Gute Gleiteigenschaften sind bei Gleitlagern häufig bei zusätzlichem korrosivem Angriff und Mangelschmierung erforderlich. Eventuell kommt noch die Notwendigkeit der elektrischen Isolation hinzu oder das Produkt darf nicht mit nickelhaltigen Metallen in Berührung kommen. In diesen Situationen stoßen andere, preiswertere Werkstoffe an Grenzen. Anwendungsfälle mit extrem komplexen Anforderungsprofilen ermöglichen den effektivsten Einsatz von Oxidkeramikbauteilen.

Eine Keramikkonstruktion unterscheidet sich schon aufgrund der Werkstoffeigenschaften von einem entsprechenden aus anderen Materialien gefertigten Maschinenelement. Das ist nicht anders als beispielsweise bei einer Brücke. Eine Holzbrücke muss anders als eine Brücke aus Beton oder Stahl konstruiert sein. Werkstoffeigenschaften und Materialverfügbarkeit werden schon von Anfang an berücksichtigt und führen dann schließlich zu unterschiedlichen Brückenformen.

Keramikhersteller wirken schon bei der Auslegung von kundenspezifischen Bauteilen mit. So wird es für Anwendungstechniker in der keramischen Industrie häufig erforderlich, sich intensiv mit den Aufgabenstellungen der Kundenkonstruktion auseinanderzusetzen. Für die erfolgreiche Auslegung eines neuen Bauteils ist eine feine Abstimmung der geforderten Funktion mit den entsprechenden Werkstoffeigenschaften einerseits und den fertigungstechnischen Belangen andererseits zu suchen. Die Auswahl des geeigneten Fertigungsverfahrens ist häufig entscheidend und hat Einfluss auf die Auslegung. Werden die Werkstoffeigenschaften sowie die Eigenarten der verfügbaren Herstellverfahren bei der Konstruktion beachtet, gelingt es bei vertretbaren Kosten, die Stärken des Werkstoffs Keramik zu nutzen. Es gibt zahlreiche Beispiele für erfolgreich abgeschlossene Entwicklungen von speziellen Problemlösungen. Hier können nur einige aufgeführt werden.

Für Wellenabdichtungen werden heute bereits in Standardaggregaten Gleitringdichtungen mit keramischem Gleitring eingesetzt. Wie die Rotorwelle der Laugenpumpe einer Waschmaschine werden auch Rührer- und Pumpenwellen in der chemischen Industrie und Speisewasserpumpen von Kraftwerken mit Gleitringdichtungen mit Keramikringen abgedichtet. Über Federkraft wird ein rotierender Kohlering gegen einen Keramikring gepresst. Die eben geläppten Dichtflächen gleiten aufeinander. Die Dichtung sollte produktgeschmiert sein, wodurch eine geringe Tropfleckage systembedingt auftritt.

Eine viel aufwendigere, aber weitgehend wartungs- und leckagefreie Wellendichtung ermöglicht die magnetische Kupplung. Das Drehmoment wird über Magnete, die durch einen Spalttopf aus Zirkonoxid-Keramik getrennt werden, übertragen. Das Gehäuse ist hermetisch abgeriegelt. Die Größe der erforderlichen Magnete wird maßgeblich durch den Spalt zwischen angetriebenem und Läufermagnet bestimmt. Durch modifizierte Fertigungsverfahren ist es gelungen, die Wandstärke keramischer Spalttöpfe so weit zu reduzieren, dass Standardmagnete einsetzbar sind. Für Pumpenhersteller vereinfacht sich hierdurch die Lagerhaltung deutlich.

Am Austritt von Düsen erfordern extreme Strömungsgeschwindigkeiten und die plötzliche Entspannung höchste Verschleißfestigkeit vom Werkstoff. Für eine unüberschaubare Anzahl von Anwendungsfällen in der Industrie werden Düsen aus Keramik mit großem Erfolg eingesetzt. So finden in der Prozesstechnik Dispergierdüsen unterschiedlicher Form aus Keramik Verwendung. Hochdruckpumpen pressen Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen mit hohem Druck (bis zu 1500 bar) durch Keramikdüsen mit Bohrungsdurchmessern von ca. 0,2 mm. Es entstehen harte Strahle, wie sie vom Wasserstrahlschneiden her bekannt sind. Mehrere Düsen werden so angeordnet, dass sich die Strahle in einem Punkt treffen und so die in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel feinst zerkleinert werden. Der weitgehende Wegfall von Verschleiß ermöglicht lang anhaltende Prozesse auf gleichbleibendem Qualitätsniveau. Da sich der Düsenquerschnitt quasi nicht verändert, kann der Druckabfall konstant gehalten werden. Diese Methode wird bei der Herstellung von Farben, Filmen, in der Pharmazie und auch in der Biochemie eingesetzt.

Hochpräzise eingepasste Kolben/Zylindereinheiten fördern, pumpen und dosieren Lebensmittel, Reinigungsmittel, Parfüms und Pharmazeutika. Solche Kolben/Zylindereinheiten werden in den unterschiedlichsten Ausführungen und Größen aus Keramik gefertigt. Die Kolben werden quasi spielfrei in Keramikzylinder eingepasst. So sind alle produktberührten Verschleißteile aus Keramik und eine Verunreinigung durch Abrieb ist nahezu ausgeschlossen. Aufgrund der Temperatur- und Korrosionsfestigkeit des Werkstoffs ist eine Reinigung unter Dampf ohne Demontage möglich.

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