2. Einführung in die Technische Keramik - …

1 212. Einf hrung in die Technische Keramik Technische Keramik Interessante Werkstoffe f r vielf ltige Anwendungen Ein berblick x Dr. Peter Stingl CeramTec AG Lauf a. d. Pegnitz Die Folien finden Sie ab Seite 54. Einleitung Technischer Fortschritt ist ohne die Neu- oder Weiterentwicklung von Werkstoffen nicht mehr denkbar; somit kommt den Werkstoffen bei allen technischen Prozessen heute eine Schl sselfunktion zu. Im Verlauf der letzten 10-20 Jahre wurden neue keramische Werk-stoffe entwickelt, welche durch ihr spezielles Eigenschaftsprofil in zahlreichen Bereichen der Technik Anwendung gefunden haben. berall dort, wo mit Metallen oder Kunststoffen Probleme im Zusam-menhang mit Warmfestigkeit, chemischen oder mechanischen Verschlei bestehen, sind die Anwendungsgebiete der so genannten Hochleistungskeramik.

2 Hochleistungskeramik ist in DIN V ENV 12212 definiert als hoch ent-wickelter, hochleistungsf higer keramischer Werkstoff, der ber-wiegend nichtmetallisch und anorganisch ist und ber bestimmte zweckm ige Eigenschaften verf gt . Im allgemeinen Sprach-gebrauch wird der Begriff "Hochleistungskeramik" oft als Sammel-begriff f r alle keramischen Werkstoffe auf oxidischer, nitridischer, karbidischer oder boridischer Basis mit einer definierten Zusammen-setzung und einem f r eine bestimmte Anwendung optimiertem Ge-f ge und Eigenschaftsprofil zur Abgrenzung zu traditioneller Keramik auf Tonbasis verwendet. Hochentwickelte silicatische Werkstoffe wie Steatit fallen je nach Verst ndnis der einzelnen Hersteller darunter.

3 Einf hrung22 Hochleistungskeramiken gelten nicht nur als Hoffnungstr ger f r zu-k nftige High-Tech-Anwendungen. Vielmehr haben sie sich mittler-weile in vielen Bereichen der Technik etabliert und Innovationen im Maschinenbau der Medizintechnik, im Automobilbereich bis hin zur Mikroelektronik erm glicht. Definitionen; Nomenklatur Die Bezeichnung " Keramik " leitet sich von dem griechischen Wort Keramos = Erden ab. Unter dem Begriff " Keramik " versteht man, ganz allgemein gesehen, nichtmetallische anorganische Werkstoffe. Ihre Palette reicht von den klassischen T pferwaren und Porzellanen bis zu den modernen Hochleistungskeramiken. Bild 1 zeigt in einer bersicht die Einordnung der Keramik im Spektrum der organischen und anorganischen Werkstoffe.

4 Bild 1: Einteilung der WerkstoffeZu den keramischen Hochleistungswerkstoffen z hlen nicht-metallische anorganische Werkstoffe, die im wesentlichen aus anorganischen, meist synthetischen Pulvern, mit eng definierter 23chemischer Zusammensetzung und Teilchencharakteristik, hergestellt Klassifikation der Keramik hat sich systematisch entwickelt. Mit den fr her gebr uchlichen Einteilungskategorien wie Grob- und Fein- Keramik oder dichter bzw. por ser Scherben kann die heutige Werk-stoffpalette bei weitem nicht mehr abgedeckt werden. Bild 2: DefinitionenDieTechnische Keramik umfasst in erster Linie keramische Werk-stoffe und Produkte f r Technische Anwendungen.

5 Applikationen im Bereich der Konsumg ter nehmen ebenfalls zu, sind aber vom Markt-volumen eher unbedeutend. Bild 3 zeigt in einer bersicht die wichtigsten keramischen Hoch-leistungs-Werkstoffe und ihre Anwendungsfelder sowie entsprechen-de Applikationsbeispiele. Da jedoch damit keine eindeutige Klassifizierung m glich ist, werden die Werkstoffe alternativ entsprechend ihrer mineralogischen bzw. chemischen Zusammensetzung gegliedert. Zu den Werkstoffen der Technischen Keramik geh ren die folgenden Gruppen: Silikatkeramik, Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik. Weitere Informationen hierzu finden sich unter Punkt Einf hrung24 Bild 3: Keramische Werkstoffe und AnwendungsfelderBemerkenswert ist die Tatsache, dass sich die Mehrzahl dieser Werk-stoffe in der Wachstumsphase des Produktlebenszyklusses befindet.

6 Wirtschaftliche Aspekte, Markt Hochleistungskeramik gilt als eine der Schl sseltechnologien f r die n chsten Jahrzehnte. Weltweit wird mit gro er Intensit t an der Weiterentwicklung solcher Werkstoffe gearbeitet, wobei insbesondere in Europa, USA und Japan in gro em Umfang anwendungsbezogene Projekte durchgef hrt werden. Aufgrund der zunehmenden Investitionsbereitschaft sowohl bei Pulver- als auch Keramikherstellern kann abgeleitet werden, dass der Keramik f r die Zukunft eine gro e marktstrategische Bedeutung bei-gemessen wird. Zurzeit hat die Technische Keramik am Gesamtmarkt " Keramik " der westlichen Welt lediglich einen Anteil von ca. 30 % (davon > 2/3 Elektronik).

7 Es ist jedoch davon auszugehen, dass sich in Anwendungen, wo die speziellen St rken der Keramik konsequent genutzt werden, die M rkte der Zukunft entwickeln. Der Markt f r Technische Keramik nimmt kontinuierlich zu (Bild 4). Die j hrlichen Wachstumsraten liegen im Bereich von ca. 6-8 %. 25 Bild 4: Entwicklung der Ums tze bei Keramik (weltweit, in Mrd. ) Die wichtigsten Herstellungsrouten Bild 5: Wesentliche Verfahrensschritte zur Herstellung von KeramikIn der im Vergleich zu Metallen anderen Vorgehensweise bei der Her-stellung von Keramik liegen die entscheidenden Unterschiede und daraus resultierend, gewisse Beschr nkungen in der Formenvielfalt sowie bei den Form- und Ma toleranzen.

8 Grunds tzlich ist die Her-Einf hrung26stellung keramischer Bauteile den in der Pulvermetallurgie blichen Routen sehr hnlich. Die wesentlichen Verfahrensschritte zeigt Bild 5. Ausgangspulver, Rohstoffe Bild 6: Rohstoffe und AdditiveBild 7: AluminiumoxidpulverSilikatkeramik, wie z. B. Porzellan, wird berwiegend aus Naturpro-dukten wie Kaolin, Ton, Feldspat, Quarzsand usw. hergestellt. Roh-stoffbasis f r Oxid- und Nichtoxidkeramik sind dagegen im Allgemei-nen hochreine, feindisperse Oxide, Nitride, Boride und Carbide mit 27genau spezifizierter chemischer Zusammensetzung und Teilchen-morphologie. Die daf r notwendigen Pulver m ssen i. a. synthetisch hergestellt werden, da Naturprodukte die Anforderungen bez glich chemischer Reinheit, Homogenit t und vor allem Konstanz nicht er-f llen.

9 In den letzten Jahren hat sich der Trend hin zu immer feineren und reineren Pulvern bis in den Nanometerbereich weiter verst rkt. Aufbereitung Die Aufbereitung beinhaltet das (Zerkleinern und) homogene Mischen s mtlicher Ausgangskomponenten. Als Aggregate kommen im allge-meinen Trommel-, Schwing- und Attritorm hlen zum Einsatz. Der Mahlvorgang erfolgt meist in einer w ssrigen Suspension. Daneben ist in Sonderf llen auch noch die Trockenmahlung gebr uchlich. Im Anschluss an die Nassmahlung erfolgt bei technischer Keramik sehr oft der Prozessschritt "Spr htrocknung" (Bild 8). Hierbei wird die w ssrige Suspension zerst ubt und die entstehenden Tr pfchen werden im hei en Luftstrom getrocknet.

10 Es entsteht dabei ein gut weiterverarbeitbares, flie f higes Granulat (Bild 9). Bild 8: Granulatherstellung durch Spr htrocknung (Fa. Dorst) Einf hrung28 Bild 9: Aluminiumoxid-Spr Formgebung Durch den Formgebungsprozess soll eine vorbereitete Masse (als Granulat oder in fl ssiger Form als "Schlicker") in eine gew nschte Form gebracht werden, die aus Kostengr nden der Bauteilform bereits m glichst nahe kommen sollte, um eine (meist teure) Nach-bearbeitung zu minimieren. Die wirtschaftlichste Art der Formgebung f r eine Serienfertigung ergibt sich im Wesentlichen aus der Bauteilgeometrie und den gefor-derten Ma toleranzen. In jedem Falle ist zu beachten, dass die Werkst cke stets gr er ausgef hrt werden m ssen, da sich die Teile beim nach geschalteten Brand (Sintern) um ca.