26.06.2012 12-1

12. Keramik

12.1 Herstellungsverfahren

12.2 Keramische Werkstoffe und ihre Einsatzmöglichkeiten

26.06.2012 12-2

• Das Herstellen von Keramik gehört zu den ältesten Techniken der Menschheit und

war vor 15.000 Jahren der erste synthetisch hergestellte Werkstoff

• Das Grundschema des Herstellungsprozesses von keramischen Erzeugnissen hat

sich in den vergangenen Jahrtausenden kaum etwas verändert. Ein pulverförmiger

Grundstoff wird unter Zugabe von Wasser in eine Form gebracht und dann bei einer

Temperatur i. allg. oberhalb von 900°C (je nach Aus gangsstoff) gebrannt

• Keramische Bauelemente bieten viele Vorteile:

o gutes elektrisches Isoliervermögen

o hohe mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit

o Hochtemperaturbeständigkeit

o Temperaturwechselbeständigkeit

o Klima- und Alterungsbeständigkeit

o Chemikalienbeständigkeit

o Lebensmittelneutralität

Anwendungsbereiche der Keramik

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• Die Eigenschaften eines keramischen Bauteils werden durch die Auswahl des

Rohstoffes, die Aufbereitung und das anschließende Herstellungsverfahren beein-

flusst

• Korngröße des Pulvers, Bauteilgeometrien und Sintertemperatur sind Faktoren, die

sich auf die spätere Struktur und Qualität des Mikrogefüges auswirken

Natürliche und synthetische Pulver

Formen

Masseaufbereitung

Sintern

Endbearbeiten

Brandvorbereitung

Endprüfung

Mahlen, Mischen, Filtrieren, Granulieren, Sprühtrocknen

Schlickergießen, Spritzgießen, Trocken- / Nasspressen, Extrudieren, Isostatisches Pressen,…

Trocken, Entbindern, Verglühen, Glasieren

Reaktionssintern in verschiedenen Gasatmosphären, Heiß- / Heißisostatisches Pressen

Schneiden, Bohren, Schleifen, Läppen, Honen, Polieren,…

Prüfung des Fertigprodukts

Pulver

Masse

Grünling

Rohteil

Fertigteil

Herstellungsrouten für Keramikbauteile

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• Das einfachste Verfahren zur Herstellung von Prototypen

• Komplizierte Geometrien wie auch Vollkörper und dünne Wände mit nicht zu hohen

Toleranzanforderungen können hierdurch leicht verwirklicht werden

• Eine stabile Suspension, der so genannte Schlicker, wird in eine poröse saugfähige

Gipsform gegossen und anschließend getrocknet

Schlicker-Druckgussanlage

Beispiel: Schlicker-Druckguss

Bilder: SAMA, NMB

Horizontalwerkzeug

Gussform

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Prozessschritte Druckschlickerguss

�

�

�

�

�

� Form

� Schließeinheit

� Rahmen

� Schlickerzulauf

� Steuerung

Der Gießzyklus:Schließen der Form(Hydraulik, Kniehebel)

Befüllen der Form mit Schlicker(Pumpe)

Aufbau des Schlickerdrucks(hydraulisch) Entwässerung

Scherbenbildung

Abbau des Schlickerdrucks

Öffnen des Werkzeugs

Entformen durch Druckluft

Entnahme des Grünlings

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Giessform und gebranntes Endprodukt [Porzellan, ca. 200 x 300 x 60 mm]

REM-Aufnahme Formwerkstoff

DuschtasseKühlkörper

Beispiele zu Werkzeugen und Bauteilen für den Schlicker-Druckguss

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• Formgebungsverfahren dienen dem Zweck, die losen Pulver oder den Schlicker in

die gewünschte Form zu bringen.

• Die keramischen Formgebungsverfahren lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

o Pressen (0 - 15% Feuchte)

o Plastische Formgebung (15 - 25% Feuchte)

o Gießen (> 25% Feuchte)

• Beim isostatischen Pressen wird gleichmäßig von allen Seiten hoher Druck auf das

Bauteil ausgeübt und führt zur Herstellung von gleichmäßig verdichteten Grünkörpern

• Das Vorverdichtungsverfahren Trockenpressen wird zur Herstellung von maßgenau-

en Formkörpern eingesetzt

• Beim Foliengießen läuft der Schlicker aus einem Vorratsbehälter auf ein angetriebe-

nes Endlosstahlband. Der Spalt kann auf die gewünschte Dicke eingestellt werden

• Ähnlich dem Strangpressen wird beim Extrudieren die homogenisierte Masse durch

eine Matrize gepresst. Es entsteht ein Endlosstrang

weitere Formgebungsverfahren

TrockenpressenIsostatisches Pressen

Foliengießen Extrudieren

Quelle: Brevier TECHNISCHE KERAMIK

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• Sintern ist ein urformendes Fertigungsverfahren für Formteile. Der Sintervorgang von

Keramiken läuft in mehreren Schritten ab, die wichtig für eine homogene Kristallstruk-

tur und somit für die Qualität des Bauteils sind:

o Trocknen

� Während des Trocknens kommt es zu einem Volumenverlust, der so

genannten Trockenschwindung

o Ausbrennen

� Während des Ausbrennens sollen möglichst alle Hilfsstoffe den

Grünling verlassen

o Brennen

� Das Brennen ist der Produktionsschritt, bei dem aus den losen

Teilchen des Grünlings der eigentliche keramische Werkstoff entsteht

Sintern

ca. 1900°Cgesintertes Siliciumcarbid

ca. 2300-2500 °Crekristallisiertes Siliciumcarbid

ca. 1600-1800 °CAluminiumoxidca. 1250-1350 °CCordierit

ca.1300 °CSteatitca.1300 °CQuarzporzellanca.1250 °CTonerdeporzellan

SintertemperaturKeramik

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• Durch das Brennen findet eine Verfestigung und Verdichtung der Bauteile statt, die

sich durch eine Abnahme der Porosität äußert

• Die dabei auftretende Volumenabnahme nennt man Brennschwindung

• Wie beim Trocknen benötigt das Brennen definierte Zeiten und eine entsprechende

Atmosphäre. Bei Nicht-Einhaltung der Vorgaben können innere Spannungen,

Fehlstellen im Werkstück und damit unzureichende Eigenschaften entstehen

Kornwachstum während des Sinterprozesses

Quelle: Brevier TECHNISCHE KERAMIK

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• Neben der Korngröße und der Pulvermischung hat auch die Sintertemperatur und die

Sinterdauer entscheidenden Einfluss auf die Gefügeausbildung und somit auf die

mechanischen Eigenschaften

• Bemerkung: Anorthit ist ein seltenes Mineralgestein

Gefüge von Al 2O3

Einfluss der Sintertemperatur Einfluss der Sinterdauer

Das Gefüge mit 0,05% Anorthite bei 1500°C 12h getempert im Anschluss bei (a)1520°C, (b)1560°C, (c)1580°C, (d)1600°C 12h getempert.

(a) (b)

(c) (d)

Das Gefüge mit 0,15% Anorthite bei 1620°C getempert für (a)5 min, (b)10 min, (c)20 min, (d)1 h, (e)6 h, (f)12 h.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

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Thermisches Spritzen (Anwendungsbeispiel)

Stromisolierung von Wälzlagern

Bilder: Sulzer Metco, FAG

Versiegelung(Wachs, Kunststoff)

Grundwerkstoff

Al2O3/TiO2-Schicht ~ 500 µm

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12. Keramik

12.1 Herstellungsverfahren

12.2 Keramische Werkstoffe und ihre Einsatzmöglichkeiten

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• Technische Keramik ist ein Sammelbegriff für alle keramischen Werkstoffe und

Produkte, die in der Technik Anwendung finden. Sie sind in der Regel anorganisch

und nichtmetallisch

• Der Bereich der technischen Keramik teilt sich in drei Werkstoffgruppen:

1. Silikatkeramik

2. Oxidkeramik

3. Nichtoxidkeramik

� carbidische Nichtoxidkeramik

� nitridische Nichtoxidkeramik

Technische Keramik Beispiele

Silikatkeramik

Porzellane Magnesiumsilikate (Steatit, Mg(Si4O10)(OH)2)

Magnesiumaluminiumsilikate (Cordierit)Mullit

Oxidkeramik

Aluminiumoxid (Al2O3)Zirkoniumoxid (ZrO2)Titanoxid (TiO2)Siliziumoxid (SiO2)

carbidische NichtoxidkeramikSiliziumcarbid (SiC)Borcarbid (B4C)

nitridische NichtoxidkeramikSiliziumnitrid (Si3N4)Aluminiumnitrid (AlN)

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• Gezeigt sind die Elementarzellen von drei der technisch wichtigsten Keramiken:

o Im Gittermodell von Al2O3 bilden die Sauerstoffionen eine hexagonal dichte

Packung, in deren Oktaederlücken zu 2/3 Metallionen (Al3+) eingebettet sind.

Die wichtigsten Strukturen von Aluminiumoxid sind das rhombische α-Al2O3

(Korund) und das kubische γ-Al2O3.

o In der geordneten kristallinen Struktur von SiO2 ist jedes Si-Atom tetraedrisch

von vier Sauerstoffatomen umgeben; diese bilden wiederum jeweils das

Kettenglied zum nächsten Si-Atom. Die Si-O-Bindungen haben einen großen

kovalenten Anteil, was die Ursache für die hohe Härte von Quarz ist.

o Im Aufbau und den Eigenschaften ist SiC ähnlich wie Diamant, da sich Silizi-

um und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden

des Periodensystems befinden und der Atomdurchmesser von Silizium nur

geringfügig größer ist. Jedes Silizium-Atom ist durch Atombindungen mit vier

Kohlenstoffatomen verknüpft und umgekehrt.

Gitterstruktur

Elementarzelle des α-Al2O3

: O: Al : Si : OElementarzelle des SiO2

Diamantgitter (SiC hat eine ähnliche Gitterstruktur wie Diamant, 4. Hauptgruppe)

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Werkstoffkennwerte verschiedener Werkstoffe

WerkstoffDichteg/cm3

BiegefestigkeitMPa

ZugfestigkeitMPa

E-ModulN/mm2

HärteHV

Warmfeste Stähle

7,8 500 – 1000 210 < 900

Gusseisen 7,3 300 – 600 150 – 400 70 – 130 150 – 250

Aluminium-legierung

2,8 150 – 300 350 73 30 – 140

Glas 2,2 - 2,570 70 - 100 2,5 200 – 800

SiliziumcarbidSiC

1,9 - 3,1 300 – 600 - 150 - 450 1400 - 2900

SiliziumnitridSi3N4

3 – 3,3 300 - 700 - 250 - 330 400 - 1800

AluminiumoxidAl2O3

3,2 - 3,7 200 – 300 - 200 - 380 1700 - 2300

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• Die Belastungsvorrichtung besteht aus zwei parallel angeordneten Auflagestäben für

Prüfkörper

• Zwei Belastungsstäbe, deren Mittelachsenabstand die Hälfte der Stützweite beträgt,

sind symmetrisch auf ± 0,2 mm genau zwischen den Auflagestäben angebracht

• Die Last wird rechtwinklig auf den Probekörper übertragen. Die beiden Belastungs-

stäbe müssen um ihre Längsachse frei und zudem unabhängig voneinander um eine

Achse parallel zur Längsachse der Probekörper rotieren können. Auf diese Weise

kann eine optimale Ausrichtung der Belastungs- und Auflagestäbe erreicht werden.

• Scheinbare Maße/ Scheinbare Biegefestigkeit:

o Die Breite und die Dicke des Probekörpers müssen an drei Orten zwischen

den Belastungslagern, sowie an jedem Ende der Probe bei Umgebungstem-

peratur gemessen werden

• Effektivmaße/ Effektive Biegefestigkeit:

o Für die Effektivmaße wird ein Korrekturfaktor für oxidationshemmende

Schutzschichten auf dem Probekörper einberechnet.

4-Punkt-Biegeversuch

Berechnung der Biegefestigkeit:

3Fm(L-Li)

2behe2σf,m,e =

3Fm(L-Li)

2baha2σf,m,a =

σf,m,a scheinbare Biegefestigkeit (MPa)σf,m,e effektive Biegefestigkeit (MPa) Fm Höchstbiegekraft (N) L Auflagerabstand (mm) Li Abstand der Belastungslager (mm) ba mittl. scheinbare Probekörperbreite (mm) be mittl. effektive Probekörperbreite (mm) ha mittl. scheinbare Probekörperdicke (mm) he mittl. effektive Probekörperdicke (mm)

[14.6]

[14.5]

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Beispiele für die technische Anwendung keramischer Werkstoffe in der Automobilindustrie

Piezokeramik in Einspritzdüsen und Silikatkeramik in Zündkerzen

Keramik als Träger der katalytischen Schicht in Abgaskataly-satoren

Zirkoniumoxid in der Lambdasonde

Bremsscheiben aus Kohlefaserverstärktem Siliciumcarbid

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• Die heute wichtigsten piezoelektrischen keramischen Werkstoffe basieren auf dem

oxidischen Mischkristallsystem Bleizirkonat und Bleititanat, das als Bleizirkonattitanat

(PZT) bezeichnet wird

• Die spezifischen Eigenschaften dieser Keramiken wie die hohe Dielektrizitätszahl

hängen vom molaren Verhältnis von Bleizirkonat zu Bleititanat sowie von der Substi-

tution und Dotierung mit zusätzlichen Elementen ab.

• Der piezoelektrische Effekt verknüpft elektrische und mechanische Größen miteinan-

der. Unter Piezoelektrizität versteht man eine lineare elektromechanische Wechsel-

wirkung zwischen den mechanischen und den elektrischen Zuständen eines Kristalls

Bleizirkonattitanat (Piezokeramik)

Piezoelektrischer Effekt/Einfluss äußerer Kräfte. Je nach Kraftrichtung werden elektrische

Ladungen entsprechenden Vorzeichens erzeugt.

Inverser piezoelektrischer Effekt/Einfluss elektrischer Felder. Der Körper ändert seine Abmessungen mit der Spannungsänderung.

Darstellung der Domänen von Bleizirkonattitanat vor, während und nach der Polung ∆S = Längenänderung während der Polung

∆Sr = remanente Längenänderung nach dem Polungsvorgang

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Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) in einer Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC)

Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten erst bei Temperaturen zwischen 800 – 1000°C da der keramische Elektrolyt erst dann Sauerstoffionendurchlässig wird