Eigenschaftsprofile von Hochleistungskeramiken
Eigenschaftsprofile von Hochleistungskeramiken
Eigenschaftsprofile von Hochleistungskeramiken
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Inhaltsverzeichnis<br />
Seminar<br />
Technische Keramik in der Praxis<br />
Düsseldorf, Mannheim und München<br />
9. bis 11. Mai 2000<br />
1.1. <strong>Eigenschaftsprofile</strong> <strong>von</strong> <strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
1.2. Konstruieren mit Keramik<br />
2.1. Entscheidungskriterien zur Auswahl geeigneter Fertigungsverfahren<br />
2.2. Preisvergleich unterschiedlicher <strong>Hochleistungskeramiken</strong> im<br />
Maschinenbau<br />
3.1. Tribologie, Reibung und Verschleiß (Grundlagen)<br />
3.2. Highlights für das neue Jahrtausend-<br />
Anregungen für innovative Denker<br />
4. Workshop 1<br />
4.1. Keramische Gleitlager und Gleitringdichtungen<br />
4.2. Verbundkonstruktionen: Keramik-Metall und Keramik-Kunststoff<br />
5. Workshop 2<br />
5.1. Bewegen und Feinpositionieren mit Piezokeramik<br />
5.2. Keramik-Metall-Verbunde und schnelle elektrische Heizer
1.1. <strong>Eigenschaftsprofile</strong> <strong>von</strong> <strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
2
<strong>Eigenschaftsprofile</strong> <strong>von</strong> <strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Dipl.-Ing. Michael Gill<br />
W. Haldenwanger<br />
Technische Keramik GmbH & Co. KG<br />
Berlin<br />
Bild 1: Einleitung<br />
<strong>Eigenschaftsprofile</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Seminarreihe 2000<br />
des<br />
Informationszentrum Technische<br />
Keramik<br />
Dipl.-Ing. Michael Gill<br />
Anwendungstechnik<br />
W. Haldenwanger<br />
Technische Keramik GmbH & Co.KG<br />
Berlin und Waldkraiburg<br />
3
Definition <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Unter Keramik versteht man<br />
h nichtmetallische<br />
h organische<br />
Werkstoffe<br />
HL-Keramiken sind Werkstoffe auf<br />
h oxidischer<br />
h nitridischer<br />
h carbidischer<br />
h boridischer<br />
Basis<br />
Bild 2: Definition <strong>von</strong> Hochleistungskeramik<br />
Bild 3: Einteilung in Werkstoffklassen<br />
Einteilung der HL-Keramiken<br />
in Werkstoffklassen<br />
Silikatkeramik<br />
Porzellan<br />
Steatit<br />
Forsterit<br />
Cordierit<br />
Mullit<br />
HL-Keramik<br />
Oxidkeramik<br />
Aluminiumoxid<br />
Siliciumoxid<br />
Zirkoniumoxid<br />
Magnesiumoxid<br />
Titanoxid<br />
Berylliumoxid<br />
Nichtoxidkeramik<br />
Siliciumcarbid<br />
Borcarbid<br />
Aluminiumnitrid<br />
Siliciumnitrid<br />
Titannitrid<br />
Bornitrid<br />
Titanborid<br />
4
Bild 4: Mechanische Eigenschaften<br />
Bild 5: Elektrische Eigenschaften<br />
Eigenschaften <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
h Hohe Härte<br />
h Hohe Festigkeit<br />
Mechanisch<br />
h Verschleißfestigkeit<br />
h Formstabilität (Steifigkeit)<br />
h Niedrige Dichte<br />
Eigenschaften <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Elektrisch<br />
h Hohes elektrisches Isoliervermögen<br />
h Durchschlagsfestigkeit<br />
h Dieelektrische / ferroelektrische<br />
Eigenschaften<br />
h Piezoelektrische Eigenschaften<br />
5
Bild 6: Thermische Eigenschaften<br />
Eigenschaften <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Thermisch<br />
h Hohe zulässige Einsatztemperatur<br />
h Wärmeleitfähigkeit / Wärmeisolation<br />
h Wärmedehnung<br />
Bild 7: Chemisch / Biologische Eigenschaften<br />
h Formbeständigkeit auch unter hohen<br />
Temperaturen<br />
Eigenschaften <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
Chemisch / Biologisch<br />
h Korrosionsbeständigkeit<br />
h Witterungsbeständigkeit<br />
h Physiologische Verträglichkeit<br />
h Lebensmittelverträglichkeit<br />
h Katalytische Eigenschaften<br />
6
Bild 8: Negative Eigenschaften<br />
Bild 9: Härtevergleich<br />
Negative Eigenschaften <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
h Sprödigkeit<br />
h Kritisches Rißwachstum<br />
h Thermoschockempfindlichkeit<br />
h Aufwendige Füge- und<br />
Verbindungstechnik<br />
h Keine Duktilität<br />
h Aufwendige Hartbearbeitung<br />
h Hohe Herstellkosten<br />
Härtevergleiche <strong>von</strong><br />
HL-Keramiken zu Metallen<br />
10 -3 Nmm 2<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
ST-37<br />
Grauguß<br />
Aluminium<br />
SiSiC<br />
RSiC<br />
SSiC<br />
RBSN<br />
ZrO2-PSZ<br />
Al2O3<br />
7
Bild 10: E-Modul-Vergleich<br />
Bild 11: Dichte-Vergleich<br />
E-Modul Vergleiche <strong>von</strong><br />
HL-Keramiken zu Metallen<br />
GPa<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
ST-37<br />
Grauguß<br />
Aluminium<br />
SiSiC<br />
RSiC<br />
Dichte-Vergleiche <strong>von</strong><br />
HL-Keramiken zu Metallen<br />
g/cm 3<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
ST-37<br />
Grauguß<br />
Aluminium<br />
SiSiC<br />
RSiC<br />
SSiC<br />
SSiC<br />
SIALON<br />
SIALON<br />
RBSN<br />
RBSN<br />
SSN<br />
SSN<br />
ZrO2-PSZ<br />
ZrO2-PSZ<br />
Al2O3<br />
Al2O3<br />
Steatit<br />
Steatit<br />
Porzellan<br />
Porzellan<br />
8
Ausdehnungskoeffizienten-<br />
Vergleiche <strong>von</strong> HL-Keramiken<br />
zu Metallen<br />
10 -6 K -1<br />
Bild 12: Vergleich der Ausdehnungskoeffizienten<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
ST-37<br />
Grauguß<br />
SiSiC<br />
RSiC<br />
SSiC<br />
SIALON<br />
Wärmeleitfähigkeiten-<br />
Vergleiche <strong>von</strong> HL-Keramiken<br />
zu Metallen<br />
Wm -1 K -1<br />
1000<br />
100<br />
Bild 13: Vergleich der Wärmeleitfähigkeit<br />
10<br />
1<br />
ST-37<br />
Grauguß<br />
Eisen<br />
Kupfer<br />
SiSiC<br />
RSiC<br />
SSN<br />
RBSN<br />
RBSN<br />
ZrO2-PSZ<br />
ZrO2-PSZ<br />
Al2O3<br />
Al2O3<br />
Steatit<br />
Steatit<br />
Porzellan<br />
Porzellan<br />
9
Bild 14: Anwendungsgebiete<br />
Anwendungsgebiete <strong>von</strong><br />
<strong>Hochleistungskeramiken</strong><br />
h Maschinenbau und Verfahrenstechnik<br />
h Pumpen- und Armaturenbau<br />
h Anlagenbau<br />
h Metallverarbeitung<br />
h Motoren- und Turbinenbau<br />
h Chemie- und Verfahrenstechnik<br />
h Ofenbau und Brenntechnik<br />
h Elektrotechnik und Elektronik<br />
h Medizintechnik<br />
Maschinenbau und Verfahrenstechnik<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Büchsen<br />
h Düsen<br />
h Fadenführer<br />
h Gleitlager<br />
h Gleitringe<br />
h Scheren<br />
h Schneiden<br />
h Sichterräder<br />
h Sitzringe<br />
h Wellenschutzhülsen<br />
h Walzen<br />
h Wälzlager<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Siliciumcarbid<br />
h Siliciumnitrid<br />
h Porzellan<br />
Bild 15: Anwendungsbeispiele aus Maschinenbau und Verfahrenstechnik<br />
h<br />
10
Pumpen- und Armaturenbau<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Dichtscheiben<br />
h Gehäuse<br />
h Gleitlager<br />
h Gleitringdichtung<br />
h Kolben<br />
h Kugelküken<br />
h Laufbuchsen<br />
h Plunger<br />
h Regelscheiben<br />
h Rotoren<br />
h Schieber<br />
h Ventilplatten<br />
Bild 16: Anwendungsbeispiele aus Pumpen und Armaturenbau<br />
h<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Antriebsrollen<br />
h Behälter<br />
h Extruderauskleidungen<br />
h Filter<br />
h Mahlkörper<br />
h Mischer<br />
h Mühlenauskleidungen<br />
h Rohre<br />
h Rührer<br />
h Sichter<br />
Bild 17: Anwendungsbeispiele aus dem Anlagenbau<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Siliciumcarbid<br />
h Siliciumnitrid<br />
h Porzellan<br />
h<br />
Anlagenbau<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Siliciumcarbid<br />
h Siliciumnitrid<br />
h<br />
11
Realisierte Bauteile<br />
h Biegewerkzeuge<br />
h Dorne<br />
h Drahtziehrollen<br />
h Gießformen<br />
h Lötunterlagen<br />
h Sauerstoffsonden<br />
h Sandstrahldüsen<br />
h Schmelztiegel<br />
h Schutzrohre<br />
h Schweißdüsen<br />
h Transportrollen<br />
h Ziehringe<br />
Bild 18: Anwendungsbeispiele aus der Metallverarbeitung<br />
Metallverarbeitung<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Cordierit<br />
h Mullit<br />
Motoren- und Turbinenbau<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Glühkerzen<br />
h Katalysatorträger<br />
h Lambdasonden<br />
h Laufbuchsen<br />
h Portliner<br />
h Turboladerrotor<br />
h Turbinenschaufel<br />
h Ventile<br />
h Wälzlager<br />
h Zündkerzen<br />
Bild 19: Anwendungsbeispiele aus Motoren- und Turbinenbau<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Siliciumcarbid<br />
h Siliciumnitrid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Porzellan<br />
12
Chemie- und Verfahrenstechnik<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Auskleidungen<br />
h Filter<br />
h Füllkörper<br />
h Katalysatorträger<br />
h Laborporzellan<br />
h Pyrometerrohre<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Mullit<br />
h Porzellan<br />
Bild 20: Anwendungsbeispiele aus Chemie- und Verfahrenstechnik<br />
Ofenbau und Brenntechnik<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Brennaufbauten<br />
h Brennerdüsen<br />
h Flammrohre<br />
h Heizstäbe<br />
h Muffeln<br />
h Rekuperatoren<br />
h Strahlrohre<br />
h Stützen<br />
h Tragrollen<br />
h Wärmetauscher<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Siliciumcarbid<br />
h Siliciumnitrid<br />
h Mullit<br />
Bild 21: Anwendungsbeispiele aus Ofenbau und Brenntechnik<br />
13
Elektrotechnik und Elektronik<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Anschlußklemmen<br />
h Fassungen<br />
h Gehäuse<br />
h Heizleiterrohre<br />
h Heizpatronen<br />
h Isolatoren<br />
h Lochplatten<br />
h Schutzrohre<br />
h Sensoren<br />
h Substrate<br />
h Widerstandsträger<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Magnesiumoxid<br />
h Cordierit<br />
h Steatit<br />
h Mullit<br />
h Zirkoniumoxid<br />
h Aluminiumnitrid<br />
h Porzellan<br />
Bild 22: Anwendungsbeispiele aus Elektrotechnik und Elektronik<br />
Realisierte Bauteile<br />
h Gehörknöchelchen<br />
h Hüftprothesen<br />
h Knochenersatz<br />
h Schultergelenkprothesen<br />
h Zahnimplantate<br />
Bild 23: Anwendungsbeispiele aus der Medizintechnik<br />
h Piezokeramik<br />
Medizintechnik<br />
Eingesetzte HL-Keramik<br />
h Aluminiumoxid<br />
h Zirkoniumoxid<br />
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