ceramika tlenkowa

Oxidkeramik ist eine spezielle Form der Hochleistungs- oder Ingenieurskeramik. Sie gehört zum Bereich der technischen Keramiken. Die Herstellung basiert auf keramischer Pulvertechnologie und nicht auf klassischer Metallurgie. Oxidkeramiken bestehen aus hochreinen Metalloxiden. Oxidkeramik umfasst reine Oxide ebenso wie Mischoxide und stabilisierte Oxidphasen und zeichnet sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit, chemische Beständigkeit und Temperaturstabilität aus.

Typische Ausgangsstoffe sind Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid oder Yttriumoxid. Diese Pulver werden sehr fein zerkleinert. Anschließend werden sie exakt dosiert und homogen gemischt. Darauf folgt die Formgebung, zum Beispiel durch Pressen oder Spritzgießen. Die Verdichtung erfolgt durch Sintern bei sehr hohen Temperaturen. Dabei entstehen dichte, feste und nahezu porenfreie Werkstoffe.

Oxidkeramiken können unterschiedliche Gefüge und Eigenschaften aufweisen. Diese hängen von Zusammensetzung, Korngröße und Sinterführung ab. Chemisch sind Oxidkeramiken weitgehend inert. Sie reagieren kaum mit Säuren, Laugen oder Lösungsmitteln. Zudem sind sie elektrisch isolierend und temperaturbeständig.

Ein zentrales Merkmal ist ihre sehr hohe Härte. Sie übertrifft die Härte von Stahl deutlich. Je nach Werkstoff kann die Vickershärte ein Vielfaches der von Vergütungsstahl betragen. Dadurch eignen sich Oxidkeramiken hervorragend als Verschleißschutz.

In der Praxis werden sie häufig als Beschichtung auf metallische Bauteile aufgebracht. Dies geschieht unter anderem durch thermische Spritzverfahren. Typische Verfahren sind Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder das Spritzen mit pulver- oder drahtgefüllten Systemen. Dabei entsteht eine fest haftende keramische Schicht auf dem Grundwerkstoff.

Wird Oxidkeramik als Wellenschutz eingesetzt, ist eine Nachbearbeitung erforderlich. Die beschichtete Oberfläche wird mikrofein geschliffen und geläppt. So entstehen extrem glatte und sehr maßhaltige Oberflächen. Diese sind häufig spiegelblank. Optisch lassen sie sich oft kaum vom metallischen Substrat unterscheiden. Aufgrund ihrer Härte, Verschleißfestigkeit und chemischen Beständigkeit ist Oxidkeramik ein zentraler Werkstoff im Maschinen- und Anlagenbau. Sie wird gern dort eingesetzt, wo hohe Standzeiten und geringe Kontamination gefordert sind.

1. Dichte und relative Dichte

Die erreichte Verdichtung ist entscheidend für Festigkeit und Verschleißbeständigkeit.

Rohdichte:

ρ = m / V

• ρ = Dichte
• m = Masse
• V = Volumen

Relative Dichte:

ρ_rel = ρ_theoretical /ρ_measured

In der Praxis gelten Werte über 98 % als hochwertig gesintert.

2. Härte (Vickers-Härte)

Sehr relevant für Verschleißschutzschichten.

HV = 1,854 ⋅ F/d²​

• HV = Vickershärte
• F = Prüfkraft
• d = mittlere Diagonale des Eindrucks

Typische Werte:

• Aluminiumoxid: 1.500–2.200 HV
• Stahl: 200–800 HV

3. Biegefestigkeit (3-Punkt-Biegeversuch)

Wichtig für spröde Werkstoffe wie Keramiken.

σ_B = 3FL/(2bh²)​

• σ_B​ = Biegefestigkeit
• F = Bruchkraft
• L = Stützweite
• b = Probenbreite
• h = Probendicke

Oxidkeramiken liegen typischerweise bei 300–1.000 MPa.

4. Thermische Ausdehnung

Wichtig bei keramischen Beschichtungen auf Metall.

ΔL = α⋅L₀⋅ ΔT

• α = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
• L₀​ = Ausgangslänge
• ΔT = Temperaturänderung

Typische Werte:

Aluminiumoxid: ~8 · 10⁻⁶ /K

Stahl: ~12 · 10⁻⁶ /K

→ erklärt thermische Spannungen an Grenzflächen.