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Technische Keramik Aluminiumoxid als technische Keramik ermöglicht die Herstellung von Multifunktionsteilen

| Autor/ Redakteur: Friedrich Moeller / Josef-Martin Kraus

Als technische Keramik hat sich Aluminiumoxid nicht nur etabliert, der Werkstoff wird für viele Anwendungen immer wichtiger. Der Grund dafür liegt in der Bauteilminiaturisierung, die einen Funktionswerkstoff mit modifizierbarem Eigenschafts- und Verarbeitungsprofil erfordert. Nur so lassen sich bei der Produktentwicklung mehrere Einzelteile zu einem kompakten Multifunktionsteil zusammenfassen.

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Eine Modifizierung von Aluminiumoxid verbessert die tribologischen Eigenschaften von Lagern und Wellen. Den größten Vorteil erhält man durch Zugabe von Manganoxid. Bild: Rauschert
Eine Modifizierung von Aluminiumoxid verbessert die tribologischen Eigenschaften von Lagern und Wellen. Den größten Vorteil erhält man durch Zugabe von Manganoxid. Bild: Rauschert
( Archiv: Vogel Business Media )

Technische Produkte werden immer kleiner, wiegen immer weniger und sollen immer weniger kosten. Die Lösung wird in der Reduzierung von Einzelteilen ohne Einschränkung der Produktfunktionalität gesehen. Folglich müssen die verbliebenen Komponenten zusätzliche Funktionen übernehmen. Sie werden zusätzlich „funktionalisiert“. So ist Multifunktionalität bei Bauteilen weltweit zu einem wichtigen Thema geworden, wie anhand von Keramikteilen aus Aluminiumoxid deutlich wird.

Dieser Werkstoff zeigt, dass technische Keramik das Potenzial für Multifunktionalität bietet. Aluminiumoxid kann zusätzlich funktionalisiert werden: durch Anpassung des Eigenschaftsprofils, Formgebungsverfahren mit größerer Designfreiheit, thermisches Spritzen, Porosierung, Metallisierung.

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Eigenschaftsprofil lässt Variationen zu

Aluminiumoxid gehört zu den ersten Werkstoffen der Gruppe technische Keramik, die industriell Anwendung fanden. Nach wie vor spielt es eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Aufgrund des Eigenschaftsprofils ist der Werkstoff multifunktional einsetzbar. Aluminiumoxid ist hart, verschleißfest, korrosionsbeständig und hat ein hohes elektrisches Isolationsvermögen.

Hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften ist eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungsprofile möglich. Dazu kann weitgehend auf vorhandene Fertigungseinrichtungen zurückgegriffen werden – ohne zusätzliche Investitionen, zum Beispiel in neue Sinteraggregate.

Anteil von Aluminiumoxid steuert Härte und Wärmeleitfähigkeit der technischen Keramik

Aluminiumoxid gibt es mit unterschiedlichem Oxidgehalt. Viele Werkstoffeigenschaften hängen vom Gehalt an Aluminiumoxid ab. So steigen mit dem Aluminiumoxidanteil die Härte und Wärmeleitfähigkeit. Die Thermoschockbeständigkeit nimmt dagegen ab. Der Zusatz unterschiedlicher Oxide ermöglicht, Aluminiumoxid weiter zu funktionalisieren, wie sich am Beispiel der oxidischen „Legierungselemente“ Mangan-, Zirkon- und Chromoxid zeigen lässt:

  • Das braune Aluminiumoxid erhält durch Zusatz von Manganoxid hervorragende tribologische Eigenschaften. Der Aluminiumoxidgehalt beträgt dabei 96%, der Werkstoff hat damit eine mittlere Härte. Bei tribologischen Anwendungen spielt die Werkstoffpaarung eine große Rolle. Die Härte der einzelnen Werkstoffe ist daher aufeinander abzustimmen.
  • Es werden immer unterschiedliche Lagerwerkstoffe empfohlen. Das braune Aluminiumoxid hat sich sehr gut bei Dichtscheiben in Armaturen sowie bei Kolben und dazugehörigen Lagern bewährt. Von großem Vorteil ist, dass sich das braune Aluminiumoxid sowohl für Lager als auch für die dazugehörigen Kolben verwenden lässt. Es kann somit Lager- und Kolbenfunktionen erfüllen.

Zirkonoxid erhöht Biege- und Bruchfestigkeit von Aluminiumoxid

  • Durch Zusatz von Zirkonoxid wird die Biege- und Bruchfestigkeit von Aluminiumoxid erhöht. Das Kristallwachstum wird gehemmt. Es entsteht ein feines kugeliges Gefüge. Durch Zusatz von Zirkonoxid erhält das Aluminiumoxid Werkstoffeigenschaften, die zwischen denen von Aluminium- und Zirkonoxid liegen. ZTA hat eine verbesserte Kantenfestigkeit. Die Bauteile können dünnwandiger ausgeführt werden.
  • Wegen des Zusatzes von Chromoxid in unterschiedlichen Mengen erhält Aluminiumoxid charakteristische Färbungen: von pink über hellrot bis dunkelrot. Diese Färbung hat der Werkstoff unter anderem im Textilmaschinenbau. Folglich führt dort die Zugabe von Chromoxid zu einer zusätzlichen Bauteilfunktionalisierung. Wegen des Gefüges kann Aluminiumoxid an unterschiedliche tribologische Bedingungen angepasst werden. Die charakteristischen Oberflächenstrukturen lassen sich dabei durch unterschiedliche Farben festlegen. So können Verwechslungen gerade beim Austausch von Teilen in der Maschine vermieden werden.

Bauteile aus Aluminiumoxid mit allen gängigen Verfahren formbar

Das beste Eigenschaftsprofil eines Werkstoffs nutzt nichts, falls der dieser nicht wirtschaftlich in Form gebracht werden kann. Aluminiumoxid zeigt Multifunktionalität im Design. Bauteile aus Aluminiumoxid können mit nahezu allen gängigen Formgebungsverfahren hergestellt werden. Keramikgerecht konstruieren heißt: die Grenzen der einzelnen Formgebungsverfahren zu kennen und die Möglichkeiten des jeweiligen Verfahrens auszuloten.

Am Beispiel eines keramischen Ventils wird offensichtlich, wie man die Komplexität eines Bauteils schrittweise erhöhen und dadurch immer mehr Funktionen ins Teil integrieren kann (Bild 1). Die Fertigungsmöglichkeiten dazu bieten das Extrudieren, das Trockenpressen und die zusätzliche Grünbearbeitung sowie das Keramik-Spritzgießen:

  • Charakteristische Produktgeometrie beim Extrudieren ist das zweidimensionale Design, zum Beispiel bei Rohren und Stäben.
  • Beim Trockenpressen wird das keramische Granulat zwischen Ober- und Unterstempel unter hohem Druck verpresst und der Pressling anschließend ausgestoßen. Abstufungen sind möglich, soweit es die Verdichtung der keramischen Pressmassen zulässt.
  • Das Keramik-Spritzgießen ermöglicht die größte geometrische Komplexität mit hoher 3D-Freiheit. Das Verfahren ist endkonturnah. Auf Weißbearbeitungsvorgänge vor dem Brand kann in der Regel verzichtet werden. Der Ablauf bei der Herstellung spritzgegossener Keramikteile ist weitgehend vergleichbar mit klassischen Sinterverfahren: Das Keramikpulver wird mit einem organischen Binder plastifiziert und unter hohem Druck in Form gebracht. Danach folgt das Entbindern, Entgraten und Sintern des Spritzlings. Beim Sintern schwindet der Spritzling je nach Werkstoff um etwa 20 bis 30%. Beim keramikgerechten Bauteildesign ist zu beachten, dass die Spritzlinge rissfrei entbindert werden müssen und sich beim Brand nicht verziehen dürfen.

Kostengünstige Erweiterung von Bauteilfunktionen

Das Beispiel eines Fadenölers für den Textilmaschinenbau zeigt, wie Einzelteile eingespart werden können (Bild 2). Das Bauteil wurde in der vorhergehenden Version im Trockenpressverfahren hergestellt. Die Präparationsflüssigkeit wird durch ein Rohr aus rostfreiem Stahl zugeführt. Das Rohr wird mit dem Keramikteil verklebt. Aufgrund der Umstellung auf das Spritzgießen entfällt das Metallteil. Die aufwändige und anfällige Klebverbindung wird eingespart. Das Keramik-Spritzgießen reduziert den Einbauraum.

Die positiven Eigenschaften von Aluminiumoxid wie hohe Härte und gute elektrische Isolationsfestigkeit kommen auch bei der Oberflächenbeschichtung zum Tragen (Bild 3). So lässt sich Aluminiumoxid als 0,1 bis 2 mm dicke Schicht auf metallische Bauteile im thermischen Spritzverfahren auftragen.

Im Maschinen- und Anlagenbau stoßen Metalloberflächen infolge der steigenden Prozessgeschwindigkeit oder der Verarbeitung abrasiver Werkstoffe zunehmend an Grenzen. So kommt es zu Verschleißerscheinungen wie Rillen oder großflächigem Werkstoffabtrag und damit zum Bauteilversagen.

Beschichtung mit technischer Keramik schützt Metallteile vor Verschleiß

Mit einer keramischen Beschichtung können Metallteile vor Verschleiß nachhaltig geschützt werden. Sie bietet die Möglichkeit, das Metallteil um weitere Oberflächenfunktionen „anzureichern“. Dabei bleiben die Vorteile der Metallver- oder -bearbeitung erhalten: zum Beispiel die kostengünstige Formgebung großer komplexer und maßgenauer Teile. Sollte sich die Keramikschicht im Laufe der Zeit „verbrauchen“, kann die Schicht im mechanischen Strahlverfahren abgetragen und danach neu aufgebracht werden.

Beim thermischen Spritzen findet kein Versintern von Aluminiumoxid mit dem metallischen Bauteilwerkstoff (Substrat) statt. Vielmehr wird das Aluminiumoxidpulver in einer Plasmaflamme aufgeschmolzen und auf das Teil gespritzt. Das auftreffende Pulver erhitzt das Metallteil auf maximal 200 °C. So können keine nachteiligen metallurgischen Anderungen im Substratgefüge entstehen. Ausgenommen sind dünne Metallfolien und Draht, die den notwendigen Wärmeabfluss nicht zulassen.

Titanoxid macht dünne Schichten von technischer Keramik bruchzäher

Die 0,1 bis 0,2 mm dünnen Keramikschichten erhalten bei tribologischer Beanspruchung durch Oberflächenbearbeitung eine Rauigkeit (Ra) von 0,3 bis 2. Der Zusatz von Titanoxid mit 3, 13 oder 40% macht die Schicht zunehmend bruchzäher, die jedoch dadurch auch an Härte verliert. Auch das bedeutet eine zusätzliche Funktionalisierung der Keramikschichten (Bild 4).

Bezüglich der Werkstoffstruktur lassen sich Keramikschichten nicht mit einem Vollkeramikteil vergleichen. Sie haben eine lamellare Struktur mit einer Porosität von etwa 3%. Dieser strukturelle Aufbau trägt dazu bei, dass Keramikschichten schlagzäh sind. Keramikschichten können partiell aufgetragen werden. An Kanten empfiehlt es sich, eine metallische Stoßkante stehen zu lassen.

Rohrförmige Feinstfilter zur Abwasserreinigung

Aluminiumoxid kann gezielt porosiert werden. Mit einer reproduzierbaren Porengröße von 3 µm und 30% Porosität eignet sich Aluminiumoxid gut als Substratwerkstoff für die Nanomembranfiltration. Die zur Filtration nötigen Rohre haben eine Länge von 1200 mm sowie einen Außendurchmesser von 10 mm für die Einkanalausführung und bis zu 25 mm für die 19-Kanalausführung. Im Sol-Gel-Verfahren werden mehrere – maximal drei – Lagen aus Titanoxid in den Kanalstrukturen aufgebracht.

Ein erfolgreich abgeschlossenes Projekt hat die Reinigung von Prozessabwasser zum Ziel, das beim Färben und Waschen von Textilien anfällt. Das Einleiten des schmutzigen Abwassers in die kommunalen Abwassersysteme erfordert Auflagen und Gebühren, die eine Abwasserreinigungsanlage sich schnell amortisieren lässt. Das zu reinigende Abwasser wird den Filtermodulen zugeführt. Die Membranschicht hält Farbstoffmoleküle bis hinab zu 600 Dalton Molekülgröße zurück. Der Flux beträgt 150 bis 250 (l/m²)/h. Das Filtrat wird zyklisch ausgeschwemmt, eingedickt und aufgearbeitet.

Außerdem ist Aluminiumoxid als Substrat für eine Metallbeschichtung verwendbar. So hat bei Heizleitern Platin bewährt, das mit Siebdruck auf eine Grünfolie aus Aluminiumoxid aufgebracht wird. Die metallisierte Folie wird auf ein Trägerrohr aus Aluminiumoxid laminiert und mit dem Rohr versintert. Die Rohheizkörper können innerhalb von 60 s eine Temperatur von 1000 °C im Dauer- und Wechselbetrieb erreichen. MM

Dipl.-Ing. Friedrich Moeller ist verantwortlich für Produktmarketing bei der Rauschert GmbH in 96322 Pressig

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