Technische Keramik VULKAN. Technische Keramik. Carbon ist Zukunft. Carbon ist SGL Group. Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik

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1 Carbon ist Zukunft. 2. Auflage Carbon ist SGL Group. sind einer der weltweit führenden Hersteller von Produkten aus Carbon. Wir verfügen über ein breites Rohstoffverständnis, ausgereifte Herstellungsprozesse, langjähriges Anwendungs- und Engineering-Know-how, ein umfassendes Portfolio an Kohlenstoff-, Graphit- und CarbonfaserProdukten und eine integrierte Wertschöpfungskette von Carbonfasern bis hin zu Ver- CFK Spezialgraphite CFC Expandierter Graphit C/SiC Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik Carbonfasern Wir, die SGL Group The Carbon Company, Graphit Technische Keramik Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik Technische Keramik Kohlenstoff W. Kollenberg (Hrsg.) 2. Auflage bundwerkstoffen. Mit dieser breiten Basis bieten wir unseren Kunden beste Lösungen. Broad Base. Best Solutions. Umschlag # x230gb4cR36A.indd 1 VULKAN Mehr unter :18:01 Uhr

2 Technische Keramik 2. Auflage

3 WISSEN für die ZUKUNFT OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH VULKAN-VERLAG GMBH

4 Wolfgang Kollenberg (Hrsg.) III Technische Keramik Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik 2. Auflage VULKAN VERLAG

5 IV Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Vulkan-Verlag GmbH Ein Unternehmen der Oldenbourg-Gruppe Huyssenallee 52-56, D Essen Telefon: (02 01) , Internet: Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. Lektorat/Projektmanagement: Stephan Schalm

6 Vorwort zur 2. Auflage V Vorwort zur 2. Auflage Werkstoffe sind heute mehr denn je der Schlüssel für technische Innovationen. Dabei hat die Bedeutung der Keramik in den letzten Jahren deutlich zugenommen, was nicht zuletzt auch auf den gesteigerten Bekanntheitsgrad zurückzuführen ist. So ist es auch das Ziel der 2. Auflage dieses Buches Studierende, Ingenieure, Konstrukteure und Produktentwickler mit der Herstellung und den Eigenschaften Keramischer Werkstoffe vertraut zu machen. Die in der 1. Auflage gewählte Gesamtdarstellung mit starkem Bezug zur Praxis wurde beibehalten. Einige Kapitel (beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid) wurden grundlegend überarbeitet, neue Themen, wie Kohlenstoff, Rapid Prototyping und Keramische Schichten, wurden aufgenommen. Allen beteiligten Autoren sei an dieser Stelle herzlich für ihre Kooperation gedankt. Durch ihr Engagement haben sie bedeutenden Anteil an der Realisierung dieser 2. Auflage. Auch dem Vulkan-Verlag und seinen Mitarbeitern gilt es für die Möglichkeit das Buch herauszugeben und die gelungene Realisierung Dank zu sagen. Rheinbach, im November 2009 Wolfgang Kollenberg

7 VI Vorwort zur 1. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Keramische Werkstoffe übernehmen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in den meisten technischen Prozessen heute wichtige Funktionen. Neben den klassischen Feldern der Hochtemperaturanwendungen werden sie zunehmend im Maschinen- und Anlagenbau, der Elektronik und Elektrotechnik, der Energieerzeugung, der chemischen Verfahrenstechnik, der Medizintechnik und in vielen Bereichen des Haushalts eingesetzt. Dabei haben sie zum Teil andere Werkstoffe verdrängt, aber in weit größerem Maße neue Technologien und Anwendungen erst ermöglicht. Mit dem vorliegenden Buch soll dem Leser ein umfassender Überblick über den Aufbau und die Eigenschaften der verschiedenen keramischen Werkstoffe sowie die Potentiale der unterschiedlichen Herstellungsverfahren gegeben werden. An Hand zahlreicher Anwendungsbeispiele wird ein Einblick in das Spektrum technischer Anwendungen gegeben. Unter dem Begriff Technische Keramik werden alle keramischen Werkstoffe zusammengefasst, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Bogen spannt sich von der Funktionskeramik über die Konstruktionskeramik bis zur Feuerfestkeramik. Mit der hier gewählten Gesamtdarstellung und einem starken Bezug zur Praxis richtet sich das Buch an Studierende, Ingenieure und Konstrukteure. Die einzelnen Aspekte werden von kompetenten Fachleuten aus Industrie, Hochschule und Forschung vorgestellt. In der umfassenden Betrachtung der Themenbereiche Eigenschaften und Prüfverfahren, Werkstoffe, Verfahrenstechnik und Anwendung soll dem Leser ein aktueller und ausführlicher Überblick geboten werden. Selbstverständlich können trotz der angestrebten Ausführlichkeit nicht alle Fragen beantwortet werden. Der Herausgeber hofft aber, eine den Bedürfnissen des angesprochenen Leserkreises entsprechende Auswahl gefunden zu haben. Zur weiteren Vertiefung einzelner Aspekte wird in den jeweiligen Kapiteln auf umfassende Literatur verwiesen. Anregungen aus dem Leserkreis zur weiteren Verbesserung des Inhaltes sind willkommen. Den Autoren sei für ihre Kooperation herzlich gedankt. Durch ihr Engagement und ihre Mitarbeit haben sie ausschlaggebend zum Gelingen des Buches beigetragen. Dank gilt aber auch dem Vulkan-Verlag, der sich der Aufgabe gestellt hat, ein derart umfassendes und praxisorientiertes Buch herauszugeben. Rheinbach, im April 2004 Wolfgang Kollenberg

8 Autorenverzeichnis VII Autorenverzeichnis Dr. Rainer Bartusch KI Keramik Institut GmbH Ossietzkystraße 37a Meissen Prof. Dr. Wolfgang D.G. Böcker Hüninger Straße Berlin Prof. Dr. Michael Böhmer Fachhochschule Köln Institut für Werkstoffanwendungen Betzdorfer Straße Köln Dr. Dieter Brunner AnCeram GmbH & Co.KG Esbachgraben Bindlach Dr. habil. (DC) Gunter Carl JSJ Jodeit GmbH Am Naßtal Jena-Mana Ines Durmann Sembach GmbH & Co.KG Oskar-Sembach-Straße Lauf Dr. Andreas Gebhardt VITROW Spezialwerkstoffe GmbH Am Naßtal Jena-Mana Prof. Dr. Georg Grathwohl Universität Bremen Am Biologischen Garten Bremen Dr. Hermann Hald DLR Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Pfaffenwaldring Stuttgart Dr. habil Mathias Herrmann Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe Winterbergstraße Dresden Dr. Hans Hoppert CeramTEc ETEC GmbH An der Burg Sülz Lohmar Markus Kindtner Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße Rheinbach Prof. Dr. Gernot Klein Fachhochschule Koblenz Rheinstraße Höhr-Grenzhausen Dr. Hagen Klemm FhG IKTS Dresden Winterbergstraße Dresden Prof. Dr. Wolfgang Kollenberg Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße Rheinbach Sandra Lehmann Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße Rheinbach Dr. Johannes Liebermann Hühnerberg Lichtenfels Dr. habil. (PD) Ralph Lucke FIT-Ceramis Lindenweg 2 A Miesbach

9 VIII Prof. Dr. Ralf Moos Universität Bayreuth Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften Lehrstuhl für Funktionsmaterialien Universitätsstraße Bayreuth Dr. Bernhard Mussler Micro Systems Engineering GmbH Schlegelweg Berg Dr. Detlev Nicklas Verband der Keramischen Industrie e.v. Schillerstraße Selb Dieter Nikolay Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße Rheinbach Oswin Öttinger SGL CARBON GmbH Werner-von-Siemens-Straße Meitingen Dr. Ewald Pfaff RWTH Aachen Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Nizzaallee Aachen Prof. Dr. Helmut Rasch Juchaczstraße 26 c Höhr-Grenzhausen Prof. Dr. Teja Reetz Carriera-Straße Dresden Prof. Dr. Hermann Riedel Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Wöhlerstraße Freiburg Prof. Dr. Andreas Roosen Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl Gas und Keramik Martensstraße Erlangen Autorenverzeichnis Stefan Rünz Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße Rheinbach Jochen Schilm Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe Winterbergstraße Dresden Doz. Dr. Jürgen Schnapp Universität Jena Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie Löbdergraben Jena Prof. Dr. Hartmut Schneider Universität Köln Institut für Kristallographie Zülpicher Straße 49 b Köln Lars Schnetter CeramTec-ETEC An der Burg Sülz Lohmar Dr. Gerd Schwier Hochgrevetraße Goslar Michael Spillner Dörentrup Feuerfestprodukte GmbH & Co. KG Lemgoer Straße Dörentrup Dieter Sporn Fraunhofer-Institut für Silicatforschung Neunerplatz Würzburg Prof. Dr. Wolfgang Tillmann Technische Universität Dortmund Lehrstuhl für Werkstofftechnologie Leonhard-Euler-Straße Dortmund Gerald Vogt Vogt GmbH Ottensooser Str Henfenfeld

10 Autorenverzeichnis IX Alfred Vuin ZSCHIMMER & SCHWARZ GmbH & Co KG Chemische Fabriken Max - Schwarz - Straße Lahnstein Hans-Jörg Walter Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co Kg Walldürner Straße Hardheim Dr. Moritz von Witzleben INMATEL Technologis GmbH & Co. KG Heerstrassenbenden Rheinbach Dr. Mathias Woydt BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung Unter den Eichen Berlin

11 Ihre Keramik - Experten! JULI / AUGUST 61. JAHRGANG Aus dem Inhalt Über die Temperaturwechselbeständigkeit feuerfester Werkstoffe Vibrationsaustragsboden für hygroskopische und kohäsive Schüttgüter Wärmerückgewinnung mit Rauchgas-Wärmetauschern an keramischen Öfen Kohleton aus dem Steinkohlebergbau für die Ziegelindustrie Reportagen Hundisburg Aachen Hardheim Messen CERAMITEC 2009 ACHEMA 2009 CERAMITEC 2009 Visit us in Hall B6, Booth No. 303/502! Am Scheerleck 7 L-6868 Wecker Luxembourg Phone Fax info@laeis.eu 2009 MANUAL From the Contents Review Papers Alkali Corrosion in Cement Rotary Kilns Structural and Technological Properties of Zircon-Limestone-Zirconia Compositions for Ceramic and Refractory Applications Effects of Additives on the Sintering Behaviour of Al 2 O 3 -based Ceramic Materials Influence of Secondary Chrome Magnesia Additives on the Alumina Refractory Castables A Novel Magnesia Based Binder (MBB) for Refractory Castables An Investigation on Slag Resistance of Castable Refractories Containing Porous Spinel Aggre gates Special Technologies High Temperature Corrosion of Anchor Systems for Refractory Constructions at Different Atmospheres and Temperatures Advantages of Tundish Working Lining Installed by Dry Vibe Method Study on the Physicochemical Behaviour of Graphite of Eastern India Used for Refractory Manufacture Increasing the Service Life of Glass Melt Contact Refractories Refractories Quality and Testing for the Glass Industry and Other Major Heat Using Industries Markets Review of Refractories Business and Technology Raw Materials for Refractories a Strategic Challenge Reports CERAMITEC 2009 CERAMICS CHINA 2009 ACHEMA 2009 CERAMITEC 2009 Visit us in Hall B6, Booth No. 303/502! Am Scheerleck 7 L-6868 Wecker Luxembourg Phone Fax info@laeis.eu Weitere Infos unter:

12 Inhalt XI Inhalt Vorwort zur 2. Auflage... Vorwort zur 1. Auflage... Autorenverzeichnis... Einleitung... 1 Wolfgang Kollenberg 1. Struktur und Gefüge keramischer Werkstoffe... 7 Wolfgang Kollenberg 1.1 Atomaufbau der Elemente Interatomare Bindungen Aggregatzustände Kristalline und amorphe Strukturen Kristallgitter Gitterfehler Gefüge Thermochemie Eigenschaften und Prüfverfahren Georg Grathwohl, Mathias Herrmann, Hagen Klemm, Wolfgang Kollenberg, Meinhard Kuntz, Sandra Lehmann, Ralf Lucke, Ralf Moos, Teja Reetz, Jochen Schilm, Jürgen Dieter Schnapp, Mathias Woydt 2.1 Mineralogische Charakterisierung Erfassung der chemischen Zusammensetzung Elementaranalyse Atomabsorptions- (AAS) und Atomemissionsspektroskopie (AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (FRA) Vergleich der Methoden zur chemischen Analytik Erfassung der Phasenzusammensetzung Röntgenbeugungsanalyse (RBA) Infrarotspektroskopie (IR) Erfassung des strukturellen Aufbaus Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie (REM) Thermische Analyse Rohstoff und Gefüge Korngrößenanalyse Bestimmung der spezifischen Oberfläche Porosität Mechanische Eigenschaften Elastizität Grundlagen Messmethoden Bruchmechanik Allgemeines Spannungsintensitätsfaktor V VI VII

13 XII Inhalt Risszähigkeit Messmethoden Festigkeit Weibullverteilung Messmethoden Ermittlung und Darstellung der Weibull-Verteilung Saumriss-Modell der Festigkeit Unterkritisches Risswachstum Allgemeines Messmethoden Kriechen Grundlagen Messmethoden Härte Allgemeines Verfahren nach VICKERS und KNOOP Spannungsverhalten und Verformung Temperaturabhängigkeit Zeitabhängigkeit Umwelteinflüsse aus der Härte Tribologisches Verhalten Allgemeines Grundlagen und Definitionen Gleitreibung und -verschleiß im Trockenlauf Gleitreibung und -verschleiß unter Misch- und Grenzreibung Thermische Eigenschaften Thermische Dehnung Physikalische Grundlagen Messmethoden Anwendungsbereiche Wärmeleitfähigkeit Physikalische Grundlagen Messmethoden Anwendungsbereiche Korrosionsbeständigkeit Allgemeines Gaskorrosion Oxidation von Nichtoxiden Korrosion in wässrigen Medien Verträglichkeit von Keramik mit Metallen Allgemeines Thermodynamische und kinetische Aspekte der Verträglichkeit Silicate Siliciumnitrid und Siliciumcarbid Aluminiumoxid-Keramik Zirconiumoxidkeramiken Yttriumoxidkeramik Elektrische Eigenschaften Isolatoren Isolatoren und Substrate Dielektrika Piezoelektrika Halbleitende Keramiken

14 Siliciumcarbid individuell und korngenau Vielfalt und Reinheit Das sind die Stärken unseres Produkts ESK-SiC. Für die nahezu unbegrenzten Einsatzgebiete und Produkte produzieren wir SiC in Grün und in Dunkel, in allen Körnungen von mehreren Millimetern bis hin in den Submikronbereich, in homogenen Qualitäten und gemischten Fraktionen. Unser ESK-SiC entspricht immer den festgelegten Anforderungen: im Standard- und Hochleistungsbereich sowie bei Spezialitäten Korn für Korn, Charge für Charge, Lieferung für Lieferung. uns können Sie Vertrauen! ESK-SiC zeichnet sich besonders aus durch: hohe Reinheit extreme Härte exzellente Hochtemperatureigenschaften hohe Temperaturwechselbeständigkeit niedrige Wärmeausdehnung gute elektrische Leitfähigkeit chemische Beständigkeit Produktion streng nach internationalen Standards Wir entwickeln exklusiv in enger Zusammen arbeit mit ihnen genau das richtige SiC-Produkt für ihren speziellen Einsatz. ESK-SIC GmbH Günter-Wiebke-Straße Frechen Germany Phone +49 (0) Fax +49 (0) info@esk-sic.com

15 XIV Inhalt NTC-Keramiken Keramische Varistoren PTC-Keramiken Keramische Ionenleiter Yttrium stabilisiertes Zirconiumoxid Kationenleiter Elektrisch leitfähige Keramiken Magnetische Eigenschaften Allgemeines Grundlagen des Magnetismus Struktur von hart- und weichmagnetischen Ferriten Weichmagnetische Ferritwerkstoffe für technische Anwendungen Hartmagnetische Ferritwerkstoffe für technische Anwendungen Zerstörungsfreie Prüfung Allgemeines Sichtprüfung Eindringprüfung Klangprüfung Ultraschallverfahren Schallemissionsprüfung Durchstrahlungsprüfung Keramische Werkstoffe Wolfgang D.G. Böcker, Dieter Brunner, Gunter Carl, Andreas Gebhardt, Mathias Herrmann, Hans Hoppert, Wolfgang Kollenberg, Johannes Liebermann, Bernhard Mussler, Dieter Nikolay, Oswin Öttinger, Ewald Pfaff, Helmut Rasch, Hartmut Schneider, Lars Schnetter, Dieter Sporn, Gerald Vogt 3.1 Silicatische Technische Keramik Einleitung Technisches Porzellan Allgemeines Porzellan der ideale Werkstoff für Hochspannungs-Isolatoren Abbau der Gefügespannungen Wie erreicht man eine hohe Festigkeit und ein stabiles Porzellangefüge? Alterung des Porzellangefüges Weitergehende Werkstoffentwicklungen Trends und Leitlinien Gefügeanalyse an verschiedenen Elektroporzellanen Regeln und Richtwerte für Hersteller und Anwender Einfluss von Bauform und Oberflächeneigenschaften auf das elektrische Verhalten Einfluss der Splittung auf die Festigkeit Steatit Cordierit Allgemeine Mineral- und Gefügeeigenschaften Ausdehnungsanomalie als kristallographische Besonderheit Wechselwirkungen zwischen Cordieritbildung und Werkstoffgefüge Phasenbestand bei einer Rohstoffbasis Talk Tonmineralien Mullit Anwendungen von Cordierit Oxidische Technische Keramik Allgemeines Aluminiumoxid-Keramik

16 Konventionelle Aluminiumoxid-Werkstoffe Rohstoffe und Rohstoffsynthesen Der Bayerprozess Synthesen von hochreinen, synthetischen Tonerden Flüssigphasensynthese Aluminiumoxid-Werkstoffe auf der Basis der Bayer-Tonerden Mullitwerkstoffe (C 600) Einteilung der Aluminiumoxid-Werkstoffe der Klasse C Eigenschaften und Anwendungen von Al 2 O 3 -Werkstoffen Aluminiumoxid-Werkstoffe auf der Basis der synthetischen Rohstoffe, dichtes Submikronaluminiumoxid Pulveranforderungen Aufbereitung und Verarbeitung Eigenschaften von submikronkristallinem Aluminiumoxid Anwendungen von Submikronaluminiumoxid Zirconiumoxid Einleitung Grundlegende Eigenschaften von ZrO Vorstellung der unterschiedlichen ZrO 2 -Typen PSZ partially stabilized zirconia (teilstabilisiertes ZrO 2 ) TZP tetragonal zirconia polykristall Y-TZP Ce-TZP FSZ fully stabilized zirconia (Vollstabilisiertes ZrO 2 ) Zusammenfassung der ZrO 2 -Typen

17 XVI Inhalt Verstärkungsmechanismen in ZrO 2 -Keramiken Mikrorissbildung Spannungsinduzierte Umwandlungsverstärkung Rissabschirmung (Crack deflection) Rissverzweigung Rohstoffe für ZrO 2 -Keramiken Natürliche Rohstoffe Synthetische Rohstoffe ZTC zirconia toughened ceramics Anwendungsbeispiele Titanate Einleitung und Überblick Kristalliner Aufbau und Eigenschaften Aluminiumtitanat Bariumtitanat Bleititanat, PZT-Keramik Ferroelektrische Schichten Mullit Einleitung Mullit-Feuerfestmaterialien Mullit-Strukturkeramiken Mullit-Schutzschichten Oxidfaser/Mullitmatrix-Verbundwerkstoffe Weitere Mullit-Anwendungen Transparente Keramik Pulverherstellung Aufbereitung und Verarbeitung Werkstoffe Stoffe mit nicht kubischen Kristallsystemen Werkstoff mit kubischem Kristallsystem Nichtoxidische Technische Keramik Allgemeines Siliciumcarbid Einleitung Struktur und Phasenbeziehungen Eigenschaften Weltmarkt und Verwendung Herstellung von Siliciumcarbid Chemische Bildung und Sintern Werkstoffeigenschaften Sonderherstellungsverfahren SiC als Verstärkungsmittel Großtechnische Anwendungen und Produkte Anwendungen in der Halbleiterindustrie Ausblick Siliciumnitridwerkstoffe Einleitung Modifikationen des Siliciumnitrids Oxidnitridische Phasendiagramme Werkstoffherstellung Gefügeentwicklung in dichter Si 3 N 4 -Keramik Eigenschaften dichter Siliciumnitridkeramik Reaktionsgebundene Si 3 N 4 -Werkstoffe

18 EXCELLENCE IN REFRACTORIES RHI AG ist der global führende Hersteller von keramischen Feuerfestprodukten für industrielle Hochtemperaturprozesse. Weltweit schätzen und vertrauen führende Stahl-, Glas-, Zement-, und Nichteisenmetalle- Produzenten auf die Qualität der Produkte und Serviceleistungen von RHI. RHI AG, 1100 Vienna, Wienerbergstraße 11, Austria Phone: +43 (0) , Fax: +43 (0) , Applikation Zusammenfassung / Ausblick Aluminiumnitrid Einleitung Physikalische Eigenschaften Vergleich mit anderen Keramiken Herstellung Anwendungen Keramische Fasern Allgemeines Einsatzfelder keramischer Fasern Stoffliche und strukturelle Varianten Herstellung keramischer Fasern Eigenschaftsprofile Glaskeramik Einleitung Glasbildung und Herstellung von Glaskeramiken Eigenschaften und Anwendungen von Glaskeramiken Glaskeramiken mit minimaler thermischer Ausdehnung Maschinell bearbeitbare Glaskeramiken Bioglaskeramiken Glaskeramiken mit ausgerichteten Kristallphasen orientierte Glaskeramiken Glaskeramiken mit hoher mechanischer Festigkeit

19 XVIII Inhalt 3.6 Kohlenstoffwerkstoffe Einleitung Die Graphitstruktur Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoffwerkstoffen Hauptanwendungen von Kohlenstoffwerkstoffen Ausblick: Kohlenstoffwerkstoffe Herstellungsverfahren der Keramik Rainer Bartusch, Michael Böhmer, Ines Durmann, Herbert Gasthuber, Michael Hölzgen, Markus Kindtner, Gernot Klein, Wolfgang Kollenberg, Ralf Löbe, Marcus Müller, Peter Nold, Peter Quirmbach, Hermann Riedel, Andreas Roosen, Stefan Rünz, Gerd Schwier, Wolfgang Tillmann, Gerald Vogt, Alfred Vuin, Hans-Jörg Walter, Moritz v. Witzleben 4.1 Allgemeines Pulverherstellung Einleitung Pulvereigenschaftsanforderungen Pulverherstellung allgemein Pulveraufbereitung Aluminiumoxid Zirconiumoxid Yttriumoxid Aluminiumnitrid Bornitrid Siliciumnitrid Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarbid Borcarbid Siliciumcarbid Titanborid Molybdänsilicid Organische Additive Einleitung Additive als Bestandteil der keramischen Produktionstechnologie Funktionalität der einzelnen Additivtypen Verflüssigungs- bzw. Dispergiermittel Temporäre Bindemittel Presshilfsmittel Gleithilfsmittel Plastifizierungsmittel Thermoplastische Binder Feedstocks Trennmittel Entschäumer Filtrationshilfsmittel Aufbereitung Einleitung Mechanische Granulierverfahren Aufbauagglomeration Pressagglomeration Wirbelschichtagglomeration Thermische Granulierverfahren Wirbelschichtgranulation

20 Dilatometer Dilatometer DIL801L 1500 C Einproben - Dilatometer Zweiproben - Dilatometer Differenz - Dilatometer Temperatur: -160 C bis 2400 C Atmosphäre: Luft, Vakuum, Inert Genauigkeit: =0,01 bis 0,05x10-6 [K -1 ] professionelle 32-bit WinTA 8.0 Software Netzwerkanschluss BÄHR-Thermoanalyse GmbH Postfach 1105 D Hüllhorst Tel: Fax: Internet: Sprühgranulation Kneten Dispergieren Formgebungsverfahren Axialpressen Kaltisostatisches Pressen Grundprinzip Verfahrensprinzipien Anlagentechnik Anwendungsbeispiele Heißisostatisches Pressen Extrudieren Die Arbeitsmasse Die Formgebungsaggregate Druckgießen Einleitung Entwicklung des Druckgießens in der keramischen Industrie Physikalische Grundlagen des Druckgussprozesses Anwendung der Druckgusstechnologie in der silicatischen und nichtsilicatischen Keramik Beeinflussung der Scherbenbildung silicatkeramischer Suspensionen Scherbenbildung beim Druckguss in der Oxid- und Nichtoxidkeramik Spritzgießen Einleitung

21 XX Inhalt Verfahrensbeschreibung Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens Foliengießen Einsatz des Verfahrens Verfahrensvarianten zur Herstellung von Folien Verfahrensablauf beim Foliengießen Schlickerkomponenten Herstellung des Schlickers und Schlickereigenschaften Gießvorgang Bearbeiten, Metallisieren, Laminieren Binderausbrand Sinterbrand Zusammenfassende Bewertung des Verfahrens Sintern Einleitung Unterscheidung verschiedener Sintermechanismen und Prozessvarianten Festphasensintern Flüssigphasensintern Anwendungsbeispiele Pressen und Sintern einer Dichtscheibe aus Al 2 O Sintern von Tellern, Verformung durch die Schwerkraft Mikrowellensintern von Al 2 O 3 -Scheiben Zusammenfassung Bearbeitung Grünbearbeitung Hartbearbeitung Technologie der Bearbeitung Konventionelle Verfahren Innovative Verfahren Laserbearbeitung Auswirkungen der Bearbeitung auf das Bauteil Schleifwerkzeuge Fügen Keramische Prototypen Einleitung Verfahren des Rapid Prototyping in der Keramik Abtragende Verfahren Formgebundene Verfahren Aufbauende Verfahren Keramische Schichten Einleitung Herstellung keramischer Schichten PVD-Verfahren Aufdampfen Kathodenzerstäuben Ionenplattieren CVD-Verfahren Thermische Spritzverfahren Plasmaspritzen Lichtbogenspritzen Kaltgasspritzen Flammspritzen Hochgeschwindigkeitsflammspritzen

22 Gefüge und Eigenschaften thermisch gespritzter keramischer Schichten Konstruktive Hinweise Anwendungsbeispiele Anwendung keramischer Werkstoffe in der Technik Armin El Gammal, Hermann Hald, Wolfgang Kaysser, Ralf Moos, Detlev Nicklas,Wolfgang Schulle 5.1 Anwendung feuerfester Werkstoffe Allgemeine Charakterisierung und Klassifizierung feuerfester Werkstoffe Spezifische Eigenschaften feuerfester Werkstoffe Wesentliche Anwendungsbereiche feuerfester Werkstoffe Anwendungsbereich Metallurgie Anwendungen in der Glas- und Keramikindustrie Anwendungen in der chemischen Industrie Anwendungen in allgemeinen Feuerungs- und Verbrennungsanlagen Ungeformte feuerfeste Erzeugnisse Hochtemperaturwärmedämmstoffe Anwendungsbeispiele im Maschinen- und Anlagenbau Keramik im Maschinenbau Kugel-, Gleit- und Wälzlager Führungs- und Umlenkelemente Umform- und Stanzwerkzeuge Düsen Schneidkeramik

23 XXII Inhalt Keramische Beschichtungen Automotive Motorenbereich Abgasstrang Thermo-Management Keramik im Anlagenbau Mühlen (Brechen und Mahlen) Auskleidungen (gegen Verschleiß sowie thermomechanischer- und korrosiver Beanspruchung Rohrsysteme Pumpen- und Armaturenbau Pumpen Armaturen Sanitärarmaturen Chemie- und Umwelttechnik Füllkörper Waben (Abgasreinigung / Wärmerückgewinnung) Filter Funktionskeramik Elektronik Keramische Vielschichtkondensator LTCC-Technologie Luft- und Raumfahrt Einleitung Keramiken der Luft und Raumfahrt Bauteilanwendungen in der Raumfahrt Gesichtspunkte für die Gestaltung von Faserkeramik-Leichtbaustrukturen Keramisches Thermalschutzsystem (TPS) CMC-Strukturen für X Rumpfsteuerklappen für X Raketenschubdüsen Spin-off Anwendungen für Raumfahrtkeramiken Bauteilanwendungen in der Luftfahrt Thermalschutzsysteme und Liner für Gasturbinen Keramische Wärmedämmschichten auf hochbeanspruchten Turbinenteilen Stichwortverzeichnis Inserentenverzeichnis

24 Einleitung 1 Einleitung

25 2 Einleitung Einleitung Wolfgang Kollenberg Voraussetzung und Grundlage jeder modernen Technologie sind deren Werkstoffe. Dabei war und ist die richtige Werkstoffauswahl eine der zentralen Fragen, die über Erfolg und Effizienz einer Technologie entscheidet. Werkstoffentwicklung und technologischer Fortschritt gehen Hand in Hand. Heute sind über verschiedene Werkstoffe aus den Bereichen Kunststoff, Metall, Glas und Keramik bekannt, mit unterschiedlichsten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften. Um eine vergleichende Betrachtung und gezielte Auswahl von Werkstoffen zu ermöglichen, ist eine systematische Einteilung notwendig. Bild 1 zeigt die primäre Untergliederung in organische und anorganische Werkstoffe. Die anorganischen Werkstoffe wiederum werden in metallische sowie nichtmetallische Werkstoffe unterteilt. Die Werkstoffgruppen lassen sich qualitativ (Tabelle 1) und quantitativ (Tabelle 2) unterscheiden. Die Grenze zwischen metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen wird mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands definiert. Die Grenze zu den Polymeren wird von der molekularen Struktur hergeleitet. Polymere besitzen diskrete Moleküle bzw. Ketten, in denen die Kohlenstoffatome kovalent miteinander verbunden sind. Zwischen diesen bestehen nur schwache Bindungen (z. B. van-der-waals). In anorganischen-nichtmetallischen Werkstoffen gibt es keine diskreten Moleküle, sondern räumliche Anordnungen, entweder geordnet als Kristallgitter, oder regellos als amorpher Zustand. Bild 1: Schematische Einteilung der Werkstoffe Tabelle 1: Qualitativer Vergleich verschiedener Werkstoffgruppen

26 Einleitung 3 Tabelle 2: Quantitativer Vergleich verschiedener Werkstoffgruppen Das Element Silicium spielt bei den nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen eine dominierende Rolle, sowohl als reines Element, als auch in Verbindung mit Sauerstoff (SiO 2 ), mit Kohlenstoff (SiC) und mit Stickstoff (Si 3 N 4 ). Dadurch, dass Sauerstoff (49,4 %) und Silicium (25,8 %) die häufigsten Elemente der Erdrinde sind, wird die Bedeutung dieser Werkstoffgruppe noch einmal unterstrichen. Der Begriff Keramik leitet sich vom griechischen Wort κερα οσ ab, womit Ton und die daraus gefertigten Produkte bezeichnet wurden. Es gibt keine allgemeinverbindliche Definition, welche der nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffe heute als keramisch anzusehen sind. In der englischen Literatur wird häufig der Begriff ceramics für alle Werkstoffe dieser Gruppe verwendet. Es sprechen aber begründete Argumente dafür eine Dreiteilung in Glas, Keramik und Bindemittel vorzunehmen. In diesem Sinne werden hier als Keramik nur solche nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffe verstanden, die eine kristalline oder zumindest teilweise kristalline Struktur aufweisen und deren Gefüge in der Regel durch einen Sinterprozess entsteht. Erst nach dem Brennprozess liegt der eigentliche keramische Werkstoff vor. Die Technik, tonhaltige Erde durch Feuer dauerhaft zu verfestigen, gehört zu den ältesten handwerklichen Fähigkeiten des Menschen. Die ältesten Figuren stammen aus der Altsteinzeit. In China entdeckte man bereits sehr früh besondere Ton -Vorkommen, die es erlaubten bereits zu Beginn unserer Zeitrechnung Porzellan herzustellen. Aufgrund der hohen Wertschätzung von Porzellan in Europa wurden auch hier schon früh Versuche unternommen, Porzellan zu produzieren. Erst 1709 gelang es Böttcher und Tschirnhausen in Meißen Porzellan herzustellen (Bild 2). Die Erfindung des europäischen Porzellans ist jedoch, im Gegensatz zum chinesischen, das Produkt einer systematischen Entwicklungsarbeit, an der Fachleute aus verschiedenen Bereichen mitgewirkt haben. Sie kann als erste gezielte Werkstoffentwicklung angesehen werden. Parallel zur Durchführung systematischer stofflicher Versuchsreihen, erfolgte eine gezielte Weiterentwicklung der Ofentechnik, die höhere Brenntemperaturen und eine genauere Temperaturführung erlaubte. Die technische Anwendung keramischer Werkstoffe fand zunächst in Form von feuerfesten Baustoffen statt. Zur Herstellung von Glashäfen wurden spezielle Tone benutzt, bei denen man einen

27 4 Einleitung Bild 2: Ausschnitt aus dem Wandgemälde von Paul Kießling, Wachsfarben, um Albrechtsburg Meißen. Böttgerzimmer. Aus: Johann Friedrich Böttger. Die Erfindung des europäischen Porzellans, Herausgeber: Rolf Sonnemann und Eberhard Wächtler. Jubiläumsausgabe zum 300. Geburtstag von J.F. Böttger, Leipzig 1982 hohen Erweichungspunkt beobachtet hatte. Dazu zählen die Tone von Großalmerode, wo im 16. und 17. Jahrhundert ein Monopol der Glashafenproduktion bestand. Für höhere Temperaturen, wie sie in der Metallurgie angewandt wurden, standen Graphittiegel zur Verfügung, die im Gebiet um Passau seit dem Mittelalter hergestellt wurden. Aus den östlich von Passau vorkommenden Graphitschiefern konnte ein Graphitkonzentrat hergestellt werden, das in Verbindung mit Töpferton eine dichte und besonders temperaturwechselbeständige schwarze Töpferware ergab. Diese Tiegel, die auch säurefest waren, genügten den Anforderungen aller mittelalterlichen metallurgischen Schmelzprozesse. Die Erschließung der Lagerstätten von Ceylon durch Engländer im 19. Jahrhundert brachte bessere Materialien nach Europa und ließ schließlich England zum wichtigsten Hersteller von Graphitschmelztiegeln aufsteigen. Die Entwicklung der Feuerfestkeramik wurde in besonderem Maße durch die Anforderungen der Stahlindustrie geprägt. In rascher Folge wurden im 19. Jahrhundert Schamotte-Sorten verbessert und neue Werkstoffe, wie Silica-, Magnesia- und Doloma-Steine, entwickelt. Durch die Entdeckung einer Magnesitlagerstätte in der Steiermark hat Österreich die Herstellung basischer feuerfester Produkte in der ganzen Welt beeinflusst. Seit Ende des 19. Jahrhunderts sind eine Reihe weiterer Feuerfestwerkstoffe hinzugekommen. Neue Anforderungen an keramische Werkstoffe ergaben sich, als Werner von Siemens 1849 Isolatoren aus Porzellan für die Telegraphenleitung von Frankfurt nach Berlin einsetzte. Nur Porzellan konnte zu dieser Zeit als Isoliermaterial eingesetzt werden, das gleichzeitig auch gegen die klimatische Beanspruchung resistent gewesen ist. In diesem Zusammenhang wurde an Porzellan erstmals eine Forschung betrieben, die eine Änderung des Gefüges vorsah, wodurch eine gezielte Verbesserung der Eigenschaften erreicht werden sollte. Auch für die im 20. Jahrhundert aufkommende Motorisierung erwies sich die Keramik in Form der Zündkerze als unersetzlich. Zudem markiert die Entwicklung der Zündkerze einen weiteren Meilenstein in der Geschichte der Keramik. Denn mit der Zunahme der Bedeutung der Motorisierung entwickelte sich das bisherige Isoliermaterial der anfänglichen elektrischen Zündkerze unter dem Zeichen der Leistungssteigerung mehr und mehr zu einer Schwachstelle. Antiklopfmittel wurden gesucht und im Eisencarbonyl gefunden, das allerdings zu Verschlackungen der damals aus Porzellan, später aus Steatit, bestehenden Isolatoren führte. Als mögliche Alternative wurde der Rohstoff Aluminiumoxid aufgegriffen, dessen Herstellung mittels des Bayer-Verfahrens zwischen 1887 und 1892 erfunden wurde gelang der Fa. Siemens & Hanke die Herstellung der Sinterkorund-Zündkerze. Hiermit wurde erstmals ein synthetischer Rohstoff für die Herstellung einer Keramik eingesetzt. Heute ist die Verwendung synthetischer Rohstoffe in der Technischen Keramik selbstverständlich. Der allmähliche Durchbruch der keramischen Werkstoffe außerhalb der traditionellen Anwendungsgebiete begann in den 1950er Jahren. Verbesserungen der Prozesstechnik und der instrumentellen Analytik unterstützten die Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Besonders starke Impulse kamen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt und der Reaktortechnik. In den 1970er

28 Einleitung 5 Bild 3: Marktanteil Technische Keramik [1] Jahren gelang der Funktionskeramik der Durchbruch. Dazu zählen insbesondere die Werkstoffe, die in der Elektronik und Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Auch heute noch hat die Funktionskeramik einen Marktanteil von ca. 80 % der in der Technik eingesetzten Keramiken. Auch in dieser Zeit wurde Siliciumnitrid entwickelt, wodurch völlig neue Möglichkeiten eröffnet wurden. Es folgte in den 1980er Jahren eine wahre Keramik-Euphorie, die insbesondere unter den Stichworten PKW-Gasturbine und Keramischer Motor umfangreiche Forschungsaktivitäten auslösten. Allerdings konnten die hochgesteckten Erwartungen in der Kürze der Zeit nicht erfüllt werden. Durch die Entdeckung keramischer Supraleiter wurde diese Euphorie noch weiter gefördert, allerdings musste sie schon in den 1990er Jahren einer gewissen Ernüchterung weichen. Die großen Hoffnungen konnten seitens der Forschung nicht in so kurzer Zeit erfüllt werden. Heute stellt sich die Technische Keramik gleichberechtigt neben den anderen Werkstoffen dar. Viele Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte haben jedoch noch keine Umsetzung in die Produktion gefunden, hier bietet sich noch ein großes Potential. Der Weltmarkt für Technische Keramik (ohne Feuerfest) wird auf ca. 34 Mrd., rund 27 % des gesamten Keramikmarktes (Bild 3). In Deutschland wuchs der technische Keramikmarkt seit 2004 von 557 Mio. auf 689 Mio.. Die jährliche Wachstumsrate liegt bei 6 8 % [1]. Als hinderlich für die Anwendung von Technischer Keramik sind mangelndes Werkstoffwissen und wenig Akzeptanz bei Anwendern, hohe Kosten in der Finishbearbeitung und vor allem der Zeitaufwand bis zur Marktreife, sowie der Kostenaufwand bis zur Serienreife zu sehen. Um das Potential der Technischen Keramik zu steigern sollte sich die zukünftige Forschung insbesondere mit der Prozesssicherung, der Simulation von Werkstoffverhalten, endformnahen Fertigungsverfahren sowie Füge- und Verbindungstechnologien befassen. Das Erschließen neuer Märkte setzt primär voraus, dass potentielle Anwender die Leistungsfähigkeit keramischer Werkstoffe erkennen. Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen dieses Buches der Stand der Technik dargestellt werden und Herstellern wie Anwendern ein Einblick in die weit gefächerten Möglichkeiten, die mit Hilfe keramischer Werkstoffe in der Technik realisiert werden können, geboten werden. Literatur [1] anonym: Chancen in der Technologie von Hochleistungswerkstoffen cfi/ber. DKG 84 (2007) No. 12, D2

29 SPECIALIZED KNOWLEDGE E the KEY to SUCCESS CESS Expand your knowledge on heat processing twice as effective 2m magazines + 1 textbook tbook at a special price of 64,90 2 x HEAT PROCESSING International nal magazine for industrial furnaces, heat treatment plants and equipment + 1x Pocket Manual of Heat Processing Fundamentals Calculations Processes ISSN X VULKAN-VERLAG ESSEN 1 HEAT PROCESSING INTERNATIONAL MAGAZINE FOR INDUSTRIAL FURNACES HEAT TREATMENT PLANTS EQUIPMENT This compact-format book, with its plethora of information, is an indispensable reference for everyone involved in thermal processing technology and industrialfurnace engineering and operation. Interest in heat engineering has increased during times in which industrial-furnace technology is booming but costs for gaseous fuels and electrical energy are rising. Readers are provided with a detailed overview of principles, calculations, terms and processes in industrial heat engineering, and thus with important aids for daily work. 1. Edition 2008, 608 pages, paperback Global l Player Feel free to order your free review copy! Vulkan-Verlag GmbH Service for Readers Telefon: +49 (0) 931 / Telefax: +49 (0) 931 / leserservice@vulkan-verlag.de Internet:

30 1. Struktur und Gefüge keramischer Werkstoffe 7 1. Struktur und Gefüge keramischer Werkstoffe