Einteilung keramischer Werkstoffe Keramische Werkstoffe Einteilung keramischer Werkstoffe Auf natürlichen Rohstoffen basierend Steingut Steinzeug Porzellan Auf synthetischen Rohstoffen basierend Aluminiumoxid Al2O3 Zirkondioxid ZrO2 Siliziumcarbid SiC Siliziuminfiltriertes SiC SiSiC Siliziumnitrid Si3N4 Keramik 1

Silicatkeramik - Säurefestes Steinzeug Säurefestes Steinzeug wird aus dem natürlichen Rohstoff Ton (z.B. aus dem Westerwald) hergestellt. Komplexe Geometrien werden in der Regel durch Gießen in Gipsformen hergestellt. Anschließend erfolgt das Trocknen und Brennen bei etwa 1250°C. Der Werkstoff ist dicht und hat eine hervorragende chemische Beständigkeit bei gleichzeitig guter Abrasionsbeständigkeit. Je nach keramischem Rohstoff und Pumpengeometrie liegt die Temperaturwechselbeständigkeit zwischen 80°C und 180°C (Frikotherm B). Das keramische Gehäuse sollte durch einen metallischen Panzer gegen äußere Einwirkung geschützt werden. 2 Keramik

Silicatkeramik - Säurefestes Steinzeug Anwendungsbeispiele: Aufgrund der guten chemischen Beständigkeit stellt z.B. FRIKORUND eine kostengünstige Alternative zu Titan für das Pumpengehäuse im Bereich Flüssigkeitsringpumpe dar. Bei der TiO2-Herstellung (HCl, Feststoffpartikel) in großem Umfang erfolgreich eingesetzt. Keramik 3

Aluminiumoxid Al2O3 Al2O3 mit sehr hoher Reinheit Quelle: FRIATEC AG, Mannheim Al2O3 ist der wichtigste oxidkeramische Werkstoff mit einer großen Bandbreite hinsichtlich der Reinheit (95%-99,9% Al2O3). Eine gute Werkstoffqualität zeichnet sich durch einen geringen SiO2-Gehalt aus und den damit verbundenen sauberen Korn- grenzen. Keramik 4

Reinheit des Werkstoffs entscheidend für die Beständigkeit! SiO2- Gehalt (99,7 % Al2O3) 0,01 % 0,06% 3 Tage in siedender 1,8 n H2SO4 Methylenblaulösung Querschnitt Reinheit des Werkstoffs entscheidend für die Beständigkeit! 5

Aluminiumoxid Al2O3 Al2O3 entsteht durch einen aufwendigen chemischen Prozeß aus dem Rohstoff Bauxit. Al2O3 wird bei 1850°C unter normaler Atmosphäre gesintert. gute Verschleißbeständigkeit gute Temperaturleitfähigkeit (30W/mK) gute chemische Beständigkeit gutes Preis-Leistungsverhältnis Anwendung: Dichtscheiben, Wellenhülsen, Kolben, komplette Pumpenbauteile 6 Keramik

Kolben für Kolbenpumpen Die Härte von hochreinem Al2O3 (FRIALIT F99.7) liegt etwa um den Faktor 2 über dem von gehärtetem Stahl (F99.7  2500 Vickers (HV10)). Oberflächengüten von Ra <0.4µm gewährleiten geringe Reinungswerte. Kolben FRIALIT F99.7 der Abmessung L=610mm und D=120mm im Bereich der Erdölförderung Keramik 7

Herstellung komplexer Geometrien Durch ein spezielles Herstellungsverfahren ist es möglich hoch komplexe Bauteile wie Pumpenlaufräder aus Al2O3 und ZrO2 herzustellen 8

Geometrische Schwindung Herstellung komplexer Geometrien Isostatisches Pressen von Granulat Geometrische Schwindung Isostatikpressform Gepresst bei 1500bar „grün“ Bearbeitet Gesintert 20 mm 9

Siliziumcarbid SiC SiC-Bauteile können auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt werden. Man unterscheidet: • Silikatisch gebundenes SiC • Rekristallisiertes SiC (RSIC) • Nitridgebundes SiC (NSiC) • Siliziuminfiltriertes SIC (SiSiC) • drucklos gesintertes SiC (SSIC) • Heiß (isostatisch) gepreßtes SiC (HIPSiC, HPSiC) * Gefügeaufnahme von SSiC Im Bereich der Dichtungstechnik wird in der Regel das drucklos bei etwa 2100°C unter Schutzgas gesinterte SSIC verwendet. Eigenschaften SSiC: hervorragende chemische Beständigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit (TWB). Keramik 10

Wärmeleitfähigkeit in W.m-1K-1 Der Werkstoff SiC im Vergleich Wärmeausdehnung Wärmeleitfähigkeit 80 24 16 12 8,5 4 3,2 20 40 60 100 Si3N4 SSiC Al2O3 Stahl CrNi Stahl Al PVC 35 Si3N4 110 SSiC 28 Al2O3 25 13% Cr - Stahl 16 18% Cr + 9% Ni - Stahl 228 Al 10 Kohle 0,2 PVC 50 100 150 200 250 Wärmeausdehnungskoeffizient *10-6K-1 (20-100°C) Wärmeleitfähigkeit in W.m-1K-1 Keramik 11

Der Werkstoff SiC im Vergleich Chemische Substanz Temperatur [°C] SSiC SiSiC (12% SI) Al2O3 (99,7%) Si3N4 WC (6% Co) 98% H2SO4 100 ++ -- + -- -- 50% NaOH 100 ++ -- + -- + 53% HF 100 ++ -- + -- + 85% H3PO4 100 ++ -- + -- -- 70% HNO3 100 ++ ++ ++ ++ -- 45% KOH 100 ++ -- + + + 25% HCI 100 ++ ++ ++ + -- 10% HF + 25 ++ -- + -- -- 57% HNO3 Keramik 12

Zirkoniumdioxid ZrO2 13 0,2 µm teilstabilisiertes ZrO2 Quelle: FRIATEC AG, Mannheim ZrO2 kommt in drei verschiedenen Modifikationen (Kristallstrukturen) vor. Monoklin, Tetragonal, Kubisch. Die monokline Phase ist im Maschinenbau unbrauchbar. Dichtgesinterte, rißfreie Bauteile lassen sich nur durch Dotierung mit anderen Oxiden wie MgO, CaO oder Y2O3, den sogenannten Stabilisatoren, herstellen.

Zirkoniumdioxid ZrO2 Man unterscheidet in 3 Arten der Stabilisierung: vollstabilisiertes ZrO2 (FSZ), teilstabilisiertes ZrO2 (PSZ) und tetragonales ZrO2 (TZP). Das teilstabilisiertes ZrO2 (PSZ) ist im Maschinenbau am weitesten verbreitet. Es hat eine sehr hohe Festigkeiten und eine gute chemische Beständigkeit. Der E-Modul liegt bei 200 GPa, somit vergleichbare Elastizität wie Stahl. Die Biegebruchfestigkeit liegt bei 500MPa. Der Wämeausdehnungskoeffizient liegt mit etwa 10-12 x 10-6K-1 bei dem von GG-25 und Stahl. Gute Temperaturwechselbeständigkeit. Anwendungen: z.B. Dosiereinrichtungen für Abrasive Medien, Spalttöpfe Keramik 14

Mikrorißhemmung bei ZrO2 Durch die Stabilisierung z.B. durch MgO erhält ZrO2 ein so genanntes pseudoelastisches Verhalten. Mikrorisse werden durch eine Volumenexpansion, die bei der Umwandlung von tetragonaler Phase in monokline Phase stattfindet, im Wachstum gebremst. Keramik 15

Spalttöpfe Zirkoniumdioxid ZrO2 Spalttöpfe aus FRIALIT FZM - Quelle: FRIATEC AG, Mannheim 16 Keramik

Anschnitt nur für Demonstrationszwecke Anwendung im Maschinenbau Magnetgekuppelte Chemiepumpe mit einem Spalttopf aus MgO-teilstabilisiertem ZrO2 keine Erwärmung des Mediums durch Wirbelströme besserer Wirkungsgrad Standarddrucktest bei 25 bar Maximum bis 100 bar Wanddicke kann je nach Druck auf bis zu 1,8mm reduziert werden. Anschnitt nur für Demonstrationszwecke 17 Keramik

Spalttöpfe Zirkoniumdioxid ZrO2 Eigenschaften des keramischen Spalttopfes: keine Wirbelstromverluste kein Aufheizen des Mediums durch wirbelstrominduziertes Aufheizen des Spalttopfes Wandstärken bis 1,5mm realisierbar Prüfdruck bei Raumtemperatur bis 90bar Mittlerweile sind mehr als 1500 Keramikspalttöpfe für die unterschiedlichsten Fördermedien im Einsatz, wie z.B. Thermalöl bis 350°C, Schweröl bis 160°C, Etylenoxid etc. Pumpe Keramik 19