Werkstoffe

Cordierit

Bei Cordierit handelt es sich um Magnesiumaluminiumsilikat, welches durch die Sinterung von Magnesiumsilikat oder Talkum mit Zusätzen von Ton, Kaolin, Korund und Mullit entsteht. Es gibt poröses und dichtes Cordierit. Durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten weist Cordierit eine äußert gute Temperaturwechselbeständigkeit auf, wobei diese bei der porösen Variante besonders gut ist. Anwendung findet es somit häufig in der Elektrowärmetechnik.

Eigenschaften Cordierit:

mittl. Längenausdehnungskoeffizient: 2-4 10^-6K^-1 (dichtes Cordierit) (30-600°C)
Durchschlagfestigkeit: 10 kVmm^-1
Biegefestigkeit: 120 MPa

Steatit

Basierend auf natürlichen Rohstoffen besteht Steatit hauptsächlich aus Speckstein (Magnesiumsilikat). Es weist eine hohe Temperaturbeständigkeit und Durchschlagfestigkeit auf, wodurch es für die Anwendung in der Elektrotechnik, etwa als Isolierstoff, geeignet ist. Die gute Verarbeitbarkeit und geringe Schwindung in Kombination mit einer guten mechanischen Festigkeit runden diesen Werkstoff ab.

Eigenschaften Steatit:

mittl. Längenausdehnungskoeffizient: 7-9 10^-6K^-1
(30-600°C)
Durchschlagfestigkeit: 15 kVmm^-1
Biegefestigkeit: 140 MPa
max. Anwendungstemp.: 1200°C

Siliziumnitrid – Si₃N₄

Siliziumnitrid zeichnet sich durch eine hohe Zähigkeit und hervorragende Temperaturwechsel- sowie Verschleißbeständigkeit aus. Die Wärmedehnung ist gering und auch bei höheren Temperaturen bleibt seine Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit erhalten.

Eigenschaften Si₃N₄:

Bruchzähigkeit: 7 MPa*m^1/2
Druckfestigkeit: 2500 MPa
4-Pkt.-Biegefestigkeit: 750 MPa
Elastizitätsmodul: 300 GPa
Härte HV10: 15 GPa
max. Anwendungstemp.: 1100°C

Aluminiumnitrid (AlN)

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid ist im Vergleich zu den meisten anderen keramischen Werkstoffen deutlich höher. In Kombination mit der guten Isolationsfähigkeit findet es sich häufig in der Elektroindustrie wieder. Eine geringe Wärmedehnung und gute Festigkeit vervollständigen das Eigenschaftsprofil.

Eigenschaften AlN:

Wärmeleitfähigkeit: > 200 W/mK (vgl. Si₃N₄: 15-40 W/mK)
elektr. Isolation: > 1,10¹²Ωcm
Druckfestigkeit: 2100 MPa
Biegefestigkeit: 310 MPa
Dichte: 3,2 g/cm³
max. Anwendungstemp.: 1000°C

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Aluminiumoxid mit seinen verschiedenen Reinheitsgraden ist der meist eingesetzte keramische Werkstoff. Es weist eine hohe Härte und Festigkeit auf und hat gute thermische sowie chemische Eigenschaften. Des Weiteren ist seine sehr gute elektrische Isolation für die Industrie von Bedeutung. Wir verarbeiten Aluminiumoxidpulver mit Al₂O₃-Gehalten von 96 % bis 99,99 %. Standardmäßig wird Al₂O₃-Keramik elfenbeinfarben angeboten. Durch Zusätze, welche der Eigenschaftsoptimierung dienen, können auch farbige Varianten geliefert werden.

Eigenschaften Aluminiumoxid (99,7%):

elektrische Isolation: 1×10¹⁴ – 1×10¹⁵ Ωcm
Härte HV10: 18 GPa
Druckfestigkeit: 2500 MPa
4-Pkt.-Biegefestigkeit: 300 MPa
Elastizitätsmodul: 320 GPa
Dichte: 3,90 g/cm³
max. Anwendungstemp.: 1700°C

Zirkonoxidverstärkte Aluminiumoxidkeramik (ZTA)

Durch Zugabe von Zirkoniumoxid zu dem Aluminiumoxid kann man die Eigenschaften von reinem Aluminiumoxid verbessern. So kann die Bruchzähigkeit und Festigkeit deutlich gesteigert werden. Es gibt verschiedene Varianten mit Zirkonoxidgehalten von 5 % – 20 %.

Eigenschaften ZTA:

Bruchzähigkeit: 7 MPa*m^1/2 (vgkl. Al₂O₃: 4,3 MPa*m^1/2)
Druckfestigkeit: 2600 MPa
4-Pkt.-Biegefestigkeit: 440 – 800 MPa
Härte HV10: 17 GPa

Zirkonoxidkeramik (ZrO₂)

Eine weitere häufig eingesetzte Oxidkeramik ist Zirkoniumoxid. Das Besondere an ZrO₂ ist seine Polymorphie, d.h. es tritt in drei Kristallmodifikationen auf. Beim Abkühlen bildet sich zunächst die kubische Phase, welche mit weiterer Abkühlung in die tetragonale Phase umwandelt. Als letztes bildet sich die monokline Phase, welche dann bei Raumtemperatur vorliegt. Bei dieser letzten Umwandlung kommt es zu einer Volumenzunahme, welche Spannungen und somit Risse im Bauteil verursacht. Um dies zu verhindern, wird ZrO₂ mit verschiedenen Oxiden stabilisiert. Am häufigsten wird Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) verwendet, aber auch Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (CeO₂) kommen zum Einsatz. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Stabilisierung: zum einen kann die kubische Phase vollstabilisiert werden, dann spricht man von sog. FSZ-Keramiken (Fully Stabilized Zirconia). Zum anderen gibt es die teilstabilisierten ZrO₂-Keramiken (PSZ, Partly Stabilized Zirconia), bei denen neben der kubischen Phase auch die tetragonale Phase vorliegt. Dadurch können z. B. die mechanischen Eigenschaften der Keramik verbessert werden. Eine weitere deutliche Verbesserung dieser Eigenschaften kann erzielt werden, wenn die tetragonale Phase vollständig stabilisiert wird, dann handelt es sich um TZP-Keramiken (Tetragonal Zirconia Polycrystals). Technische Anwendung finden hauptsächlich die letzten beiden Varianten aufgrund ihrer guten Eigenschaften.

erhöhte Zugabemenge an

Y₂O₃, MgO, CaO	vollstabilisierte kubische Phase	FSZ
Y₂O₃, MgO, CaO, CeO₂	kubische und tetragonale Phase stabilisiert	PSZ
2-3 mol% Y₂O₃	vollstabilisierte tetragonale Phase	TZP

Zirkoniumoxid weist eine gute Verschleißbeständigkeit und eine hohe Bruchzähigkeit auf, welche vergleichbar mit Hartmetall ist. Im Vergleich zu anderen ingenieurkeramischen Werkstoffen hat ZrO₂ die niedrigste Wärmeleitfähigkeit und höchste Festigkeit und bietet sehr gute tribologische Eigenschaften. Des Weiteren besitzt es die Fähigkeit, Sauerstoffionen zu leiten, was z.B. bei der Messung von Sauerstoff. Partialdrücken in Lambdasonden Anwendung findet.

Verarbeitet wird hier im Haus Yttrium- sowie Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ), welches in verschiedenen Farben geliefert werden kann.

Eigenschaften Zirkoniumoxid:

	Y-ZrO₂	MgO-ZrO₂
Risszähigkeit	7 MPa*m^1/2	6 MPa*m^1/2
Druckfestigkeit	2200 MPa	1600 MPa
Härte HV10	13 GPa	12 GPa
Wärmeleitfähigkeit	2,5 – 3 W/mK	2 W/mK
4-Pkt.-Biegefestigkeit	1100 MPa	500 MPa
Dichte	6,03 g/cm³	5,7 g/cm³

ATZ – Aluminiumoxid verstärktes Zirkoniumoxid

Das Pendant zu ZTA ist Aluminiumverstärktes Zirkoniumoxid. Auch hier werden die Eigenschaften von reinem Zirkoniumoxid durch die Zugabe von Aluminiumoxid positiv beeinflusst.

Eigenschaften:

Härte HV10: 14 GPa
Druckfestigkeit: 2100 MPa
4-Pkt.-Biegefestigkeit: 820 MPa
Elastizitätsmodul: 220 GPa
max. Anwendungstemp.: 1200°C

Kundenwunsch

Geht es um spezielle Anwendungen oder haben Sie bestimmte Vorgaben, zögern Sie nicht uns anzusprechen! Gerne beraten und unterstützen wir Sie bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffes.

Unsere Möglichkeiten:

Anwendungsorientierte Werkstoffauswahl
Prozessoptimierte Gefügeeinstellung
Verarbeitung kundenspezifischer Keramikpulver