Härte Zeigen

 

 

 

Einsatz technischer Keramik in der Chemietechnik:

Härte Zeigen

von Dipl.-Ing. Martin Hartmann

 

Keramische Werkstoffe sind hart im Nehmen. Sie sind verschleißfest, mechanisch und thermisch stabil und zudem außerordentlich beständig gegenüber fast allen Säuren und Laugen. Mit diesen Eigenschaften sind sie vielen Werkstoffen überlegen und daher besonders für Anwendungen in der Chemie die Wahl Nr. 1.

 

Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland rund 46.000 Tonnen technische Keramik hergestellt, das waren acht Prozent mehr als im Jahr zuvor. Dabei lag der Umsatz bei 800 Millionen Mark - mit steigender Tendenz. Obwohl Metalle und Kunststoffe seit langem in der Werkstoffszene etabliert sind, entwickelt sich die technische Keramik zunehmend zur leistungsstarken Alternative. Insbesondere Aluminiumoxid gehört mittlerweile zu den weit verbreiteten Werkstoffen. Dies ist einleuchtend, glänzt Aluminiumoxid doch durch seinen angemessenen Kilopreis, der auf vergleichsweise niedrige Rohstoffkosten und auf die relativ "einfache" Fertigungstechnologie zurückzuführen ist. Daher wird Aluminiumoxid-Keramik vor allem bei großen Flächen, wie die Auskleidung von Rutschen, Mühlen und Trichtern eingesetzt. Zirkonoxid, das eine außergewöhnlich hohe Festigkeit besitzt, hat einen Anteil von sieben Prozent bei den Keramikwerkstoffen. Siliciumcarbid, das schon lange Zeit als Brennhilfsmitttel in der Feuerfestindustrie und der Feinkeramischen Industrie verwendet wird, kommt als Konstruktionswerkstoff mit gutem Erfolg zu Einsatz. Dieser Werkstoff besitzt ausgezeichnete Gleit- und Verschleißeigenschaften. Daher ist Siliciumcarbid geradezu prädestiniert für Lager in Gleitringdichtungen von Pumpen und Rührwerken.

 

Obwohl die Technische Keramik seit langem in der Industrie eingesetzt wird und sich dort Standardanwendungen erobert hat, ist der Umgang mit ihr keineswegs selbstverständlich. Dies macht sich vor allem bei den konstruktiven Details bemerkbar: Zu oft wird aus mangelnder Routine ignoriert, daß das Konstruieren mit Keramik anderen, eigenen Regeln folgt. Ein Standardfehler: Man kann – im Gegensatz zu einem Wechsel von einem Metall zu einem anderen – beim Wechsel zur Keramik nicht einfach die ursprüngliche Zeichnung 1:1 in ein Bauteil übertragen. Vielmehr muß der Konstrukteur die technischen Elemente mehr oder weniger neu entwerfen und dabei die keramikgerechten Konstruktionsrichtlinien beachten (s.a. Text im Kasten). Eine weitere Besonderheit der Keramik ist, daß sie ihre Grundform ('Grünkörper' genannt) bereits vor dem eigentlich werkstoffbildenden thermischen Prozeß erhält. Das Problem: Beim Brennen des geformten Bauteils setzt noch ein Schwindungsprozeß ein, bis der eigentliche keramische Werkstoff vor liegt. Nicht nur das Schwundmaß muß bei der Auslegung bereits eingerechnet werden, diese Eigenart beeinflußt in entscheidendem Maße auch die Konstruktion keramischer Bauteile!

 

Im Pumpenbau bewährt

Im Pumpenbau stellt Keramik schon seit längerem seine positiven Eigenschaften unter Beweis. So schützt Keramik im Gehäuse von Kreiselpumpen vor Verschleiß, gleichzeitig wird der Werkstoff zur Lagerung und Abdichtung von Wellen eingesetzt. Speziell Siliciumcarbid war wegen seiner hohen Verschleißfestigkeit, der guten thermischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit in vielen Fällen gegenüber Metall die bessere Alternative. Hervorzuheben ist der Einsatz in Gleitringdichtungen. Eine der wichtigsten Anforderungen an eine Gleitringdichtung ist die geringe Leckage. Dieses Kriterium erreicht man über einen definierten Dichtspalt. Wegen der geringen Reibung und der hohen thermischen Leitfähigkeit der Keramik begrenzt man so von vornherein die Wärmeentwicklung im Dichtspalt. Durch die geringe thermische Dehnung und dem hohen Elastizitätsmodul entstehen nur geringe Verformungen. Der Dichtspalt verändert sich somit auch bei hohen Temperaturen kaum. Gegen eventuell vorhandene Feststoffpartikel im Schmiermedium sind keramische Werkstoffe ebenfalls immun: Da Siliciumcarbid sehr hart ist, können solche abrasive Verunreinigungen keine Schäden verursachen. Das gleiche gilt für den Betrieb in korrosiven Medien, wobei hier das drucklos gesinterte Siliciumcarbid in starken Laugen und Flußsäure den Werkstoffen mit freiem Silicium (SiSiC und SiSiC-C) vorzuziehen ist.
Bei sogenannten Hart-Hart-Paarungen bestehen beide Dichtungen aus Siliciumcarbid. Bei Dichtungen, die zeitweise oder ständig ohne Flüssigschmierung betrieben werden, verringert ein graphithaltiger Ring, der gegen den Gleitring aus Siliciumcarbid läuft, die Reibung.
Bei Mischreibung haben sich als Gegenringmaterialien Siliciumcarbid-Graphit-Verbünde und bei Trockenlauf Kohlegraphit (Hart-Weich-Paarung) bewährt. Aus den gleichen Überlegungen greift man auch in Rührwerken immer häufiger auf Gleitringdichtungen aus Keramik zurück.

Keramische Plunger und Kolben für Hochdruck- und Dosierpumpen, die aggressive Medien fördern, stehen ebenfalls ganz oben auf der Verwendungsliste der technischen Keramik. Hier überzeugen nicht nur die positiven Gleiteigenschaften, sondern auch die Formgenauigkeit und die Oberflächengüte. Beides wirkt positiv auf die Laufruhe und trägt zu einer hohen Funktionssicherheit und einer langen Standfestigkeit (sprich Lebensdauer) bei.

 

Keramik für Exzenterschneckenpumpen

In Hinsicht auf die Lebenszykluskosten (Life-cycle-Kosten) sind für Exzenterschneckenpumpen besonders Rotoren aus massivem SiC interessant. Exzenterschneckenpumpen fördern sowohl sensible als auch abrasive Medien. Bisher wurden die Rotoren aus Stählen - von ST 37 bis Hastelloy - hergestellt, die in einer abrasiven Umgebung entsprechend schnell in Mitleidenschaft gezogen wurden. In diesem Fall half meist nur noch der komplette Austausch von Rotor und Stator. Mit keramischen Werkstoffen läßt sich die Standzeit erheblich verlängern. Keramik besitzt gegenüber Stahl eine deutlich höhere Härte (ca. 2800 HV); Hartmetall weist eine Härte von 2000 HV auf, gehärteter Stahl sogar nur 500 HV. Zugleich ist Keramik leicht, weil ihre Dichte nur 40 Prozent der von Stahl besitzt, und zusätzlich chemisch äußerst beständig ist. Überdies sorgt die relativ glatte Oberfäche (Ra = 2 µm) für einen geringeren Verschleiß des Stators. Obwohl Keramik in etwa doppelt soviel wie Hastelloy kostet, stimmt die Gesamtkalkulation trotzdem, weist ein Rotor aus Keramik doch eine deutlich höhere Standzeit auf. Berücksichtigt man noch die Ausfallzeiten für Reparaturen und Ausbau, wird schnell erkennbar, daß Keramik hier der kostengünstigere Werkstoff ist.

 

Keramik als Verschleißschutz

In Schüttgutanlagen ist Verschleiß an der Tagesordnung. Rinnen und Rutschen, Übergabestellen, Trichter, Zyklone und Rührwerke sowie Mischer sind nur einige Anlagenteile, die im Industriealltag dem erhöhten Verschleiß und der Korrosion ausgesetzt sind. Auch verschlissene Rohrbögen in pneumatischen oder hydraulischen Transportsystemen sind ein bekanntes Bild. Lange Betriebsstillstandszeiten und Reparaturkosten sind die Folge. Seit etwa 10 bis 15 Jahren ist man daher dazu übergegangen, Anlagen in der Schüttguttindustrie zum Verschleißschutz mit keramischen Materialien auszukleiden. Da meist große Flächen davon betroffen sind, kommt fast ausschließlich das kostengünstige Aluminiumoxid zum Einsatz. Für Rohre mit einem Innendurchmesser bis 200 mm werden isostatisch gepreßte Aluminiumoxidrohre eingebaut. Speziell in den Rohrbögen und Vorverengungen mit ihrer hohen erosiven Belastung und den hier auftretenden Verwirbelungen hat sich die Keramik bewährt. Weniger beanspruchte gerade Rohrsegmente werden aus Kostengründen häufig mit Schmelzbasalt belegt. Große Rohrdurchmesser kleidet man mit angeschrägten Platten oder mit Keilsteinen aus. Um die Handhabung zu erleichtern, gingen die Entwickler eine Allianz mit einem ganz anderen Werkstoff ein: Keramikmosaike werden in Gummi galvanisiert, die großflächigen Gummimatten lassen sich nun einfach montieren und schützen vor Verschleiß.

Auch in der Vermahlung schätzt man den extrem niedrigen Abrieb sowohl bei der Nach- als auch bei der Trockenmahlung. Daher werden Keramikliner, -einsätze und -rührwerke nicht nur in rotierenden Kugelmühlen, sondern auch in Vibrations-, Attritor- und Rotationsmühlen verwendet. In der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie werden keramische Auskleidungen und Mahlkugeln ebenfalls bevorzugt, da sie einen minimalen und vor allem einen nichttoxischen Abrieb aufweisen.

 

Keramik und Sensoren

Immer häufiger werden keramische Werkstoffe für Sensoren verwendet. In der chemischen Industrie sind keramische Sauerstoffsensoren, die aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid bestehen, weit verbreitet. Andererseits kann die Temperaturmessung nicht auf einen keramischen Schutz verzichten, sind die Temperaturfühler doch in der Praxis oft rauhen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Ein äußeres Rohr schützt die sensiblen metallischen Fühler gegen Druck, Strömung und Korrosion. Keramische Schutzrohre aus Aluminiumoxid, in Sonderfällen auch aus Siliciumcarbid, werden vor allem bei Messungen im Hochtemperaturbereich eingesetzt – hier versagen metallische Werkstoffe. Wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit schützen die keramischen Werkstoffe zunehmend auch bei in der Messung niedriger Temperaturen.

 

Anwendungen in der Hochtemperaturtechnik

Siliciumkarbidkeramiken zeichnen sich prinzipiell durch sehr hohe mechanische Belastbarkeit aus. Ihr Festigkeitspotential halten sie auch bei sehr hohen Einsatztemperaturen (bis 1700°C) – sie bleiben also formstabil. Dadurch eignen sie sich für viele Konstruktionen im Hochtemperaturbereich. Düsen, aber auch Wärmeaustauscher, die zweifelsohne zu den wichtigen Aggregaten in der chemischen Verfahrenstechnik gehören, sind Beispiele dafür. Gegenüber herkömmlichen Werkstoffen, wie Metall oder Glas, weist ein keramischer Werkstoff noch mehr Vorteile auf. Er widersteht nicht nur höheren Temperaturen, sondern ist zudem korrosionsbeständig.

Bei Wärmetauschern aus dem Werkstoff SiSiC sind über diese Eigenschaften hinaus hohe mechanische Festigkeit und Abrasionsbeständigkeit wichtig. Der große Vorteil: Abgastemperaturen können bis 1400°C voll ausgenutzt werden. Dagegen müssen bei metallischen Wärmeaustauschern die Abgase mit Kaltluft auf ein weniger kritisches Temperaturniveau gebracht werden. Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit lassen sich die Verbrennungsabgase zusätzlich unter den Taupunkt abkühlen. Keramische Wärmeträger eignen sich daher nicht nur für den Hochtemperatureinsatz in Feuerungs- und thermischen Nachverbrennungsanlagen, sondern auch für Anwendungsfälle, bei denen besonders Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit gefordert sind.

Bei vielen weiteren Anwendungen im Hochtemperaturbereich eignen sich keramische Werkstoffe. Man greift daher für Ventilsitze, Filter oder Ventilatoren auf Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid zurück.

 

Ausblick: Weiter hohes Zukunftspotential

Die Beispiele zeigen, daß sich Keramikwerkstoffe für viele Bereiche in der Chemietechnik hervorragend eignen. Das größte Hindernis, das bislang noch viele Anwendungen blockiert, ist die Sprödigkeit. Und auch die Herstellungskosten sind im Vergleich zu Metallen oder Kunststoffen höher. Dennoch: Verschleißfestigkeit, mechanische und thermische Stabilität sowie die Korrosionsbeständigkeit sind Eigenschaften, die besonders in der chemischen Industrie gefragt sind. Infolgedessen werden in Zukunft keramische Werkstoffe sehr viele Probleme lösen, bei denen Metalle oder Kunststoffe die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit erreicht haben. Mehr und mehr werden wir Keramik in Schlüsselpositionen antreffen, die für die Funktion des ganzen technischen Systems bedeutungsvoll sind oder diese sogar erst ermöglichen (Trouble-shooter-Funktion).

 

Informationszentrum Technische Keramik

Das Potential der technischen Keramik ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft: Kontinuierlich werden bekannte Werkstoffe verbessert, neue Werkstoffe entwickelt und damit neue Anwendungen erschlossen. Die Werkstoffe von heute sind nicht mehr mit den Materialien zu vergleichen, die vor 10 oder 20 Jahren auf dem Markt waren. Wissenschaftliche Forschung förderte das werkstoffkundliche Verständnis. Verbesserte und neue Fertigungstechnologien brachten erhebliche Fortschritte. Das wesentliche Ziel aller Aktivitäten des Verbandes der Keramischen Industrie e.V., Informationszentrum Technische Keramik (IZTK), ist es, daß Hersteller, Konstrukteure, Anlagenbauer und Anwender enger zusammenarbeiten. Nur durch multidisziplinäre Forschung und Entwicklung sowie Einbindung aller Beteiligten in den Abstimmungsprozeß lassen sich die hohen Erwartungen an die technische Keramik erfüllen. Diese Zielsetzung unterstützt das IZTK durch fundierte und umfassende Informationen über die Fähigkeiten und die Einsatzmöglichkeiten technischer Keramik.

 

Graphik 2: Zukunftsträchtige Werkstoffbereiche (nach ADL, 1994).

Veröffentlicht in Process 4/1999
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02. September 2005

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