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Keramikwerkstoffe im Maschinenbau: Pumpen - Rohre - Düsen:

Keramik: Schneller Return-on-Investment

Hohes Verschleißschutz-Potential / Sprödbruchgefahr konstruktiv beherrschbar

von Dipl.-Ing. Martin Hartmann

 

Bauteile aus keramischem Material sind teurer als die entsprechenden Ausführungen aus Stahl oder einer anderen metallischen Legierung. Doch gilt dies allein für die Investitionskosten: Aufgrund des hohen Verschleißschutz-Potentials und der dadurch längeren Standzeit des Keramik-Bauteils sinken nämlich die Stillstands- und Rüstzeiten meist deutlich. Die Life-cycle-Kosten einer Keramik sind deshalb erheblich günstiger als für andere Werkstoffe. In der Praxis spricht somit auch der Return-on-Investment immer häufiger für den Keramik-Einsatz.

 

Vor noch nicht allzu langer Zeit wurde Keramik in der Öffentlichkeit als Universal-Werkstoff zur Lösung beliebiger Aufgaben vorgestellt; Enttäuschung war die Folge. Die überzogene Erwartungshaltung wurde mittlerweile durch eine realistische Einschätzung ersetzt: Heute besinnt man sich auf die Stärken der Keramik und will nicht mehr unbedingt jedes anstehende Materialproblem lösen.

 

Keramik: Erfolgreich als Funktions-Werkstoff

Und siehe da, es funktioniert – Keramikwerkstoffe sind zum Problemlöser geworden und haben im Anlagen- und Maschinenbau bei vielen Anwendungen bereits heute einen guten Namen: Gleit-, Dicht- und Lagerelemente sowie Düsen sind ohne Keramik kaum mehr denkbar, ist doch dieser Werkstoff bei abrasiver und/oder korrosiver Beanspruchung das Material der Wahl. Auch im Pumpen- und Armaturenbau und zur Auskleidung von Rohren empfiehlt sich die Keramik wegen ihrer herausragenden Härte, Verschleißfestigkeit, Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie spezieller funktionaler Eigenschaften. Häufig kommen in diesen Fällen Verbund-Konstruktionen zum Einsatz. Als generelle Konstruktionsziele sind dann zu beachten:

  • Die vorteilhaften Eigenschaften der Werkstoffe nutzen, ohne daß die nachteiligen Eigenschaften versagenskritisch werden.

  • Krafteinleitung und Fügetechnik müssen den Werkstoffeigenschaften entsprechen.

  • Materialkombinationen mit Funktionstrennung verwirklichen, so daß die Nachteile des einen Werkstoffes durch den anderen kompensiert werden.

 

Pumpen

Der Einsatzbereich von Keramik in Pumpen deckt ein weites Feld ab. Beim Pumpenbau wird Keramik vor allem zur Lagerung und Abdichtung von Wellen in Kreiselpumpen eingesetzt. Auch Laufräder sind oft aus Keramik gefertigt, insbesondere dort, wo die Pumpen zur Förderung von feststoffbehafteten Medien eingesetzt werden und/oder eine möglichst hoher Standzeit erreichen sollen. Sind die Schleißwände (insbesondere in den Rückstauzonen) am Ein- und Ausgang des Gehäuses verstärktem Verschleiß ausgesetzt, werden sie durch konzentrische Keramik-Einschubteile verstärkt. Auch für Medien, die keinesfalls belastet werden dürfen (Pharmazie, Lebensmitteltechnik), sind Bauteile aus Keramik erste Wahl.

Insbesondere Siliciumcarbid hat wegen seiner hohen Verschleißfestigkeit, der guten thermischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit in vielen Fällen Metalle ersetzt. Aus Siliciumcarbid werden beispielsweies Spaltringe hergestellt, die als Verschleißschutz im Pumpengehäuse dienen. Einen hohen Bekanntheitsgrad haben mittlerweile die Rotoren für Exzenterschneckenpumpen aus massivem SiC, die beeindruckend kurze Return-on-Investment-Zeiten aufweisen.

 

Auskleidungen von Rohren und Rinnen

Ein breites Anwendungsgebiet hat sich in den letzten Jahren bei der pneumatischen Förderung von Massenschüttgütern ergeben. Speziell in den Rohrbögen – wo der Verschleiß, bedingt durch die hohen Prallwinkel, sehr hoch ist – sind Rohrsegmente aus Aluminiumoxid die wirtschaftlichste Lösung. In der Regel werden die geraden Strecken mit Schmelzbasalt, alle kritischen Stellen wie Bögen, Verengungen, Weichen, usw. mit Al2O3 ausgekleidet. Daraus ergibt sich für das Gesamtsystem eine gleichmäßig hohe Standzeit. Reparatur- und Inspektionskosten werden deutlich reduziert, die Verfügbarkeit der Anlage ist deutlich besser. Die Anwendungen reichen vom Transport von Schüttgütern und Schlacken bis hin zu Schiffsentladestationen von Getreide.

Praxisbeispiel: Die Standzeit einer mit Keramik ausgekleideten Förderrinne zum Transport von Hüttenkoks erreicht über sechs Jahre, das entspricht einem Durchsatz von 250.000 bis 350.000 t. Stahlauskleidungen müssen bereits nach sechs Monaten ausgetauscht werden. Ursachen hierfür sind die hohe Abrasivität des transportierten Mediums, verbunden mit starker Korrosion (Arbeitstemperaturen über 100°C, schweflige Dämpfe). Dagegen liegen die Kosten für die Keramikrinne nur um den Faktor 1,5 bis 2 höher als für die reine Stahlrinne.

 

Düsen

Wegen des hohen Widerstandes gegen abrasiven Verschleiß werden auch zur Herstellung von Düsen keramische Werkstoffe verwendet. Anwendungsbeispiele sind das Verdüsen von Kalkmilch bzw. Kalkmehl in Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) und der Einsatz bei Luft/Feststoff- und Flüssigkeits/Feststoff-Gemischen (Sandstrahlen). Eine interessante Entwicklung sind Wasserstrahldüsen zum Trennen harter und zäher Werkstoffe. Bei einem Durchmesser bis 0,8 mm werden Hartstoff/Wasser-Suspensionen mit einem Druck bis zu 4000 bar durch die Düsen gepreßt. Die wichtigsten Keramikwerkstoffe für den Einsatz als Düsen sind modifizierte Aluminiumoxide, Siliciumcarbid und Borcarbid.

Praxisbeispiel: In REA-Anlagen wird Kalkmilch transportiert und verdüst: Sicherheit, hohe Stabilität sowie hohe Standzeiten sind gefordert – wegen des entsprechenden Revisionszyklus sind fünf Jahre Standzeit erwünscht. Bewährt haben sich dabei Düsen aus einer Verbundkonstruktion mit Keramik-Inlet. Eine solche Konstruktion mit Funktionentrennung bietet eine Reihe von Vorteilen: Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, kostengünstigere Bauteile, leichter Austausch von einzelnen Funktionsteilen (Segmenten), mindestens eine 10fache Standzeit.

 

Gleit- und Dichtelemente

Bei der Herstellung von Gleitringen und Gleitringdichtungen finden keramische Werkstoffe, z.B. Aluminiumoxid und Siliciumcarbid, vielseitige Verwendung. Im Normalfall besteht der Rotor aus Keramik. Für den Stator kommen Phenolharze, Hartkohle und Kohlewerkstoffe mit eingelagerten Metallen zum Einsatz. Dieses Zusammenspiel zwischen den grundlegend verschiedenen Werkstoffen garantiert eine ständige Anpassung des weicheren Materials im Dichtspalt, wobei die Gleiteigenschaften genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Bei stark korrosiven Fördermedien ist es notwendig, daß beide Gleitelemente aus keramischen Werkstoffen bestehen. Bei Gleitringdichtungen zeigt silicium-infiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) wegen seiner guten Gleit- und Trockenlaufeigenschaften die höchsten Standzeiten.

 

Kugel-, Gleit- und Wälzlager

Wachsende Bedeutung gewinnen keramische Werkstoffe als Lagerwerkstoff. Hier erschließt der Einsatz von Keramik neue Anwendungsgebiete, speziell im Hochleistungsbereich: Formel-1-Rennwagen laufen ebenso mit Keramik-Wälzlagern wie die Treibstoffpumpen der US-Raumfähre Space-shuttle. Die Vorteile der Keramik sind hier ihre niedrige Dichte, die geringe Wärmeausdehnung, hohe Härte und Warmfestigkeit, ihre gute Maßstabilität auch bei extrem hohen Temperaturen, die sehr gute chemische Beständigkeit und der höhere Elastizitätsmodul. Dadurch lassen sich Lager mit niedrigerem Gewicht, höherer Steifigkeit, niedrigeren Fliehkräften und guten Not- und Trockenlaufeigenschaften herstellen.

 

Systemanalyse: Methode der Wahl

Keramische Bauteile, die z.B. als Auskleidungsmaterial im Verschleißschutz verwendet werden, müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen (hohe Härte; hohe Festigkeit, eventuell auch bei hohen Temperaturen; ausreichende Bruchfähigkeit; hohe Verschleißfestigkeit; ausreichende Temperatur-Wechselbeständigkeit).

Außerdem sind von Bedeutung:
  • Kenntnis der Verschleißarten und der auftretenden Verschleißmechanismen
  • keramikgerechte Konstruktion unter Berücksichtigung des Belastungskollektivs
  • Einhaltung der erforderlichen Toleranzen.
Bei der Diskussion über Verschleißprobleme ist auch immer zu berücksichtigen, daß Verschleiß keine reine Werkstoffeigenschaft ist, sondern eine Systemeigenschaft darstellt. 'Systemanalytisches Vorgehen' bedeutet: Nicht mehr das einzelne Bauteil steht im Mittelpunkt, sondern die Gesamt-Funktion der Maschine oder Anlage. Die Lösung eines Verschleißproblems erfordert deshalb stets die gesamtheitliche Betrachtung des tribologischen Systems. Voraussetzungen hierfür sind:
  • Kenntnis der anwendungsrelevanten Eigenschaften des Verschleißschutz-Werkstoffs
  • Beurteilung der vorliegenden Belastung: Mechanisch, thermisch, chemisch
  • Einfluß der Eigenschaften des Prozeßgutes auf den Verschleiß
  • Know-how in Konstruktion, Fertigung der Bauteile und Montage.

 

Keramiken optimal integrieren

Der Ruf der Keramik, schon bei kleinsten Rissen zu fatalen Ausfällen zu neigen (Sprödbruch) sowie dessen Thermoschock-Empfindlichkeit lassen den Praktiker noch immer häufig Abstand nehmen. Dabei gilt doch, wie meist in der Technik, auch für Keramiken: Gefahr erkannt, Gefahr gebannt. Für Keramiken heißt das konkret: Das Berücksichtigen des Sprödbruchverhaltens bei der Konstruktion ist für die Anwendung von Keramiken der entscheidende Parameter.

Darüber hinaus fällt der Verbindungs- und Fügetechnik bei der Integration einer keramischen Komponente in ein technisches System eine entscheidende Rolle zu. Es muß gelingen, das keramische Bauteil für alle Betriebssituationen zuverlässig in das Gesamtsystem zu integrieren. Maßgeblich für die Wahl der Fügetechnik sind neben der Art der Partnerwerkstoffe insbesondere das Anforderungs-Profil an die Verbindung.
In praktisch allen Fällen steht des Verhalten der Funktionseinheit im Vordergrund. Die eigentliche Aufgabe der Konstruktion besteht darin, die plastischen, elastischen, thermischen und geometrischen Dehnungsunterschiede zwischen der Keramikkomponente und dem Fügepartner beanspruchungsgerecht aufeinander abzustimmen.
Bei Keramik/Metall-Verbindungen ist im allgemeinen der Ausdehnungskoeffizient des Metalls deutlich höher als bei der Keramik. Mit steigender Temperaturdifferenz zwischen der Füge- und der Anwendungstemperatur wachsen im Bereich der Fügestelle aufgrund von Verformungsbehinderungen die Spannungen. Dies gilt für alle Verbindungstechniken gleichermaßen. Können diese Spannungen nicht durch formelastische Vorformungen oder durch formelastische Glieder abgebaut worden, führen diese Spannungen zum frühzeitigen Versagen.
Da die keramischen Werkstoffe kein plastisches Verformungsvermögen zum Abbau von Spannungsspitzen besitzen, muß diese Aufgabe von anderer Stelle übernommen worden. Durch die gezielte Wahl der Fügepartner, eine Optimierung der Geometrie der Fügeverbindung und geeignete Hilfswerkstoffe muß versucht werden, vor allem die Zugspannungen in der Keramik möglichst klein zu halten bzw. abzubauen. Hierbei sind die in Frage kommenden Betriebsbedingungen besonders zu berücksichtigen.
Bei der Integration Keramik/Metall wird zwischen mechanischen Fügeverfahren, die zu Form- oder Kraftschluß führen, und stoffschlüssigen Fügeverfahren unterschieden. Unter die 'mechanischen Fügeverfahren' fallen das Einschrumpfen, Eingießen, Klemmen, Stecken und das Schrauben; unter die 'stoffschlüssigen Fügeverfahren' fallen das Löten, Schweißen, Kleben und das Kitten.
So steht für praktisch jeden Einsatzfall ein geeignetes Fügeverfahren bereit.

 

Fazit:

Ein Pumpen-Rotor aus Keramik, der sich in 73 Betriebstunden amortisiert; Rinnen und Düsen, die – bei nur etwa doppelten Investitionskosten – mit einer 10fachen Standzeit glänzen: Aufgrund des hohen Verschleißschutz-Potentials und der dadurch längeren Standzeit von Keramik-Bauteilen sinken die Stillstands- und Rüstzeiten meist deutlich. Der Return-on-Investment spricht in der Tat immer häufiger für den Keramik-Einsatz.
Veröffentlicht in Maschinenmarkt 47/1999 am 22.11.99
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02. September 2005

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