Härte von Hochleistungskeramiken

Hochleistungskeramiken sind für ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bekannt, wobei die Härte eine ihrer bemerkenswertesten und wertvollsten Eigenschaften ist. Die Härte spielt eine entscheidende Rolle für die Verschleißfestigkeit, die Oberflächenbeständigkeit und die Dimensionsstabilität bei Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Medizin und der Industrie. Dieser Artikel erläutert das Konzept der keramischen Härte, vergleicht sie mit der von Metallen und Kunststoffen und liefert detaillierte Härtewerte für die wichtigsten keramischen Werkstoffe.

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Härte von Keramiken: Eigenschaften, Vergleich und Anwendungen

Was ist Härte?

Die Härte ist die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen örtlich begrenzte plastische Verformungen wie Eindrücke, Kratzer oder Abrieb. Für Keramik wird üblicherweise die Vickers-Härteprüfung (HV) verwendet. Bei dieser Prüfung wird ein pyramidenförmiger Diamanteindringkörper unter einer Standardlast in die Oberfläche des Materials gedrückt. Je kleiner der Eindruck ist, desto härter ist das Material. Aufgrund ihrer starken ionischen/kovalenten Bindung und ihrer dicht gepackten Kristallstrukturen weisen Hochleistungskeramiken Härtegrade auf, die die der meisten Metalle und Polymere weit übertreffen.

Tipps: Hohe Härte ist nicht gleichbedeutend mit hoher Zähigkeit. Siliziumkarbid und Aluminiumoxid sind beispielsweise sehr hart, aber sie sind spröder als Metalle und können leicht brechen.

Warum die Härte bei Hochleistungskeramikanwendungen wichtig ist

  • Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß: Härtere Keramiken sind abriebfest und verringern die Abnutzung der Komponenten.
  • Präzision und Maßhaltigkeit: Ideal für enge Toleranzen bei der Präzisionsbearbeitung.
  • Thermische Barrierebeschichtung: Die Härte verbessert den Widerstand gegen thermische Erosion unter extremen Bedingungen.
  • Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit: Hartkeramik bewahrt die strukturelle Integrität in rauen Umgebungen.

Härte-Daten der wichtigsten Hochleistungskeramiken

Keramisches Material Vickers-Härte (HV) Mohs-Härte Anmerkungen
Siliziumkarbid (SiC) 2,500 - 3,100 9.5 Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit
Tonerde (Al₂O₃) 1,800 - 2,200 9 Erschwinglich und äußerst langlebig
Siliziumnitrid (Si₃N₄) 1,400 - 1,800 8.5 - 9 Strapazierfähig und thermisch stabil
ZTA 1,500 - 1,800 - 9 Kombiniert Härte und Zähigkeit
Zirkoniumdioxid (ZrO₂) 1,200 - 1,400 8 - 8.5 Hohe Zähigkeit, mittlere Härte
Beryllium-Oxid (BeO) 1,200 - 1,400 ~9 Hohe Wärmeleitfähigkeit
Aluminiumnitrid (AlN) 1,100 - 1,300 ~8.5 Thermisch leitfähig
Bearbeitbare Glaskeramik 450 - 600 ~6 Leicht zu bearbeiten
Bornitrid (h-BN) 25 - 40 2 Sehr weiches, schmierendes Verhalten

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Härtevergleichstabelle: Keramiken, Metalle und Kunststoffe

as folgende Balkendiagramm zeigt die Vickershärte (HV) verschiedener technischer Werkstoffe - von superharten Keramiken bis hin zu gewöhnlichen Industriekunststoffen - in der Reihenfolge vom härtesten zum weichsten.

Keramik
Metall
Kunststoff

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Anwendungen auf der Grundlage der keramischen Härte

  • Anwendung: Pumpen, Kompressoren, Rührwerke und rotierende Wellen
  • Verwendete Materialien: Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumdioxid (ZrO₂)
  • Warum: Ihre extreme Härte gewährleistet eine hervorragende Verschleißfestigkeit, geringe Reibung und eine lange Lebensdauer selbst unter korrosiven oder Hochdruckbedingungen.

  • Anwendung: Chemikaliendosierpumpen, Kraftstoffeinspritzsysteme, Steuerung von Hochdruckflüssigkeiten
  • Verwendete Materialien: Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, ZTA, Wolframkarbid
  • Warum: Die hohe Härte widersteht Erosion und mechanischer Ermüdung und sorgt über Millionen von Zyklen hinweg für eine dichte Abdichtung und präzise Durchflussraten.

  • Anwendung: CNC-Werkzeugmaschinen, Wafer-Bearbeitungsmaschinen, Gleitmechanismen
  • Verwendete Materialien: Siliziumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid
  • Warum: Die hohe Härte bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Oberflächenverschleiß und Riefenbildung bei hohen Geschwindigkeiten oder oszillierenden Bewegungen.

  • Anwendung: Strahlen, Schlammpumpen, Kraftstoffzerstäubung
  • Verwendete Materialien: Siliziumkarbid, Borkarbid
  • Warum: Die außergewöhnliche Härte minimiert die Erosion, insbesondere in Umgebungen mit abrasiven Medien wie Sand, Tonerdepulver oder Schlämmen.

  • Anwendung: Textilmaschinen, Lebensmittelverarbeitung, Papierindustrie
  • Verwendete Materialien: Tonerde, ZTA, Zirkoniumdioxid
  • Warum: Die hohe Härte minimiert den Oberflächenverschleiß bei gleichzeitig geringer Reibung.

  • Anwendung: Kreisel für die Luft- und Raumfahrt, Hochgeschwindigkeitsspindeln, zahnmedizinische Handstücke
  • Verwendetes Material: Siliziumnitrid (Si₃N₄)
  • Warum: Leicht und dennoch extrem hart, reduziert Ermüdung und Reibungsverschleiß bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

  • Anwendung: Persönliche Körperpanzer, ballistische Platten, Fahrzeugpanzer
  • Verwendete Materialien: Borkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid
  • Warum: Hochleistungskeramik gehört zu den härtesten bekannten Materialien und bietet eine hervorragende Schlagfestigkeit bei geringer Dichte.

  • Anwendung: Textilmaschinen und automatische Spulensysteme
  • Verwendete Materialien: Tonerde, Zirkoniumdioxid
  • Warum: Die Oberflächenhärte widersteht Rillen und Kerben, die durch die ständige Reibung von Fäden oder Drähten entstehen.

  • Anwendung: Präzisionsstanzen, Drahtziehen, Umformen von abrasiven Materialien
  • Verwendete Materialien: Wolframkarbid, Siliziumkarbid
  • Warum: Die extreme Härte ermöglicht eine konstante Maßkontrolle und eine lange Lebensdauer bei sich wiederholenden Vorgängen mit hoher Belastung.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Borkarbid (B₄C) gehört zu den härtesten bekannten Keramiken mit einer Vickershärte von bis zu 4500 HV. Es wird für Panzerungen und Schleifmittel verwendet.

Keramiken haben starke kovalente oder ionische Bindungen und eine starre Gitterstruktur, die die plastische Verformung einschränkt, im Gegensatz zu Metallen, die eine flexiblere Anordnung der Atome aufweisen.

Hartkeramik ist mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten. Sie erfordern Diamantschleifen, Laserschneiden oder Ultraschallbearbeitung, außer bei maschinell bearbeitbaren Keramiken wie MGC, die leichter zu bearbeiten sind.

ZTA und Siliziumnitrid bieten eine ausgewogene Kombination aus Härte und Bruchzähigkeit und eignen sich daher für anspruchsvolle mechanische Anwendungen.

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