Grundlagen KeramikEinführung - Grundbegriffe - Klassifizierung - Marktzahlen 1 Grundbegriffe - Werkstoffe organisch natürlich synthetisch anorganisch metallisch nichtmetallisch Holz Leder Naturfasern Harze Kunststoffe Kunstfasern Folien Kunstharze Eisen, Stahl Leichtmetalle Buntmetalle Legierungen Naturstein Bindemittel Glas Keramik 2 Grundbegriffe Keramik - anorganischer, nichtmetallischer Werkstoff, vollständig oder teilweise (>30%) kristallin, der bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt wird und seine typischen Eigenschaften durch einen Sintervorgang bei hohen Temperaturen erhält Grobkeramik x Feinkeramik - Unterteilung je nach Kornaufbau des Masseversatzes; sind die Gefügebestandteile < 0,1 mm, spricht man ± unabhängig vom Werkstoff ± von Feinkeramik Ceramics - umfasst im angelsächsischen Sprachgebrauch zusätzlich auch Glas, Email, Glaskeramik und anorganische Bindemittel 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Klassifizierung der Keramik - nach der Rohstoffart - Klassische Keramik ± Silikatkeramik, Feuerfestkeramik - diese Keramiken werden aus natürlich vorkommenden Rohstoffen hergestellt, meist Ton, Kaolin, Quarz und Feldspat - Ingenieurkeramik, Hochleistungskeramik - als Ausgangsmaterialien werden chemisch aufbereitete oder künstlich hergestellte Rohstoffe verwendet 21 Klassische Keramik 22 Klassische Keramik 23 Klassifizierung der Keramik - nach der Zusammensetzung - Tonkeramik - Grobkeramik: porös (Ziegel, Schamotte) x dicht (Klinker, Baukeramik) - Feinkeramik: porös (Steingut) x dicht (Porzellan, Steinzeug) - Silikatkeramik - Grobkeramik (feuerfeste Magnesit-, Mullit-, Zirkon-, Forsteritsteine) - Feinkeramik (Glaskeramik, Steatit, Cordierit) - Oxidkeramik - Al2O3, ZrO2, MgO, TiO2, ZnO, Al2TiO5, BaTiO3 etc. - Nichtoxidkeramik - SiC, Si3N4, AlN, B4C3, MoSi2, Graphit, Boride, Nitride etc. - Verbundwerkstoffe - Keramikbeschichtungen, Faserverbundwerkstoffe 24 Klassifizierung der Keramik - nach den Anwendungsgebieten - Strukturkeramik (Konstruktionskeramik) - keramische Werkstoffe, die mechanischen Belastungen standhalten müssen (z.B. Biege- und Druckspannungen) - Funktionskeramik - keramische Werkstoffe, deren Eigenschaften für eine aktive Funktion (Nutzung elektrischer oder magnetischer Kennwerte) verwendet werden (z.B. Piezokeramik) - Elektrokeramik - keramische Werkstoffe, die vor allem wegen ihrer elektrischen Isolierfähigkeit in Kombination mit mechanischen und thermischen Eigenschaften in der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt werden 25 Klassifizierung der Keramik - nach den Anwendungsgebieten - Schneidkeramik - keramische Werkstoffe, die aufgrund ihrer hervorragenden Verschleiß- und Hitzebeständigkeit als Werkzeug zur spannenden Bearbeitung geeignet sind - Biokeramik - keramische Werkstoffe für den Einsatz im medizinischen Bereich; beinhalten Erzeugnisse, die Knochen, Zähne oder Gewebe reparieren und ersetzen können - Hochleistungskeramik - Ähoch entwickelter, hoch leistungsfähiger keramischer Werkstoff, der überwiegend nichtmetallisch und anorganisch ist und über bestimmte zweckmäßige Eigenschaften verfügt³; dieser Begriff wird zur Abgrenzung zu traditioneller Keramik auf Tonbasis verwendet (Geschirr, Sanitärkeramik, Fliesen etc.) 26 Klassifizierung der Keramik Silikatkeramik Alkali-Aluminiumsilikate Quarzporzellane, plastische Formgebung Quarzporzellane, gepresst Cristobalitporzellane, plastische Formgebung Tonerdeporzellane Tonerdeporzellane, hochfest Lithiumporzellane (C 200) C 210 C 221 C 221 C 230 C 240 C 250 (C 500) C 510 C 511 C 512 C 520 C 530 (C 600) C 610 C 620 (C 100) C 110 C 111 C 112 C 120 C 130 C 140 (C 400) C 410 C 420 C 430 C 440 Magnesiumsilikate Niederspannungssteatite Standartsteatite Steatite mit niedrigem Verlustwinkel Poröse Steatite Forsterite, porös Forsterite, dicht Erdalkali-Aluminiumsilikate und Zirkonporzellane Cordierite, dicht Celsiane, dicht Basis Kalziumoxid, dicht Basis Zirkon, dicht Poröse Aluminiumsilikate und Magnesium-Aluminiumsilikate Aluminiumsilikatbasis Magnesium-Aluminiumsilikatbasis Magnesium-Aluminiumsilikatbasis Cordieritbasis Aluminiumsilikatbasis Mullit-Keramik mit niedrigem Alkaligehalt Mullit-Keramik mit 50 % bis 65 % Al2O3 Mullit-Keramik mit 65 % bis 80 % Al2O3 27 Klassifizierung der Keramik Oxidkeramik Titanate und andere Keramiken hoher Permittivitätszahl Basis Titandioxid Basis Magnesiumtitanate Titandioxid und andere Oxide Titandioxid und andere Oxide Basis Kalzium- und Strontiumwismuttitanat Basis ferroelektrische Perowskite Basis ferroelektrische Perowskite Oxidkeramikwerkstoffe anderer Art Berylliumoxid, dicht Magnesiumoxid (MgO), porös Magnesiumoxid Zirkoniumoxid (ZrO2) teilstabilisiertes Zirkoniumoxid vollstabilisiertes Zirkoniumoxid tetragonales polykristallines Zirkoniumoxid Aluminiumtitanat Bleizirkonattitanat (Piezokeramik) Quarzgut (SiO2) Spinell (MgO . Al2O3) Mullit (Al2O3 . SiO2) Titanoxid (TiO2) (C 800) (C 300) C 310 C 320 C 330 C 331 C 340 C 350 C 351 Keramikwerkstoffe mit hohem Aluminiumoxidgehalt Hoch Al2O3-haltige Keramik; > 80 % bis 86 % Al2O3 Hoch Al2O3-haltige Keramik; > 86 % bis 95 % Al2O3 Hoch Al2O3-haltige Keramik; > 95 % bis 99 % Al2O3 Hoch Al2O3-haltige Keramik; > 99 % Al2O3 Aluminiumoxid (C 700) C 810 C 820 MgO * (C 830) PSZ * FSZ * TZP * ATI * PZT * SiO2 * Spinell Mullit TiO2 * C 780 C 786 C 795 C 799 RBAO * 28 Klassifizierung der Keramik Nichtoxidkeramik Carbide Siliciumcarbid (SiC) rekristallisiertes Siliciumcarbid nitridgebundenes Siliciumcarbid (drucklos) gesintertes Siliciumcarbid siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid heiß gepresstes Siliciumcarbid heiß isostatisch gepresstes Siliciumcarbid silikatisch gebundenes Siliciumcarbid Borcarbid (B4C) SiC * RSIC * NSIC * SSIC * SISIC * LPSIC * HPSIC * HIPSIC * SiC * BC * (C 900) C 910 ALN * C 920 CBN * HBN * C 930 C 935 SN * SSN * RBSN * HPSN * HIPSN * SIALON * TiN * Nitride und ÄNichtoxidische Keramikisolierstoffe³ Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumnitrid Bornitrid (BN) kubisches Bornitrid hexagonales Bornitrid Siliciumnitrid, reaktionsgebunden, porös (RBSN) Siliciumnitrid, dicht Siliciumnitrid (SN) gesintertes Siliciumnitrid reaktionsgebundes Siliciumnitrid heiß gepresstes Siliciumnitrid heiß isostatisch gepresstes Siliciumnitrid Siliciumaluminiumoxinitrid Titannitrid (TiN) Legende: * ** Werkstoff nach DIN EN 60 672 in Form von C ... Werkstoff nach DIN ENV 14 242 als Abkürzung Werkstoffbezeichnung nach Sprachgebrauch 29 Keramischer Herstellungsprozess Vom Pulver zum Bauteil 30 Keramischer Herstellungsprozess 31 Herstellungsprozess - Rohstoffe - Natürliche oder synthetische Rohstoffe - Reinheit - Korngröße und Korngrößenverteilung - Spezifische Oberfläche - Additive - Verflüssigungsmittel - Plastifizierungsmittel - Verfestigungsmittel - Binder - Sinterhilfsmittel 32 Herstellungsprozess - Masseaufbereitung Spezifische Arbeitsmassen für unterschiedliche Formgebungsverfahren - Granulate für das Pressen - Bildsame Massen für das Extrudieren - Feedstocks für das Spritzgießen - Suspensionen für das Gießen Masseaufbereitung - Mischen - Mahlen - Filterpressen - Sprühtrocknung - Schlickeraufbereitung 33 Herstellungsprozess - Formgebung Grundtypen der keramischen Formgebung - Pressformgebung (0-15%) - Trockenpressen (~ 5%) - Nasspressen (~ 15%) - isostatisches Pressen - Plastische Formgebung (15-25%) - Spritzgießen - Extrudieren - Gießformgebung (>25%, i.R. 30-40%) - Schlickergießen (Hohlguss, Vollguss) - Druckgießen - Foliengießen - spezielle Verfahren 34 Keramische Formgebung - Gießformgebung Schlickergießen ± Hohlguss Schematische Darstellung des Hohlgussverfahrens 35 Keramische Formgebung - Gießformgebung Foliengießen Schematische Darstellung des Foliengießverfahrens 36 Keramische Formgebung ± plastische Formgebung Rollerformgebung Überformen ± der Fuß des Tellers wird vom Rollerkopf gebildet Einformen ± die Innenseite des Bechers wird vom Rollerkopf gebildet Schematische Darstellung der Rollerformgebung 37 Keramische Formgebung ± plastische Formgebung Extrudieren Schematische Darstellung des Extrusionsprozesses 38 Keramische Formgebung ± plastische Formgebung Spritzgießen Schematische Darstellung des Spritzgießprozesses 39 Keramische Formgebung - Pressformgebung Trockenpressen - uniaxial (ein- oder zweiseitig) Schematische Darstellung des Trockenpressens 40 Keramische Formgebung - Pressformgebung Isostatisches Pressen Schematische Darstellung des isostatischen Pressverfahrens 41 Keramische Formgebungsarten - Vorteile und Nachteile 42 Marktzahlen Comparison of the global ceramic sections values of 1990 with 2002 43 Marktzahlen Comparison of the regional ceramics production values of 1995 with 2001 44 Marktzahlen Global industry production figures for 1990-2002 [Bill. EUR] 45 Marktzahlen Annual production of leading sanitary-ware producing countries 46