Nachteile traditioneller verschleißfester Materialien
Tatsächlich sind Eisenwerkstoffe seit Langem gängige Optionen für verschleißfeste Werkstoffe. Manganstahl, Weißguss und legierter Stahl zählen zu den am weitesten verbreiteten Sorten. Diese Werkstoffe weisen jedoch auch Nachteile auf. So zeichnet sich beispielsweise austenitischer Manganstahl durch eine ausgezeichnete Zähigkeit aus, ist aber relativ schwer zu bearbeiten. Unlegierter Weißguss und niedriglegierter Weißguss bieten zwar eine gute Härte und Verschleißfestigkeit, sind jedoch sehr spröde, wodurch ihr Einsatz auf Anwendungen mit geringen Belastungen beschränkt ist. Mittel- und hochlegierter Weißguss überwinden zwar das Problem der hohen Sprödigkeit, sind aber mit deutlich höheren Produktionskosten verbunden.
Verschleiß, Korrosion und Bruch sind die Hauptursachen für den Ausfall von Anlagenkomponenten, der in Branchen wie Metallurgie, Bauwesen, Energiewirtschaft und Maschinenbau weit verbreitet ist. Verschleiß hat dabei den größten Einfluss auf die Bauteile. Insbesondere bei Transportmitteln ist Materialverschleiß für etwa 80 % der Bauteilausfälle verantwortlich, da herkömmliche verschleißfeste Werkstoffe den Anforderungen unter den rauen Betriebsbedingungen nicht mehr gerecht werden.
In den 1980er Jahren wurden verschiedene verschleißfeste Keramikwerkstoffe wie Boride, Carbide und Nitride entwickelt, woraufhin weltweit erhebliche Ressourcen in die entsprechende Forschung investiert wurden. Dank ihrer hervorragenden Eigenschaften finden diese neuartigen verschleißfesten Keramikwerkstoffe zunehmend Anwendung in Industrieanlagen und Rohrleitungen. Durch den Ersatz herkömmlicher Metallwerkstoffe konnten die Lebensdauer und die Dauerbetriebsfähigkeit von Anlagen deutlich verbessert werden.
Eigenschaften und Charakteristika verschleißfester Industriekeramik
Industriekeramische Werkstoffe haben sich im Bereich der Verschleißfestigkeit eine herausragende Stellung gesichert, vor allem aufgrund der folgenden Schlüsseleigenschaften und Merkmale:
(1) Hohe Härte und Festigkeit;
(2) Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und lange Lebensdauer. Tests haben gezeigt, dass seine Verschleißfestigkeit 180-mal höher ist als die von Manganstahl und 118-mal höher als die von hochchromhaltigem Gussstahl.
(3) Hohe Schlagfestigkeit;
(4) Hohe Temperaturbeständigkeit. Feste Verbindung und ausgezeichnete Hitzebeständigkeit;
(5) Geringes Gewicht. Die Dichte verschleißfester Keramik beträgt ca. 3,6 g/cm³, also nur die Hälfte der Dichte von Stahl und Eisen, wodurch die Belastung der Ausrüstung deutlich reduziert werden kann.
(6) Breites Anwendungsspektrum und hohe Anpassungsfähigkeit Industrielle Keramikwerkstoffe unterschiedlicher Art können je nach spezifischen Anforderungen für alle verschleißintensiven mechanischen Anlagen in Systemen wie der Kohlenaufbereitung, der Materialförderung, der Ascheabfuhr und der Staubentfernung ausgewählt werden, die in Unternehmen wie Wärmekraftwerken, Stahlwerken, Hüttenwerken, Bergwerken und Zementwerken weit verbreitet sind.
Klassifizierung verschleißfester Industriekeramik
Nach Materialart klassifiziert, umfassen die gängigen verschleißfesten Industriekeramikwerkstoffe hauptsächlich Oxidkeramiken, Carbidkeramiken und Nitridkeramiken.
(1) Oxidische verschleißfeste Industriekeramik
Unter den Werkstoffen für verschleißfeste Bauteile gelten Aluminiumoxidkeramiken als typische Vertreter verschleißfester Industriekeramiken. Dank ihrer hohen Härte, ausgezeichneten chemischen Stabilität und hervorragenden Verschleißfestigkeit finden sie breite Anwendung in Branchen wie der Metallurgie, der Petrochemie und der Luft- und Raumfahrt. Ihre relativ geringe Bruchzähigkeit und unzureichende Temperaturwechselbeständigkeit schränken jedoch ihre Einsatzmöglichkeiten in industriellen Bereichen ein, insbesondere dort, wo hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe gestellt werden. Durch die Zugabe bestimmter Mengen anderer Verbindungen zu Aluminiumoxidkeramiken lässt sich deren Zähigkeit effektiv erhöhen und somit die Verschleißfestigkeit weiter verbessern. Aus diesem Grund sind Aluminiumoxid-Matrix-Verbundkeramiken derzeit ein wichtiger Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt.
(2) Verschleißfeste Keramiken aus Nitriden
Nitridkeramiken wurden erst relativ spät entwickelt und erlebten erst in den 1970er Jahren einen rasanten Aufschwung. Fast alle werden synthetisch hergestellt. Neben hoher Festigkeit und Härte weisen sie auch hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften auf. Nach jahrzehntelanger Entwicklung finden Nitridkeramiken wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid heute breite Anwendung als hochfeste mechanische Bauteile, korrosionsbeständige Komponenten und verschleißfeste Teile in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau und der Metallurgie.
(3) Hartmetall-verschleißfeste Keramik
Borcarbidkeramiken weisen extrem stabile chemische Eigenschaften auf und ihre Härte steht der von Diamant und kubischem Bornitrid (CBN) in nichts nach. Dadurch eignen sie sich hervorragend als verschleißfeste oder reibungsarme Werkstoffe mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in Schleifmitteln, Lagern, Dichtungsringen und Schneidwerkzeugen. Die tribologischen Eigenschaften von B₄C-Keramiken werden jedoch stark von Temperatur, Belastung, Reibungsgeschwindigkeit und Reibpartnermaterialien beeinflusst. Daher müssen die Betriebsbedingungen und Umgebungsfaktoren in der Praxis unbedingt berücksichtigt werden.
