Technische Keramik ist der Überbegriff keramischer Werkstoffe, die je nach Anforderungsprofil ganz unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Nicht jeder Werkstoff eignet sich für jeden Einsatzfall. Wir helfen Ihnen, den richtigen zu finden.
BCE SPECIAL CERAMICSTechnische Keramik Werkstoffe: Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Mischoxide, Sonderwerkstoffe
WERKSTOFFEVier Werkstoffklassen – unterschiedliche Eigenschaften, unterschiedliche Einsatzfälle
Einsatzschwerpunkte und Grenzen der vier Werkstoffklassen im Überblick:
Zirkonoxid (ZrO₂)
Zirkonoxid ist der Hochleistungswerkstoff unter den Oxidkeramiken. Keramische Werkstoffe aus Zirkonoxid bestehen in der Regel aus Zirkonoxid und bestimmten zudotierten anderen Oxiden wie Y₂O₃ oder MgO. Je nach Zuschlagstoff ändern sich die Eigenschaften: Der Zuschlag entscheidet maßgeblich über Mikrostruktur und Gefüge. Das hochfeste, als „keramischer Stahl“ bezeichnete ZrO₂ ist das mit Y₂O₃ (Yttriumoxid) dotierte. Es bildet ein hochfeines, zähes Mikrogefüge im Sub-µm-Bereich und weist sehr hohe Biegefestigkeiten auf. Die mit MgO dotierten Materialien sind weniger fest und weisen gröbere Gefüge auf.
Neben hervorragenden tribologischen Eigenschaften bei bewegten Komponenten zeichnen sich Zirkonoxide aus durch:
- Außergewöhnliche Bruchzähigkeit
- Hohe Verschleißfestigkeit
- Hohe Korrosionsbeständigkeit
- Niedrige Wärmeleitfähigkeit
- Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient ähnlich wie Stahl
Dadurch erlangen Zirkonoxide zunehmend Bedeutung als Konstruktionswerkstoffe für stark beanspruchte Bauteile – bis hin zur Medizintechnik.
Einsatzgrenzen: Dauerbetrieb über 900 °C, weil eine Phasenumwandlung einsetzt.
BCE-Qualitäten: Z-507 (MgO-dotiert), Z-700, Z-700E, Z-700E-HIP, Z-700-20A (alle Y₂O₃-dotiert). Für die Uhren- und Schmuckindustrie ist Z-700 auch in Schwarz, Blau und Pink verfügbar.
Datenblätter: Z-507 (PDF) | Z-700 (PDF) | Z-700E (PDF) | Z-700E-HIP (PDF) | Z-700-20A (PDF)
Aluminiumoxid (Al₂O₃)
Aluminiumoxid ist der am meisten eingesetzte keramische Werkstoff. Das liegt einerseits an der attraktiven Verfügbarkeit in verschiedenen Reinheitsgraden – beginnend bei ca. 92 % bis hin zu 99,99 % – sowie an dem Eigenschaftsprofil: Bei mittleren Festigkeiten, hoher Abrasionsfestigkeit wegen der sehr großen Härte und relativer guter Wärmeleitfähigkeit ist der Werkstoff vielseitig einsetzbar. Dazu kommen für elektrische Anwendungen und Hochtemperatureinsätze die sehr gute elektrische Isolierung und Durchschlagsfestigkeit sowie die sehr hohe Temperaturbeständigkeit bis 1.750 °C.
BCE verarbeitet hauptsächlich die Reinheitsgrade 96 % (A-960) bis 99,99 % (A-999), Schwerpunkt bei 99,5 % bis 99,7 %.
Einsatzgrenzen: Bauteile unter hoher Schlag- oder Biegebelastung – die sehr hohe Härte geht mit gesteigerter Sprödigkeit einher. Durch konstruktive Anpassungen lassen sich aber oft Lösungen finden. Flusssäure greift Al₂O₃ an.
Datenblätter: A-960 (PDF) | A-997 (PDF) | A-999 (PDF) | ZTA-86/14 (PDF)
Mischoxidkeramiken (ATZ / ZTA)
Die Mischoxide technischer Keramik basieren auf Mischungen der Hauptkomponenten Al₂O₃ und ZrO₂. Je nach Hauptanteil – typischerweise 80–90 % Al₂O₃, Rest ZrO₂, oder umgekehrt ca. 80 % ZrO₂, Rest Al₂O₃ – ergeben sich unterschiedliche Werkstoffprofile. Werkstoffe mit der Hauptkomponente Al₂O₃ heißen ZTA (Zirconia Toughened Alumina), die Umkehrung folgerichtig ATZ (Alumina Toughened Zirconia).
Hintergrund der Mischungen ist es, die guten Eigenschaften aus beiden Oxiden zu kombinieren: die große Festigkeit und Zähigkeit des Zirkonoxids mit der Härte und Verschleißbeständigkeit des Aluminiumoxids. Bei geeignetem ZrO₂-Anteil im ZTA-Material bleibt auch die hohe elektrische Isolierung des Al₂O₃ erhalten.
Anwendung finden diese Spezialkeramiken bei Spezialwerkzeugen (z. B. Bohrer für die Medizintechnik und Metallbearbeitung) mit bedeutendem Verschleiß in der Variante ATZ sowie als ZTA für feste Isolationsbauteile und medizintechnische Anwendungen. Hohe Oberflächengüten sorgen für geringsten Reibverschleiß.
Einsatzgrenzen: Wenn eine Reinoxid-Klasse das Anforderungsprofil vollständig erfüllt – Mischoxide sind teurer und aufwändiger als Al₂O₃ oder ZrO₂ allein.
Sonderwerkstoffe: Si₃N₄, SiC, B₄C, AlN
Unter Sonderwerkstoffen versteht BCE die nichtoxidischen keramischen Hochleistungswerkstoffe: Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumcarbid (mit oder ohne freies Silizium: SiSiC oder SSiC), Borkarbid (B₄C) und Aluminiumnitrid (AlN). Diese weisen unterschiedliche besondere Eigenschaften auf, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein müssen.
Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist mit vergleichsweise hoher Festigkeit und Zähigkeit dem Zirkonoxid teilweise ähnlich, hebt sich aber durch eine geringere Wärmedehnung gepaart mit einer guten Wärmeleitfähigkeit von den oxidischen Werkstoffen ab.
Die Carbide (SiC, B₄C) mit ihrer extremen Härte sind tendenziell eher dem Al₂O₃ nahe. SiC ist chemisch beständig gegen fast alle Säuren und Laugen – ausgenommen konzentrierte Kalilauge und Flusssäure.
Aluminiumnitrid (AlN) hat eine Sonderstellung durch seine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 150–180 W/mK) bei gleichzeitiger elektrischer Isolation – eingesetzt in der Hochleistungselektronik und in Tiegeln.
Einsatzgrenzen: Aufwändiger in Verarbeitung und Fertigung als Oxidkeramiken. Nur einsetzen, wenn die besonderen Eigenschaften tatsächlich gefordert sind.
BCE-Qualitäten: N-105 (heißgepresstes Siliziumnitrid)
Datenblätter: N-105 (PDF)
VERGLEICHSTABELLEAlle wesentlichen Kennwerte auf einen Blick
Die BCE-Vergleichstabelle listet Härte, Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit, Wärmedehnung, elektrische Isolation und Einsatztemperatur für alle Werkstoffe – als Ausgangspunkt für die Werkstoffwahl.
KEY FACTSTechnische Kennwerte im Überblick
1.100 MPa
Biegefestigkeit ZrO₂ Z-700E (Y-TZP)
1.800 HV
Härte Al₂O₃ A-997/A-999
bis 1.650 °C
Maximale Anwendungstemperatur Al₂O₃ an der Luft
850 MPa
Biegefestigkeit Si₃N₄ N-105 (heißgepresst)
2.500 HV
Härte SiC SC-200 – härtester Werkstoff in der BCE-Palette
Noch unsicher, ob Keramik für Ihr Bauteil die richtige Wahl ist? Beschreiben Sie kurz die Anforderung – Medium, Temperatur, Belastung. Wir geben Ihnen eine fachliche Einschätzung.
FAQHäufige Fragen zur Werkstoffwahl in der technischen Keramik
Was ist der Unterschied zwischen Aluminiumoxid und Zirkonoxid?
Al₂O₃ ist der meisteingesetzte keramische Werkstoff: gute elektrische Isolation, Temperaturfestigkeit bis 1.650 °C, wirtschaftlich in verschiedenen Reinheitsgraden. ZrO₂ ist mechanisch stärker: Biegefestigkeit bis 1.100 MPa (Z-700E), höhere Bruchzähigkeit, biokompatibel. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von ZrO₂ liegt nahe bei Stahl, was Verbundkonstruktionen erleichtert. Für Dauerbetrieb über 900 °C ist Al₂O₃ die richtige Wahl – ZrO₂ neigt bei diesen Temperaturen zur Phasenumwandlung.
Wann ist ein Mischoxid sinnvoll – und wann reicht Al₂O₃ oder ZrO₂?
Mischoxide wie ATZ und ZTA kombinieren die Festigkeit und Zähigkeit des Zirkonoxids mit der Härte und Verschleißbeständigkeit des Aluminiumoxids. ATZ (ca. 80 % ZrO₂) eignet sich für stark verschleißbelastete Werkzeuge, ZTA (80–90 % Al₂O₃) für feste Isolationsbauteile mit erhöhter Zähigkeit. Wenn ein Reinoxid das Anforderungsprofil vollständig erfüllt, ist es die wirtschaftlichere Wahl – Mischoxide sind aufwändiger in der Fertigung.
Wann sind Sonderwerkstoffe wie SiC oder Si₃N₄ nötig?
Wenn Oxidkeramiken an ihre Grenzen stoßen: SiC bei kombinierter Korrosions- und Verschleißbelastung durch aggressive Medien – beständig gegen fast alle Säuren und Laugen, außer konzentrierte Kalilauge und Flusssäure. Si₃N₄ bei hoher Festigkeit und Zähigkeit kombiniert mit niedriger Wärmedehnung und guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. in der Wälzlagertechnik. Sonderwerkstoffe sind in Rohmaterial und Bearbeitung teurer – ihr Einsatz ist nur dann sinnvoll, wenn die Eigenschaft tatsächlich gefordert ist.
Wie beeinflusst die Werkstoffwahl die Fertigungskosten?
Direkt und erheblich. Sonderwerkstoffe wie SiC oder Si₃N₄ sind in Rohmaterial und Bearbeitung teurer als Oxidkeramiken. Höhere Reinheitsgrade bei Al₂O₃ erhöhen den Materialpreis, verbessern aber Isolationswert und Reinheitsanforderungen. Komplexe Geometrien erhöhen den Schleifaufwand unabhängig vom Werkstoff. Die wirtschaftlichste Wahl ist nicht der günstigste Werkstoff, sondern der Werkstoff, der das Belastungsprofil mit der geringsten Überdimensionierung erfüllt.
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