Das zugrunde liegende Handwerk, die Töpferei, beinhaltet die Herstellung von Gegenständen aus Ton, geformt mit der Hand oder später auch mit der Töpferscheibe. Objekte aus Keramik haben in all der Zeit nichts an ihrer Beliebtheit eingebüßt. Sie sind auch in unserer modernen Gesellschaft in vielen Bereichen des Lebens zu finden, sei es im Haushalt als Geschirr, Töpfe und Dekoration oder im Baugewerbe als Fliesen und Bodenbeläge. Jedoch haben sich Keramiken auch zu bedeutenden Industriewerkstoffen entwickelt.
So bieten beispielsweise Keramikschrauben, Keramikmuttern und Keramikunterlegscheiben Lösungen für technische Probleme, bei denen aus anderen Werkstoffen gefertigte Verbindungs- und Befestigungselemente an ihre Grenzen kommen.
Ton, Keramik und Porzellan
Ausgangsmaterial für Keramiken ist Ton, ein natürlich vorkommendes, überwiegend anorganisches Material, das hauptsächlich aus Tonmineralen besteht, welche durch Verwitterung verschiedener Gesteinsarten entstanden sind. Tonerden besitzen die Eigenschaft, Wasser speichern und wieder abgeben zu können. Im angefeuchteten Zustand sind sie plastisch verformbar, im getrockneten Zustand dagegen starr und spröde. Allerdings behalten sie die im plastischen Zustand angenommene Form bei. Wird der Ton dann stark erhitzt, sintern einige seiner mineralischen Inhaltsstoffe zu äußerst stabilen Verbindungen. Derart „gebrannten“ Ton bezeichnet man als Keramik.
Die wohl bekannteste Keramikart ist Porzellan, ein bei ca. +1400 °C gebranntes und glasiertes Keramikprodukt aus Kaolin, auch „weiße Tonerde“ genannt.
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| Keramik-Schnabelkrug im Kamares-Stil (2100 bis 1700 v.Chr.) |
Hauptbestandteil des Kaolins ist Kaolinit, ein hydratisiertes Aluminiumsilikat der formalen chemischen Zusammensetzung Al2Si2O5(OH)4, daneben weist es als Beimengungen noch variierende Mengen anderer Silikatverbindungen wie Feldspat, Quarz und Glimmer auf. Damit gehört Porzellan zu der Gruppe der Silikat-Keramiken.
Eigenschaften und Verwendung von Keramik
War das Keramikprodukt Porzellan – wie das bekannte „Meißener Porzellan“ – zunächst reine Luxusware für gehobene bürgerliche Kreise, die sich an seiner reinen Schönheit erfreuten, stieß es Ende des 18. Jahrhunderts auf das Interesse der chemischen Industrie, die auch seine technischen Eigenschaften zu schätzen begann.
Schließlich ist es weitgehend temperaturunempfindlich, glatt, säureresistent und kann in nahezu jede Form gebracht werden. Das prädestiniert es als Material für zahlreiche Laborgegenstände der chemischen Industrie wie Schalen und Tiegel, Filter-Trichter und Nutschen oder Laborbehälter. Weiterhin leitet es keinen elektrischen Strom und eignet sich daher hervorragend als temperaturfeste Isolationskeramik in Elektrogeräten oder als Isolierkörper für Hochspannungsanlagen und Freileitungen.
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Wo Licht ist, ist auch Schatten. Der größte Nachteil von Porzellan liegt in seinem Ausgangsmaterial: Das natürliche Mineral Kaolin besteht zwar aus dem Hauptbestanteil Kaolinit, enthält jedoch als Beimengungen auch andere Minerale, welche je nach Fundort in ihrer Zusammensetzung und Konzentration beträchtlich variieren können. Um die konstante Qualität hinsichtlich der technischen Leistungsparameter gewährleisten zu können, war die Entwicklung von Keramiken definierter Zusammensetzung für die Industrie daher unabdingbar. Die Einteilung erfolgte dabei chemisch-mineralogisch nach Ausgangsstoffen in Oxidkeramiken und Nichtoxidkeramiken.
Oxidkeramiken
Oxidkeramiken werden durch Sintern von reinen Metalloxiden wie Aluminium-, Magnesium-, Zirkonium- oder Titanoxid (Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2) erhalten. Auch synthetische Mischoxide wie Aluminiumtitanat (Al2TiO5) oder Mischungen der reinen Metalloxide wie Aluminiumoxid mit Zirkoniumoxid oder Yttriumoxid sind geläufig. Oxidkeramiken kommen unter anderem im Maschinen-, Anlagen- und Apparatebau zum Einsatz, als Ausgangswerkstoff für:
- Formteile für die Elektronik
- Dichtungen für Wasserarmaturen
- Keramikschrauben
- Keramikmuttern
- Keramikunterlegscheiben
Nichtoxidkeramiken
Nichtoxidkeramiken umfassen die Stoffklassen Carbide, Nitride und Boride. Ihr Aufbau weist gegenüber den Oxidkeramiken geringere ionische und höhere kovalente Bindungsanteile auf. Die damit verbundene erhöhte Bindungsenergie macht sie sehr hart, chemisch inert und thermisch hochbelastbar. Gleichzeitig sind sie aber weniger duktil, was in geringerer Verformbarkeit und erhöhter Sprödigkeit resultiert.
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Nichtoxidkeramiken kommen als Keramik-Schrauben, Keramik-Muttern, Keramik-Unterlegscheiben und Dichtungen zum Einsatz. Ferner braucht man sie aufgrund ihrer großen Härte als Schneidstoffe in Form von Schneidkeramiken und Keramik-Beschichtungen für Bohrwerkzeuge, Schleifmittel und Trägermaterial für Katalysatoren.
Keramiken, Kunststoffe und metallische Legierungen: Vor- und Nachteile
Wie andere keramische Bauteile weisen auch Befestigungselemente wie Keramik-Schrauben, Keramik-Unterlegscheiben und Keramik-Muttern bedeutende Unterschiede zu ihren Analoga aus Metallen oder Kunststoffen auf.
Metallschrauben sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen gut geeignet, werden aber durch chemische Korrosion angegriffen. Unterlegscheiben, Muttern und Schrauben aus Kunststoffen dagegen, vor allem aus fluorierten Polymeren, sind chemisch weitgehend inert, besitzen aber eine vergleichsweise geringere Thermostabilität.
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| Isolierkörper aus Keramik |
Für Anwendungen, die sowohl eine hohe thermische wie auch chemische Widerstandsfähigkeit fordern, kommen die Vorteile von Befestigungselementen aus Hochleistungskeramik zum Tragen, sei es im Maschinen- und Chemieanlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik oder der Medizin.
Ausführungen von Befestigungselementen aus Keramik
Keramikschrauben, Keramikmuttern und Keramikunterlegscheiben sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich:
- Keramikschrauben werden als Sechskantschrauben und Zylinderschrauben angeboten, letztere mit Innensechskant oder mit Schlitz. Die Gewindegrößen reichen von M2 bis M8, die Gewindelängen von 5 bis 75 mm.
- Muttern, eigentlich Schraubenmuttern, stellen das Gegenstück zu Schrauben dar, mit der sie zusammen eine Schraubverbindung bilden. Ihr hohler Körper weist im Inneren ein zur Schraube passendes Gewinde auf. Sechskantmuttern aus Keramik stehen ebenfalls mit Innengewinden von M2 bis M8 zur Verfügung.
- Das Angebot wird komplettiert durch ringförmige Keramikunterlegscheiben oder Beilagscheiben unterschiedlich großer Durchmesser und Stärke. Sie werden über den Schaft einer Schraube gestülpt und dienen dazu, beim Anziehen der Schraube die vom Schraubenkopf ausgehende Kraft auf eine größere Fläche des zu befestigenden Bauteils zu verteilen.
Alle Befestigungselemente bestehen aus hochreiner, elfenbeinfarbener Aluminiumoxidkeramik (Alumina), auf Anfrage können auch Ausführungen aus cremefarbener Zirkoniumdioxidkeramik (Zirconia) angeboten werden.
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Die biokompatiblen Keramikschrauben, Keramikmuttern und Keramikunterlegscheiben sind temperaturbeständig bis +1.600 °C, abriebfest und unempfindlich gegenüber Oxidation. Ihre Einsatzgebiete umfassen den industriellen Ofenbau, die Medizin- und Labortechnik, die chemische Industrie sowie Luft- und Raumfahrt.
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| Bildquellen: |
| Grafik: Keramik-Schnabelkrug | © Wolfgang Sauber - commons.wikimedia.org Grafik: Isolierkörper aus Keramik | © WR.LILI - stock.adobe.com |