Keramik Verschleißschutz: Grundlagen und Anwendungen

Das Wichtigste auf einen Blick

• Keramischer Verschleißschutz arbeitet mit Härten von 1200 bis 2800 HV, je nach Werkstoff Al2O3, SiC oder ZrO2.
• Über Ausbrüche entscheidet die Bruchzähigkeit: Sie liegt bei Al2O3 und SiC bei 3,5 bis 4,5 MPa·m^0,5 und bei ZrO2-TZP bei 8 bis 12 MPa·m^0,5.
• Geprüft wird nach der Normenreihe DIN EN 843 für monolithische Keramik und nach DIN EN 658-3 für keramische Verbundwerkstoffe.
• Typische Bauteile sind Auskleidungen, Düsen, Gleitlager, Dichtringe und Mahlkugeln.
• Richtpreise 2024 ohne MwSt. reichen von etwa 10 Euro pro Kilogramm für Al2O3-Kacheln bis etwa 160 Euro pro Kilogramm für ZrO2-Bauteile.

Wie keramischer Verschleißschutz wirkt

Verschleiß ist keine Werkstoffeigenschaft für sich, sondern ein Ergebnis des Tribosystems. Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebung bestimmen, welche Schädigung entsteht. Keramik greift an zwei Stellen ein: über die Härte und über die chemische Trägheit der Oberfläche.

Beim abrasiven Verschleiß gleiten harte Partikel über die Wand und schneiden Furchen. Maßgeblich ist das Verhältnis der Partikelhärte zur Werkstoffhärte. Liegt die Werkstoffhärte über der Härte des Schleißpartners, bricht der Volumenabtrag deutlich ein. Quarz erreicht rund 1100 HV, Korund etwa 2000 HV.

Der Zusammenhang ist überproportional. Sobald die Werkstoffhärte die Partikelhärte übersteigt, fällt der Abtrag sprunghaft ab. Diese Schwelle ist für die Werkstoffauswahl wichtiger als der absolute Härtewert, weil sie den Mechanismus umkehrt.

Al2O3 liegt mit 1500 bis 1800 HV und SiC mit 2500 bis 2800 HV über vielen mineralischen Schleißpartnern. Der Abtrag wandert dann in das Fördermedium oder in benachbarte metallische Bauteile. Genau dieser Effekt macht dünne Keramikkacheln in Schurren so wirksam.

Erosion entsteht durch aufprallende Partikel mit hoher Geschwindigkeit. Der Auftreffwinkel formt das Schadensbild. Bei flachem Winkel dominiert Schneiden, bei steilem Winkel Prall und Rissbildung. Al2O3 und SiC sind für flache Winkel geeignet, ZrO2 für wechselnde und steile Beanspruchung.

Adhäsiver Verschleiß, also Fressen und Kaltverschweißen, spielt bei Keramik kaum eine Rolle. Keramische Gleitpartner bilden mit Stahl keine Mikroschweißbrücken. Deshalb laufen keramische Gleitlager auch mit Wasser oder mit dem Fördermedium als Schmierstoff zuverlässig.

Tribochemischer Verschleiß entsteht aus Reibung und chemischer Reaktion zugleich. Keramische Oberflächen sind hier im Vorteil, weil sie mit vielen Medien keine weichen Reaktionsschichten bilden. Bei stark alkalischen oder fluoridhaltigen Medien ist die Beständigkeit jedoch werkstoffabhängig zu prüfen.

Die Grenze liegt in der Sprödigkeit. Keramik kündigt Überlast nicht durch plastisches Verformen an, sondern durch Rissbildung und Ausbruch. Kanten, Schläge, schnelle Temperaturwechsel und Zugspannungen sind die kritischen Lastfälle. Die Auslegung muss diese Lastfälle rechnerisch und konstruktiv ausschließen.

Die wichtigsten keramischen Werkstoffe im Vergleich

Vier Werkstoffgruppen decken den überwiegenden Teil des industriellen Verschleißschutzes ab. Die Tabelle nennt Kennwerte, die Hersteller und Prüfinstitute für gesinterte Bauteile angeben. Die Preise sind Richtwerte für 2024, ohne MwSt. und ohne Montage.

Werkstoff	Härte HV0,5	Bruchzähigkeit KIc in MPa·m^0,5	Dichte in g/cm³	E-Modul in GPa	Richtpreis 2024 in Euro pro kg
Al2O3, 96 Prozent	1400 bis 1600	3,5 bis 4,0	3,6	300	10 bis 30
Al2O3, 99,7 Prozent	1600 bis 1800	3,5 bis 4,5	3,9	380	25 bis 60
SSiC, gesintert	2500 bis 2800	3,5 bis 4,5	3,1	410	40 bis 90
ZrO2-TZP	1200 bis 1400	8 bis 12	6,0	200	70 bis 160

Aluminiumoxid ist der Standardwerkstoff im Verschleißschutz. Es ist preiswert, gegen viele Säuren und Laugen beständig und bis etwa 1600 Grad Celsius einsetzbar. Die geringe Bruchzähigkeit begrenzt den Einsatz bei Schlag und an dünnen, biegebeanspruchten Querschnitten. Typische Bauteile sind Kacheln, Rohre, Zyklonauskleidungen und Düsen.

Siliciumcarbid bietet die höchste Härte und eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt deutlich über der von Aluminiumoxid, wodurch Thermospannungen schneller abgebaut werden. SSiC eignet sich für Brennerdüsen, Prallplatten, Gleitringe und Hochtemperaturanwendungen. Der Preis liegt über dem von Aluminiumoxid.

Zirkonoxid nutzt einen anderen Mechanismus. Die tetragonale Phase wandelt unter Spannung in die monokline Phase um und vergrößert dabei ihr Volumen. Diese Umwandlung bremst Risse und hebt die Bruchzähigkeit auf 8 bis 12 MPa·m^0,5. ZrO2-TZP widersteht Schlag und Biegung, ist aber teurer, dichter und nur bis etwa 1000 Grad Celsius dauerhaft einsetzbar.

Bei 200 bis 300 Grad Celsius kann Zirkonoxid in feuchter Umgebung altern. Die tetragonale Phase wandelt dann ungewollt um, das Bauteil verliert Festigkeit. Für solche Betriebsbedingungen sind Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid die sicherere Wahl. Siliciumnitrid bleibt eine Alternative, wenn hohe Bruchzähigkeit und Thermoschockfestigkeit zusammen gefordert sind.

Mischwerkstoffe wie ZTA, also mit Zirkonoxid verstärktes Aluminiumoxid, verbinden den niedrigen Preis der Tonerde mit einer höheren Bruchzähigkeit. Solche Werkstoffe liegen bei 6 bis 9 MPa·m^0,5 und werden für Düsen, Ventilkugeln und Mahlkugeln angeboten. Die Kennwerte sind herstellerabhängig und müssen im Einzelfall belegt werden.

Normen und Prüfverfahren

Kennwerte sind nur vergleichbar, wenn sie nach derselben Norm ermittelt wurden. Für monolithische Hochleistungskeramik bündelt die Normenreihe DIN EN 843 die mechanischen Prüfungen bei Raumtemperatur, darunter die Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul. Was Normen leisten und wie sie entstehen, beschreibt das Deutsche Institut für Normung in seinem Basiswissen zu Normen und Standards.

Für keramische Verbundwerkstoffe gilt DIN EN 658-3. Sie regelt die Bestimmung der Biegefestigkeit solcher Werkstoffe bei Raumtemperatur. Faserverstärkte Keramik verhält sich anisotrop, die Prüfrichtung muss deshalb immer mit angegeben werden. Ohne diese Angabe ist ein Festigkeitswert nicht belastbar.

Die Härte wird nach DIN EN ISO 6507-1 nach Vickers gemessen. Angegeben wird der Wert mit Prüfkraft, etwa HV0,5 für 4,9 Newton oder HV10 für 98,1 Newton. Werte unterschiedlicher Prüfkräfte sind nicht ohne Weiteres vergleichbar, weil die Eindruckgröße den Messwert beeinflusst.

Für Dichte und Porosität gilt die Normenreihe DIN EN 623. Beide Größen steuern Verschleißwiderstand und Festigkeit. Offene Porosität wirkt als Angriffspunkt für Ausbrüche, weil Poren Spannungsspitzen bündeln. Diese Prüfverfahren für Werkstoffkennwerte betreut der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) beim DIN.

Keramische Werkstoffe streuen in der Festigkeit stärker als Metalle. Die Biegefestigkeit wird deshalb nicht als Einzelwert angegeben, sondern als Verteilung mit Weibull-Modul. Ein Modul von 10 steht für breite Streuung, ein Wert von 25 für eine enge. Für die Auslegung zählt immer das untere Ende der Verteilung.

Prüfzeugnisse sollten Werkstoffgüte, Sinterzustand, Dichte, Härte und Prüfnorm benennen. Fehlt die Angabe der Norm und der Prüfrichtung, lässt sich der Wert nicht in die Auslegung übernehmen. Für Schadensfälle sind Rückstellproben desselben Loses hilfreich.

Auslegung in fünf Schritten

1. Verschleißart und Betriebsdaten erfassen: Partikelgröße und Partikelhärte, Auftreffwinkel, Geschwindigkeit, Temperatur, Medium und Stillstandzeiten.
2. Werkstoff auswählen: Härte gegen abrasiven Abtrag, Bruchzähigkeit gegen Schlag und Biegung, chemische Beständigkeit gegen das Fördermedium.
3. Geometrie festlegen: Kanten fasen, Kerben vermeiden, Zugspannungen aus dem Keramikteil heraushalten, Wanddicke an den Verschleißbereich anpassen.
4. Befestigung planen: Kleben, Mörteln, Verschrauben oder Verankern, mit einer elastischen Zwischenschicht zum Spannungsabbau.
5. Standzeit überwachen und nachrechnen: Wanddickenmessung, Endoskopie und Dokumentation der Ausfallursachen.

Der wichtigste Konstruktionsgrundsatz lautet: Keramik trägt Druck, aber kaum Zug. Auskleidungen werden deshalb in eine stützende Stahlkonstruktion eingebettet. Die Keramik bildet die verschleißfeste Oberfläche, die Lasten führt der Stahl. Für die zugehörigen Werkstoff- und Konstruktionsnormen ist der Normenausschuss Werkstoffe (NAS) zuständig.

Zwischenschichten aus Elastomeren oder Reaktionsharzen gleichen Wärmedehnung und Unebenheiten aus. Diese polymeren Werkstoffe haben eigene Prüfnormen, die der Normenausschuss Kunststoffe (FNK) betreut. Die Schichtdicke liegt meist zwischen 0,5 und 3 Millimetern. Zu dünne Schichten übertragen Spannungsspitzen direkt in die Keramik, zu dicke Schichten lassen die Kacheln wandern.

Wärmedehnung ist ein häufiger Fehler in der Praxis. Al2O3 dehnt sich mit etwa 8 mal 10 hoch minus 6 pro Kelvin, Stahl mit etwa 12 mal 10 hoch minus 6 pro Kelvin. Bei einer Auskleidung von mehreren Metern Länge entstehen dadurch Dehnungsdifferenzen im Millimeterbereich. Dehnungsfugen und elastische Zwischenschichten nehmen diese Bewegung auf.

Auch Temperaturwechsel setzen Grenzen. Al2O3 und ZrO2 sind empfindlicher als SiC. Wo schnelles Aufheizen oder Abkühlen auftritt, sollte SiC gewählt oder die Aufheizgeschwindigkeit begrenzt werden. Ein Richtwert aus der Praxis: über mehrere Stunden langsam aufheizen und nicht mit Kaltluft abschrecken.

Zur Qualitätssicherung gehören Wareneingangsprüfung und Dokumentation. Sinnvoll sind Angaben zu Werkstoffgüte, Dichte, Härte und Losgröße sowie eine Sichtprüfung auf Kantenausbrüche. Feuchte Kacheln dürfen nicht verbaut werden, weil eingeschlossene Feuchtigkeit beim Aufheizen Dampfdruck aufbaut und die Klebefuge sprengt.

Typische Anwendungen: Auskleidungen, Düsen, Lager

Auskleidungen sind das größte Einsatzfeld. Keramikkacheln schützen Schurren, Bunker, Silos, Zyklone, Prallbleche, Rohrbögen und Bandübergabestellen. Übliche Dicken liegen zwischen 6 und 50 Millimetern, die Formate reichen von kleinen Noppenkacheln bis zu großformatigen Platten. In Rohrmühlen und Mischern kommen zusätzlich Auskleidungen mit Hebebalken zum Einsatz.

Befestigt werden Kacheln mit Reaktionsharz, Zementmörtel, Steckankern oder Schraubverbindungen. In Bereichen mit starkem Prall werden sie zusätzlich formschlüssig verankert. Bei großen Temperaturunterschieden sind schwimmende Befestigungen üblich, die Bewegung zulassen und die Keramik nicht verspannen. Keramisch ausgekleidete Rohre werden mit Dichtungen oder Muffen verbunden.

Düsen sind das zweite große Feld. Sandstrahldüsen aus SiC oder Borcarbid, Schneidköpfe für das Wasserstrahlschneiden aus Al2O3 oder ZrO2 und Brennerdüsen aus SiC arbeiten mit sehr hohen Partikelgeschwindigkeiten. Der Verschleiß ist dort so stark, dass metallische Düsen in kurzen Intervallen gewechselt werden müssten. Keramische Düsen halten um ein Vielfaches länger.

Gleitlager und Dichtungen bilden das dritte Feld. Keramische Gleitlager laufen in Pumpen, Rührwerken und Armaturen, oft mit Wasser oder dem Fördermedium als Schmierstoff. Dazu kommen Wellenschutzhülsen, Gleitringe, Ventilsitze und Dichtflächen. ZrO2 ist dort erste Wahl, wo Schlag und Biegung auftreten, Al2O3 dort, wo Preis und chemische Beständigkeit zählen.

Mahlkörper aus Al2O3 und ZrO2 gehören ebenfalls zum Verschleißschutz. Sie mahlen in Rührwerks- und Kugelmühlen, ohne das Mahlgut durch Abrieb zu verunreinigen. Für Schneidwerkzeuge, Drahtziehringe und Textilfadenführer werden SiC und Siliciumnitrid eingesetzt. In allen Fällen würde metallischer Abrieb das Produkt verunreinigen oder die Standzeit der Anlage verkürzen.

Nach Branchen verteilen sich die Einsätze auf Zement- und Kalkwerke, Kraftwerke, Bergbau und Aufbereitung, Hüttenwerke, Chemie und Abfallverbrennung. Überall dort werden große Mengen abrasiver Schüttgüter bewegt, oft bei erhöhter Temperatur. Die Auswahl des Werkstoffs richtet sich nach dem Medium, nicht nach der Branche.

Verschleißbilder deuten und Prüfintervalle planen

Das Schadensbild zeigt, welcher Mechanismus wirkt, und damit auch, ob ein Werkstoffwechsel überhaupt hilft. Eine Checkliste für die Begehung:

• Gleichmäßiger Flächenabtrag deutet auf abrasiven Verschleiß; höhere Härte oder größere Wanddicke hilft.
• Rillen in Förderrichtung entstehen durch grobe Partikel bei flachem Auftreffwinkel; SiC oder Al2O3 passen hier.
• Krater und Ausbrüche zeigen Prall oder Schlag; ZrO2 oder Siliciumnitrid sind die bessere Wahl.
• Mulden und Rattermarken weisen auf adhäsive oder tribochemische Anteile; Paarung und Schmierstoff prüfen.
• Risse an Kanten und Bohrungen stammen aus Spannungsspitzen; Fasen, Zwischenschichten und Dehnungsfugen nachbessern.

Für Prüfintervalle sind Wanddickenmessung, Endoskopie und Fotodokumentation an festen Messpunkten sinnvoll. Aus zwei Messreihen lässt sich die Abtragsrate abschätzen und der Wechselzeitpunkt vorhersagen. Wer die Keramik erst nach dem Durchbruch prüft, riskiert Schäden am Stahlbau und lange Stillstände.

Bei Förderguttemperaturen über 400 Grad Celsius scheiden viele Harze und Elastomere als Zwischenschicht aus. Dort werden keramische Formsteine mit keramischen Mörteln versetzt oder verschraubt. Die Temperaturwechselbeständigkeit des gewählten Werkstoffs muss dann gegen die tatsächlichen Aufheiz- und Abkühlraten geprüft werden.

Kosten: Richtpreise und Beispielrechnung

Der Preis keramischer Bauteile hängt stärker von der Form als vom Werkstoff ab. Einfache Kacheln und Rohre sind preiswert, weil sie sich in großen Stückzahlen pressen und im Durchlaufofen sintern lassen. Formteile, Düsen und Lager benötigen meist eine Diamantbearbeitung, die einen erheblichen Teil der Kosten ausmacht.

Als Orientierung für 2024, jeweils ohne MwSt. und ohne Montage: Al2O3 mit 96 Prozent kostet 10 bis 30 Euro pro Kilogramm, Al2O3 mit 99,7 Prozent 25 bis 60 Euro, gesintertes SiC 40 bis 90 Euro und ZrO2-TZP 70 bis 160 Euro. Kleine Stückzahlen und komplizierte Geometrien können diese Sätze deutlich überschreiten.

Beispielrechnung: Eine Schurre mit 6 Quadratmetern Fläche soll ausgekleidet werden. Angenommen werden Al2O3-Kacheln mit 15 Millimetern Dicke, einer Dichte von 3,6 Gramm pro Kubikzentimeter und einem Preis von 12 Euro pro Kilogramm.

Daraus ergeben sich 0,09 Kubikmeter Volumen und 324 Kilogramm Masse. Der Materialpreis liegt bei 3.888 Euro. Für Mörtel, Anker und Montage werden 250 Euro pro Quadratmeter angesetzt, also 1.500 Euro. Die Auskleidung kostet rund 5.388 Euro und soll fünf Jahre halten.

Zum Vergleich ein Verschleißblech aus Stahl mit 8 Millimetern Dicke und einer Dichte von 7,85 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Masse beträgt 377 Kilogramm. Bei angenommenen 2,00 Euro pro Kilogramm und 150 Euro pro Quadratmeter Montage kostet ein Wechsel etwa 1.654 Euro.

Hält das Blech acht Monate, fallen in fünf Jahren rund sieben Wechsel an. Das sind etwa 11.600 Euro für Material und Montage. Der Rechenvorteil der Keramik liegt damit über fünf Jahre bei mehr als 6.000 Euro, noch ohne Stillstandskosten.

Diese Beispielrechnung nutzt angenommene Preise und Standzeiten und ersetzt keine Ausschreibung. Sie zeigt aber das Prinzip: Nicht der Kilopreis entscheidet, sondern die Standzeit im Verhältnis zu Material und Montage. Bei hohen Stillstandskosten verschiebt sich die Rechnung weiter zugunsten der Keramik.

Häufige Fragen

Wann lohnt sich Keramik Verschleißschutz wirtschaftlich?

Immer dann, wenn metallische Bauteile in kurzen Abständen gewechselt werden müssen. Als Faustregel gilt: Ab einer Standzeit von wenigen Monaten beim Stahl und einer erwarteten Standzeit von mehreren Jahren bei Keramik rechnet sich die Auskleidung. Stillstandskosten verschieben diese Grenze weiter zugunsten der Keramik.

Welche Keramik eignet sich für Schlag und Biegung?

ZrO2-TZP mit einer Bruchzähigkeit von 8 bis 12 MPa·m^0,5. Sie widersteht Schlag und Biegung besser als Al2O3 und SiC. Bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius oder in feuchter Umgebung zwischen 200 und 300 Grad Celsius sind Al2O3 oder SiC die sicherere Wahl.

Wie werden keramische Werkstoffe genormt geprüft?

Monolithische Keramik wird nach der Normenreihe DIN EN 843 geprüft, keramische Verbundwerkstoffe nach DIN EN 658-3. Hinzu kommen die Vickershärte nach DIN EN ISO 6507-1 und die Dichtebestimmung nach DIN EN 623. Der Beitrag DIN-Normen im Überblick ordnet diese Reihen in das Gesamtwerk ein.

Was kostet Keramik Verschleißschutz 2024?

Richtwerte ohne MwSt. und ohne Montage: 10 bis 30 Euro pro Kilogramm für Al2O3 mit 96 Prozent, 40 bis 90 Euro für gesintertes SiC und 70 bis 160 Euro für ZrO2-TZP. Die Montage liegt je nach Untergrund und Befestigungsart häufig zwischen 150 und 350 Euro pro Quadratmeter. Welche Gremien die Prüf- und Werkstoffnormen betreuen, zeigt die Übersicht der DIN-Normenausschüsse.

Lassen sich bestehende Stahlbauteile nachträglich auskleiden?

Ja, das ist der Regelfall. Voraussetzung sind eine tragfähige, ebene Stahlkonstruktion, ausreichende Steifigkeit und eine Entwässerung, damit sich hinter der Auskleidung keine Feuchtigkeit staut. Nach dem Aufbringen muss die Dehnung im Bauteil kontrolliert werden, besonders bei langen Schurren und Rohrleitungen.