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Teil von Keramik Verschleißschutz: Grundlagen und Anwendungen
Keramik Verschleißschutz im Vergleich: Al2O3, SiC und ZrO2
Keramik Verschleißschutz im Vergleich: Al2O3, SiC und ZrO2 mit Härte, Bruchzähigkeit, Verschleißbeständigkeit, Preisen 2024 und Normen DIN EN 843 und 658-3.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Al2O3 ist der Mengen- und Preisstandard unter den Verschleißkeramiken.
- SiC erreicht die höchste Härte und die beste Abrasionsbeständigkeit.
- ZrO2 ist am zähesten, aber teurer und temperaturempfindlicher.
- Orientierungspreise für 2024 ohne MwSt. stehen in der Tabelle.
- Kennwerte liefern DIN EN 843 und DIN EN 658-3.
Härte, Bruchzähigkeit und Dichte
Aluminiumoxid mit 99,5 Prozent Reinheit erreicht eine Vickershärte von etwa 1500 bis 1800 HV1. Dicht gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) liegt bei 2400 bis 2800 HV1. Yttriumstabilisiertes Zirconiumdioxid (Y-TZP) bleibt mit 1200 bis 1400 HV1 weicher.
Bei der Bruchzähigkeit kehrt sich die Rangfolge um. Al2O3 und SSiC liegen beide bei rund 3,5 bis 4,5 MPa·m0,5. Y-TZP erreicht durch Umwandlungsverstärkung 8 bis 12 MPa·m0,5 und verträgt Schlagbeanspruchung deutlich besser.
Auch die Dichte zählt bei der Auslegung: Al2O3 rund 3,9 Gramm je Kubikzentimeter, SiC 3,1 Gramm je Kubikzentimeter, ZrO2 etwa 6,0 Gramm je Kubikzentimeter. Ein Bauteil aus ZrO2 wiegt damit fast doppelt so viel wie eines aus SiC.
Härte und Bruchzähigkeit werden nach genormten Verfahren bestimmt. Für diese Prüfverfahren und die zugehörigen Werkstoffkennwerte ist der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) beim DIN zuständig.
Übersicht der drei Keramiken, Preise 2024 ohne MwSt.:
| Kennwert | Al2O3 | SiC (SSiC) | ZrO2 (Y-TZP) |
|---|---|---|---|
| Härte HV1 | 1500 bis 1800 | 2400 bis 2800 | 1200 bis 1400 |
| Bruchzähigkeit in MPa·m0,5 | 3,5 bis 4,5 | 3,5 bis 4,5 | 8 bis 12 |
| Dichte in g/cm3 | 3,9 | 3,1 | 6,0 |
| Abrasivverschleiß | hoch | sehr hoch | mittel |
| Pulverpreis in Euro/kg | 8 bis 20 | 3 bis 8 | 30 bis 60 |
| Fertigteilpreis in Euro/kg | 60 bis 150 | 90 bis 250 | 150 bis 400 |
Verschleißbeständigkeit nach Beanspruchungsart
Verschleiß ist keine reine Werkstoffeigenschaft, sondern ein Ergebnis des Tribosystems. Gegenkörper, Flächenpressung, Temperatur und Medium bestimmen, welche Keramik vorn liegt.
Bei abrasivem Verschleiß durch mineralische Schüttgüter führt SiC. Seine Härte liegt über der von Quarz und vielen Erzen, deshalb bleibt die Oberfläche länger intakt. Al2O3 folgt mit Abstand, reicht für viele Förderaufgaben aber aus.
Bei adhäsiver Belastung im Metallkontakt zählt die Chemie mehr als die Härte. Al2O3 verhält sich gegenüber Stahl und Aluminium weitgehend inert. ZrO2 leitet Wärme schlecht, wodurch in der Kontaktzone Wärmestau entstehen kann.
Bei erosiver Belastung durch auftreffende Partikel schneidet SiC erneut am besten ab. ZrO2 punktet dagegen bei schlagartiger Beanspruchung mit groben Stücken, weil seine Bruchzähigkeit Risse abstoppt.
Feuchtigkeit zwischen 100 und 300 Grad Celsius schädigt Y-TZP durch hydrothermale Alterung. Al2O3 und SiC kennen diese Einschränkung nicht.
Preis pro Kilogramm im Jahr 2024
Preise für technische Keramik schwanken, weil Reinheit, Korngröße, Formgebung und Stückzahl den Aufwand bestimmen. Die folgenden Werte sind Orientierungen für 2024, ohne MwSt.
Siliciumcarbid-Pulver kostet im Handel meist 3 bis 8 Euro pro Kilogramm. Al2O3-Granulat liegt bei 8 bis 20 Euro pro Kilogramm. Zirconiumdioxid startet wegen der aufwendigen Aufbereitung bei etwa 30 bis 60 Euro pro Kilogramm.
Fertige Sinterteile kosten ein Mehrfaches, weil Sintern, Diamantschleifen und Maßkontrolle hinzukommen. Für Platten und Auskleidungen sind 60 bis 150 Euro pro Kilogramm bei Al2O3 realistisch. SiC liegt bei 90 bis 250 Euro, ZrO2 bei 150 bis 400 Euro.
Rechenbeispiel: Verschleißplatte 100 x 100 x 10 Millimeter
Eine Auskleidungsplatte mit diesen Maßen hat ein Volumen von 100 Kubikzentimetern. Bei Al2O3 mit 3,9 Gramm je Kubikzentimeter wiegt sie 390 Gramm. Bei 100 Euro pro Kilogramm sind das 39 Euro Materialkosten.
Ein SiC-Bauteil kommt auf 310 Gramm, aus 150 Euro pro Kilogramm folgen 46,50 Euro. Das ist nur wenig mehr als bei Al2O3.
ZrO2 bringt 600 Gramm auf die Waage, bei 250 Euro pro Kilogramm also 150 Euro. Diese Beispielrechnung enthält keine Bearbeitung und keine MwSt.
Normen: DIN EN 843 und DIN EN 658-3
DIN EN 843 beschreibt mechanische Eigenschaften monolithischer Hochleistungskeramik bei Raumtemperatur, darunter die Biegefestigkeit. DIN EN 658-3 regelt die Biegefestigkeit keramischer Verbundwerkstoffe. Beide Normen liefern Kennwerte für Datenblätter.
Einen Verschleißwert enthalten sie nicht. Verschleiß wird anwendungsnah geprüft, mit definiertem Gegenkörper, definierter Last und definierter Zeit. Solche Prüfungen betreuen die DIN-Normenausschüsse, deren Zuständigkeit von Werkstoff- über Prüf- bis zu Konstruktionsnormen reicht.
Auswahl in vier Schritten
- Beanspruchungsart festlegen: Gleitverschleiß, Prallverschleiß oder Schlag.
- Härte des Gegenkörpers prüfen; liegt sie über der Keramikhärte, führt an SiC kaum ein Weg vorbei.
- Temperatur und Medium abgleichen, besonders Feuchte über 100 Grad Celsius.
- Zähigkeitsbedarf und Budget zusammenführen, dann Angebot für das Fertigteil einholen.
Häufige Fragen
Wann ist ZrO2 die bessere Wahl?
Wenn Schlag, Biegung oder Kantenbruch drohen und die Temperatur unter etwa 100 Grad Celsius bleibt. Typische Fälle sind Dosiereinheiten, Fadenführer und Schneidwerkzeuge.
Warum ist SiC nicht grundsätzlich überlegen?
Höhere Härte bedeutet nicht überall weniger Verschleiß. Bei schlagartiger Belastung bricht SiC schneller als ZrO2, und große Bauteile sind teurer.
Was regelt DIN EN 843?
Sie legt fest, wie die Biegefestigkeit monolithischer Hochleistungskeramik bei Raumtemperatur bestimmt wird. Wer die drei Keramiken vergleicht, sollte beachten, dass DIN-Normen freiwillige Regeln der Technik sind und Datenblätter danach erstellt werden.
Ersetzt DIN EN 658-3 einen Verschleißtest?
Nein. Die Norm regelt die Biegefestigkeit keramischer Verbundwerkstoffe. Verschleiß lässt sich nur in einem Prüfstand mit realem Gegenkörper und realem Medium abschätzen.
