Hochleistungskeramik

Hochleistungskeramiken werden als Strukturkeramik sehr häufig in Anwendungen mit tribologischen Beanspruchungen eingesetzt, weil sie temperaturbeständig, medienbeständig und verschleißbeständig sind. Darüber hinaus ermöglichen sie sehr niedrige Reibwerte – bis hin zu Supraschmierung – und tragen dazu bei, die Energieeffizienz in tribologischen Systemen zu verbessern.

Der sichere Einsatz und die Nutzung der Vorteile von Keramiken erfordern nicht nur eine tribologische Optimierung, sondern auch eine möglichst werkstoffgerechte Gestaltung auf der Basis der Werkstoffkennwerte.

Wir helfen Keramikherstellern, ihre Werkstoffe im Hinblick auf spezifische Einsatzfälle zu optimieren. Für die Anwender von Keramikbauteilen prüfen und simulieren wir keramische Werkstoffe und Komponenten einsatznah. 

FuE-Leistungen zu Hochleistungskeramik für Ihr Unternehmen

Mechanische Prüfungen  

• Mechanische Festigkeit und E-Modul bei Temperaturen bis 1200 °C
• Bruchzähigkeit mit der SEVNB- und CNB-Methode
• Dynamische und zyklische Festigkeit, unterkritisches Risswachstum
• Biaxiale Festigkeit: Ball-on-3-balls-Prüfung

Tribologische Bauteilprüfungen

• Prüfung von Gleitringdichtungen bei Drücken bis 15 bar und Temperaturen bis 120 °C
• Prüfung von Wälz- und Gleitlagern
• Gleitringdichtungen unter elektrochemischem Einfluss
• Gleitlagerprüfung bei Hohen Temperaturen 

Schadensanalysen

• Schadensanalyse nach VDI Richtlinie 3822
• Keramografie und Fraktografie

Werkstoff- und Bauteilsimulation

Modellierungen mit Finiten Elementen:

• Belastungsanalysen mit und ohne tribologischen Kontakt
• Risswachstum in keramischen Mikrostrukturen
• Zuverlässigkeit und Lebensdauer 

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Ausgewählte Forschungsprojekte

Tribologische Untersuchungen von Diamant-SiC-Kompositen für Anwendungen im Subsea-Bereich

Für eine Rohstoffförderung aus dem Meer werden Anlagen benötigt, die unter Wasser betrieben werden können. Die Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind extrem. Für mediengeschmierte Gleitlager und Gleitringdichtungen werden Werkstoffe und Komponenten gebraucht, die diese Anforderungen erfüllen können. In einem Verbundprojekt wurden hierfür Komponenten aus SiC-gebundenem Diamant entwickelt. 

Weitere Informationen:

Projektprofil: SubSeaSlide: Tribologische Untersuchungen von Diamant-SiC-Kompositen für Anwendungen im Subsea-Bereich - Fraunhofer IWM

Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Reibpaarungen in Pumpen

Ein wesentlicher Teil des Energieverbrauchs in Pumpen ist auf Reibungsverluste der Gleitlagerungen und Gleitringdichtungen zurückzuführen. Obwohl in den letzten Jahren der Energieverbrauch durch Reibungsoptimierung deutlich reduziert werden konnte, besteht weiterhin Bedarf an neuen Lösungsansätzen zur Reibminimierung und damit Effizienzverbesserung der Pumpen. Im Verbundprojekt EWARP wurden so genannte Hart/Weich-Paarungen betrachtet, bei denen eine DLC-beschichtete Gleitkomponente als Axiallager, Radiallager oder Gleitringdichtung mit einem Gegenläufer aus Kohlegrafit kombiniert wird.

Weitere Informationen:

Projektprofil: EWARP: Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Reibpaarungen in Pumpen - Fraunhofer IWM

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Publikationen

• Raga, R.; Khader, I.; Chlup, Z.; Kailer, A., Damage initiation and evolution in silicon nitride under non-conforming lubricated hybrid rolling contact, Wear, 360-361 (2016) 147–159 Link
• Kailer, A.; Stephan, M., On the feasibility of the Chevron Notch Beam method to measure fracture toughness of fine-grained zirconia ceramics, Dental Materials, 32/10 (2016) 1256–1262 Link
• Khader, I.; Rasche, S.; Lube, T.; Raga, R.; Degenhardt, U.; Kailer, A., Lifetime prediction of ceramic components - A case study on hybrid rolling contact, Engineering Fracture Mechanics, 169 (2017) 292-308 Link
• Schröder, C.; Kiemle, T.; Kailer, A.; Berthold, C.; Nickel, K. G., Cyclic contact loading of Y-TZP ceramics with spherical SSiC shape under ambient air and water-lubricated conditions, Journal of the European Ceramic Society, 37/6 (2017) 2449 – 2458 Link
• Balázsi, C.; Fogarassy, Z.; Tapasztó, O.; Kailer, A.; Schröder, C.; Parchoviansky, M.; Galusek, D.; Dusza, J.; Balázsi, K., Si3N4/graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, Journal of the European Ceramic Society,  37/1 (2017) 3797–3804 Link
• Thiele, M.; Eckmann, S.; Huang, M.; Gampe, U.; Fischer, K. A.; Schlesinger, M., Experimental and numerical investigation on the influence of thermally induced stress gradients on fatigue life of the nickel-base alloy MAR-M247, Proc. of ASME Turbo Expo 2019: Turbomachinery Technical Conference and Exposition; Volume 7A: Structures and Dynamics; ASME, New York (2019) GT2019-91540, V07AT31A013; 11 pages Link
• Khader, I.; Renz, A.; Kailer, A., A wear model for silicon nitride in dry sliding contact against a nickel-base alloy, Wear, 376-377/Part A (2017) 352-362 Link
• Raga, R.; Khader, I.; Chlup, Z.; Kailer, A., Damage progression in silicon nitride undergoing non-conforming hybrid cyclic contact, International Journal of Fatigue, 105 (2017) 97-110 Link
• Förg, A.; Konrath, G.; Popa, S.; Kailer, A.; Killinger, A.; Gadow, R., Tribological properties of high velocity suspension flame sprayed (HVSFS) ceramic coatings, Surface and Coatings Technology, 349 (2018) 901-908 Link
• Zhang, W.; Schröder, C.; Schlüter, B.; Knoch, M. ; Dusza, J.; Sedlak, R.; Mülhaupt, R.; Kailer, A., Effect of mechanochemically functionalized multilayer graphene on the tribological properties of silicon carbide/graphene nanocomposites in aqueous environment, Tribology Letters,  66/4 (2018) Art. 121, 12 Seiten Link
• Kurz, J.; Amann, T.; Kailer, A., Tribological investigations of silicon nitride lubricated by ionic liquid aqueous solutions, Tribology Transactions, 62/2 (2019) 295-303 Link
• Zhao, B.; Khader, I.; Raga, R.; Konrath, G.; Degenhardt, U.; Kailer, A., High temperature tribological properties of silicon nitride in dry sliding contact against Inconel 718 heated by laser, Wear, 434-435/ (2019) Art. 203000, 9 Seiten Link
• Zhao, B.; Khader, I.; Raga, R.; Degenhardt, U.; Kailer, A., Tribological behavior of three silicon nitride ceramics in dry sliding contact against Inconel 718 in a wide range of velocities, Wear, 448-449/ (2020) Art. 203206, 9 Seiten Link
• Khader, I.; Koplin, C.; Schröder, C.; Stockmann, J.; Beckert, W.; Kunz, W.; Kailer, A., Characterization of a silicon nitride ceramic material for ceramic springs, Journal of the European Ceramic Society, 40/10 (2020) 3541-3554 Link
• Kurz, J.; Amann, T.; Kailer, A., Tribological investigations of silicon nitride lubricated by ionic liquid aqueous solutions, Tribology Transactions, 62/2 (2019) 295-303 Link
• Begand, S.; Spintzyk, S.; Geis-Gerstorfer, J.; Bourauel, C.; Keilig, L.; Lohbauer, U.; Keilig, L.; Worpenberg, C.; Greuling, A.; Adjiski, R.; Jandt, K.D.; Lümkemann, N.; Stawarczyk, B.; Güllmar, A.; Kailer, A.; Oberle, N.; Stephan, M., Fracture toughness of 3Y-TZP ceramic measured by the Chevron-Notch Beam method: A round-robin study, Dental Materials,  19/7 (2022) 1128-1139 Link
• Kailer, A.; Brunken, H.; Bahnsen, C.; Woizenko, A.; Wiebel, C.; Rovere, F.; Blug, B.; Thelke, J.; Schicktanz, R., Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Gleitpaarungen in Pumpen, in Tagungsband Reibung, Schmierung und Verschleiß: Forschung und praktische Anwendungen, 62. Tribologie-Fachtagung 2021; Gesellschaft für Tribologie e.V.; Gesellschaft für Tribologie e.V, Aachen (2021) 44/1 bis 44/5 Link
• Schlüter, B.; Schröder, C.; Zhang, W.; Mühlhaupt, R.; Degenhardt, U.; Sediák, R.; Dusza, J.; Batázsi, C.; Kailer, A., Influence of graphene type and content on friction and wear of silicon carbide/graphene nanocomposites in aqueous environment, Materials,  15/21 (2022) Art. 7755, 18 Seiten Link
• Koplin, C.; Schwarzer-Fischer, E.; Zschippang, E.; Löw, Y. M.; Czekalla, M.; Seibel, A.; Rörich, A.; Georgii, J.; Güttler, F.; Yarar-Schlickewei, S.; Kailer, A., Design of reliable remobilisation finger implants with geometry elements of a triple periodic minimal surface structure via additive manufacturing of silicon nitride, J — Multidisciplinary Scientific Journal,  6/1 (2023) 180-197 Link
• Kailer, A.; Matthey, B.; Kunze, S.; Herrmann, M.; Tschirpke, C., SiC-bonded diamond ceramics for extreme conditions in subsea applications, International Journal Applied Ceramic Technology 21/4 (2024) 2690-2701 Link
• Herrmann, M.; Matthey, B.; Kunze, S.; Zins, M.; Kailer, A.; Koplin, C.; Borsoi Klein, T.; Börnstein, J., Silicon-carbide-Bonded diamond components for harsh environments–Cost-Effective components with outstanding properties, Ceramic Applications 6 (2018) 64-68 Link

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