Fachinformationen rund um's Kleben von

Keramik kleben

Keramik wird heutzutage in wachsendem Maße für technische Anwendungszwecke genutzt: Etwa bei Gleitlagern, Gleitringdichtungen oder für elektrische Anwendungen. In der Industriekeramik zählt das Kleben zu den etablierten und bewährten Verbindungsmethoden. Leistungsfähige Sekundenkleber oder 2-Komponenten-Klebstoffe auf Basis von Epoxidharz eignen sich perfekt für derartige Anforderungen.

Allgemeines zum Material Keramik

Grundsätzlich ist Keramik der Oberbegriff für mittels Brennen von Tonmineralen erzeugte,  formbeständige Erzeugnisse, die als technische Bauteile, Werkzeuge, Zier- und Gebrauchsgegenstände Verwendung finden. Dazu zählen auch die Typen Steingut, Steinzeug, Porzellan. Keramik besteht zum überwiegenden Teil aus feinkörnigen mineralischen Rohstoffen, die bei Raumtemperatur unter Wasserzugabe geformt und anschließend getrocknet werden (sogenannte Grünkörper). In einem folgenden Brennprozess jenseits von 700 °C werden sie zu dauerhafteren Gegenständen gehärtet. Ab circa 1200 °C (je nach Mineralart) beginnt ein Sinterungsprozess, der die Porosität des Materials beseitigt. Dadurch erhält man beständig flüssigkeitsdichte Gefäße.

Keramik wird heutzutage in wachsendem Maße für technische Anwendungszwecke genutzt: Etwa bei Gleitlagern, Gleitringdichtungen oder für elektrische Anwendungen. In der Industriekeramik zählt das Kleben zu den etablierten und bewährten Verbindungsmethoden. Leistungsfähige Sekundenkleber oder 2-Komponenten-Klebstoffe auf Basis von Epoxidharz eignen sich perfekt für derartige Anforderungen.

Allgemeines zum Material Keramik

Grundsätzlich ist Keramik der Oberbegriff für mittels Brennen von Tonmineralen erzeugte, formbeständige Erzeugnisse, die als technische Bauteile, Werkzeuge, Zier- und Gebrauchsgegenstände Verwendung finden. Dazu zählen auch die Typen Steingut, Steinzeug und Porzellan. Keramik besteht zum überwiegenden Teil aus feinkörnigen mineralischen Rohstoffen, die bei Raumtemperatur unter Wasserzugabe geformt und anschließend getrocknet werden (sogenannte Grünkörper). In einem folgenden Brennprozess jenseits von 700 °C werden sie zu dauerhaften Gegenständen gehärtet. Ab circa 1200 °C (je nach Mineralart) beginnt ein Sinterungsprozess, der die Porosität des Materials beseitigt. Dadurch erhält man beständig flüssigkeitsdichte Gefäße.

Prinzipiell wird zwischen zwei Arten von Keramik unterschieden:

  • Grobkeramik – hierzu zählt beispielsweise die umfangreiche Gruppe der Baukeramik (z. B. Dach- und Bauziegel); solche Erzeugnisse sind vielfach inhomogen und eher von zufälliger Färbung.
  • Feinkeramik ist hingegen meist feinkörnig (mit einer Korngröße bis 0,05 mm) und mit einer bestimmten Färbung versehen (zum Beispiel bei Sanitärkeramik, Haushaltskeramik oder Tischgeschirr).

Darüber hinaus unterscheiden sich nach dem Einsatzzweck:

  • Baukeramik (Dachziegel, Kanalisationsrohre, Backsteine, Boden- und Wandfliesen)
  • Sanitärkeramik (WC-Schüsseln, Waschbecken)
  • Gefäßkeramik (Tisch-/ Trink-/ bzw. Kochgeschirr)
  • Ofenkeramik (Kachel-/ Ofenfliesen etc.)
  • Technische- bzw. Industriekeramik (z.B. Gleitlager, elektrische Isolatoren, Schneidkeramik)

Industriekeramik

Keramik kommt heute in wachsendem Maße für technische Anwendungen zum Einsatz. Als Industrie-/ Ingenieurkeramik oder technische Keramik werden Keramikwerkstoffe bezeichnet, deren Eigenschaften für ganz bestimmte technische Einsatzzwecke optimiert wurden. Zwar wird diese mittels ähnlicher Prozesse wie auch die o.a. Keramik hergestellt, jedoch bei meist deutlich höheren Sintertemperaturen. Grundmaterial sind u.a. Mineraloxide wie Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid, aber auch Carbide wie Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid. Außerdem unterscheidet sie sich durch die enger tolerierten Korngrößen der Ausgangsstoffe, deren Reinheit und besondere Brennverfahren. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche gewünschte Eigenschaften des gleichen Stoffgemisches erzielen.

Einsatzgebiete technischer Keramik

Ingenieurkeramische Werkstoffe kommen heutzutage in Bereichen zum Einsatz, in denen vormals oft noch Metalle verwendet wurden: So ist Schneidkeramik etwa deutlich härter als Stahl. Keramik-Heizrohre für Härte-, Schmiede-, und Metallglühöfen erreichen eine Hitzebeständigkeit bis jenseits von 1000 °C. Weitere Anwendungsfelder sind: Brennerrohre für Gasentladungslampen, elektrische Isolatoren (z.B. für Zündkerzen, Hochspannungsanwendungen, elektronische Schaltungen), piezoelektrische Wandler oder Keramikkondensatoren. Wegen der Verschleiß- und Abriebfestigkeit kommt Industriekeramik auch für Gleitflächen und Gleitlager bei Pumpen, Zylinder und Kolben zum Einsatz. So dichten Keramik-Gleitringdichtungen etwa Wellendurchführungen durch das Pumpengehäuse gegenüber korrosiven Medien ab. Zudem bestehen Schneiddüsen zum Laser- und Wasserstrahlschneiden aus Keramik, ebenso wie Saugerleisten von Papiermaschinen.

Vergleich typischer mechanischer Kennwerte einiger Keramiken mit Grauguss und Baustahl I


Werkstoff-
eigenschaften
PorzellanSteatitAluminium-
oxid
Zirkonium-
oxid
Siliciumnitrid
(> 99%)PSZSSNHPSNRBSN
Dichteg/cm32,302,703,946,003,303,402,50
Biegefestigkeit
(25° C)
MPa1101405201.0001.000900330
Biegefestigkeit
(1000° C)
MPa------300
E-ModulGPa70110360210330800180
BruchzähigkeitMNm-3/2--5,5> 8 8,58,54,0
Linear thermischer Ausdehnungskoeffizient (20 - 1000° C)10-6K-18,08,58,05,03,53,33,0
Weibull-Modulm--> 10> 15> 10> 10> 10



Werkstoff-
eigenschaften
SIALONSiliciumcarbonitBaustahlGrauguss
SSICRSICSISIC
Dichteg/cm33,003,152,803,127,857,30
Biegefestigkeit
(25° C)
MPa355600120450300 - 46095 - 170
Biegefestigkeit
(1000° C)
MPa355650130450--
E-ModulGPa231450280350200 - 21070 - 130
BruchzähigkeitMNm-3/22,25,03,05,0140,0-
Linear thermischer Ausdehnungskoeffizient
(20 - 1000° C)
10-6K-13,04,84,84,810,012,0
Weibull-Modulm15> 10-> 10--

Quelle: Verband der Keramischen Industrie e.V.

Kleben von Keramik-Bauteilen

Generell wird auf Werkstoffen mit einer hohen Oberflächenenergie wie Keramik, ähnlich wie z.B. bei Glas, eine gute Klebkraft erzielt. Gerade in der Industriekeramik zählt das Kleben deswegen zu den etablierten Verbindungsmethoden. Prinzipiell lassen sich dabei Keramik mit Keramik, wie auch Keramik und verschiedenartige andere Werkstoffen miteinander verbinden. Besonders vorteilhaft für das ansonsten eher spröde Material ist, dass beim Kleben eine stoffschlüssige Verbindung mit flächiger Krafteinleitung erzielt wird, und keine ausgeprägten Spannungsspitzen hervorgerufen werden, wie sie z. B. bei Schraubenverbindungen auftreten. Zudem verfügen Klebeverbindungen hier über meist gute mechanische Dämpfungseigenschaften und sind von Hause aus gas- und flüssigkeitsdicht – wichtig etwa für chemietechnische Nutzungen. Ein wesentlicher Nachteil von Klebeverbindungen ist allerdings ihre begrenzte thermische Belastbarkeit.

Für die Auswahl des optimalen Klebstoffs müssen folgende Kriterien berücksichtigt werden:

  • Bindungsart der Keramik
  • Porosität der Oberfläche
  • Oberflächenbeschaffenheit und Ebenheit
  • Einsatztemperatur (die maximalen Einsatztemperaturen von Klebstoffen liegen bei bis zu  400 °C).

Bei der Auswahl des Klebstoffs ist ferner darauf zu achten, ob es sich um eine flächige Verklebung handelt, zum Beispiel das Fügen von größeren Keramikplatten (möglichst mittels kraftvollem Flächenklebstoff), oder eine Klebeverbindung etwa bei kleineren Bruchstellen – hier kommt es auf einen dünnen Kleberauftrag an. Auch die Transparenz des Keramikklebstoffes nach dem Trocknen kann u. U. maßgeblich bei der Auswahl sein, etwa wenn die geklebte Stelle später möglichst nicht sichtbar sein soll.

Zum Kleben von Keramik oder auch Porzellan kommen vor allem 2-Komponenten-Klebstoffe auf Epoxidharz-Basis zum Einsatz. Beim Zusammenfügen beider Substrate härten derartige Klebstoffe ziemlich schnell chemisch aus und bilden dann eine dauerhafte, belastbare Verbindung. Vorteil: Solche Klebstoffe eignen sich auch für einen großflächigen Einsatz, sie weisen sehr hohe Festigkeiten und eine hohe chemische Beständigkeit auf.

Auf dem Markt sind sowohl flexible als auch harte Klebstoffe erhältlich:

  • Ein harter 2-K Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis ist etwa Scotch-Weld DP 100 von 3M. Das Erzeugnis mit kurzer Verarbeitungszeit führt zu hohen Scherfestigkeiten bei statischen Belastungen und zeichnet sich daneben auch durch Gießfähigkeit, eine zügige und einfache Verarbeitung sowie Transparenz aus. Es verbindet Keramik sicher mit anderen Keramikbauteilen oder auch mit Metallen wie Kupfer, Aluminium, Messing, Stahl und einer Vielzahl von Kunststoffen wie Hart-PVC, ABS oder GFK.
  • Ein flexibler 2-K Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis ist z.B. Scotch-Weld 2216 B/A von 3M. Solche flexiblen Klebstoffe sind in der Lage, die beim Fügen von Keramik-Metall-Verbünden auftretenden Wärmespannungen abzubauen, welche aus dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten und der unterschiedlichen Steifigkeit von keramischen und metallischen Werkstoffen resultieren. Ein Beispiel für solche Verklebungen: Fügen von Rotoren aus SiC-Keramik mit dem Edelstahlgelenk in Exzenterschneckenpumpen.
  • Für kleinere Klebstellen mit Keramik eignen sich aber auch Sekundenkleber hervorragend, deren Härtung durch Luftfeuchtigkeit eingeleitet wird. Diese kleben nicht nur Keramik mit Keramik oder Porzellan, sondern auch mit Holz, Leder, Metall, Gummi und vielen Kunststoffen. Beispielhaft zu nennen sind hier die 3M Scotch-Weld Cyanacrylat-Klebstoffe, die eine gute Alterungs-, Temperatur- und Chemikalien-Beständigkeit erzielen. Für das Kleben auf Werkstoff-Verbünden mit kritischen Oberflächen kann auch ein Aktivator eingesetzt werden.

Vorbereitung der Klebestellen

Zur Reinigung größere Einzelteile mit heißem Wasser abspülen. Möglichst nicht mit den Fingern berühren; fettige Stellen können das Kleben erschweren. Bruchkanten mittels Aceton säubern, damit sie völlig fettfrei sind. Alles gut trocknen lassen.

Kurzübersicht – was klebt was mit Keramik?

Keramik mit 
SteinZ,A,M
PorzellanA,Z
MetallA,Z,C
KeramikA,C,Z
HolzM,Z,C
HartkunststoffeA,Z,C

Z = 2-Komponenten Epoxidharz-Klebstoff

C = Cyanacrylat/ Sekundenkleber

A = Acrylat 2-Komponentenklebstoff

M = Montageklebstoff (z.B. Silikon- und Acryldichtmasse)