Zuigerstang nu onverwoestbaar

Technisch keramiek heeft veelbelovende eigenschappen, maar het ontbrak aan praktische toepassingen. Daar is nu verandering in gekomen

Soms schieten gewone materialen tekort. Technici zijn dus voortdurend op zoek naar nieuwe materialen die het wél volhouden onder extreme condities. Technisch keramiek biedt goede kansen. Ook de leek kent keramiek: hij drinkt er thee uit. Een porseleinen theekopje toont de eigenschappen: onaantastbaar hard, kras- en slijtvast - en bros. Oudere elektro-knutselaars kennen vast nog wel die wit-porseleinen kroonsteentjes en lichtschakelaars: keramiek is een isolator. In 't element van een straalkacheltje combineren keramische dragers elektrische isolatie met hittebestendigheid. In de chemische industrie wordt keramiek al tientallen jaren toegepast, bijvoorbeeld in pompen voor corrosieve vloeistoffen.

De meeste keramieksoorten bestaan uit fijnkorrelige oxiden, nitriden en carbiden van metalen en metalloïden als aluminium, zirkoon, calcium, yttrium, titaan en silicium. Ze moeten na het vormen bij hoge temperatuur gebakken worden. Pas bij dit "sinteren' ontstaan de samenhang en de gewenste eigenschappen.

De laatste jaren is veel onderzoek verricht naar het gebruik van keramiek in gasturbines en verbrandingsmotoren, voor de bekleding van de cilinderwand bijvoorbeeld. Hier is de zeer hoge toelaatbare temperatuur doorslaggevend. Hoe hoger de temperatuur waarbij verbranding plaats vindt, hoe hoger het rendement. Het betreft nog experimentele toepassingen. De brosheid van keramiek speelt de gebruiker namelijk ernstig parten. Men poogt de sterkte en slagvastheid te verbeteren door aan massief keramiek versterkende vezels of deeltjes toe te voegen (keramische composieten). De produktieprocessen zijn moeilijk, zodat praktijktoepassingen op dit gebied nog wel even zullen uitblijven.

Dat is niet het geval op een ander recent toepassingsgebied. Onlangs opende Hydraudyne B.V. te Boxtel een nieuwe produktiefaciliteit voor keramisch beklede zuigerstangen van hydraulische cilinders. De eerste fabriek van dit type op de wereld. De keramisch beklede zuigerstang werd in 1989 geïntroduceerd; inmiddels zijn heel wat Hydraudyne cilinders voorzien van deze innovatie.

Welke eisen worden aan deze jongste keramiek-toepassing gesteld? Hydraulische cilinders worden gebruikt in uiterst zware toepassingen: grondverzetten, baggeren, tunnelboren, waterbouw (bewegingsmechanismen van sluizen en bruggen), de staalfabricage. Er is steeds sprake van grote, stotende mechanische belasting en een overmaat aan stof, slib, zand en andere slijtende deeltjes. Op zee zijn de omstandigheden voor (elektrochemische) corrosie ideaal. In een staalfabriek vliegen vonken en staalspatten rond. Een zuigerstang moet zo veel mogelijk immuun zijn voor dit soort aantastingen. Kleine beschadigingen van de oppervlakte kunnen leiden tot olielekkage en functieverlies van een cilinder.

Gezien de mechanische belasting kan een zuigerstang niet uit massief keramiek bestaan. Dit is te bros. Men gebruikt een stalen kern en brengt daarop een keramische laag aan (200-350 micrometer dik). Voor de slagvastheid is de hechting van de laag essentieel. Men gebruikt een speciale binding. De werktemperatuur blijft laag, dus verschillen in uitzetting tussen keramiek en substraat veroorzaken geen problemen.

Na het aanbrengen van de keramiek wordt het oppervlak gehoond (nageslepen). De kras- en slijtvastheid van de uiteindelijke laag is groter dan van elk ander type zuigerstang. Dat is in zandstraalproeven aangetoond, maar ook in de praktijk. Aan boord van de hopperzuiger "De Maas', werkzaam in Zeeland, volgde men het gedrag van een uitgezette keramisch beklede zuigerstang. Op die plaats had een hardverchroomde stalen zuigerstang het een jaar volgehouden; een chroom-nikkel gecoate stang bracht het tot drie jaar. De keramisch beklede stang werd na vier jaar uitgebouwd. Hij was aan de oppervlakte nog volledig intact en men wilde aan de hand van destructief onderzoek vaststellen dat er ook onderhuids niets mee gebeurd was. Er mankeerde niets aan. Bij baggeraars kon het produkt dus niet meer stuk.

Keramiek is een isolator. Daarmee is automatisch een belangrijk corrosiemechanisme uitgeschakeld, want voor elektrochemische aantasting moet het materiaal geleidend zijn. Er bestaan echter andere corrosiemechanismen. Zo zou bij een poreuze deklaag het substraat via de poriën aangetast kunnen worden. Wordt keramiek door bakken gemaakt dan is het inderdaad poreus. Daarom worden porseleinen serviezen geglazuurd. Bij motoren maakt men nuttig gebruik van de poriën om smeermiddel op te nemen. De keramiek voor zuigerstangen wordt echter niet gesinterd, maar met een plasmatoorts (een vlamspuiter met behulp van een geöniseerd gas) op het substraat gebracht. De opbrengtemperatuur is zo hoog dat de laag vervloeit en er is dan geen sprake van porositeit. En dus kan de kern van de zuigerstang uit doodgewoon niet-corrosiebestendig staal bestaan. Ten opzichte van roestvrijstalen typen geeft dat een prettige kostenbesparing, vooral bij grote zuigerstangen.

De corrosieresistentie van keramisch beklede zuigerstangen is uitgebreid onderzocht. Op een sluis in Brunsbüttel (D) zette men in 1985 bij wijze van proef een zo'n cilinder in. Nog voor de proef was afgelopen wilde het Wasseramt alle zuigerstangen vervangen hebben door soortgelijke - zo veel beter voldeed de nieuwe uitvoering.

Op een keramische laag willen lasspatten niet hechten. Ook daar waar metaal met de vlam wordt gesneden wordt deze aangename eigenschap gewaardeerd. Een onverwacht voordeel van keramiek doet zich voor bij cilinders die in theaters en disco's gebruikt worden om toneel of vloer te bewegen. Waar klassieke chroom-glanzende zuigerstangen in een toevallige spotlight brutaal zouden opblikkeren blijft zo'n met diepzwart keramiek beklede zuigerstang bescheiden op de achtergrond.