Praxisberichte

Siliciumcarbid - Lösungsgarant für besondere Ansprüche

Die keramische Lösung für vielfältige Anwendungen

Siliciumcarbid als keramischer Werkstoff zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus, vor allem aber durch seine extreme Widerstandsfähigkeit beim Einsatz gegenüber korrosiven oder abrasiven Medien. Der Austausch von Informationen mit einem Technischen Spezialisten bringt hier raschen Aufschluss, ob und in welchem Umfang sich solche Vorteile beim Einsatz in einem Bauteil übertragen lassen.

„Richtet man den Blick auf die konkreten Anwendungsbereiche und die besonderen Funktionen, die Siliciumcarbid in diesen Bereichen übernehmen kann, dann verkaufen wir unseren Kunden mit unseren SiC-Werkstoffen eigentlich eine Lösungsgarantie“, resümiert Thiemo Schertler, Vertriebsleiter bei 3M Technical Ceramics in Kempten. Eine kühne Aussage, die Schertler jedoch mit langjährigen Erfahrungen beim Einsatz von Siliciumcarbid (kurz „SSiC“ bzw. „SiC“) in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern seiner Kunden untermauern kann: „Wir haben hier Unternehmen, die unsere Materialen schon seit Jahrzehnten für ihre Zwecke verwenden. Ob Neu- oder Bestandskunde: Bei richtiger konstruktiver Auslegung kommt SiC seiner spezifischen Funktion in erwarteter Leistung nach und erfüllt zuverlässig den hohen Anspruch unserer Kunden.“

Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sind Aspekte, die sich in hochgradiger Robustheit und maximalen Wartungsintervallen für die Bauteile widerspiegeln: Darin liegen für Schertler die zentralen Argumente, mit denen sich der Einsatz dieses hochwertigen Keramikwerkstoffs in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern erklären lässt. Der Vorteil: „Auch potenzielle Neukunden gehen quasi kein Risiko ein. Über die Kontaktaufnahme mit unserem Customer-Project-Management-Team haben sie bei uns die Möglichkeit, zu prüfen, ob der Einsatz von Siliciumcarbid für ihr Bauteil tatsächlich infrage kommt.“

Abhängig von den Eigenschaften, die für den individuellen Anwender eine Rolle spielen, ist das Einsatzspektrum für SiC branchenübergreifend breit gesteckt. Im großen Umfang wird der Werkstoff in der Verfahrenstechnik im Bereich der industriellen Pumpen eingesetzt, insbesondere für Gleitlagerungen und mechanische Dichtungen. SiC kommt aber auch in Öl- und Gasraffinerien, im Unterwasserbereich oder auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Anwendung. Thomas Thiele, Key Account Manager bei 3M Technical Ceramics: „Beim Betrieb von Pumpen besteht beispielweise der größte anzunehmende Unfall in einer Havarie der Anlage. Allein schon um einen solchen Zwischenfall zu verhindern, der z. B. durch den Einsatz weniger geeigneter Materialien entstehen kann, werden die Betreiber im Zweifelsfall immer auf Nummer sicher gehen und einen Werkstoff wählen, der ein solches Risiko auf ein Minimum reduziert.“

Zu den besonderen Werkstoffeigenschaften, die sich über den Einsatz von SiC auf die jeweilige Baugruppe übertragen lassen, zählen dabei vor allem:

1. Chemische Beständigkeit und Verschleißbeständigkeit

SiC weist eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit und einen minimalen Verschleiß beim Einsatz abrasiver Medien auf. „Bei Bauteilen, die beispielsweise partikelbelasteten Medien oder höchst aggressiven chemischen Substanzen ausgesetzt sind und zugleich maximale Betriebssicherheit aufweisen müssen, sollte immer auch der Einsatz von gesintertem Siliciumcarbid geprüft werden“, rät Ulrich Dirr, Spezialist für Customer-Project-Management bei 3M Technical Ceramics. „Diese Materialeigenschaften bieten maximalen Schutz für den Betreiber und die Umwelt“, sagt Dirr – ein starkes Argument.

2. Hochtemperaturbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Eine enorme Widerstandsfähigkeit sowie eine außerordentlich hohe Formstabilität zeigen SiC-Werkstoffe auch bei Anwendungen, die bei hohen und höchsten Temperaturen durchgeführt werden: Siliciumcarbid gehört in dieser Hinsicht zu den leistungsstärksten Industriewerkstoffen überhaupt. Häufig ist die hohe Temperaturbeständigkeit von SiC in Kombination mit seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Ein Beispiel dafür ist die Temperaturmessung unter extremen Umgebungsbedingungen, wo SiC als Schutzgehäuse für empfindliche Sensoren bei Messungen in schwebstoffbelasteten Rauchgasen fungiert. Das Siliciumcarbid-Gehäuse schützt die Sensoren nicht nur sehr wirksam vor den abrasiven Rauchgaspartikeln, es ermöglicht auch Temperaturmessungen von hoher Präzision und Ansprechgeschwindigkeit.

3. Festigkeit und Härte

Die Kombination von relativ hoher Festigkeit und verhältnismäßig geringer Dichte im Vergleich zu metallischen Werkstoffen machen SiC zum idealen Konstruktionswerkstoff für Anwendungen im Leichtbau.

Dirr: „Bestehende oder potenziell neue Kunden kommen meist auf Basis ihrer früheren Erfahrungen zu uns. Die bis dato eingesetzten, zumeist metallischen Werkstoffe verfehlen für ihre Anwendung entweder die gewünschten Ergebnisse, die selbstgesteckten Firmenziele oder erfüllen die immer höheren Qualitätsansprüche ihrer Endkunden nicht. Gründe dafür sind eine ungenügende Lebensdauer, starker Verschleiß oder chemischer Angriff des entsprechenden Bauteils – und die Folgen beim Betrieb der jeweiligen Anlage. Folgen reichen von Qualitätsbeeinträchtigungen der geförderten Produkte in den nachgelagerten Prozessschritten durch unerwünschte Fremdpartikel, zugesetzte Filter bis hin zum vollständigen Ausfall und Stillstand der gesamten Produktionskette.“

Dies, so Thiele von 3M, gelte nicht nur für den Einsatz von Materialien aus Metall oder Kunststoff, sondern auch für weniger geeignete Werkstoffe unter bestimmten Belastungskollektiven. „Wir haben aktuell einen Kunden, der Wolframcarbid für seine Gleitlager verwendet hat. Im Laufe der Einsatzzeit hat sich herausgestellt, dass dieser Hartmetall die erwartete Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer im Bauteil nicht erfüllt. Infolgedessen suchte der Kunde nach einer langfristig wirksameren Lösung, die das Ausfallrisiko auf das absolute Minimum reduziert. Für seine Zwecke erwies sich der Einsatz eines Bauteils aus Siliciumcarbid als genau die richtige Lösung!“

Signifikant sind für Ulrich Dirr für den Einsatz von SiC-Werkstoffen vor allem zwei Parameter: „Wir prüfen genau, in welcher Umgebung das Siliciumcarbid eingesetzt wird, welche Funktionen es dort übernehmen soll, und wie entscheidend diese Funktion für die gesamte Anlage ist. Dabei gilt: Je wesentlicher die Rolle des Bauteils für den Betrieb und die Funktionalität ist, desto mehr kann sich der Einsatz bezahlt machen.“

Gerade auch bei Erstkontakten mit fachfremden Kunden, so Dirr, kann ein erfahrener Technischer Berater oft sehr schnell feststellen, ob sich die gewünschten Anforderungen im Hinblick auf Verschleiß-, Abrieb- oder Hitzebeständigkeit durch den Einsatz von SiC-Keramik erreichen lassen.

So bietet 3M Technical Ceramics unter dem Produktangebot der „3MTM Sintered Silicon Carbide Family“ gleich fünf unterschiedliche gesinterte Siliciumcarbide an, welche optimal an die spezifischen Anwendungen angepasst sind.

Dies sind

  • Typ F: feinkörnig, dicht, für Allround-Einsätze geeignet

  • Typ C: grobkörnig, für Einsätze mit Fokus auf Korrosion

  • Typ G: ein Graphit-Composite, für Einsätze mit Fokus auf Tribologie

  • Typ P: für Einsätze mit Fokus auf Porosität

  • Typ T-plus: ein Composite mit Glasphase, für höchste mechanische Beanspruchung.

Um die Machbarkeit in einem konkreten Fall zu untersuchen, ist eine Bauteilzeichnung unumgänglich. Nach dem Austausch aller relevanten Informationen – Anforderungen, Dimensionen, Stückzahlen, Zielpreis – bekommt der Interessent vom Technischen Experten letztlich eine Entscheidungsgrundlage geboten. Auf Basis dieser kann er präzise beurteilen, ob der Einsatz gesinterter Keramik den von ihm gewünschten Mehrwert erbringt.

Unabhängig von seiner Entscheidung, für oder gegen die Technische Keramik, ist die für die Beratung aufgewendete Zeit in jedem Fall gut investiert!

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