Werkstoffe

Siliciumcarbid

Der Allrounder der technischen Keramik

Siliciumcarbid, ein echter Allrounder in der Ingenieurkeramik

Siliciumcarbid (SiC) zählt zu den keramischen Hochleistungswerkstoffen auf Basis hochwertiger, nichtoxidischer Pulver, die ganz gezielt nach den Anforderungen verschiedenster Einsatzgebiete hergestellt werden können. Aufgrund seiner hervorragenden tribologischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht, der universellen chemischen Beständigkeit und der guten Verfügbarkeit ist SiC eine häufig verwendete Ingenieurkeramik. Das Anwendungsspektrum ist äußerst vielfältig.

Im Maschinenbau sowie in Chemieindustrie, Anlagen- und Verfahrenstechnik hat SiC vornehmlich als korrosions- und verschleißbeständiger Werkstoff in Pumpen, Gleitringdichtungen und -lagern eine große Bedeutung erlangt. Zudem kommt der Werkstoff als Schleifmittel (Karborund), für Strahldüsen, Rohre, Führungs- und Umlenkelemente zum Einsatz.

Fähigkeiten von Siliciumcarbid

Hervorzuheben sind die gute Korrosionsbeständigkeit, die exzellente Hochtemperaturbeständigkeit sowie ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit von Siliciumcarbid. Der hohe E-Modul bedingt zudem eine hervorragende Formstabilität. Hinzu kommen die Porenfreiheit und Feinkörnigkeit des Keramikmaterials. Durch seine Beständigkeit gegenüber fast allen Chemikalien sowie Wasser/Dampf bei mehreren hundert Grad Celsius, ist grobkörniges SiC anderen keramischen und metallischen Werkstoffen überlegen. Diese Eigenschaften des Werkstoffes prädestinieren SiC für die Nutzung als Konstruktionswerkstoff für Gleitringdichtungen, -lager sowie Gasdichtungsringe beim Einsatz in aggressiven und hochtemperierten Medien, und dies selbst unter kurzzeitigen Trockenlauf-Bedingungen oder in nur mediengeschmierten Umgebungen.

Siliciumcarbid für Lager und als Gleitringdichtungen 

In der Verfahrenstechnik, in chemischen Anlagen, der Lebensmittel- sowie der Erdöl- und Gasverarbeitungsindustrie sind Pumpen, deren Gleitlager sowie Dichtungen bei der Verarbeitung heißer, chemisch oder oxydativ aggressiver Medien in hohem Maße Korrosion, Abrasion, Strömungs- und Reibverschleiß unterworfen. Hinzu kommt, dass Gleitlager oftmals mediengeschmiert laufen bzw. sogar kurzzeitig trockenlaufsicher sein müssen. Das heißt sie werden nicht durch Fett oder Öl geschmiert und gekühlt, sondern müssen hierzu mit den Prozessmedien auskommen. Dabei darf es nicht zum Fressen oder Verschweißen der Lager kommen. All dies effizient zu beherrschen, erfordert spezielle und hochentwickelte Werkstoffe mit besonderen tribologischen Eigenschaften, wie gutem Gleitverhalten bei gleichzeitig gutem Dichtverhalten.

Der Einsatz von Siliciumcarbid-Gleitlagern ist besser als Lösungen aus Metall

Siliciumcarbid-Gleitlager und -dichtungen haben sich in Pumpen- und Antriebssystemen überaus bewährt. Auch zur Abdichtung von rotierenden Wellen in Kompressoren oder Pumpen (z. B. gegenüber Gehäusen) konnten sich wartungsfreie, gasgeschmierte Gleitringdichtungen, -lager und Gasdichtungsringe aus gesintertem Siliciumcarbid im Vergleich zu Metallen als Lösung mit größter Wirtschaftlichkeit durchsetzen. Das Funktionsprinzip beruht auf einer berührungslosen, mit winzigem Spalt laufenden Bewegung zwischen Rotor und Stator bei minimaler Friktion. Mit derartigen Drehdurchführungen lassen sich gasförmige oder flüssige Medien wie Luft, Hydrauliköl oder Kühlschmiermittel aus einem stationären Zuführungssystem perfekt in eine drehende Einheit einleiten und aus ihr ableiten.

Derartige Bauteile aus Siliciumcarbid (SSiC/SiSiC) finden sich u.a. bei:

  • hermetisch dichten Pumpen (z. B. Kreisel- und Zahnradpumpen)
  • Dicht- und Regelscheiben
  • Ventilen
  • Dichtungstechnik im Automobilbau
  • Schaltventilen in Klima- und Kälteanlagen (leckagefreie keramische Regelscheiben und-ventile aus SiC unterliegen praktisch keinem Verschleiß und verfügen über ein gutes Gleitverhalten)
  • Mühlen
  • Expandern und Extrudern

Auch Spaltrohrmotorpumpen und magnetgekoppelte Pumpen wären ohne Einsatz von Keramikbauteilen aus optimierten SiC-Lagerwerkstoffen nicht herstellbar. Diese bewähren sich etwa in Heißwasserkreisläufen, Stützlagern bei Rührkesseln und Tauchpumpen sowie Magnetantrieben für Rührwerke.

All dies gelingt dank einer besonderen tribologischen Optimierung der Gleitfläche bei SiC-Gleitringdichtungen: In die Lauffläche eingebrachte Mikrostrukturen sorgen dabei für ein dünnes „Trennpolster“, das eine kontaktfreie, leichtgängige Rotation erlaubt. Dabei kann die mikroskopische Oberflächenstruktur z. B. einer Haifischhaut gleichen, was einen merklich verringerten Strömungswiderstand zur Folge hat. Das Gleitverhalten ist vergleichbar mit einem Wasserski, wo selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten gutes Gleiten gewährleistet ist. Die dazu erforderliche Mikro-Keilform der Hohlräume mit der notwendigen Genauigkeit (z.B. Ebenheit 0,6 μm, Oberflächengüte Ra 0,2 μm) wird durch spezielle laserstrukturierte Bearbeitungstechniken erreicht: etwa mittels Neodym-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und gezielten Laserpulsen im Nanosekundenbereich.

Gleitringdichtungen und -Dichtungen aus Siliciumcarbid eignen sich aufgrund ihres extrem verschleißarmen Eigenschaftsprofils besonders für Medien, die stark durch Verunreinigungen, Abrasion und/oder Korrosion beansprucht werden. Also z. B. in der Erdöl- und Gasverarbeitungsindustrie zum Herauspumpen von stark abrasiven und korrosiven Ölschlammgemischen aus dem Bohrloch, für Tankentleerungspumpen oder hochdrehende Chemiepumpen. Hier überzeugen SiC-Lager und -Dichtungen mit langen Standzeiten.

Die vielfältigen Anwendungen von Siliciumcarbid

  • Strahldüsen aus Siliciumcarbid (SiC) zeichnen sich durch konstante Betriebsbedingungen und eine gleichmäßige Strahlleistung sowie geringe Wartungsintervalle aus.
  • Genutzt wird die Keramik wegen der guten Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer Temperatur-Wechelbeständigkeit auch als Komponente für Feuerfest-Anwendungen: Brennerdüsen, Strahl- und Flammrohre (z.B. Siliciumcarbid-Thermoelementschutzrohre aus SSiC) funktionieren bei korrosiven und abrasiven Bedingungen unter sehr hohen Temperaturen und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Ihre Anwendung erfolgt daher in Feuerungsräumen unter extremen Bedingungen oder in Rauchgasentschwefelungsanlagen.
  • Auch Rohre werden aus SiC-Hochleistungskeramik gefertigt.
  • In der chemischen Industrie und Verfahrenstechnik kommen zur Wärmerückgewinnung etwa aus hochkonzentrierter Schwefelsäure oder heißer Natronlauge gewöhnlich nur geschweißte Wärmeübertrager aus hochlegiertem Nickel oder Tantal zum Einsatz. Für längere Standzeiten sorgen hingegen Wärmetauscherplatten aus SiC-Keramik. Vorteil: Siliciumcarbid trotzt hier nahezu allen Säure- und Laugemischungen – und dies selbst bei hohen Prozesstemperaturen. Deshalb eignen sich SiC-Komponenten auch, um korrosive Dämpfe aus Trägergasen abzuscheiden, zur Kondensation korrosiver Dämpfe – ganz allgemein also für alle Medien, die empfindlich im Kontakt mit metallischen Oberflächen reagieren.
  • Keramik-Sandfiltersysteme auf SiC-Basis mit maximaler Filterlebensdauer kommen in der Öl- und Gasförderung zum Einsatz. Sie sind außerordentlich langlebig und überaus unempfindlich gegen Erosion, Korrosion, Säuren, hohen Temperaturen sowie diversen Bohrlochflüssigkeiten.
  • Siliciumcarbid wird angesichts seines hohen Schmelzpunktes und der großen Härte auch als Schleifmittel (Karborund oder Carborundum) angewandt. Als Schleifmittel bei Linsen und Spiegeln im Optikbereich spielt SiC wegen seiner außergewöhnlichen Härte ebenfalls eine bedeutende Rolle.
  • Für den hartballistischen Schutz sind hohe Härte, großer Elastizitätsmodul sowie eine hohe Druckfestigkeit gefragt. Hier gelingt es schwarzgrauer SiC-Keramik, das Geschoss beim Penetrationsprozess zuverlässig abzubremsen. Die verbleibende Restenergie wird dann durch eine weich-elastische Polymermatrix absorbiert. Dank Siliciumcarbid wird der ballistische Schutz verglichen mit Panzerstahl oder Aluminiumoxid mit einem deutlich geringeren Gewicht erreicht. Wichtig ist dies gerade beim Fahrzeugschutz, wo sich leichte Siliciumcarbid-Komponenten positiv auf Kraftstoffverbrauch, Reichweite und Betriebskosten auswirken.
  • Zusammen mit weiteren Materialien wird SiC als Hartbetonzuschlagsstoff verwendet, etwa um die Abriebfestigkeit von Industrieböden zu erhöhen.
  • SiC wird in der Metallurgie verwendet, um Gusseisen mit Kohlenstoff und Silizium zu legieren.
  • SiC fungiert auch als Brennelement-Isolationsmaterial in Hochtemperaturreaktoren.
  • Im Textilmaschinenbau werden keramische Führungs- und Umlenkelemente eingesetzt. Auf diese Weise lassen sich z. B. mit keramischen Fadenfühern aus SiC Verarbeitungsge­schwindigkeiten leicht auf 8.000 m/s steigern. Dies gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine Nutzung über lange Dauer. Aus SiC gefertigte Ringe an Angelruten vermeiden das Einschneiden des Ringes bei großen Belastungen.
  • Wegen seiner elektrischen Leitfähigkeit, seiner Temperaturfestigkeit und seines geringen Oxidationsverhaltens ist SiC auch als Material für Glühzünder geeignet.
  • Dieselpartikelfilter filtern abgehende Rußpartikel durch eine poröse keramische Filterwand aus SiC. Dies funktioniert aber auch bei heißen, staubbeladenen Abgasen aus der Metallurgie.
  • Aufgrund seiner Härte, des niedrigen Gewichtes sowie der geringen Wärmeausdehnung wird SiC auch als Basis für Weltraumteleskopspiegel angewandt. So wog der 3,5 m durchmessende Spiegel des Herschel-Weltraumteleskops lediglich 350 kg, gegenüber 1,5 t Gewicht bei Fertigung mit Standardtechnologien.
  • Halbleitermaterial: Im Vergleich zu konventionellen Si-Leistungshalbleitern bieten SiC-Leistungsbausteine bei gleicher Baugröße drastisch größere Schaltleistungen bei zugleich geringeren Schaltverlusten. Die Folge: Leistungsendstufen mit weniger Bauteilen sowie kleineren Kühlkörpern. Deswegen kommt SiC als Halbleiter-Werkstoff für Varistoren, aber auch für sehr schnelle Schottky-Dioden, blaue Leuchtdioden sowie Sperrschicht-FETs zum Einsatz. Auf SiC beruhende Halbleiterschaltungen lassen wegen der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit von SiC als Substrat Temperaturen bis 600 °C zu.

Herstellung & Formen von Siliciumcarbid

Siliciumcarbid lässt sich u.a. mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) herstellen. Ausgangsstoff sind meist Carbosilane.

SiC ist eine Silicium-Kohlenstoff-Verbindung aus der Familie der Carbide. In reinstem Zustand handelt es sich um hexagonal/rhomboedrisch, meistens blättrig ausgebildete Kristallplättchen (technisches SiC in der Farbe grau bis schwarz). Man unterscheidet:

  • Gesintertes Siliciumcarbid (SSiC)
  • Siliciuminfiltriertes (SiSiC) Siliciumcarbid
  • Siliciumcarbid flüssigphasengesintert (LPSSiC)
  • Heißgepresstes (HPSiC) Siliciumcarbid

Für die industrielle Nutzung haben sich die Varianten SSiC (gesintertes Siliciumcarbid) und SiSiC (siliziuminfiltriertes Siliciumcarbid) etabliert. Letzteres ist vor allem zur Fertigung von komplexen, großvolumigen Bauteilen geeignet.

Eigenschaften

Eigenschaften von Siliciumcarbid

Der Keramik-Werkstoff Siliciumcarbid (SiC) ist der leichteste und gleichzeitig auch härteste Keramikwerkstoff. Durch Atombindungen ist jedes Siliciumatom mit vier Kohlenstoffatomen verbunden. In Aufbau sowie den Eigenschaften gleicht das Material daher Diamant.

 SymbolTyp 
Einheit
LPSSiC
flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid
SSiC
drucklos gesintertes Siliciumcarbid
SiSiC
Siliciuminfiltriertes Sliliciumcarbid
mechanisch:     

SiC-Gehalt

 [%]>94>98,5>80

Offene Porosität

 [Vol.-%]<100,0

Dichte, min.

ρ

[g/cm³]3,2-3,243,08-3,153,05-3,12

Biegefestigkeit (4-Punkt)

o[MPa]600260-500180-450

Elastizitätmodul

E[GPa]420350-450270-400

Härte

HV10[GPa]2223-2614-25

Spannungsintensitätsfaktor

KIC[MPa√m]6,63,0-4,83-5
elektrisch:     

Spezifischer Widerstand bei 20°C

ρv>20[Ωm]103-104103-104101-103

Spezifischer Widerstand bei 600 °C

ρv>600[Ωm]102102103
thermisch:     

Mittlerer Längenausdehnungskoeffizient bei 30-1.000 °C

α30-1.000[10-6K-1]4,14,0-4,84,0-4,8

Spez. Wärmekapazität bei 30-1.000 °C

Cp.30-1.000[Jkg-1K-1]600600-1.00650-1.300
Wärmeleitfähigkeitλ30-100[Wm1K1]10040-120100-160
Temperaturwechselbeständigkeit bewertetgutgutsehr gut
Max. EinsatztemperaturT[°C]1.200-1.4001.400-1.7501.380

Die maximale Einsatztemperatur von gesintertem Siliciumcarbid liegt bei 1800°C (unter Schutzgas). Es verfügt über eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit (SiSiC),

gute Gleiteigenschaften, geringe Wärmedehnung und ist korrosions- und verschleißfest selbst bei hohen Temperaturbereich. SiC ist beständig gegen fast alle organischen und anorganischen Chemikalien wie Phosphor-, Schwefel-, Salpeter- oder Salzsäure.