Werkstoffe

Siliciumnitrid

Der Keramik-Spezialist für besondere Anforderungen

Siliciumnitrid: Kaum Abrieb trotz permanenter Belastung

Siliciumnitrid (Si₃N₄) gilt als Keramik-Werkstoff für extreme Anforderungen in den Bereichen Verschleißwiderstand sowie Abrieb- und Temperaturbeständigkeit. Zudem ist das Material sehr leicht. Diese Eigenschaften sind bei zahlreichen industriellen Anwendungen sehr gefragt, etwa im Maschinen- und Fahrzeugbau für Gleit- und Kugellager oder auch für  Gleitringe und Gleitringdichtungen.. Die Gefügestruktur von Siliciumnitrid macht es zudem interessant für die Metallumformung: In thermoschockbeanspruchten Schneidwerkzeugen zur Zerspanung von Hartmetallwerkstoffen als Umform- und Stanzwerkzeug ebenso wie für Aluminiumschmelzbetriebe.

Siliciumnitrid als keramischer Werkstoff für Wälzlager und (Gleit-)Dichtungen

In Industrien wie der Kraftwerks-, Fahrzeug- und der chemischen Verfahrenstechnik sind schnelldrehende Maschinenbauteile höchsten mechanischen Dauerbelastungen unterworfen – und dies bei wechselnden Einsatztemperaturen. Hier sind langzeit-korrosionsbeständige, hoch belastbare Werkstoffe für einen dauerhaften Einsatz mit langen Standzeiten gefragt.

Fähigkeiten von Siliciumnitrid

Der hohe Verschleißwiderstand von Siliciumnitrid, seine Festigkeit und Steifigkeit, die extrem hohe Abriebbeständigkeit und gute Reibkennwerte vereint mit hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit prädestinieren Siliciumnitrid als keramischen Wälzlagerwerkstoff für die Nutzung in Gleit- und Kugellagern.Si₃N₄-Bauteile verfügen über gute Trockenlauf-Eigenschaften und werden daher bevorzugt in wartungsfreien und wartungsarmen Baugruppen verwendet. Es ist aber auch für den Einsatz mit Medienschmierung bestens geeignet.

Anwendungen von Siliciumnitrid als keramischer Wälzlagerwerkstoff

  • In Kugellagern für hohe Belastungen bei geringer Reibung
  • Als Kugel und Wälzkörper für leichte und äußerst präzise Hybridlager (Wälzkörper bestehen aus Si₃N₄), aber auch Vollkeramiklager (Laufringe und Wälzkörper aus Si₃N₄)
  • Als Wälzlagerwerkstoff in Turboladermotoren
  • Bei drehenden und bewegten Verschleißteilen (z. B. in Papiermaschinen)
  • Dank des niedrigen Gewichtes ist es insbesondere für hoch dymanische Lagerungsaufgaben wie etwa Maschinenspindellager oder Turbolagerungen geeignet – also bei hohen und schnell wechselnden Drehzahlen
  • Für Ventile im Motorenbau
  • Als Keramikplättchen in Hochdruckpumpen beim Einspritzsystem für Common-Rail-Diesel

Auch die überaus guten Hochtemperatureigenschaften der Si₃N₄-Keramik in Verbindung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber starken Säuren (beispielsweise Schwefelsäure, Salzsäure, Fluorwasserstoff, Laugen) machen das Material zum idealen Werkstoff vor allem für Hochtemperaturanwendungen in der chemischen und Verfahrenstechnik sowie im Maschinenbau – vor allem dort, wo extreme Temperaturwechsel-Beanspruchungen auftreten.

Bauteile aus Siliciumnitrid-Keramik finden sich deswegen zudem:

  1. In Dichtringen und Kolbenringen
  2. In korrosiv und thermisch beanspruchten Anwendungen für Gleitlager, etwa im Antriebsstrang von Verbrennungsmotoren
  3. In der Dicht- und Regeltechnik im Geräte- und Maschinenbau
  4. In Dichtungstechnik/Gleitringen im Automobilbau
  5. Als Führungsrollen


Siliciumnitrid in der Metallverarbeitung

Die Zerspanung von Eisengusswerkstoffen wie etwa Grauguss und Gusseisen oder superharten Metall-Legierungen gelingt nur mit Hochleistungs-Schneidwerkzeugen. Bei gängigen Hartmetall-Schneidstoffen lässt sich die Kühlproblematik nicht immer leicht lösen. Hier sind alternativ innovative Bearbeitungswerkstoffe gefragt.

Die Gefügestruktur von Siliciumnitrid besteht aus stängelförmigen Kristallen, die sich als Mikrostäbchen verzahnen. Dies macht den Keramikwerkstoff überaus bruch- sowie risszäh und Siliciumnitrid damit zu einem Ingenieurkeramik-Werkstoff mit allerhöchster Festigkeit.


Einsatz von Siliciumnitrid in der metallverarbeitenden Industrie

Wegen der Kombination von hohen Festigkeitswerten, geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie einem verhältnismäßig kleinen Elastizitätsmodul sind Si₃N₄-Keramiken speziell für thermoschockbeanspruchte Schneidwerkzeuge wie z. B. Wendeschneidplatten geeignet. Eine Anwendung, bei der sich diese Eigenschaftskombination besonders bewährt, ist die Zerspanung von Eisengusswerkstoffen wie Grauguss oder Gusseisen mit keramischen Hochleistungs-Schneidwerkzeugen. Im Gegensatz zu Hartmetallen oder anderen Schneidstoffen können die Span-Prozesse beim Einsatz von keramischen Wendeschneidplatten mit höchster Geschwindigkeit durchgeführt werden – und dies sogar Kühl- beziehungsweise Schmiermittelfrei.

Schneidwerkzeuge aus Siliciumnitrid eignen sich daher zur Bearbeitung besonders schwer zerspanbarer Materialien wie:

  • Grauguss
  • Nickelbasis-Superlegierungen
  • Austenitischen Stählen (rostfrei)
  • Für die Schruppzerspanung von Hartgusswalzen
  • Für die Zerspanung von Gussgroßserienteilen

In der Metallumformung werden Komponenten für Walzen und Ziehringe aus Siliciumnitrid verwendet, weil diese gegenüber den üblicherweise verwendeten Stahl- bzw. Hartmetallwalzen mit einer merklich höheren Standzeit aufwarten können. Ferner verkürzt sich die Walzzykluszeit, und auch die Kaltverfestigung am gewalzten Metall wird begünstigt. So überzeugen z. B. Umformrollen aus Si₃N₄ für das Walzen hochwarmfester Metalllegierungen durch doppelt so hohe Standzeiten wie Umformrollen aus herkömmlichen metallischen Werkstoffen. Außerdem lassen sich solche Werkzeuge bis zu dreimal nachschleifen.

Mechanisch hochbelastete Umform- und Stanzwerkzeuge aus Siliciumnitrid verfügen über eine gute chemische Resistenz und hohe Standzeiten.

Weitere Anwendungsfelder von Siliciumnitrid  

  • Die Aluminiumgießereitechnik nutztdas thermobeständige Siliciumnitrid als einen Werkstoff für Schmelzrinnen, Steig- und Schutzrohre (z. B. für Tauchheizelemente, Pyrometer etc.). Man kann hierbei von einer Standzeitenerhöhung um das 20-Fache gegenüber üblichen Stahlbauteilen ausgehen. Das gilt auch für Steigrohre aus Si₃N₄ für den Druckguss, z. B. von Alu-Felgen. Hiermit lassen sich in der Praxis besondere Anforderungen hinsichtlich Qualität und Oberflächenbeschaffenheit erfüllen.
  • Auskleidungen für elektromagnetische Pumpen im Aluminiumschmelzbetrieb
    Im Bestreben, schnellere und energieeffizientere Verfahren zum Aufschmelzen von Aluminium zu entwickeln, spielen elektromagnetische Pumpen eine immer größere Rolle. Diese Pumpen ermöglichen eine schnelle und gleichmäßige Durchmischung des Schmelzbades ohne mechanisch bewegte Teile. Schlüssel für ein optimales Funktionieren dieser Pumpen sind verschleißfreie, wartungsarme sowie chemisch beständige Auskleidungen (sog. Pumpenliner). Siliciumnitrid mit einer guten Beständigkeit gegenüber flüssigen Metallschmelzen erfüllt diese Anforderungen in höchstem Maße und ermöglicht durch geringe Wandstärken eine bestmögliche Nutzung des elektromagnetischen Feldes der Pumpe.
  • Sputtertargets aus Siliciumnitrid lassen sich gut dazu nutzen, abriebbeständige Hartbeschichtungen auf andere Materialien aufzubringen.
  • Die geringe Dichte von Siliciumnitrid (~3,2 g/cm³) und die damit verbundene niedrige Wärmekapazität macht Siliciumnitrid zu einem Vorzugswerkstoff für leichte • Die überaus gute Temperaturwechsel- und Hochtemperaturbeständigkeit von Siliciumnitrid wird auch bei Schweißprozessen genutzt: So bestehen z. B. MIG/MAG-Gasdüsen, Schweißrollen, Zentrier- und Fixierelemente im Schweißbereich aus Si₃N₄. Hier gelingt es, dank des Siliciumnitrids metallische Anhaftungen wie Schweißspritzer und Aufschweißungen zu vermeiden. Konventionelle Zentrierstifte aus metallischen Werkstoffen verfügen hingegen nur eine recht begrenzte Lebensdauer.
  • Messspitzen (Cantilever) für Rasterkraftmikroskope, mit denen sich Proben bis zur atomaren Größe auflösen lassen, bestehen oftmals aus winzigen Siliciumwafern mit einer Siliciumnitrid-Schicht an der Oberfläche, was sie besonders gut gegen mechanischen Verschleiß schützt.
  • Siliciumnitrid kommt in der Halbleitertechnik nicht nur als Isolations- und Passivierungsmaterial für die Fabrikation integrierter Schaltungen zum Einsatz. In sog. „Charge-Trapping-Speichern“ bildet der Nichtleiter Si₃N₄ Speicherschichten für elektrisch gebundene Ladungen aus. Daneben wird die Keramik in zahlreichen Herstellungsprozessen als Maskierungsmaterial genutzt, z. B. für die chemisch-mechanische Politur oder für die lokale Silicium-Oxidation (LOCOS-Prozess). Siliciumnitrid kommt auch in Form von Trägerplatten bei der mechanischen Bearbeitung sowie dem Ätzen von Silicium-Wafern zum Einsatz. Hier kommt es auf höchste chemische Reinheit, Korrosionsresistenz, Ebenheit und hohe Oberflächengüten an. Auch als Beschichtung von Tiegeln für die Fertigung von Silicium-Wafern für multikristalline Solarzellen und als Vorstoff von LED-Leuchtstoffen setzt man auf Siliciumnitrid.
  • Heizplatten aus Siliciumnitrid. Siliciumnitrid ist ein elektrischer Nichtleiter mit ca.20 kV/mm Durchschlagfestigkeit und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1014 Ωcm. Dank dieser Eigenschaften können Leiterbahnen problemlos mittels Siebdruck unmittelbar auf die Siliciumnitrid-Keramik aufgebracht werden. Die Vorteile: Es bedarf keinem zusätzlichen Heizleiterträger und die elektrische Isolierung des Heizleiters gegenüber der Heizplatte kann entfallen. Hinzu kommt, dass sich eine Siliciumnitrid-Platte durch ihren sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3*10-6/K im Betrieb nur minimal verformt. Dies bedeutet, dass jederzeit ein mechanischer Kontakt zwischen Platte und Topfboden und damit ein Wärmestrom gewährleistet ist. Das ermöglicht neuartige, sehr dünne Keramik-Kochplatten aus Siliciumnitrid für HiSpeed-Haushaltskochsysteme mit einem nahezu trägheitslosen Wärmeübergang.
  • In der Luft- und Raumfahrt ist besonders eine gute Hochtemperaturbeständigkeit sowie -steifigkeit, ein geringes Gewicht und eine geringe thermische Ausdehnung von Bedeutung, wie es bei Strukturbauteilen aus Si₃N₄ der Fall ist. Dies macht die Keramik unter anderem interessant für Gehäuse von Aufklärungs- und Beobachtungs­kameras sowie für Trägerstrukturen von Satelliten. Vorteil: Die geringe thermische Ausdehnung selbst bei extremen Temperaturschwankungen, wie sie im erdnahen Raum auftreten, sorgt kaum für Verschiebungen innerhalb des hochpräzisen, optischen Linsensystems. Auflösung und Abbildungsgenauigkeit der Kamera lassen sich so deutlich verbessern.

Preisniveau verschiedener technischer Keramikwerkstoffe in Relation:

Aluminiumoxid (Al2O3)

1

Siliciumcarbid (SiC)

1-3

Zirconiumdioxid (ZrO2)

5-20

Siliciumnitrid (Si₃N₄)

20

Herstellung & Form

Die Ausgangsbasis von Siliciumnitrid-Keramik bildet Silicium, dessen Gewinnung zunächst aus reinem Quarzsand (SiO2) erfolgt. Si₃N₄ entsteht anschließend meist durch eine Reaktion des reinen Siliciums mit Stickstoff bei rund 1.200 °C. Keramikbauteile aus Siliciumnitrid werden anschließend mittels Flüssigphasensinterns aus Si₃N₄-Feinstpulver produziert, das zusätzlich mit weiteren Sinteradditiven versetzt wird, um eine vollständige Verdichtung zu ermöglichen. Durch Sintern bei hohen Temperaturen (1.800 bis 1.900 °C) und unter hohem Druck in einer Stickstoffatmosphäre findet die Verdichtung und nadelförmige Rekristallisation der Siliciumnitrid-Partikel statt. Dadurch entsteht ein vernetztes Gefüge, welches dem Werkstoff seine hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit verleiht sowie eine sehr gute Thermowechselbeständigkeit. Durch Nutzung keramiküblicher Formgebungsverfahren lassen sich vielfältige Formgebungen der Bauteile erreichen. Die Bearbeitung von gesinterten Bauteilen ist wegen der Zähigkeit und Härte des Materials zumeist nur mit Diamantwerkzeugen möglich.

Siliciumnitrid gibt es Form von drei Modifikationen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen:

  • trigonal α-Si₃N₄
  • hexagonal β-Si₃N₄
  • kubisch γ-Si₃N₄ – das als hochwertiges Si₃N₄-Pulver meist für technische Anwendungen eingesetzt wird.

Eigenschaften von Siliciumnitrid

Siliciumnitrid hat abgesehen von Zirkondioxid (ZrO2) von sämtlichen Industriekeramik-Werkstoffen die höchsten Bruch- und Risszähigkeitswerte sowie Biegefestigkeiten (bis max. 1.000 MPa). Mit einer Härte 13–20 GPa ist Siliciumnitrid um ein mehrfaches härter als Stahl:

2-4

2-313-20

ST-37

Grauguss

Siliciumnitrid

Chemische Beständigkeit:

Siliciumnitrid verfügt über eine gute Beständigkeit gegenüber beinahe allen Säuren (außer Flusssäure) und Laugen. Außerdem ist es gut beständig was Oxidation sowie Korrosion bei Hochtemperaturen anbelangt, z. B. gegen flüssige NE-Metallschmelzen wie Aluminium.

Fazit: Die vielseitig einsetzbareNichtoxidkeramik bietet zahlreiche Einsatzmöglichkeiten als Konstruktionswerkstoff. Diese können auch als Denkanstoß dazu dienen, das Nutzungsportfolio zusammen mit kompetenten Technologie-Partnern weiter zu entwickeln. Denn das Anwendungspotenzial dieser Hochleistungskeramik gilt längst noch nicht als ausgeschöpft.