Siliciumnitrid

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.

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 Hybridwälzlagern. Si₃N₄-Bauteile verfügen in Hybridlageranwendungen 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.

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 Verfahrenstechnik sowie im Maschinenbau und Flugzeugbau – vor allem dort, wo extreme Temperaturwechsel-Beanspruchungen auftreten.

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.

• Die Aluminiumgießereitechnik nutzt das 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 Wärmetauscherplatten in der chemischen Industrie und der Verfahrenstechnik. 
• 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.
• Wegen seiner Temperaturfestigkeit und seines geringen Oxidationsverhaltens ist SiC auch als Material für Glühzünder geeignet.
• 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 Highspeed-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:

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: