Das sollten sie über SiC wissen
Werkstoffe auf der Basis von Siliciumcarbid (SiC, auch Siliziumkarbid genannt) sind erst in jüngster Zeit als Konstruktionswerkstoffe für den Maschinenbau und die Energietechnik entdeckt worden. Siliziumkarbid ist der leichteste (seine Dichte liegt je nach Porosität zwischen 2,6 und 3,2 g/cm³), aber auch der härteste keramische Werkstoff. "Fast wie Diamant" wird es gerne und zu Recht genannt. Seine Härte kann nach der Mohs-Skala 9,6 erreichen (ca. 2600 HV).
Keramiken auf Siliziumkarbid-Basis haben herausragende Eigenschaften. Dazu gehören eine hohe Festigkeit und ein hoher Elastizitätsmodul von 380 bis 430 GPa. Sie zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 120 bis 200 W/m K (doppelt so hoch wie Stahl bei Raumtemperatur) und eine geringe Wärmeausdehnung von 3,6 bis 4,1x10-6/K (bei 20 bis 400°C) und damit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aus. Siliziumkarbidkeramik kann bis zu 1400°C verwendet werden. Darüber hinaus hat diese Keramik eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und Halbleitereigenschaften.
Hochreines Siliciumcarbid ist farblos, während technisches Siliciumcarbid oft schwarz ist, was auf die Verwendung von aluminiumoxidhaltigen Hilfsstoffen bei der Herstellung zurückzuführen ist. Siliciumcarbid ähnelt in Struktur und Eigenschaften dem Diamant, da Silicium und Kohlenstoff in der gleichen Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems stehen und der atomare Durchmesser von Silicium nur geringfügig größer ist.
Siliziumcarbid Buchsen für die Blechumformtechnik
Ein typisches Einsatzgebiet für Siliziumkarbid-Bauteile ist die dynamische Dichtungstechnik mit Gleitlagern und Gleitringdichtungen, beispielsweise in Pumpen und Antriebssystemen. Hier ermöglicht Siliziumkarbid im Vergleich zu Metallen sehr wirtschaftliche Lösungen mit längeren Standzeiten, auch beim Einsatz in aggressiven und Hochtemperaturmedien. Auch für anspruchsvolle Einsatzbedingungen in der Ballistik, der chemischen Produktion, der Energietechnik, der Papierherstellung und als Komponenten für Rohrleitungssysteme sind Siliziumkarbidkeramiken bestens geeignet.
Aufgrund seiner Härte und seines hohen Schmelzpunktes wird Siliziumkarbid als Schleifmittel für optische Spiegel und Linsen sowie als Komponente für feuerfeste Materialien verwendet.
Weniger reines Siliziumkarbid wird als metallurgisches SiC bezeichnet und in großen Mengen zum Legieren von Gusseisen mit Silizium und Kohlenstoff verwendet. In Mischung mit anderen Materialien wird es als harter Betonzuschlagstoff verwendet, um Industrieböden abriebfest zu machen oder Gewölbe widerstandsfähig zu machen. Auch die Ringe hochwertiger Angelruten bestehen meist aus Siliziumkarbid. Auch hier liegt der Vorteil gegenüber anderen Materialien in der Härte, die verhindert, dass die Angelschnur bei hoher Belastung eine Kerbe in den Ring schneidet und letztendlich durch Abrieb bricht. Aufgrund seiner geringen Wärmeausdehnung wird Siliziumkarbid in Spiegeln von Weltraumteleskopen verwendet. Kohlefaserverstärkte SiC-Keramik wird zur Herstellung von Hochleistungsbremsscheiben verwendet. Siliziumkarbid ist toxikologisch unbedenklich, was den Einsatz in Lebensmittelanwendungen erlaubt.
SiC-Keramiken werden üblicherweise nach der Mikrostruktur (offenporig oder dicht) und der Art der Bindung zwischen den SiC-Körnern (artspezifische oder nicht-artspezifische Bindung) eingeteilt.
Unterschiedliche Herstellungsverfahren führen zu weiteren Varianten des Materials mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften aufgrund unterschiedlichen SiC-Gehalts und Porosität. Die technisch wichtigsten Siliziumkarbidsorten sind:
Silikatgebundenes SiC
das hauptsächlich in der Feuerfesttechnik eingesetzt wird.
Rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC)
das aufgrund seiner hohen offenen Porosität eine sehr geringe Schrumpfung beim Sintern von Bauteilen aufweist.
Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NSiC)
mit einer Bindermatrix aus Siliziumnitrid um die SiC-Körner und einer feinporigen Mikrostruktur.
Drucklos Gesintertes Siliziumkarbid (SSiC)
das aus feinen SiC-Pulvern bei hohen Temperaturen in Schutzgas gesintert wird und ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit diamantähnlicher Härte sowie Verschleißfestigkeit aufweist.
Heißgepresstes Siliziumkarbid (HPSiC)
und heißisostatisch gepresstes Siliziumkarbid (HIPSiC) nahezu porenfrei mit besten Eigenschaften, aber hoher Schwindung.
Reaktionsgebundenes, siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC)
praktisch ohne Schrumpfung, aber mit niedrigerer Schmelztemperatur.
Flüssigphasengesintertes Siliziumkarbid (LPSiC)
eine relativ neue Sorte mit verbesserter Bruchzähigkeit (SiC-Keramik ist normalerweise sehr spröde).
Siliziumkarbid ist heute aufgrund seiner Härte bei geringem Gewicht sowie seiner hohen Verfügbarkeit und großen Sortenvielfalt eine weit verbreitete technische Keramik.
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BSQ TECH GmbH / 202206