Was ist Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke. Es kommt in der Natur als Moissanit-Edelstein und als Industrieprodukt wie beispielsweise Korund vor.

Chemisch Nickel in Verbindung mit Siliziumkarbid bietet hervorragende Reibungseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in aggressiven chemischen Umgebungen sowie eine gute Ölrückhaltefähigkeit aufgrund seiner oleophilen Beschaffenheit.

Härte

Siliziumkarbid (SiC) ist eine kovalente Kohlenstoff-Silizium-Verbindung, deren Härte nur von der des Diamanten übertroffen wird. Als feuerfestes und abrasives Material bietet SiC eine hohe Hitzebeständigkeit sowie gute Leitfähigkeitseigenschaften, die es trotz extremer Temperaturschwankungen äußerst hitzebeständig und langlebig machen – damit ist es das perfekte Beschichtungsmaterial, um kontinuierlichem Verschleiß oder dem Kontakt mit aggressiven Chemikalien standzuhalten.

In Kombination mit Nickel ist SiC ein hervorragendes Material zum Schutz von Automobilkomponenten wie Nockenwellen und Kolben vor Verschleiß und Korrosion. Es bietet zudem hervorragende Verschleißfestigkeit und Korrosionsschutz für Ölpumpen und andere Motorteile, die robuste, porenfreie Oberflächenbehandlungen mit erhöhter Härte erfordern – Argos bietet mit Chenisil und Elnicarb zwei Nickel-SiC-Verbundbeschichtungen an, die eine gleichmäßige Oberflächenhärte bei niedrigem Reibungskoeffizienten für Nockenwellen bzw. Kolben gewährleisten.

Diese Verbundwerkstoffe werden durch die Kombination von chemisch gebundenem Nickel mit mittlerem Phosphorgehalt (5–91 TP3T) und SiC-Partikeln (20–301 TP3T) im Galvanisierungsprozess hergestellt. Mikroskopisch kleine SiC-Partikel werden während des Galvanisierungsprozesses gleichmäßig in der Nickelmatrix verteilt, wodurch eine umfassende Beschichtung mit hervorragenden Verschleißschutzeigenschaften entsteht. Knoop-Härteprüfungen wurden sowohl an Proben der Oberseite als auch an Querschnittsproben durchgeführt, um die Härte jeder Schicht zu bestimmen; die Ergebnisse zeigen, dass Ni-SiC-70-30- und 50-50-Beschichtungen die durchschnittliche Oberflächenhärte im Vergleich zum Substrat um 61% bzw. 121% erhöhten; beide wiesen höhere Werte auf als reine Nickelablagerungen!

Korrosionsbeständigkeit

Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit in wässrigen Umgebungen aus und ist daher eine hervorragende Wahl für mechanische Bauteile, die ständiger Reibung oder Abrieb, chemischer Korrosion oder hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Darüber hinaus machen diesem Werkstoff auch hohe Temperaturen nichts aus.

Chemisches Nickel-Siliziumkarbid ist ein idealer Werkstoff für viele verschiedene Anwendungen, von Öl- und Gaspipelines über Automobilkomponenten, Luft- und Raumfahrtmaschinen und Industrieanlagen bis hin zu komplexen Geometrien, die aufwendige Beschichtungsverfahren wie die Vernickelung erfordern. Mikroskopisch kleine Partikel aus superhartem Siliziumkarbid lagern sich während des Beschichtungsvorgangs gemeinsam mit der Legierung ab und bilden eine extrem korrosions- und verschleißfeste Oberfläche, die einen unvergleichlichen Korrosionsschutz und eine hohe Verschleißfestigkeit bietet.

Nickel-Siliziumkarbid weist eine überlegene Korrosionsbeständigkeit gegenüber den meisten handelsüblichen Werkstoffen auf, selbst gegenüber solchen mit höherem Kohlenstoffgehalt. Dies ist auf den Siliziumanteil in der Legierung zurückzuführen, der die Diffusion der Elemente fördert und die Anzahl der karbidbildenden Metallatome an den Korngrenzen erhöht, was zu einem verbesserten Korrosionsschutz führt.

Abbildung 7a zeigt einen Vergleich des Korrosionspotentials und der Stromdichte für reine Nickel-, Ni/SDS-SiC- und Ni/binary-SiC-Beschichtungen; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Tafel-Diagramme verdeutlichen, dass Ni/binary-SiC aufgrund seiner feineren Kristallstruktur und einheitlichen Morphologie überlegene Eigenschaften aufweist.

Abnutzungswiderstand

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes und korrosionsbeständiges Material, was es zum idealen Werkstoff für Schutzbeschichtungen auf Metalloberflächen macht. Dadurch bietet es zuverlässigen Schutz vor Verschleiß durch Gleitbewegungen und behält gleichzeitig seine Festigkeit bei höheren Temperaturen als die meisten Metalle – was besonders bei Kolbenmotoren in der Luftfahrt entscheidend ist, wo Öl während der Lagerung oder nach dem Flug verdunstet und einen Film hinterlässt, der Korrosion verursacht.

Nickel-Siliziumkarbid (NiCom, Nikasil oder Nikaplate) ist eine galvanisch aufgebrachte Verbundbeschichtung, die aus mikroskopisch kleinen, gleichförmigen SiC-Partikeln besteht, die in einer Matrix aus chemisch aufgebrachtem Nickel (90%–93% Nickel/7–10% Phosphor) eingebettet sind. Diese harten Partikel bieten eine hervorragende Gleitverschleißfestigkeit unter hoher Belastung und gewährleisten gleichzeitig einen Korrosionsschutz, der leichter zu schmieren ist als bei verchromten oder chromplattierten Teilen.

Mit Ni-GO/SiC- und Ni-GO/SiC/Ni-Mn-Legierungsbeschichtungen versehene 2218-Aluminiumsubstrate wurden einem Trockenreibungsversuch unterzogen, um ihr tribologisches Verhalten zu bestimmen, wobei Ni/SiC-Verbundbeschichtungen im Vergleich zu Nickel-Mn-Beschichtungslösungen eine überlegene Verschleißfestigkeit aufwiesen. Die Abriebspuren nahmen zunächst ab, nahmen jedoch mit steigender SiC-Pulverkonzentration wieder zu – als optimale Konzentration für eine optimale tribologische Leistung wurde 40 g/l ermittelt.

Ölaufnahme

Siliziumkarbid ist dafür bekannt, dass es stark oleophil ist, was bedeutet, dass es Öl anzieht. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Siliziumkarbid seit langem als Ölbindemittel eingesetzt – insbesondere in Form von Matten, Schläuchen und Sperrmatten, die dazu dienen, ausgelaufene Kohlenwasserstoffe oder flüssige Kohlenwasserstoffe schnell aufzusaugen. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Material durch eine hohe Porosität aus, was seine Ölabsorptionsfähigkeit zusätzlich verbessert.

Dank ihrer Härte und der gleichmäßigen Partikelgröße eignet sich die Nickel-Siliziumkarbid-Beschichtung besonders gut für die Beschichtung von Zylindern in Verbrennungsmotoren. Sie ermöglicht das Honen von Kolbenringen, ohne die Zylinderwände zu beschädigen. Dadurch wird das Korrosionsrisiko in Motoren erheblich verringert, die Zylinder bleiben kühler, was zu einer Leistungssteigerung und somit zu einer längeren Lebensdauer führt.

Abgesehen von ihrem Einsatz in Motoren finden keramische Werkstoffe noch viele weitere Anwendungsbereiche. Keramik eignet sich besonders gut für die Halbleiterfertigung, wo sie zur Herstellung von Hochtemperatur- und Hochspannungstransistoren und -dioden verwendet wird; darüber hinaus wird sie häufig zur Herstellung von Werkzeugen mit Hartbeschichtung wie Fräsern oder Stempeln eingesetzt.

SiC-Material findet aufgrund seines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie seiner Festigkeit und Härte auch bei der Herstellung von Spiegeln für astronomische Teleskope Verwendung. Große Spiegel, wie sie beispielsweise im Herschel-Weltraumteleskop verbaut sind, bestehen aus SiC; ebenso wird es häufig für Flugzeugflügel gewählt, da diese hohen Temperaturen und hohem Druck standhalten müssen.