Hochbeanspruchte Prozesse mit gesintertem Siliziumkarbid

Gesintertes Siliziumkarbid zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften aus und eignet sich daher für Hochleistungsanwendungen in Flugzeugbauteilen, Kraftfahrzeugen und der Halbleiterfertigung. Dank seiner überragenden thermischen Stabilität und seines geringen Ausdehnungskoeffizienten hält es extremen Temperaturschwankungen stand, ohne unter Belastung Risse zu bilden oder sich zu verformen.

Das herkömmliche Heißpresssintern erfordert komplexe Anlagen und eine präzise Formgestaltung, wodurch sich seine Anwendung auf relativ einfache Formen beschränkt. Doch dank Innovationen in der Sinterhilfsmittelchemie und der Prozessgestaltung wird es möglich sein, diese Hindernisse mit diesem Verfahren zu überwinden.

Härte

Siliziumkarbid ist ein außergewöhnlich zähes und dichtes Material mit hervorragender Hitze- und Schlagfestigkeit, wodurch es sich für den Einsatz in Düsen von Strahltriebwerken und in kugelsicheren Westen eignet. Darüber hinaus macht es seine Beständigkeit gegen chemische Korrosion, Oxidation und Temperaturschocks zu einer ausgezeichneten Wahl.

Siliziumkarbidkeramik wird hergestellt, indem feines Siliziumkarbidpulver mit nicht-oxidischen Bindemitteln wie Ruß oder Bornitrid gesintert wird, um eine Paste zu bilden, die anschließend durch Extrusion, Kaltisostatisches Pressen oder Extrudieren zu Rohren, Blöcken oder anderen Formen unter Verwendung von Extrusions- oder Kaltisostatischem-Pressen-Verfahren und anschließend bei Temperaturen von bis zu 1720 °C in einem Industrieofen verdichtet.

Durch das drucklose Sintern entsteht ein Werkstoff mit höherer Reinheit und Dichte als bei herkömmlichem reaktionsgebundenem Siliziumkarbid, was zu deutlich kleineren Korngrößen, einer höheren Biegefestigkeit bei Raumtemperatur, einer höheren Rissausbreitungsbeständigkeit sowie einem insgesamt niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten führt.

Wärmeleitfähigkeit

SIC zeichnet sich durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit aus und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen es auf Langlebigkeit ankommt, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie bei metallurgischen Prozessen. Darüber hinaus ist es abrieb- und korrosionsbeständig.

Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (RBSiC) bietet eine attraktive Alternative zu herkömmlichem gesintertem Siliziumkarbid. Dank niedriger Sintertemperaturen und einfacher Metallumformungsverfahren lassen sich komplexe Bauteile in großen Stückzahlen herstellen. Zudem ist seine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 300 MPa im Vergleich zu herkömmlichem gesintertem Siliziumkarbid überaus gut.

Die Reinheit des Rohmaterials hat direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von gesintertem Siliziumkarbid. Hochreine Pulver ermöglichen niedrigere Sintertemperaturen, was zu einer verbesserten Verdichtung und weniger Defekten führt und letztendlich hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften für jede anspruchsvolle Anwendung gewährleistet. Das gesinterte Siliziumkarbid „Purebide™“ von Morgan bietet eine Reinheit von 99,01 % oder besser und sorgt so für eine außergewöhnliche Ermüdungsbeständigkeit in rauen Umgebungen sowie für verbesserte Druckgeschwindigkeitswerte zwischen hartbeschichteten Passungspaaren – was zu einer Senkung der Gesamtlebenszykluskosten bei einer hervorragenden Kapitalrendite führt.

Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion

Gesintertes Siliziumkarbid ist bekannt für seine Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturumgebungen, was es zu einem gefragten Werkstoff für Chemiepumpen, Brennerteile, Ofenkomponenten und sogar chemische Verarbeitungsanlagen macht. Darüber hinaus gewährleistet seine feste und zugleich stabile Struktur eine hohe Festigkeit selbst bei Temperaturen von bis zu 1600 °C.

Gesintertes Siliziumkarbid erfordert einen komplexen Herstellungsprozess, um seine idealen mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Durch Reaktionssintern entstehen Keramiken mit einer dichten Mikrostruktur und einer gleichmäßigen Zusammensetzung, doch dieses Verfahren weist gewisse Einschränkungen auf, die seinen Einsatz in bestimmten Anwendungsbereichen begrenzen.

Hochreines Rohpulver gewährleistet maximale mechanische Beständigkeit beim Reaktionssintern von Siliziumkarbid, während Verunreinigungen die Korngrenzen schwächen oder unerwünschte Phasen bilden, die die Spannungs- und Verschleißfestigkeit verringern. Darüber hinaus ist gesintertes Siliziumkarbid höherer Reinheit widerstandsfähiger gegen Thermoschock – ein unschätzbarer Vorteil in rauen industriellen Umgebungen, in denen plötzliche Temperaturschwankungen oft eine entscheidende Rolle spielen. Schnelle Temperaturschwankungen tragen dazu bei, Sensorausfälle sowie Wartungskosten in Anwendungen wie Hochöfen und Verbrennungsanlagen zu vermeiden, in denen Temperaturschwankungen oft schnell und drastisch auftreten – besonders bedeutende Vorteile im Umgang mit schnellen Temperaturschwankungen zwischen Hochofen- und Verbrennungsanlagenanwendungen.

Stärke

Siliziumkarbid ist ein idealer Werkstoff für Anwendungen, bei denen hohe Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit gefragt sind. Aufgrund seiner Fähigkeit, extremen Temperaturen und chemischen Einflüssen standzuhalten, wird es häufig in Pumpen für die chemische Verarbeitung, in Ofenkomponenten und in Ofenbauteilen eingesetzt.

Bei der Herstellung von SiC kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, um die gewünschte Mikrostruktur zu erzielen. Diese Verfahren reichen vom Reaktionsbinden über das Heißpressen bis hin zum Sintern; jedes davon hat unterschiedliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die Leistungsmerkmale des Endprodukts.

Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (RBSiC) kann hergestellt werden, indem flüssiges Silizium in einen vorhandenen, kohlenstoffhaltigen, porösen a-SiC-Keramikkörper infiltriert und mit geschmolzenem Silizium injiziert wird, woraufhin es mit dem vorhandenen Kohlenstoff reagiert, um b-SiC zu bilden und dabei alle Poren im Inneren auszufüllen. RBSiC weist niedrige Werte für die Aktivierungsenergie und den Spannungsexponenten auf, was sich in einer hohen Kriechfestigkeit durch Korngrenzengleiten sowie in einer Begrenzung der Kriechverformung durch Kavitation niederschlägt.