Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid är ett halvledarmaterial med brett bandgap. Det förekommer naturligt som ädelstenar av moissanit och som industriprodukter som korund.

Elektrolös nickel med kiselkarbid ger utmärkta friktionsegenskaper och korrosionsbeständighet i tuffa kemiska miljöer, samt god oljeretention tack vare sin oleofila natur.

Hårdhet

Kiselkarbid (SiC) är en kovalent kol-kiselförening med en hårdhet som endast överträffas av diamant. Som ett eldfast och slipande material ger SiC hög värmebeständighet samt goda ledningsförmågaegenskaper som gör det mycket värmebeständigt och hållbart trots extrema temperaturfluktuationer - vilket gör det till det perfekta beläggningsmaterialet för att motstå kontinuerligt slitage eller exponering för hårda kemikalier.

SiC är ett utmärkt material för att skydda fordonskomponenter mot slitage och korrosion, t.ex. kamaxlar och kolvar, när det kombineras med nickel. Det kan också ge överlägsen slitstyrka och korrosionsskydd för oljepumpar och andra motordelar som kräver tuffa, icke-porösa ytbehandlingar med förhöjd hårdhet - Argos erbjuder Chenisil och Elnicarb, två nickel-SiC-kompositbeläggningar som ger enhetlig ythårdhet med låg friktionskoefficient för kamaxlar respektive kolvar.

Dessa kompositer framställs genom en kombination av elektrolös nickel med medelhög fosforhalt (5-9%) och SiC-partiklar med 20-30% i en elektropläteringsprocess. Mikroskopiska SiC-partiklar är jämnt fördelade i nickelmatrisen under elektropläteringsprocessen, vilket skapar en allroundbeläggning med överlägsna slitageskyddande egenskaper. Knoop-hårdhetstester utfördes på både topp- och tvärsnittsprover för att fastställa hårdheten hos varje lager; resultaten visar att Ni-SiC 70-30- och 50-50-beläggningar ökade den genomsnittliga ythårdheten med 61% och 121% i förhållande till substratet; båda hade högre värden än rena nickelavlagringar!

Motståndskraft mot korrosion

Kiselkarbid har enastående korrosionsbeständighet i vattenhaltiga miljöer, vilket gör det till ett utmärkt val för mekaniska komponenter som utsätts för konstant friktion eller nötning, kemisk korrosion eller höga temperaturer. Dessutom avskräcker inte höga temperaturer detta ämne.

Kemisk nickel-kiselkarbid är ett idealiskt material för många olika applikationer, från olje- och gasledningar, fordonskomponenter, flyg- och rymdmaskiner och industriell utrustning till komplexa geometrier som kräver komplicerade pläteringsprocesser som nickelplätering. Mikroskopiska partiklar av superhård kiselkarbid avsätts tillsammans med legeringen under pläteringen och bildar en extremt korrosionsbeständig och slitstark yta som ger oöverträffat korrosionsskydd och hög slitstyrka.

Nickel-kiselkarbid har överlägsen korrosionsbeständighet jämfört med de flesta kommersiellt tillgängliga material, även de med högre kolhalt. Detta beror på förekomsten av kisel i legeringen som främjar elementdiffusion och ökar karbidbildande metallatomer vid korngränserna för förbättrat skydd mot korrosion.

Figur 7a illustrerar en jämförelse av korrosionspotential och strömtäthet för ren nickel, Ni/SDS-SiC och Ni/binär-SiC-beläggningar; resultaten kan ses i tabell 2. Tafelplottar illustrerar att Ni/binary-SiC uppvisar överlägsna egenskaper tack vare sin mindre kristallstruktur och enhetliga morfologi.

Motståndskraft mot slitage

Kiselkarbid är ett extremt hårt och korrosionsbeständigt material, vilket gör det till ett perfekt material att använda som skyddande beläggning på metallytor. Det ger ett tillförlitligt skydd mot slitage som orsakas av glidande rörelser samtidigt som det förblir starkt vid högre temperaturer än de flesta metaller - något som är särskilt viktigt i kolvmotorer för flygplan där olja avdunstar under förvaring eller efter flygning och lämnar en film som orsakar korrosion.

Nickel-kiselkarbid (NiCom, Nikasil eller Nikaplate) är en elektropläterad kompositbeläggning som består av mikroskopiska partiklar av SiC i enhetlig storlek som är suspenderade i en matris av elektrolös nickel (90%-93% nickel/7-10% fosfor). Dessa hårda partiklar ger överlägsen slitstyrka vid glidning under tunga belastningar samtidigt som de ger ett korrosionsskydd som är lättare att smörja än kromade eller förkromade delar.

Ni-GO/SiC och Ni-GO/SiC/Ni-Mn legeringsbelagda 2218 aluminiumsubstrat utsattes för torra glidfriktionstest för att bestämma deras tribologiska beteende, där Ni/SiC kompositbeläggningar visade överlägsen slitstyrka jämfört med nickel-Mn pläteringslösningar. Slitmärkena minskade initialt men ökade i takt med att koncentrationen av SiC-pulver ökade - en optimal koncentration för optimal tribologisk prestanda bestämdes till 40 g/l.

Absorption av olja

Kiselkarbid är känt för att vara mycket oleofilt, vilket innebär att det drar till sig olja. På grund av denna egenskap har kiselkarbid länge använts som ett oljeabsorberande material - särskilt mattor, strumpor och bommar som används för att snabbt suga upp kolväteutsläpp eller flytande kolväten. Dessutom har detta material hög porositet för att ytterligare förbättra dess oljeabsorptionsförmåga.

Nickelkiselkarbidbeläggningens hårdhet och enhetliga partikelstorlek gör den särskilt effektiv vid plätering av cylindrar i förbränningsmotorer, vilket gör det möjligt att slipa kolvringar utan att skada motorns cylinderväggar, vilket minskar korrosionsriskerna i motorerna avsevärt samtidigt som cylindrarna hålls svalare, vilket leder till förbättrad prestanda och därmed längre livslängd.

Förutom att användas i motorer har keramiska material många andra användningsområden. Keramiska material är särskilt väl lämpade för halvledartillverkning där de används för att tillverka transistorer och dioder med hög temperatur och hög spänning; dessutom används de ofta för att tillverka verktyg med hårda ytor, t.ex. fräsar och stansar för maskinbearbetning.

SiC-materialet används också för att skapa speglar för astronomiska teleskop, tack vare dess låga värmeutvidgningskoefficient, styvhet och hårdhetsegenskaper. Stora speglar som de som installerats på Herschel Space Telescope använder SiC-speglar; på samma sätt väljs det ofta som flygplansvingar som kräver att de står emot höga temperaturer och tryck.