Keramik Leichter Werkstoff für hohe Temperaturen

Siliziumnitrid bietet sich als Alternative für bislang aus Stahl hergestellte Bauteile an, wenn eine hohe Temperaturstabilität in Verbindung mit geringem Gewicht, Beständigkeit gegen korrosive Einflüsse sowie Abriebfestigkeit verlangt wird.

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Siliziumnitrid, eine Hochleistungskeramik mit der Bezeichnung Si₃N₄, gehört zur Gruppe der Nichtoxidkeramiken, die sich durch außergewöhnliche technologische Eigenschaften auszeichnen. Als relativ junger Werkstoff wurde er erst in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts zur industriellen Anwendungsreife gebracht. Damals ging es darum, für bestimmte, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzte Komponenten in Turbinen und Verbrennungsmotoren eine Alternative zu metallischen Werkstoffen zu finden, um höhere Betriebstemperaturen und somit höhere Wirkungsgrade erreichen zu können. Wegen der hohen Anforderungen an die Bearbeitung, von der Herstellung der pulverförmigen Ausgangsstoffe über die Formgebung bis hin zum Sintern und der damit verbundenen hohen Kosten, wurde der Werkstoff bislang vorwiegend für spezielle Anwendungsfälle genutzt.

Eigenschaften und Anwendung

Siliziumnitrid hat eine niedrige Dichte von 3,2 bis 3,3 g/cm³ und ist damit fast so leicht wie das Leichtmetall Aluminium mit 2,7 g/cm³, die Biegefestigkeit beträgt bis zu 1000 MPa. Si₃N₄ zeichnet sich darüber hinaus durch eine hohe Verschleißfestigkeit aus und hat bessere Hochtemperatureigenschaften als die meisten Metalle, wozu auch Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit gehören. Weitere Besonderheiten sind ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und damit eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit (Thermoschockbeständigkeit) sowie eine hohe Bruchzähigkeit (7 MPa m^1/2). Werkstücke aus Si₃N₄ sind deshalb unempfindlich gegen Stöße und Schläge. Diese Bauteile ertragen Einsatztemperaturen von bis zu 1300 °C, sind beständig gegen korrosive Einwirkungen und Chemikalien wie starke Säuren und Laugen sowie bestimmte schmelzflüssige Metalle, beispielsweise Aluminium.

Wegen all dieser Eigenschaften eignet sich Siliziumnitrid ideal für Komponenten, die eine hohe mechanische Festigkeit – auch unter schlagartigen Beanspruchungen – aufweisen sowie hohe Betriebstemperaturen, korrosive Medien und verschleißende Belastungen dauerhaft ertragen müssen. Anwendungsbeispiele sind Bauteile für Verbrennungsmotoren, Triebwerke und andere energie- wie auch chemietechnische Anlagen, hochbeanspruchte Dichtungen und Lager aller Art, Pumpenräder für aggressive Medien, Führungen für durchlaufende Güter wie Draht, Fasern und Fäden sowie Schneid- und Zerspanungswerkzeuge für schwer zerspanbare Werkstoffe. Bemerkenswert ist in diesem Fall, dass die Prozesse ohne Kühlschmiermittel und bei höchster Geschwindigkeit durchgeführt werden können. Weitere Anwendungsbeispiele sind Werkzeuge für die Umform- und die Gießereitechnik, die wesentlich höhere Standzeiten erbringen als Stahlbauteile.

Prozess-Know-how gefragt

Der Keramikspezialist Sembach verfügt über eine im Laufe von vielen Jahrzehnten gewonnene Erfahrung in der Kon- struktion, Formgebung und Fertigung von Werkstücken aus Hochleistungskeramik. Mit seiner modernen Fertigungsausstattung ist Sembach in der Lage, durch Spritzgießen, Trockenpressen und die Bearbeitung mit einer 5-Achs-Fräsmaschine komplex geformte Prototypen wie auch Großserienteile aus gesintertem Siliziumnitrid (SSN) wirtschaftlich herzustellen. (qui)

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