Siliziumkarbid gegenüber herkömmlichen Keramiklagern

Einführung

Lager spielen in der modernen Technik eine wichtige Rolle, denn sie sorgen für reibungslose Bewegungen, verringern Reibungsverluste und verlängern die Lebensdauer von Millionen von Maschinen. Unter den fortschrittlichen Werkstoffen sind Lager aus Siliziumkarbid (SiC) eine Alternative zu herkömmlichen Keramiklagern geworden. Beide Kategorien haben bestimmte Vorteile, aber ihre Unterschiede werden deutlich, wenn es um die Auswahl für raue Umgebungen geht.

Gängige Arten von Keramiklagern

Keramische Lager werden seit Jahrzehnten in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Keramiklager sind korrosionsbeständig, können bei höheren Temperaturen betrieben werden und weisen eine geringere Wärmeausdehnung auf als herkömmliche Stahllager. Mehrere keramische Werkstoffe finden breite Anwendung:

Tonerde (Al₂O₃): Langlebig und kostengünstig, wird Aluminiumoxid-Keramik häufig in Allzwecklagern eingesetzt.

Zirkoniumdioxid (ZrO₂): Zirkoniumdioxid ist ebenfalls langlebig und hart und wird dort eingesetzt, wo es unter Belastung nicht brechen darf.

Siliziumnitrid (Si₃N₄): Siliziumnitrid ist leicht, hart und extrem ermüdungsbeständig und hat sich zum Material erster Wahl für Hochgeschwindigkeits- und Raumfahrtanwendungen entwickelt.

Diese Werkstoffe werden in der Regel durch Sinterverfahren verarbeitet, was zu massiven, stabilen Lagerteilen führt, die auch dort standhalten, wo Metall schnell versagen würde.

Was macht Siliziumkarbid so besonders?

Siliziumkarbid ist eine Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Einige der wichtigsten Eigenschaften von SiC sind:

Ungewöhnliche Härte (Mohs ~9,2): Mehr als etwas weicher als Diamant, aber mit besserer Verschleißfestigkeit.

Hohe Wärmeleitfähigkeit: Deutet auf eine gute Wärmeableitung hin, die eine Überhitzung unter schweren Lasten verhindert.

Chemische Inertheit: SiC widersteht korrosiven Chemikalien, Säuren und Seewasser besser als die meisten anderen Keramiken.

Geringe Dichte: Geringere Dichte als Stahl, wodurch die Rotationsträgheit verringert und die Energieeffizienz verbessert wird.

Diese Eigenschaften machen SiC-Lager in anspruchsvollen Umgebungen wie der chemischen Verarbeitung, der Schiffstechnik und der Halbleiterherstellung besonders attraktiv.

Siliziumkarbid im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Lagern

Vergleicht man Siliziumkarbidlager mit herkömmlichen Keramiklagern, so zeigen sich mehrere deutliche Unterschiede.

In Bezug auf Verschleißfestigkeit und Härte weisen Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid eine angemessene Haltbarkeit auf, nutzen sich jedoch langsam ab, wenn sie über einen längeren Zeitraum in abrasiven Umgebungen eingesetzt werden. Siliziumnitrid schneidet in Bezug auf die Zähigkeit besser ab, bleibt aber hinter der höheren Beständigkeit von Siliziumkarbid zurück. Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine nahezu diamantene Härte aus und ist sowohl in abrasiven Umgebungen als auch in Umgebungen mit hohem Kontakt durch eine deutlich höhere Lagerlebensdauer gekennzeichnet.

Auch bei den thermischen Eigenschaften gibt es einen Unterschied. Die meisten herkömmlichen Keramiken halten zwar Temperaturen von über 1.000 °C stand, aber ihre relativ geringe Wärmeleitfähigkeit führt bei starker Belastung zu lokalen Überhitzungen. Siliziumkarbid hingegen kombiniert hohe Temperaturstabilität mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärme leichter abgeleitet werden kann. Dadurch sind Siliziumkarbidlager im Hochgeschwindigkeits- oder Schwerlast-Langzeitbetrieb wesentlich stabiler.

Ein weiterer Unterschied besteht in der Korrosionsbeständigkeit. Tonerde und Zirkoniumdioxid sind im Allgemeinen korrosionsbeständig, werden aber durch den Kontakt mit konzentrierten Säuren oder Laugen beeinträchtigt. Siliciumnitrid ist unter leicht korrosiven Bedingungen beständiger, aber anfälliger für chemische Angriffe. Siliciumcarbid hingegen ist hochgradig inert und widersteht Laugen, Säuren sowie Salzwasser und wäre daher das Material der Wahl für hochbelastete Anwendungen in chemischen Verarbeitungsanlagen, Meerwasserpumpengriffen und bei der Halbleiterherstellung.

Zähigkeit und Festigkeit sind ein Bereich, in dem traditionelle Keramiken immer noch an der Spitze stehen. Zirkoniumdioxid zeichnet sich vor allem durch seine Zähigkeit aus, während Siliziumnitrid einen ausreichenden Kompromiss zwischen seiner Festigkeit und Schlagzähigkeit bietet, um bei katastrophaler mechanischer Belastung zu brechen. Siliziumkarbid ist zwar außerordentlich hart, aber spröder und weniger schlagfest. Aus diesem Grund muss es in stoßartigen oder dynamischen Umgebungen vorsichtig gehandhabt werden.

Schließlich sind die Kosten und die Verfügbarkeit ein praktisches Kriterium bei der Auswahl der Lagerwerkstoffe. Aluminiumoxid ist das preiswerteste Material, während Zirkoniumdioxid und Siliziumnitrid zwar teurer, aber immer noch gut verfügbar sind. Siliziumkarbid ist jedoch im Allgemeinen teurer, da es eine spezielle Verarbeitung erfordert und weniger allgemein akzeptiert wird. Daher wird es in der Regel nur unter schwierigen Bedingungen eingesetzt, wenn die Leistungsvorteile die höheren Kosten deutlich überwiegen.

Anwendungen von Siliziumkarbidlagern

Siliziumkarbidlager können, was normale Keramik nicht kann. In der chemischen Verarbeitung überstehen sie korrosive Säuren und Lösungsmittel, damit Pumpen, Mischer und Reaktoren lange halten. Sie schützen vor Salzwasserkorrosion in Seewasserpumpen und Schiffsantriebssystemen in der Schifffahrtstechnik. Die Halbleiterindustrie verlässt sich auf die Fähigkeit von SiC, aggressiven Reinigungs- und Abscheidungsbehandlungen zu widerstehen. Bei Hochtemperaturanwendungen in Öfen und Gasturbinen kommt ihre Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit zum Tragen.

Anwendungen traditioneller keramischer Lager

Traditionelle keramische Lager sind nach wie vor in Low-Budget-Anwendungen üblich. In der Automobilbranche verbessern Hybridlager mit Siliziumnitridkugeln die Geschwindigkeit und Effizienz von Motoren und Elektrofahrzeugen. In der Luftfahrt reduziert das leichte Siliziumnitrid das Gewicht und arbeitet effektiv bei hohen Geschwindigkeiten. In Industriemaschinen vereinen Aluminiumoxid- und Zirkoniumdioxidlager Korrosionsbeständigkeit mit Erschwinglichkeit und eignen sich am besten für die Lebensmittelindustrie und Textilmaschinen.

Fazit

Siliziumkarbid eignet sich hervorragend für raue Umgebungen, in denen chemische Beständigkeit, Verschleißfestigkeit und Wärmeableitung erforderlich sind. Seine Sprödigkeit und seine Kosten könnten jedoch seine Anwendbarkeit in allgemeinen Anwendungen einschränken. Herkömmliche Keramiken wie Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Siliziumnitrid sind für die meisten Hochleistungsanwendungen vielseitig, wirtschaftlich und langlebig. Weitere Keramikprodukte finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).