Moderne Keramiken mit verbesserten mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften sind für die heutige Technologie unerlässlich. Sialon- und Siliziumnitridkeramiken zeichnen sich durch Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität aus. Die Kombination von Siliziumnitrid und Aluminiumoxid verleiht Sialon Bruchzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Die geringe Wärmeausdehnung und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid prädestinieren es für Hochtemperaturanwendungen. In der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Elektronikindustrie werden solche Keramiken für verbesserte Motorenkomponenten, Schneidwerkzeuge und Anlagen zur Halbleiterverarbeitung eingesetzt. Sie steigern somit Leistung und Langlebigkeit unter extremen Bedingungen.
Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff bilden die Grundlage von Sialonkeramiken, einem hochentwickelten Werkstoff. Sialone entstehen durch den Ersatz von Silizium- und Stickstoffatomen in Siliziumnitrid (Si₃N₄) durch Aluminium und Sauerstoff. Dies verbessert die Zähigkeit und die thermische Stabilität. Sialone lassen sich in Alpha- (α), Beta- (β) und Mischphasenkeramiken einteilen. Alpha-Sialone, ein einphasiger Werkstoff mit hoher Härte und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, werden in Anwendungen mit starkem Verschleiß eingesetzt.
Beta-Sialone eignen sich dank ihrer verzahnten Kornstruktur, ihrer Bruchzähigkeit und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile. Mehrphasen-Sialone bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Härte und Zähigkeit für Hochtemperaturanwendungen und vereinen dabei die Eigenschaften von Alpha- und Beta-Sialonen.
Hochleistungs-Siliziumnitridkeramiken (Si₃N₄) basieren auf Silizium und Stickstoff. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Bruchzähigkeit, thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit aus. Siliziumnitrid wird durch Reaktionsbindung, Sintern oder Heißpressen hergestellt. Beim Nitrieren von Siliziumpulver entsteht ein poröses, widerstandsfähiges Reaktionssiliziumnitrid (RBSN). Gesintertes Siliziumnitrid (SSN) ergibt dichte Keramiken mit verbesserten mechanischen Eigenschaften für Lager- und Turbinenkomponenten, wobei Yttriumoxid oder Aluminiumoxid gesintert wird. Heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN) wird unter gleichzeitiger Einwirkung von Hitze und Druck hergestellt. Es ist eine dichte Keramik mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, die sich für Hochleistungsmotorenkomponenten und elektronische Substrate eignet.
Beim Sintern von Siliziumnitrid-Keramik (Si₃N₄) verdichten sich die Grünlinge zu einer festen Struktur. Um eine Zersetzung zu vermeiden, kann druckloses Sintern unter Stickstoffatmosphäre bei 1750–1850 °C erfolgen. Gasdrucksintern (GPD) erhöht die Verdichtung durch Anwendung von Stickstoffgasdrücken bis zu 10 MPa. Dadurch können die Sintertemperaturen auf 1700 °C gesenkt und nahezu die theoretische Dichte erreicht werden. Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die mechanischen Eigenschaften durch die Kombination von hohen Temperaturen (1600–1800 °C) mit isostatischem Gasdruck (100–200 MPa). Sintertemperatur, -druck und -umgebung müssen für optimales Kornwachstum, hohe mechanische Festigkeit und geringere Porosität präzise reguliert werden.
Beim Sintern von β′-Sialon-Keramiken bestehen Parallelen zu Siliziumnitrid, aber auch Unterschiede. Obwohl beide Verfahren Hochtemperatursintern nutzen, benötigen Sialone möglicherweise Y₂O₃ und MgO zur Bildung flüssiger Phasen und zur Erhöhung der Dichte. Die Additive können die Sintertemperatur auf 1600–1750 °C senken und eine kurzlebige flüssige Phase erzeugen. Diese löst Körner auf und scheidet sie wieder aus, was zu einem homogenen Mikrostrukturwachstum führt. Der Lösungs-Diffusions-Wiederfällungs-Sinterprozess beeinflusst Korngröße und -form. Die Kontrolle der Mikrostruktur verbessert die Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit. Daher sind Additive und Sinterparameter entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Sialon-Keramiken.
Allgemeine Anwendungen
Hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Temperaturstabilität machen Sialon- und Siliziumnitridkeramiken (Si₃N₄) ideal für Schneidwerkzeuge und Schleifmittel. Sialonkeramiken sorgen für scharfe Schneidwerkzeuge auch bei hohen Drehzahlen und Temperaturen und minimieren so die Werkzeugwechselhäufigkeit. Siliziumnitrid steigert die Produktivität bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Gusseisen und Hartstahl. Diese Keramiken werden auch für Motorenteile und Turbolader im Automobilbereich benötigt. Ihre geringe Wärmeausdehnung und hohe Temperaturwechselbeständigkeit gewährleisten Langlebigkeit auch unter extremen Bedingungen. Hohe Verschleißfestigkeit, geringe Reibung und verlängerte Lebensdauer verbessern die Leistung von Lagern und Wälzkörpern in Industrieanlagen und senken die Wartungskosten.
Aufgrund ihrer Temperaturwechsel- und chemischen Beständigkeit eignen sich Sialon- und Siliziumnitridkeramik (Si₃N₄) für den Umgang mit geschmolzenen Nichteisenmetallen. Selbst unter widrigen Bedingungen widerstehen diese Werkstoffe abrupten Temperaturschwankungen und sind bruchfest. Keramische Thermoelementhülsen gewährleisten eine zuverlässige Temperaturmessung und somit eine präzise Prozesssteuerung. Steigrohre und Rotorwellen aus Sialon oder Siliziumnitrid minimieren Verunreinigungen und gewährleisten eine sichere Handhabung des geschmolzenen Metalls. Ihre geringe Benetzbarkeit durch das geschmolzene Metall und ihre hohe mechanische Festigkeit reduzieren Gießzeitverluste und steigern die Effizienz.
Bei der Verarbeitung von geschmolzenen Nichteisenmetallen können Temperaturen von über 1000 °C und reaktive, stark korrosive Metalle auftreten. Solche Bedingungen beschleunigen den Abbau von Graphit und Aluminiumoxid, was häufige Austauschvorgänge und eine geringere Verfügbarkeit zur Folge hat. Zudem werden in diesen Umgebungen Werkstoffe benötigt, die schnellen Temperaturwechseln und starken chemischen Reaktionen standhalten. Neuartige Werkstoffe mit höherer thermischer Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit sind daher für die Effizienz und Lebensdauer der Bauteile unerlässlich.
Der Bereich der Schmelzmetalle profitiert von Sialon- und Siliziumnitridkeramiken. Sialonkeramiken zeichnen sich insbesondere durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit, von 17,37 ± 0,48 GPa und chemische Stabilität unter extremen Bedingungen aus. Siliziumnitridkeramiken sind dank ihrer niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (3,27 × 10⁻⁶°C⁻¹) und ihrer guten Bruchzähigkeit thermisch beständig. Im Gegensatz zu Graphit, das bei hohen Temperaturen oxidiert, bilden diese Keramiken Siliziumoxynitridschichten, die die Oxidation hemmen. Dadurch sind sie langlebiger und benötigen weniger Pflege als Standardwerkstoffe.
Thermoelementmäntel aus Siliziumnitrid schützen Temperatursensoren in Schmelzbädern. Sie gewährleisten präzise Messwerte und eine lange Lebensdauer der Sensoren. Die thermische und mechanische Belastbarkeit von Sialonkeramik trägt außerdem zur Stabilität von Steigrohren bei. Diese Materialien sind entscheidend für den Niederdruckguss, da sie Form und Leistung auch bei hohen Temperaturen erhalten, Gussfehler reduzieren und die Produktionseffizienz steigern. Rotorwellen aus Siliziumnitrid in der Aluminiumraffination sind ständig geschmolzenem Metall und korrosiven Flussmitteln ausgesetzt und widerstehen Oxidation und Verschleiß. Sie senken die Reparaturkosten und verbessern die Prozesssicherheit.
Neuere Fortschritte beim Sintern von Sialon- und Siliziumnitridkeramik ermöglichen die Optimierung von Additiven und Hilfsstoffen für verbesserte Materialeigenschaften. Seltenerdoxide, darunter Yttriumoxid und Ytterbiumoxid, fördern die Verdichtung und die Mikrostrukturhomogenität. Sie begünstigen die Korngrenzenphasenbildung und senken die Sintertemperatur, was zu höherer Bruchzähigkeit und thermischer Stabilität führt. Verbesserungen beim drucklosen Sintern und beim Funkenplasmasintern (SPS) ermöglichen eine präzise Mikrostrukturkontrolle. Dies kann letztendlich zu ultrafeinen Korngrößen unter 200 nm in Keramiken führen. Kürzere Sinterzeiten reduzieren die Kornbildung und verbessern Härte und Verschleißfestigkeit.
Silizium und Siliziumnitridkeramik (Si₃N₄) finden zunehmend Anwendung in der Biomedizin und Elektronik. Die Biokompatibilität und antibakteriellen Eigenschaften von Siliziumnitrid machen es zu einem vielversprechenden biomedizinischen Implantat für Wirbelsäulenversteifungen und Zahnimplantate. Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (bis zu 85 W/m·K) und elektrischen Isolationsfähigkeit werden diese Keramiken für Hochfrequenz- und Hochtemperaturbauteile in der Elektronik eingesetzt. Ihre Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks und mechanischem Verschleiß stärkt die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Bauteilen in hocheffizienten Turbinenschaufeln und Solarzellensubstraten, die in der Branche der erneuerbaren Energien erforscht werden. Ihre Anpassungsfähigkeit macht sie zu attraktiven Kandidaten für wichtige Rollen in zukunftsweisenden Technologien. Daher werden bedeutende Fortschritte in diesen innovativen Anwendungsbereichen erwartet.
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