Siliziumnitrid vs. Sialon vs. Siliziumkarbid: Für welche Hochleistungskeramik sollten Sie sich entscheiden?

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Wenn Sie eine renommierte Gießerei, eine Chemiefabrik oder eine Hochtemperaturofenanlage betreten, werden Sie feststellen, dass dort Hochleistungskeramiken die schweren Aufgaben übernehmen, die Metalle nicht bewältigen können. Aber welche davon? Siliziumnitrid, Sialon und gesintertes Siliziumkarbid werden häufig in einem Atemzug genannt – alle drei halten extremer Hitze stand, alle drei sind korrosionsbeständig und alle drei überdauern Metalle in anspruchsvollen Anwendungen. Die Unterschiede zwischen ihnen sind jedoch so deutlich, dass eine falsche Wahl teuer werden kann.

Dieser Leitfaden schafft Klarheit in diesem Dschungel. Er erläutert, woher die einzelnen Materialien stammen, was sie tatsächlich leisten können und – was am wichtigsten ist – bei welchen Anwendungen sie überzeugen und bei welchen nicht.

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Auf einen Blick: Die drei Materialien

| Eigenschaft | Siliziumnitrid (Si₃N₄) | Sialon (SiAlON) | Gesintertes SiC (SSiC) | | — | — | — | — | | Härte (Mohs) | ~9 | ~9 | 9–9,5 | | Praktische Höchsttemperatur (Luft) | ~1.200–1.400 °C | Bis zu ~1.400 °C | 1.600–1.700 °C | | Temperaturwechselbeständigkeit | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Gut | | Beständigkeit gegenüber geschmolzenen Metallen | Gut | Hervorragend | Gut | | Chemische Korrosionsbeständigkeit | Gut | Gut | Ausgezeichnet | | Dichte (g/cm³) | ~3,2 | ~3,2–3,4 | ~3,1–3,2 | | Relative Kosten | Mittel | Mittel–Hoch | Mittel–Hoch |

Kein einzelnes Material schneidet in jeder Kategorie besser ab. Genau darum geht es – und das ist der Grund, warum dieser Vergleich überhaupt durchgeführt wird.

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Siliziumnitrid: Die Präzisionskeramik

Eine 170-jährige Reise in die Industrie

Siliziumnitrid hat von den dreien die längste Geschichte, auch wenn es größtenteils nicht besonders nützlich war. Es wurde erstmals 1857 von den französischen Chemikern Sainte-Claire Deville und Wöhler synthetisiert – eine Labor-Kuriosität, die ein Jahrhundert lang weitgehend unbeachtet blieb. Erst in den 1960er- und 1970er-Jahren, als Ingenieure ernsthaft nach Materialien suchten, die den Einsatz in Flugzeugturbinenmotoren überstehen konnten, erhielt Si₃N₄ die industrielle Aufmerksamkeit, die es verdiente.

Der Traum vom Keramikmotor – der Ersatz von Metall durch Siliziumnitrid bei Turbinenlaufrädern, Glühkerzen und Brennkammern – wurde nur teilweise verwirklicht. Doch die daraus resultierenden Forschungsergebnisse waren nicht umsonst. In den 1980er- und 1990er-Jahren fand Siliziumnitrid seine eigentliche Bestimmung in Lagern, Schneidwerkzeugen und bei der Handhabung von geschmolzenem Metall, wo sich seine einzigartige Kombination von Eigenschaften als wirklich unübertroffen erwies.

Was Siliziumnitrid gut kann

Das charakteristische Merkmal von Siliziumnitrid ist die Kombination aus hoher Festigkeit und ausgezeichneter Temperaturwechselbeständigkeit. Es lässt sich schnell erwärmen und abkühlen, ohne dass Risse entstehen – eine Eigenschaft, die auf seinen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die kovalente Bindungsstruktur seines Si–N-Gitters zurückzuführen ist.

Ein weiteres herausragendes Merkmal ist die Verschleißfestigkeit bei hohen Drehzahlen. Die jährlich rund 300.000 hergestellten Turboladerrotoren aus Siliziumnitrid kommen zum Einsatz, weil das Material auch bei Temperaturen und Drehzahlen, die herkömmliche Lager zerstören würden, hart und formstabil bleibt. Der jährliche Markt für Si₃N₄-Schneidwerkzeuge im Wert von 50 Millionen US-Dollar existiert aus demselben Grund: Es bearbeitet Gusseisen und Superlegierungen auf Nickelbasis mit bis zu 25-mal höheren Oberflächengeschwindigkeiten als Wolframkarbid.

Siliziumnitrid ist zudem beständig gegenüber geschmolzenen Nichteisenmetallen – Aluminium, Zink, Zinn, Blei –, ohne die Schmelze zu verunreinigen. Dadurch eignet es sich für Thermoelementhüllen, Düsen und Tiegel in der Metallverarbeitung.

Wo Siliziumnitrid an seine Grenzen stößt

Siliziumnitrid zersetzt sich bei Temperaturen über etwa 1.850 °C, doch dabei handelt es sich um einen theoretischen Grenzwert und nicht um eine Betriebstemperatur. In der Praxis liegen die tatsächlichen Betriebstemperaturen je nach Güteklasse und Atmosphäre bei maximal etwa 1.200–1.400 °C. Oberhalb dieses Bereichs kann das Material nicht verwendet werden, ohne dass es zu einer Materialverschlechterung kommt.

Insbesondere beim Kontakt mit geschmolzenem Aluminium muss es gegenüber Sialon zurückstecken. Siliziumnitrid wird von geschmolzenem Aluminium leichter angegriffen als Sialon – ein zwar geringfügiger, in der Gießereiindustrie jedoch wirtschaftlich bedeutender Unterschied.

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Sialon: Die Gießereikeramik

Hergestellt aus Siliziumnitrid

Sialon – ausgesprochen „sigh-alon“ – ist keine Verbindung, sondern eine Familie von Keramiklegierungen, die von Siliziumnitrid abgeleitet sind. Der Name ist ein Akronym: Silizium-Aluminium-Oxynitrid. Wenn Aluminium- und Sauerstoffatome in das Kristallgitter des Siliziumnitrids eingebaut werden, stabilisieren sie eine Phase des Materials, die andernfalls weniger gut verarbeitbar wäre, und verleihen ihm völlig neue thermische und chemische Eigenschaften.

Das Material wurde erstmals 1971 beschrieben und im Rahmen paralleler Forschungsarbeiten an der Newcastle University und am britischen National Physical Laboratory entwickelt. K.H. Jacks Artikel aus dem Jahr 1976 im „Journal of Materials Science“ mit dem Titel„Sialons and related nitrogen ceramics“ lieferte den theoretischen Rahmen, der die Kommerzialisierung im Laufe des folgenden Jahrzehnts vorantrieb.

Sialon Ceramics ApS wurde 1986 gegründet – in demselben Jahrzehnt, in dem Sialon den Sprung vom Labormaterial zum kommerziellen Produkt schaffte – und stellt seitdem Sialon- und Siliziumkarbid-Bauteile für Gießerei- und Industrieanwendungen bei extremen Temperaturen her.

Was Sialon gut kann

Die herausragende Eigenschaft von Sialon ist seine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Benetzung und Korrosion durch geschmolzene Nichteisenmetalle, insbesondere Aluminium. Während Siliziumnitrid lediglich beständig ist, ist Sialon unter den meisten Bedingungen der Aluminiumverarbeitung tatsächlich immun. Schutzrohre für Thermoelemente, Tauchheizrohre, Steigrohre für den Niederdruck-Druckguss sowie Entgasungsrotoren für Aluminium profitieren alle von dieser Eigenschaft in einer Weise, die andere Keramiken nur schwer erreichen können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Temperaturwechselbeständigkeit. Dank der geringen Wärmeausdehnung und der hohen Temperaturfestigkeit von Sialon kann es in geschmolzenes Metall eingetaucht, schnellen Temperaturwechseln ausgesetzt und wieder herausgezogen werden, ohne zu reißen – Zyklus für Zyklus. Die Sialon ULTRA™-Schutzrohre für Thermoelemente von Sialon Ceramics sind für den Betrieb bei Temperaturen bis zu 1.400 °C ausgelegt und werden mit einer Toleranz von ±0,02 mm gefertigt; Heizrohre sind für 1.100 °C im direkten Kontakt mit geschmolzenem Metall ausgelegt.

Über den Einsatz in Gießereien hinaus wird Sialon in Schneidwerkzeugen zur Bearbeitung von Kaltguss-Gusseisen, in Schweißvorrichtungen, in Anlagen zur chemischen Verarbeitung sowie in Öl- und Gasanwendungen verwendet, bei denen chemische Beständigkeit bei erhöhten Temperaturen die entscheidende Anforderung ist.

Wo Sialon seine Grenzen hat

Sialon ist nicht das härteste der drei Materialien – Siliziumkarbid übertrifft es auf der Mohs-Skala. Bei Anwendungen, bei denen vor allem die Abriebfestigkeit gegenüber harten Partikeln im Vordergrund steht (Strahldüsen, Gleitringdichtungen in abrasiven Schlämmen), ist SSiC in der Regel die bessere Wahl.

Auch im oberen Temperaturbereich kann Sialon nicht mit SSiC mithalten. Die SSiC-Produktreihe (XICAR™) von Sialon Ceramics ist für Temperaturen von bis zu 1.700 °C an der Luft und bis zu 1.900 °C in kontrollierten Atmosphären ausgelegt – ein Bereich, den Sialon schlichtweg nicht erreichen kann.

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Gesintertes Siliziumkarbid: Die Keramik für extreme Bedingungen

130 Jahre – vom Schleifmittel zur Technischen Keramik

Von den dreien hat Siliziumkarbid die spektakulärste Entstehungsgeschichte. Im Jahr 1891 versuchte Edward Goodrich Acheson, künstliche Diamanten herzustellen, als er versehentlich Strom durch eine Mischung aus Ton und Koks leitete und dabei etwas erzeugte, mit dem sich Glas schneiden ließ. Er nannte es „Carborundum“ und gründete das gleichnamige Unternehmen – und verschaffte der Industrie damit ihr erstes künstliches Schleifmittel, das härter war als Korund.

Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts blieb SiC in erster Linie ein Pulver: Schleifscheiben, Schleifpapier, Schleifpasten. Der Sprung hin zu dichten, gesinterten technischen Keramiken gelang in den 1970er- und 1980er-Jahren, als verbesserte Sintertechniken es Ingenieuren ermöglichten, massive Bauteile herzustellen, bei denen die mechanischen Eigenschaften des Materials vollständig erhalten blieben. Das gesinterte Siliziumkarbid XICAR™ von Sialon Ceramics repräsentiert den aktuellen Stand der Technik in dieser Produktlinie – Bauteile, die für Temperaturen bis zu 1.900 °C ausgelegt sind und in Längen von bis zu 3.000 mm hergestellt werden.

Was gesintertes SiC gut kann

Die Wettbewerbsvorteile von SSiC beruhen auf zwei Eigenschaften, die keine andere Hochleistungskeramik gleichzeitig aufweist: Härte und Wärmeleitfähigkeit.

Mit einer Härte von 9–9,5 auf der Mohs-Skala und einer Vickers-Härte von etwa 2.500 HV ist gesintertes Siliziumkarbid das härteste der drei Materialien und gehört zu den härtesten bekannten Stoffen neben Diamant und kubischem Bornitrid. Dies führt direkt zu einer überragenden Verschleißfestigkeit in abrasiven Anwendungen: Strahldüsen, Pumpenlaufräder für den Einsatz mit abrasiven Schlämmen, Gleitringdichtungen in chemisch aggressiven Umgebungen sowie Ofenauskleidungen, die ständig thermischem und mechanischem Verschleiß ausgesetzt sind.

Seine Wärmeleitfähigkeit von 120–200 W/m·K ist für eine Keramik außergewöhnlich hoch – weit über der von Siliziumnitrid (~20–30 W/m·K) und Sialon (~10–20 W/m·K). Damit ist SSiC die naheliegende Wahl für Wärmetauscher, Ofenkomponenten und alle Anwendungen, bei denen Wärme effizient durch das Bauteil geleitet werden muss, anstatt von diesem behindert zu werden.

Die Dauerbetriebstemperatur in oxidierenden Atmosphären liegt bei über 1.600 °C, wobei XICAR™-Komponenten für 1.700 °C in Luft und 1.900 °C in kontrollierten oder reduzierenden Atmosphären ausgelegt sind. Kein Produkt aus Siliziumnitrid oder Sialon erreicht diese Temperaturen.

Die chemische Beständigkeit ist umfassend: SSiC widersteht den meisten Säuren, Laugen und geschmolzenen Salzen, ohne nennenswert angegriffen zu werden. Dies macht es zum bevorzugten Werkstoff für Pumpenlaufräder, Ventilsitze und Prozessanlagen in Chemieanlagen, in denen das Medium aggressiv ist und eine Verunreinigung durch das Behältermaterial nicht akzeptabel ist.

Wo gesintertes SiC an seine Grenzen stößt

Die Temperaturwechselbeständigkeit von SSiC ist gut, aber nicht außergewöhnlich – sie liegt hinter der von Siliziumnitrid und Sialon zurück. Es weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die Keramiken auf Nitridbasis, was tatsächlich etwas hilft, doch aufgrund seiner geringeren Bruchzähigkeit birgt ein schneller, unkontrollierter Temperaturwechsel ein höheres Risiko als bei Sialon. Anwendungen, bei denen wiederholtes Eintauchen in geschmolzenes Metall erforderlich ist – Heizrohre, Schutzrohre für Thermoelemente in Aluminiumöfen –, bevorzugen typischerweise genau aus diesem Grund Sialon oder Siliziumnitrid.

SSiC ist zudem hinsichtlich der Schlagfestigkeit das spröde Material der drei. Bei Anwendungen mit mechanischen Stoßbelastungen kommt die etwas bessere Bruchzähigkeit von Sialon zum Tragen.

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Welches Material setzt sich wo durch?

Entscheiden Sie sich für Siliziumnitrid, wenn:

• Präzisionslager, Schneidwerkzeuge oder Motorkomponenten sind die Anwendungsbereiche
• Unter thermischen Wechselbelastungen sind enge Maßtoleranzen erforderlich
• Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Gusseisen oder Nickel-Superlegierungen ist der Anwendungsfall
• Die Kosten stellen im Vergleich zu den Optionen der oberen Preisklasse eine erhebliche Einschränkung dar.

Entscheiden Sie sich für Sialon, wenn:

• Dabei kommen geschmolzenes Aluminium, Zink, Messing oder andere Nichteisenmetalle zum Einsatz
• Es kommt häufig zu starken Temperaturschocks (schnelle Wechsel zwischen Eintauchen in und Herausnehmen aus geschmolzenem Metall).
• Anwendungen zum Schutz von Thermoelementen, Tauchheizungen oder Steigrohren
• Chemische Prozessumgebungen, in denen Korrosionsbeständigkeit und moderate Temperaturen die Hauptbelastungen darstellen

Entscheiden Sie sich für gesintertes Siliziumkarbid, wenn:

• Höchste Härte und Verschleißfestigkeit gegenüber abrasiven Medien sind die wichtigste Anforderung
• Die Betriebstemperaturen liegen in Luft bei über 1.400 °C
• Die Wärmeübertragung durch das Bauteil ist von Bedeutung (Wärmetauscher, Ofenkomponenten)
• Es ist eine chemische Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen oder geschmolzenen Salzen bei hohen Temperaturen erforderlich
• Es werden großformatige Bauteile (Gleitringdichtungen, Strahldüsen, Ofenroste) benötigt

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Anwendungsbereiche nach Werkstoff

Die drei Werkstoffe stehen in derselben Anwendung selten in direkter Konkurrenz zueinander. In der Praxis:

• Siliziumnitrid wird vor allem im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen (Turboladerrotoren, Glühkerzen), in Lagern für Werkzeugmaschinen sowie in Schneidwerkzeugen für Hartmetalle eingesetzt.
• Sialon ist das dominierende Material bei Anlagen für den Nichteisen-Guss: Schutzrohre für Thermoelemente, Tauchheizrohre, Entgasungsrotoren, Steigrohre für den Aluminiumdruckguss sowie Gießpfannen und Tiegel, bei denen die Beständigkeit gegenüber geschmolzenem Metall entscheidend ist.
• Gesintertes Siliziumkarbid wird vor allem in Gleitringdichtungen, Pumpenlaufrädern, Strahldüsen, Ofenausrüstung, Ofenauskleidungen, Wärmetauschern, Vorrichtungen für die Halbleiterfertigung und ballistischen Schutzplatten eingesetzt.

In der Übergangszone – bei extremer Hitze ohne weitere maßgebliche Einschränkungen – wird die Materialauswahl zu einer echten ingenieurtechnischen Entscheidung und ist nicht mehr selbstverständlich.

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Probieren Sie Sialon-Keramik aus

Sialon Ceramics stellt seit 1986 Bauteile aus Sialon und gesintertem Siliziumkarbid her. Ganz gleich, ob für die jeweilige Anwendung ein Sialon ULTRA™-Thermoelementschutzrohr für Temperaturen bis 1.400 °C, ein Tauchheizelementrohr mit 12 Monaten Garantie für den Einsatz in geschmolzenem Aluminium oder ein XICAR™-Bauteil aus gesintertem Siliziumkarbid für Temperaturen bis 1.900 °C in kontrollierter Atmosphäre benötigt wird – das Unternehmen fertigt kundenspezifische Geometrien mit Toleranzen von ±0,02 mm und Längen von bis zu 3.000 mm.

Entdecken Sie das gesamte Produktsortiment auf sialon.com oder wenden Sie sich direkt an unser Team, um Ihre spezifische Anwendung zu besprechen.

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Quellen

• Wikipedia: Sialon
• Wikipedia: Siliziumnitrid
• AZoM: Siliziumnitrid (Si₃N₄) – Eigenschaften und Anwendungen
• AZoM: Eigenschaften und Anwendungen von Siliziumkarbid (SiC)
• Jack, K.H. (1976). „Sialone und verwandte stickstoffhaltige Keramiken.“ Journal of Materials Science, 11(6): 1135–1158
• Cao, G.Z.; Metselaar, R. (1991). „α’-Sialon-Keramiken: Ein Überblick.“ Chemistry of Materials, 3(2): 242
• Wikipedia: Edward Goodrich Acheson
• Sialon-Keramik: Sialon ULTRA™-Heizrohre
• Sialon-Keramik: XICAR™ – gesintertes Siliziumkarbid