Siliziumnitrid vs. Sialon vs. Siliziumkarbid: Welche Hochleistungskeramik sollten Sie wählen?

Siliziumnitrid, Sialon und Siliziumkarbid sind alle extrem hitzebeständig und langlebiger als Metalle – ihre Stärken liegen jedoch in ganz unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Dieser Leitfaden erläutert die Eigenschaften, die Geschichte und die Auswahlkriterien, die Ingenieure in der Praxis anwenden.

28. Juli 2026 · 10 Min. Lesezeit

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Betritt man eine moderne Gießerei, ein Chemiewerk oder eine Hochtemperaturofenanlage, findet man überall Hochleistungskeramiken, die Aufgaben übernehmen, denen Metalle nicht gewachsen sind. Doch welche ist die richtige? Siliziumnitrid, Sialon und gesintertes Siliziumkarbid werden oft in einem Atemzug genannt – alle drei sind extrem hitzebeständig, korrosionsbeständig und übertreffen Metalle in anspruchsvollen Anwendungen in puncto Lebensdauer. Die Unterschiede zwischen ihnen sind jedoch so groß, dass eine Fehlentscheidung teuer werden kann.

Dieser Leitfaden beseitigt die Überschneidungen. Er erklärt, woher die einzelnen Materialien stammen, was sie tatsächlich leisten können und – was am wichtigsten ist – in welchen Anwendungsbereichen sie sich bewähren und in welchen nicht.

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Auf einen Blick: Die drei Materialien

| Eigenschaften | Siliziumnitrid (Si₃N₄) | Sialon (SiAlON) | Gesintertes SiC (SSiC) | | — | — | — | — | | Mohshärte | ~9 | ~9 | 9–9,5 | | Praktische Maximaltemperatur (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 Material ist in jeder Reihe überlegen. Genau darum geht es – und deshalb gibt es diesen Vergleich.

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Siliziumnitrid: Die Präzisionskeramik

Eine 170-jährige Reise zur Industrie

Siliziumnitrid hat von den dreien die längste Geschichte, obwohl sie lange Zeit wenig Nutzen brachte. Es wurde erstmals 1857 von den französischen Chemikern Sainte-Claire Deville und Wöhler synthetisiert – eine Laborkuriosität, die ein Jahrhundert lang weitgehend unbeachtet blieb. Erst in den 1960er und 1970er Jahren, als Ingenieure ernsthaft nach Materialien suchten, die in Flugzeugturbinentriebwerken eingesetzt werden konnten, erfuhr Si₃N₄ die ihm gebührende industrielle Bedeutung.

Der Traum vom Keramikmotor – die Ersetzung von Metall durch Siliziumnitrid für Turboladerrotoren, Glühkerzen und Brennräume – wurde nur teilweise verwirklicht. Doch die dadurch angestoßene Forschung war nicht umsonst. In den 1980er- und 1990er-Jahren fand Siliziumnitrid seine eigentliche Bestimmung in Lagern, Schneidwerkzeugen und der Verarbeitung von flüssigem Metall, wo sich seine einzigartige Kombination von Eigenschaften als kaum zu übertreffen erwies.

Was Siliziumnitrid gut kann

Siliziumnitrid zeichnet sich durch seine Kombination aus hoher Festigkeit und ausgezeichneter Temperaturwechselbeständigkeit aus. Es kann schnell erhitzt und abgekühlt werden, ohne zu reißen – eine Eigenschaft, die auf seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der kovalenten Bindungsstruktur seines Si-N-Gerüsts beruht.

Eine weitere herausragende Eigenschaft ist die Verschleißfestigkeit bei hohen Drehzahlen. Die jährlich gefertigten rund 300.000 Turboladerrotoren aus Siliziumnitrid verdanken ihre Existenz der Tatsache, dass das Material auch bei Temperaturen und Drehzahlen, die herkömmliche Lager zerstören würden, hart und formstabil bleibt. Der Markt für Schneidwerkzeuge aus Si₃N₄ mit einem jährlichen Volumen von 50 Millionen US-Dollar existiert aus demselben Grund: Es ermöglicht die Bearbeitung von Gusseisen und Nickelbasis-Superlegierungen mit bis zu 25-mal höheren Schnittgeschwindigkeiten als Wolframkarbid.

Siliziumnitrid eignet sich auch für geschmolzene Nichteisenmetalle – Aluminium, Zink, Zinn, Blei – ohne die Schmelze zu verunreinigen. Dadurch ist es für Thermoelementhülsen, Düsen und Tiegel in der Metallverarbeitung geeignet.

Wo Siliziumnitrid seine Grenzen hat

Siliziumnitrid zersetzt sich oberhalb von etwa 1850 °C, dies ist jedoch eine theoretische Obergrenze und keine Betriebstemperatur. In der Praxis liegen die maximalen Betriebstemperaturen je nach Sorte und Atmosphäre bei etwa 1200–1400 °C. Oberhalb dieses Bereichs ist ein Einsatz ohne Materialbeeinträchtigung nicht möglich.

Siliziumnitrid verliert insbesondere bei Kontakt mit geschmolzenem Aluminium gegenüber Sialon an Bedeutung. Siliziumnitrid wird von geschmolzenem Aluminium leichter angegriffen als Sialon – ein geringfügiger, aber in der Gießereiindustrie wirtschaftlich bedeutsamer Unterschied.

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Sialon: Die Keramikgießerei

Entstanden aus Siliziumnitrid

Sialon – ausgesprochen „sigh-alon“ – ist keine Verbindung, sondern eine Familie von Keramiklegierungen, die aus Siliziumnitrid gewonnen werden. Der Name ist ein Akronym: Si-I- A- O-Nitrid. Durch den teilweisen Ersatz von Silizium- und Stickstoffatomen durch Aluminium und Sauerstoff wird das Siliziumnitrid-Kristallgitter stabilisiert. Diese Modifikation verleiht Sialon zudem verbesserte thermische und chemische Eigenschaften.

Das Material wurde erstmals 1971 beschriebenund durch parallele Forschung an der Newcastle University und dem britischen National Physical Laboratory entwickelt. K. H. Jacks 1976 im Journal of Materials Science„Sialons and related nitrogen ceramics“ lieferte die theoretische Grundlage, die die Kommerzialisierung im darauffolgenden Jahrzehnt beschleunigte.

Sialon entwickelte sich in den 1980er Jahren von einem Labormaterial zu einem kommerziellen Produkt. Sialon Ceramics ApS wurde 1986 gegründet und stellt seither Sialon- und Siliciumcarbid-Komponenten für Gießerei- und Industrieanwendungen bei extremen Temperaturen her.

Was Sialon gut macht

Die herausragendste Eigenschaft von Sialon ist seine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Benetzung und Korrosion durch geschmolzene Nichteisenmetalle, insbesondere Aluminium. Während Siliziumnitrid lediglich beständig ist, ist Sialon unter den meisten Verarbeitungsbedingungen für Aluminium absolut immun. Thermoelement-Schutzrohre, Tauchheizrohre, Steigrohre für Niederdruck-Druckguss und Entgasungsrotoren für Aluminium profitieren allesamt von dieser Eigenschaft in einer Weise, die andere Keramiken nur schwer erreichen.

Der zweite wichtige Vorteil von Sialon ist seine Temperaturwechselbeständigkeit. Dank seiner geringen Wärmeausdehnung und hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen hält das Material wiederholtem Eintauchen in geschmolzenes Metall stand, ohne zu reißen. Es kann immer wieder in die Schmelze eingetaucht, schnell bewegt und wieder herausgenommen werden. Daher spezifiziert Sialon Ceramics seine Sialon ULTRA™ Thermoelement-Schutzrohre für den Betrieb bei Temperaturen bis zu 1400 °C und fertigt sie mit Toleranzen von ±0,02 mm. Auch die Heizrohre des Unternehmens sind für den direkten Kontakt mit geschmolzenem Metall bei Temperaturen bis zu 1100 °C geeignet.

Neben Anwendungen in Gießereien wird Sialon von Herstellern auch für Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Kokillenguss, Schweißvorrichtungen, Anlagen zur chemischen Verfahrenstechnik sowie Komponenten für die Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Ingenieure wählen den Werkstoff aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Stabilität bei hohen Temperaturen.

Wo Sialon Schwächen aufweist

Sialon ist nicht das härteste der drei Materialien – Siliciumcarbid weist eine höhere Mohshärte auf. In Anwendungen, bei denen die Abriebfestigkeit gegenüber harten Partikeln die Hauptbelastung darstellt (Strahldüsen, Gleitringdichtungen in abrasiven Suspensionen), ist SSiC in der Regel die robustere Wahl.

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

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Gesintertes Siliciumcarbid: Die Keramik für extreme Bedingungen

130 Jahre von der Schleifmittel- zur technischen Keramik

Siliziumkarbid hat von den dreien die dramatischste Entstehungsgeschichte. 1891 Edward Goodrich Acheson, künstliche Diamanten herzustellen, als er versehentlich Strom durch eine Mischung aus Ton und Koks leitete und dabei ein Material erzeugte, das Glas schneiden konnte. Er nannte es Carborundum und gründete das gleichnamige Unternehmen – und lieferte der Industrie damit das erste künstlich hergestellte Schleifmittel, das härter als Korund war.

Im Großteil des 20. Jahrhunderts blieb SiC hauptsächlich ein Pulver: Schleifscheiben, Schleifpapiere, Schneidpasten. Der Durchbruch zu dichter, gesinterter technischer Keramik gelang in den 1970er- und 1980er-Jahren, als verbesserte Sintertechniken es Ingenieuren ermöglichten, massive Bauteile mit vollständig erhaltenen mechanischen Eigenschaften herzustellen. XICAR™ gesintertes Siliciumcarbid von Sialon Ceramics repräsentiert den aktuellen Stand der Technik in dieser Entwicklungsreihe – Bauteile, die bis 1.900 °C temperaturbeständig sind und bis zu 3.000 mm lang gefertigt werden können.

Was gesintertes SiC gut kann

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

Gesintertes Siliciumcarbid erreicht auf der Mohs-Skala eine Härte von 9–9,5 und eine Vickershärte von ca. 2.500 HV. Damit ist es das härteste der drei Materialien und zählt zu den härtesten bekannten Substanzen außerhalb von Diamant und kubischem Bornitrid. Dies führt zu einer deutlich höheren Verschleißfestigkeit bei abrasiven Anwendungen. Beispiele hierfür sind Strahldüsen, Pumpenlaufräder für abrasive Suspensionen, Gleitringdichtungen in chemisch aggressiven Umgebungen und Ofeneinrichtungen, die ständiger thermischer und mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.

Seine Wärmeleitfähigkeit von 120–200 W/m·K ist für eine Keramik außergewöhnlich. Sie liegt weit über der von Siliziumnitrid (~20–30 W/m·K) und Sialon (~10–20 W/m·K). Aufgrund dieser Eigenschaft ist SSiC die ideale Wahl für Wärmetauscher und Ofenkomponenten. Es eignet sich auch hervorragend für alle Anwendungen, bei denen Wärme effizient durch das Bauteil transportiert und nicht behindert werden soll.

Die Dauerbetriebstemperatur in oxidierenden Atmosphären übersteigt 1.600 °C. XICAR™-Komponenten sind für 1.700 °C in Luft und 1.900 °C in kontrollierten oder reduzierenden Atmosphären ausgelegt. Kein Siliziumnitrid- oder Sialonprodukt erreicht diese Temperaturen.

Die chemische Beständigkeit ist umfassend: SSiC widersteht den meisten Säuren, Basen und Salzschmelzen ohne nennenswerte Angriffe. Daher ist es das bevorzugte Material für Pumpenlaufräder und Ventilsitze. Auch in Chemieanlagen, wo aggressive Medien zum Einsatz kommen und Verunreinigungen durch das Behältermaterial unzulässig sind, wird es häufig für Prozessanlagen verwendet.

Wo gesintertes SiC seine Grenzen hat

Die Temperaturwechselbeständigkeit von SSiC ist gut, aber nicht außergewöhnlich – sie ist sowohl Siliziumnitrid als auch Sialon unterlegen.

SSiC ist hinsichtlich der Schlagfestigkeit auch das sprödeste der drei Materialien. Bei Anwendungen mit mechanischer Stoßbelastung spielt die etwas bessere Bruchzähigkeit von Sialon eine Rolle.

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Welches Material setzt sich wo durch?

Siliziumnitrid sollte verwendet werden, wenn:

• Präzisionslager, Schneidwerkzeuge oder Motorkomponenten sind die Anwendungsgebiete
• Enge Maßtoleranzen unter thermischer Belastung sind erforderlich
• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Gusseisen oder Nickel-Superlegierungen ist der Anwendungsfall
• Die Kosten stellen im Vergleich zu den höherwertigen Optionen eine bedeutende Einschränkung dar

Sialon einsetzen, wenn:

• Es handelt sich um geschmolzenes Aluminium, Zink, Messing oder andere Nichteisenmetalle
• Thermische Schocks treten häufig und heftig auf (schnelles Eintauchen und Herausnehmen aus geschmolzenem Metall)
• Thermoelementschutz, Tauchheizung oder Steigrohranwendungen
• Chemische Prozessumgebungen, in denen Korrosionsbeständigkeit und moderate Temperaturen die primären Belastungen darstellen

Wählen Sie gesintertes Siliciumcarbid, wenn:

• Maximale Härte und Verschleißfestigkeit gegenüber abrasiven Medien sind die primäre Anforderung
• Die Betriebstemperaturen überschreiten 1400 °C an der Luft
• Die Wärmeübertragung durch das Bauteil ist wichtig (Wärmetauscher, Ofenbauteile)
• Die chemische Verarbeitung erfordert Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen oder geschmolzenen Salzen bei hohen Temperaturen.
• Für Ihre Anwendung benötigen Sie großformatige Bauteile wie Gleitringdichtungen, Strahldüsen oder Ofenplatten.

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Anwendungsbereiche nach Material

Die drei Materialien konkurrieren in derselben Anwendung selten direkt miteinander. In der Praxis:

• Siliziumnitrid findet vor allem in Antriebsstranganwendungen der Automobilindustrie Verwendung, beispielsweise in Turboladerrotoren und Glühkerzen. Ingenieure wählen Siliziumnitrid aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit auch für Werkzeugmaschinenlager und Schneidwerkzeuge.

• Auch für Anlagen in Nichteisenmetallgießereien ist Sialon das bevorzugte Material. So wird es beispielsweise für Thermoelement-Schutzrohre, Tauchheizkörperrohre, Entgasungsrotoren, Steigrohre für den Aluminium-Druckguss sowie Gießpfannen und Tiegel verwendet. Grund dafür ist seine hervorragende Beständigkeit gegenüber geschmolzenen Metallen.

• Gesintertes Siliciumcarbid eignet sich hervorragend für Anwendungen, die höchste Härte, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität erfordern. Daher setzen Hersteller auf gesintertes Siliciumcarbid für Gleitringdichtungen, Pumpenlaufräder, Strahldüsen, Ofeneinrichtungen, Ofenauskleidungen, Wärmetauscher, Vorrichtungen für die Halbleiterfertigung und ballistische Schutzplatten.

Wenn extreme Hitze die einzige wichtige Anforderung ist, wird die Materialauswahl zu einer echten Ingenieursentscheidung und nicht zu einer offensichtlichen.

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Vergleich von Sialon-Hochleistungskeramik

Sialon Ceramics fertigt seit 1986 Bauteile aus Sialon und gesintertem Siliciumcarbid. Die Anwendung könnte beispielsweise ein Sialon ULTRA™ Thermoelement-Schutzrohr mit einer Temperaturbeständigkeit von 1400 °C erfordern. Oder ein Tauchheizrohr mit 12 Monaten Garantie in flüssigem Aluminium. Auch ein XICAR™ Sintersiliciumcarbid-Bauteil mit einer Temperaturbeständigkeit von 1900 °C unter kontrollierter Atmosphäre ist gefragt. In jedem Fall fertigt das Unternehmen kundenspezifische Geometrien mit Toleranzen von ±0,02 mm und Längen bis zu 3000 mm.

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Quellen

• Wikipedia: Sialon
• Wikipedia: Siliziumnitrid
• AZoM: Eigenschaften und Anwendungen von Siliziumnitrid (Si₃N₄)
• AZoM: Eigenschaften und Anwendungen von Siliciumcarbid (SiC)
• Jack, KH (1976). „Sialone und verwandte Stickstoffkeramiken.“ Journal of Materials Science, 11(6): 1135–1158
• Cao, GZ; Metselaar, R. (1991). „α'-Sialon-Keramiken: Ein Überblick.“ Chemistry of Materials, 3(2): 242
• Wikipedia: Edward Goodrich Acheson
• Sialon Ceramics: Sialon ULTRA™ Heizrohre

Sialon Ceramics: XICAR™ gesintertes Siliciumcarbid