SiC30 Siliziumcarbid- Graphit-Verbundwerkstoff

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1 SiC30 Siliziumcarbid- Graphit-Verbundwerkstoff

2 Schunk Carbon Technology: Weltweit erfolgreich. Immer an Ihrer Seite. SiC30 ein außergewöhnlicher Siliziumcarbid-Graphit-Verbundwerkstoff Schunk Carbon Technology ist weltweit führend in der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von Carbon- und Keramiklösungen. Wie kein anderer vereint Schunk Carbon Technology dabei Innovationskraft und technologisches Know-how mit außergewöhnlicher Serviceorientierung zu einem im Markt einzigartigen Leistungsspektrum. Mit Schunk Carbon Technology finden Sie einen Partner, der Ihnen alle technologischen Möglichkeiten eines weltweit aktiven Unternehmens bietet und Ihre Ideen pragmatisch und ganz auf Ihre Anforderungen zugeschnitten in die Tat umsetzt für industrielle Volumenmärkte genauso wie für hoch spezialisierte Nischenmärkte. Anwendungen Die Hauptanwendungsgebiete des Werkstoffes SiC30 sind Gleitringe und Lager für den Betrieb in Medien mit schlechter Schmierfähigkeit. Die Kombination ausgezeichneter Eigenschaften von Graphit (gute Notlaufeigenschaften, Temperaturwechselbeständigkeit, etc.) und Siliziumcarbid (Härte, Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit) verbunden mit einem außergewöhnlichen Gefüge ermöglicht Problemlösungen, die mit anderen Werkstoffen nicht realisierbar sind. Die besten Ergebnisse lassen sich oft mit der Werkstoffpaarung SiC30 gegen SiC30 erzielen. Eine Division der Schunk Group Wegbereitend, ideenreich, partnerschaftlich damit hat sich die Schunk Group seit 1913 als global agierender Technologiekonzern einen Namen gemacht. Wegbereitend, weil wir für unsere Kunden Brücken bauen, damit sie mit innovativen Technologien bessere Produkte entwickeln und neue Märkte erobern können. Ideenreich, weil Innovationen ein wesentlicher Bestandteil unserer Unternehmenskultur sind. Partnerschaftlich, weil Kundenorientierung von jedem Mitarbeiter der Schunk Group gelebt wird. Mit über 8000 Mitarbeitern in 29 Ländern entwickelt die Schunk Group auf dieser Basis maßgeschneiderte Hightech-Produkte und Anlagen in den Bereichen Kohlenstofftechnik und Keramik, Umweltsimulation und Klimatechnik, Sintermetall und Ultraschallschweißen. Und zwar in zahlreichen Schlüsselindustrien: von Automotive, sowie Bahn-, Flugzeug- und Schiffstechnik über Solar- und Windenergie bis hin zur chemischen Industrie und Maschinenbau. Herstellung Der Werkstoff SiC30 wird durch Imprägnieren eines hochporösen Elektrographits mit schmelzflüssigem Silizium hergestellt. Gleichzeitig mit dem Eindringen des Siliziums in die Poren erfolgt die chemische Reaktion von Silizium und Kohlenstoff zu Siliziumcarbid. Der Prozess schreitet solange fort, bis das gebildete Siliziumcarbid die Poren verschließt. Zusammensetzung Hauptbestandteile des Werkstoffs sind Siliziumcarbid mit ca. 62% und Graphit mit ca. 35%, der Anteil an freiem Silizium beträgt ca. 3% (jeweils Massenteile). Das entspricht in Volumenanteilen ca. 53% Siliziumcarbid, ca. 43% Graphit und ca. 4% Silizium. Das Siliziumcarbid liegt zu ca. 95% in der kubischen β-sic-modifikation vor. SiC30 ist absolut frei von Bor und eignet sich somit auch hervorragend für Anwendungen in der Siliziumherstellung für die Elektronikindustrie. Gefüge Das Einzigartige am Gefüge ist ein interpenetrierendes Netzwerk von Graphit und Siliziumcarbid (Relikte der zusammenhängenden Kohlenstoffstruktur bzw. des Porensystems des Elektrographits). Freies Silizium liegt lediglich in Form von kleinen Inseln vor, eingeschlossen in der Siliziumcarbidphase. Abbildung 1: Gefüge aus Graphit und Siliziumcarbid Physikalische Eigenschaften Rohdichte [g/cm 3 ] 2,65 Porosität [Vol.-%] Biegefestigkeit [N/mm 2 ] 140 Druckfestigkeit [N/mm 2 ] 500 E-Modul (dyn) [kn/mm 2 ] 140 Härte Temperaturbeständigkeit Oxidierende Atmosphäre Inerte Atmosphäre Therm. Ausdehnungs-koeffizient α C α C besteht aus einer harten SiC- und einer weichen Graphitphase C C [10 6 /K] [10 6 /K] ,0 4,0 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 125 Spez. elektr. Widerstand [μωm] 120 Die angegebenen Werte sind keine verbindlichen, sondern typische Werte auf der Basis unserer Erfahrungen. Werkstoff- und produktionsspezifische Streuungen sind zu berücksichtigen. Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften (typische Daten) SiC

3 Notlaufverhalten Notlaufeigenschaften harter Gleitwerkstoffe wie Siliziumcarbidkeramiken lassen sich ausgezeichnet mit einem Hochdruckgleitringdichtungsprüfstand charakterisieren (siehe Abbildung 2). Gleitgeschwindigkeit: 9,35 m/s Entlastungsfaktor: 0,79 Medium: Entsalztes Wasser Mediumstemperatur: C Mediumsdruck: bar Bei nicht oder nur mangelhaft notlauffähigen Werkstoffen steigt die Reibung frühzeitig sprunghaft an und markiert das Ende des Versuchs. Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt dies am Beispiel eines handelsüblichen gesinterten Siliziumcarbids (SSiC). SiC30 dagegen zeigt diesen Effekt in keiner Weise. Die Schmierung bleibt auch unter kritischsten Bedingungen erhalten, ein Effekt des hohen Graphitanteils in Verbindung mit einem einzigartigen Werkstoffgefüge (siehe Abbildung 5). Abbildung 4: Gefüge SSiC Abbildung 5: Gefüge aus Graphit und Siliziumcarbid Im Testverlauf werden sukzessive der Mediumsdruck und die Temperatur erhöht und auf diese Weise Zustände der Mangelschmierung generiert. Das Maß für die hierbei ermittelten Notlaufeigenschaften ist die Laufzeit, die eine Dichtungspaarung des geprüften Werkstoffs unter diesen verschärften Bedingungen ohne abrupten Anstieg der Leistungsaufnahme, der Reibleistung erreicht. Abbildung 2: Hochdruckgleitringdichtungsprüfstand SiC30 ein C-SiC-Verbundwerkstoff mit exzellenten Notlaufeigenschaften Leistung in kw Temperatur in in C bzw. Druck in in bar bar Leistung SiC30 Leistung SSiC SSiC Druck (bar) Temperatur ( C) ( C) Abbildung 6: Dichtungsringe aus SiC ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Zeit in Stunden Abbildung 3: Diagramm der Laufversuche mit SiC30 und SSiC 04 05

4 Blisterbeständigkeit Thermoschockverhalten Blisterbildung ist eine der häufigsten Ausfallursachen von Dichtungsringen aus Kohlenstoff in Gleitringdichtungen. Als Kenngröße für die Thermoschockbeständigkeit eines Werkstoffes dient die Temperaturwechselbeständigkeit. Sie ist proportional zur Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie umgekehrt proportional zu E-Modul und thermischem Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes. Oft kann jedoch in tribologischen Anwendungen nicht auf Werkstoffe mit Trocken- bzw. Notlaufeigenschaften und damit auf Kohlenstoffwerkstoffe verzichtet werden. Absolut blisterbeständige Kohlenstoffwerkstoffe gibt es nicht. Mit Hilfe von speziellen Gleitringdichtungsprüfständen lässt sich Blisterbildung generieren. Zur Bewertung der erzeugten Schadensbilder durch Blistering wurden Blisterbeständigkeitsindizes (I BL ) definiert: Das Prüfverfahren Die Beständigkeit von Tribowerkstoffen gegenüber Thermoschock lässt sich unter anderem mit Hilfe einer vergleichenden Heiß-/Kaltprüfung ermitteln und definiert maximale Temperaturdifferenzen, die der Werkstoff im nachstehend aufgeführten Test unbeschadet übersteht. Zur Prüfung wurden identische Prüfkörper auf definierte Temperaturen erhitzt und anschließend in Eiswasser abgeschreckt. Die Ergebnisse wurden normiert, die für SSiC gefundene Temperaturdifferenz als Bezugsgröße gewählt. Normierte Temperaturwechselbeständigkeit Material relative Temperaturwechselbeständigkeit Abbildung 7: Typisches Erscheinungsbild von Blistering an der Kohlenstoffgraphit-Gleitfläche Blisterbeständigkeitsindex I BL = 10 Blisterbeständiger Werkstoff Blisterbeständigkeitsindex I BL = 0 Nicht lauffähiger, da zerstörter Werkstoff SSiC (gesintertes Siliziumcarbid) 1 SiSiC (reaktionsgebundenes Siliziumcarbid) 1 SiSiC-C (reaktionsgebundenes kohlenstoffhaltiges Siliziumcarbid) 1,15 SiC30 1,3 Blisterbeständigkeitsindex Die Ergebnisse in Abbildung 8 zeigen, dass der Werkstoff SiC30 als harter Gleitpartner die Blisterbeständigkeit von Kohlenstoffwerkstoffen deutlich verbessert und dass er, eingesetzt als weicher Kohlenstoffwerkstoff in einer Paarung, Blisterbildung vollständig vermeiden kann. SiC30 weist eine Temperaturwechselbeständigkeit auf, die unter den gängigen, in Triboanwendungen eingesetzten, Keramiken unübertroffen ist. 0 kunstharzimprägnierter Kohlenstoff/Stahl kunstharzimprägnierter Kohlenstoff/SiC30 SiC30/SiC30 Abbildung 8: Ergebnisse von Versuchsreihen zu Blistering SiC30 verhindert Blisterbildung SiC30 ist der blisterbeständigste Kohlenstoffwerkstoff SiC30 als Gegenlaufwerkstoff verbessert zudem das Blisterverhalten von Kohlenstoffgraphiten erheblich Abbildung 9: Gleitlager aus SiC

5 SiC30 Siliziumcarbid-Graphit-Verbundwerkstoff Chemische Beständigkeit Konstruieren mit SiC30 Viele keramische Werkstoffe für tribologische Anwendungen besitzen eine eingeschränkte chemische Beständigkeit gegenüber stark korrosiven Medien, da ihre oxidische oder aus Silizium bestehende Binderphase angegriffen wird. Geeignete Ausführungsformen sind rotationssymmetrische Bauteile oder rechteckige Platten; die empfohlenen max. Abmessungen sind für verschiedene Bauteile in Tabelle 2 zusammengestellt. Von diesen Empfehlungen sollte möglichst nicht oder nur nach Rücksprache abgewichen werden. SiC30 besitzt keine oxidischen Phasen und auch kein zugängliches freies Silizium. Die ausgezeichnete chemische Beständigkeit des Werkstoffes SiC30 bestätigte sich in anspruchsvollen Tests. Hierbei erfolgte eine Behandlung sowohl von Gleitringen als auch Prüfkörpern mit einem Gemisch aus 77% HF (40%ige Lösung) und 23% HNO 3 (65%ige Lösung). Das Agens ist ein ausgesprochen starkes Lösungsmittel für Silizium. Es wurden keine Dimensionsveränderungen und lediglich ein geringfügiger Gewichts-verlust festgestellt. Die Biegefestigkeit des Werkstoffes SiC30 blieb nahezu unverändert. Ergebnisse von Prüfstandsversuchen zeigen, dass Gleitringe aus SiC30 ihre ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften auch nach der genannten Säurebehandlung beibehalten. Mikroskopische Untersuchungen erwiesen, dass sich lediglich in der Oberfläche geringe Anteile freien Siliziums, das bei SiC30 nicht Bindephase ist, herauslösten. Die maßgeblichen Phasen (Siliziumcarbid und Graphit) sind vollkommen beständig. Der Werkstoff ist beständig gegen: wässrige Salzlösungen, organische Reagenzien, starke Säuren (HF, HCl, H 2 SO 4, HNO 3 ), heiße Inertgase. Lediglich in den folgenden Medien ist SiC30 bedingt beständig: Luft und andere oxidierende Gase bei extremen Temperaturen: Bei Temperaturen >500 C brennt der Graphitanteil langsam aus. Doch selbst das verbleibende Gerüst aus SiC besitzt noch 50% der Festigkeit des Grundwerkstoffs. Metallschmelzen: Verschiedene Metalle greifen SiC bzw. Graphit unter Bildung von Siliziden (z.b. Kobalt, Nickel) bzw. Carbiden (Aluminium, Eisen) an. Stark alkalische Medien: In Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Konzentration wird Siliziumcarbid nur von den stärksten Laugen angegriffen. Folgende Empfehlungen sind unter den Gesichtspunkten von Produktionssicherheit und Bearbeitungskosten ebenfalls zu berücksichtigen: Keine schroffen Querschnittsänderungen. Große Absetzungen und Hinterschneidungen vermeiden. Kerben, Nuten und Bohrungen auf ein Minimum beschränken. SiC30 lässt sich problemlos in Stahlfassungen einschrumpfen und ist, verglichen mit SiC-Werkstoffen, deutlich toleranter gegenüber Kantenlauf. Zylindrische Lager Ringe Wandstärke max. Höhe max. Ø max. Höhe max. Ø mm 20 mm 280 mm mm 35 mm 280 mm 7 10 mm 100 mm 150 mm 35 mm 200 mm 5 7 mm 70 mm 80 mm 20 mm 120 mm Tabelle 2: Empfohlene Abmessungen für Bauteile aus SiC30 Die chemische Beständigkeit von SiC30 wird ausschließlich von den Bestandteilen Siliziumcarbid und Graphit bestimmt und ist daher nahezu universell. Abbildung 10: SiC30 Gleitlager Abbildung 11: SiC30 Gleitring 08 09

6 Schunk Kohlenstofftechnik GmbH Rodheimer Straße Heuchelheim Deutschland Tel Fax tribology@schunk-group.com d/1.000/2015