Siliciumcarbid: Werkstoff, Acheson-Verfahren und Anwendungen

Siliciumcarbid · Veröffentlicht am 2026-10-22

Großer, unregelmäßiger Brocken aus Siliciumcarbid-Kristallen mit metallisch grün-goldenem Schimmer auf schwarzem Grund — Ein Brocken aus Siliciumcarbid-Kristallen mit dem typischen metallischen Schimmer. Foto: Beeblaine, CC BY 4.0

Siliciumcarbid (SiC) ist eine Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, extrem hart, temperaturbeständig und chemisch robust. In der Natur kommt es als Mineral Moissanit nur selten vor. Fast alles technische SiC wird künstlich hergestellt, überwiegend nach einem Verfahren, das über 130 Jahre alt ist.

Die Entdeckung

Edward Goodrich Acheson erhielt 1891 bei Versuchen mit einem elektrisch beheizten Gemisch aus Ton und Kohlenstoff harte, glänzende Kristalle. Er nannte sie „Carborundum“, weil er eine Verbindung aus Kohlenstoff und Tonerde (Korund) vermutete; tatsächlich war es Siliciumcarbid. Das US-Patent 492 767 auf das Herstellverfahren wurde 1893 erteilt (Lemelson-MIT; Edward Goodrich Acheson).

Das Acheson-Verfahren

Rohstoffe und Reaktion

Ausgangsstoffe sind ein Kohlenstoffträger, meist Petrolkoks, und Quarzsand. Vereinfacht reagiert Siliciumdioxid mit Kohlenstoff zu Siliciumcarbid und Kohlenmonoxid:

SiO2 + 3 C  →  SiC + 2 CO

Eine europäische Patentschrift gibt diese Bruttogleichung an und beschreibt, dass die Reaktion oberhalb von 1500 °C einsetzt, wobei sich zunächst kubisches β-SiC bildet und oberhalb von etwa 1800 °C durch Rekristallisation hexagonales α-SiC entsteht (EP 0 766 645 B1). Der Hersteller Fiven nennt für den Prozess einen Temperaturbereich von etwa 1700 bis 2500 °C (Fiven, „SiC production process“).

Der Ofen

Der Acheson-Ofen ist ein elektrischer Widerstandsofen: In der Mitte einer langen Schüttung aus Sand und Koks liegt ein Graphitkern, der an beiden Enden mit Elektroden verbunden ist. Strom fließt durch den Kern und heizt ihn auf; um ihn herum wächst das SiC als zylindrischer Block. Nach dem Abkühlen zeigt der Block radiale Zonen, von innen nach außen: Graphit, grobkristallines α-SiC als hochwertigste Zone, β-SiC, metallurgische Qualität und nicht umgesetztes Material (Fiven).

Vom Block zum Korn

Der Block wird sortiert, das Rohmaterial gebrochen, klassiert, gegebenenfalls weiter gemahlen und bei Bedarf chemisch behandelt, bis die geforderten Eigenschaften erreicht sind. Erst durch diese Aufbereitung entstehen die genormten Körnungen, die im Artikel Körnungsnormen FEPA, ISO und JIS beschrieben sind.

Grünes und schwarzes SiC

Je nach Reinheit der Rohstoffe entsteht grünes oder schwarzes Siliciumcarbid (Fiven). Reinere Ausgangsstoffe ergeben das reinere, grüne Material, weniger reine das schwarze; eine US-Patentschrift beschreibt diesen Zusammenhang und erwähnt, dass grünes SiC deutlich höhere Preise erzielt (US 4 419 336). In japanischen Körnungsangaben wie „GC#1000“ steht GC für grünes SiC.

Warum SiC als Schleifkorn taugt

Härte: SiC ist wesentlich härter als Silicium und gehört zu den härtesten technisch hergestellten Werkstoffen; übertroffen wird es unter anderem von Diamant, mit dem es beim Diamantdraht konkurriert.
Sprödes, scharfkantiges Bruchverhalten: Beim Brechen entstehen kantige Körner, die gut schneiden; beim Verschleiß bilden sich neue Kanten, aber auch Feinkorn.
Chemische Beständigkeit: Das Korn übersteht Glykol, Wasser und die Laugen und Säuren der Aufbereitung weitgehend unbeschadet; das ist eine Voraussetzung dafür, es zurückzugewinnen.
Verfügbarkeit: Das Acheson-Verfahren erlaubt große Mengen zu vertretbaren Kosten.

Warum Rückgewinnung hier besonders sinnvoll ist

Das Acheson-Verfahren bezieht seine Energie vollständig aus elektrischer Widerstandsheizung eines Graphitkerns bei Temperaturen von grob 1700 bis 2500 °C (Fiven). Hinzu kommen Brechen, Mahlen, Klassieren und gegebenenfalls chemische Behandlung, bevor aus dem Ofenblock eine genormte Mikrokörnung wird. Jedes SiC-Korn, das nach dem Sägen intakt bleibt und durch Aufbereitung in den Kreislauf zurückkehrt, ersetzt also ein Korn, das sonst diesen ganzen Weg neu durchlaufen müsste. Das ist neben den Kosten einer der Gründe, die die Fachliteratur für die Slurry-Aufbereitung anführt (Murthy 2015).

Umgekehrt zeigt der Blick auf die Herstellung, wo die Grenzen liegen: Feinkorn und Bruch, die beim Sägen entstehen, lassen sich nicht wieder zu grobem Korn „zusammensetzen“. Sie verlassen den Kreislauf und werden, je nach Reinheit, in anderen Anwendungen mit geringeren Anforderungen eingesetzt oder entsorgt.

Weitere Anwendungen

Neben Schleif- und Trennmitteln wird SiC als Hochleistungskeramik (Gleitringdichtungen, Ofenbauteile, Brennhilfsmittel, Panzerplatten), als Feuerfestmaterial und in der Metallurgie eingesetzt. Wegen seiner Härte, Verschleiß- und Hitzebeständigkeit nennt Fiven die Anwendung als Schleifmittel und als Keramik unter extremen Betriebsbedingungen (Fiven). Eine ganz andere Welt ist einkristallines SiC als Halbleiter für die Leistungselektronik; es wird nicht im Acheson-Ofen, sondern durch Kristallzucht aus der Gasphase hergestellt. Dazu der Artikel SiC in der Leistungselektronik.

Arbeitsschutz

Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) hat 2017 in Band 111 ihrer Monographien Siliciumcarbid bewertet: faserförmiges SiC als möglicherweise krebserregend (Gruppe 2B), SiC-Whisker als wahrscheinlich krebserregend (Gruppe 2A) und die berufliche Exposition bei der Acheson-Herstellung als krebserregend (Gruppe 1) (IARC Monographs Vol. 111). Für den Umgang mit SiC-Pulvern sind Staubschutz und die Angaben im Sicherheitsdatenblatt maßgeblich; mehr im Artikel Sicherheit, Abfallrecht und REACH.