Warum Siliziumnitrid Stahl in der Hochleistungstechnik ersetzt- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Kerneigenschaften von Siliziumnitrid (Si3N4)

Siliziumnitrid ist eine technische Hochleistungskeramik, die sich durch ihre einzigartige Kombination aus thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften auszeichnet. Im Gegensatz zu vielen anderen Keramiken, die unter thermischer Belastung spröde werden, zeichnet sich Siliziumnitrid durch einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Bruchzähigkeit aus. Dadurch ist es äußerst temperaturschockbeständig und übersteht schnelle Temperaturschwankungen ohne Risse. Chemisch gesehen besteht es aus Silizium und Stickstoff, die in einer kovalenten Bindungsstruktur angeordnet sind, was zu einem Material führt, das fast so hart wie Diamant ist und gleichzeitig deutlich leichter als hochfeste Stahllegierungen bleibt.

Physikalische und thermische Eigenschaften

Eigentum	Typischer Wert
Dichte	3,2 - 3,5 g/cm³
Härte (Vickers)	1400 - 1600 HV
Wärmeleitfähigkeit	20 - 30 W/m·K
Max. Betriebstemperatur	Bis 1200°C

Herstellungsprozesse und Materialqualitäten

Die Leistung von Siliziumnitrid hängt stark von der Methode zur Synthese und Verdichtung des Pulvers ab. Da das Material nicht schmilzt, muss es durch Sinterprozesse geformt werden. Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN) entsteht durch Nitrieren eines Siliziumpulver-Presslings, was zu einer hervorragenden Dimensionsstabilität, aber höherer Porosität führt. Im Gegensatz dazu nutzen gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSSN) und heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN) hohen Druck und hohe Temperatur, um eine nahezu theoretische Dichte zu erreichen und bieten die höchste mechanische Festigkeit für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich.

Gesintertes Siliziumnitrid (SSN): Verwendet Additive, um die Verdichtung bei hohen Temperaturen zu erleichtern.
Heißisostatisch gepresst (HIP-SN): Beseitigt interne Mikrohohlräume für maximale Ermüdungsbeständigkeit.
Reaktionsgebunden (RBSN): Am besten für komplexe Formen geeignet, bei denen enge Toleranzen ohne Bearbeitung erforderlich sind.

Industrielle Anwendungen und technische Vorteile

Im Automobil- und Luft- und Raumfahrtsektor ist Siliziumnitrid der Goldstandard für Hochgeschwindigkeitslagerkomponenten. Keramikkugellager aus Si3N4 sind 40 % leichter als Stahl, erzeugen weniger Reibung und können kurzzeitig ohne Schmierung betrieben werden, was für Notfallszenarien in Strahltriebwerken von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner nichtmagnetischen und elektrisch isolierenden Eigenschaften ideal für den Einsatz in Halbleiterfertigungsanlagen und medizinischen Implantaten, wo Störungen der Magnetresonanztomographie (MRT) oder elektrischer Schaltkreise vermieden werden müssen.

Hauptvorteile in extremen Umgebungen

Korrosionsbeständigkeit: Unempfindlich gegenüber den meisten Säuren und alkalischen Lösungen bei Raumtemperatur.
Verschleißfestigkeit: Überlegene Langlebigkeit in abrasiven Umgebungen im Vergleich zu Wolframcarbid.
Hohe Steifigkeit: Bietet hervorragende strukturelle Steifigkeit mit einem Elastizitätsmodul von etwa 310 GPa.

Designüberlegungen für Siliziumnitrid-Komponenten

Bei der Konstruktion mit Siliziumnitrid müssen Ingenieure die mangelnde Duktilität des Materials berücksichtigen. Obwohl es eine unglaublich starke Kompression aufweist, reagiert es empfindlich auf Punktbelastung und Spannung. Um die Lebensdauer von Keramikteilen zu maximieren, ist es wichtig, scharfe Innenecken zu vermeiden und großzügige Radien zur Spannungsverteilung zu verwenden. Da sich Siliziumnitrid nach dem Sintern nur schwer bearbeiten lässt, sollten die Komponenten außerdem so nah wie möglich an der „Endform“ konstruiert oder mit diamantbestückten Werkzeugen geschliffen werden, um endgültige Toleranzen zu erreichen. Für eine ordnungsgemäße Integration sind häufig Schrumpfverbindungen oder spezielle Klebstoffe erforderlich, um die Keramik mit den Metallgehäusen zu verbinden.