A színkarbid különösen jól teljesít nagy terhelés alatt, mivel rendkívül jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Vegyük például a repedésképződési ellenállást, amely körülbelül 6–8 MPa√m, ez pedig durván háromszor jobb, mint az alumínium-kerámiáké, ahogyan az a tavalyi ScienceDirect adatok szerint látható. Mi teszi ezt az anyagot ennyire ellenállóvá? Nos, mindez a belső béta fázisú kristályszerkezetnek köszönhető. A hosszú szemcsék lényegében úgy kapcsolódnak össze, mint egy kirakójáték darabjai, így sokkal nehezebbé téve a mikroszkopikus repedések terjedését ismételt terhelés hatására.
Az anyag hajlítási szilárdsága eléri az 1000 MPa-t, meghaladva a cirkóniát (650 MPa) és a szilícium-karbidot (550 MPa). Ezekkel ellentétben a szilícium-nitrid a szobahőmérsékleten mért szilárdság 85%-át megtartja 800 °C-on, amit hőfeszültségi szimulációk is igazoltak.
Ez a kiváló szívósság három fő tényezőnek köszönhető:
A fejlett sinterelési technikák finomszemcsés mátrixot (1–3 µm) hoznak létre, amelyet nagyobb β-fázisú kristályok erősítenek. Ez a „saját magát megerősítő” szerkezet javítja a terheléseloszlást, lehetővé téve, hogy a szilícium-nitrid csapágyak turbinákban 20%-kal magasabb Hertz-féle érintkezési feszültséget bírjanak el acél társaikhoz képest.
A szilícium-nitrid csapágyak kiváló ellenállást mutatnak a gördülő érintkezési fáradással (RCF) szemben, és integritásuk megmarad akkor is, ha a ciklikus igénybevétel meghaladja a 4 GPa-ot. Egy 2024-ben a Surface and Coatings Technology folyóiratban közzétett tanulmány kimutatta, hogy a szilícium-nitrid szemhatár-kémia 40%-kal csökkenti a felület alatti repedésképződést acélcsapágyakkal összehasonlítva, még nagy terhelésű turbinkörnyezetekben is. Ezt a viselkedést a kovalens atomkötések okozzák, amelyek hatékonyan disszipálják az energiát a terhelési ciklusok során.
Közös kísérletek repülőgépipari és ipari partnerekkel 60%-os növekedést mutattak a csapágyak élettartamában színes nitrid hibrid konstrukciók alkalmazásával. Ezek a csapágyak több mint 500 000 terhelési ciklust kibírtak sugárhajtómű-szimulációk során mérhető kopás nélkül, háromszor jobb teljesítményt nyújtva az acélekvivalensekhez képest. A terepadatok megerősítették a karbantartás gyakoriságának csökkenését, különösen változó radiális terhelések mellett.
A színes nitrid homogén mikroszerkezete minimalizálja a feszültségkoncentrációs pontokat, amely 75%-os csökkenést eredményez a repedezési hibákban cirkónia-alapú kerámiákhoz képest. A hibajelenség a hirtelen törésről fokozatos kopásra változik, lehetővé téve a prediktív karbantartást. A felületi profilometriai vizsgálatok 85%-kal kevesebb anyagveszteséget mutattak 1000 óra után abrazív körülmények között.
A kb. 15 GPa-os Vickers-keménységével – ami majdnem kétszerese a edzett acélénak – a szilícium-nitrid hatékonyan ellenáll az adhézív és abrazív kopásnak. Száraz futású tesztek során 400 °C-on a kopási ráta 0,02 mm³/Nm alatt maradt, így ideális olajmentes üzemeltetéshez. A keménység és szívósság közötti egyensúly megbízható teljesítményt biztosít szennyezett környezetekben, ahol az acélcsapágyak általában repedeznek.
A színitríd alacsonyabb sűrűsége, körülbelül 3,2 gramm köbcentiméterenként, akár 60 százalékkal is csökkentheti a centrifugális erőket az acélhoz képest, amelynek súlya 7,8 g/cm³. Ez azt jelenti, hogy az alkatrészek simán működhetnek akkor is, ha több mint 1,5 millió DN egység (az átmérő szorozva a percenkénti fordulatszámmal) sebességgel forognak. A haszon különösen jól látható például repülőgépek turbina tengelyein és az orvosi eszközökben található apró, de létfontosságú orsókon. Az acélcsapágyak hajlamosak hamarabb meghibásodni, mivel idővel nem bírják el az összes tehetetlenségi terhelést. A anyagtudósok tanulmányai szerint ezek a csökkentett terhelések ténylegesen 12 és 18 százalékkal növelik meg az ipari turbófeltöltők karbantartási intervallumát. Nem véletlen, hogy egyre több gyártó vált át más anyagokra manapság.
| Anyag | Sűrűség (g/cm³) | Centrifugális feszültség 50 ezer fordulaton | Hőtermelés |
|---|---|---|---|
| Szilícium-nitrid | 3.2 | 220 MPa | 35°C emelkedés |
| Acéltől | 7.8 | 580 MPa | 82°C emelkedés |
A 3,4:1-es sűrűségi arány lehetővé teszi a könnyebb csapágyegységek kialakítását anélkül, hogy csökkennének a terhelhetőségi határértékek – ez döntő tényező a Formula-1-es hibrid meghajtásoknál, ahol a csapatok a tömegcsökkentésnek köszönhetően 11 százalékkal gyorsabb gyorsulást érnek el.
A színült nitrid csapágyperselyek körülbelül 25–40 százalékkal gyorsabban foroghatnak, mint acéltársaik a gázturbinákban, mivel tehetetlenségi erőik alacsonyabbak. A szélturbinák üzemeltetői is tapasztalják a javulást: a főtengelyek energiavesztesége körülbelül 6–9 százalékkal csökkent, amit az Internacionális Megújuló Energiaügynökség (IRENA) 2023-as adatai is alátámasztanak. A gyártóipar is felfigyelt erre. A Tsugami és az Okuma precíziós szerszámgépeket gyártó vállalatok azt tapasztalták, hogy amikor kerámia csapágyperselyekre váltottak maróhajtóműveikben, a ciklusidő a nagysebességű CNC megmunkálóközpontoknál átlagosan körülbelül 15 százalékkal csökkent. Ezek a fejlesztések egyre inkább átalakítják az ipari alkalmazásokban elérhető teljesítményhatárokat.
DN érték: Ipari szabványos mérték, ahol DN = Csapágy belső átmérője (mm) × fordulatszám (ford/perc)
A szilícium-nitrid kiválóan bírja a hőmérséklet 1000 °C feletti emelkedését, sokkal jobban, mint a hagyományos acél, amely már körülbelül 400 °C-on elkezddeformálódni és torzulni. Mi teszi ezt az anyagot ennyire ellenállóvá? A válasz a szupererős kémiai kötésekben rejlik az atomok között, valamint a szorosan csomagolt belső szerkezetben. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy megbízhatóan működjön magas hőmérsékletű környezetekben is, például gyári kemencékben vagy sugárhajtóművek alkatrészeiben, ahol más anyagok már meghibásodnának. Az előző évben megjelent Ain Shams Engineering Journal kutatása érdekes eredményt is felmutatott: miután ezek az kerámia anyagok egymást követően 500 órán át 1000 °C-os forró környezetben voltak, továbbra is megtartották eredeti hajlítási szilárdságuk több mint 90%-át. Ez a fajta tartósság bizonyítja, hogy komoly hőterhelést képesek hosszú távon elviselni lebomlás nélkül.
Ezek a hőtulajdonságok elengedhetetlenné teszik a szilícium-nitridet azon sugárhajtómű-alkatrészeknél, amelyek folyamatosan 800 °C felett működnek. Nagysebességű megmunkálás során az anyag 40–60%-kal csökkenti a hő okozta orsótorzulást acélhoz képest, így támogatja a szűkebb tűréshatárokat a precíziós fémmegmunkálásban.
Nemfém anyagként a szilícium-nitrid ellenáll a galvánikus korróziónak tengervízben, savas és lúgos környezetben egyaránt. Megbízhatóan működik kémiai pumpákban és tengeri berendezésekben kenés nélkül, csökkentve a karbantartási költségeket akár 70%-kal offshore szélturbinákban és édesvízzé alakító rendszerekben.
A szilícium-nitrid hőtágulási együtthatója (3,2 × 10⁶/°C) közel áll az ötvözetlen acéléhoz (17 × 10⁶/°C), így minimálisra csökkenti a határfelületi feszültséget gyors hőmérsékletváltozások során. Ez a kompatibilitás megakadályozza az elengedődést olyan gépjármű-turbófeltöltőkben, amelyek gyakori hőciklusoknak vannak kitéve.
A anyagtudomány terén a színíttrid keményedik a hagyományos acéllal szemben több fontos szempontból, és kijavítja a hagyományos kerámiák számos problémáját. Az anyag lényegesen könnyebb is – sűrűsége mindössze körülbelül 3,2 gramm köbcentiméterenként, míg az acélé 7,8 gramm. Ez teszi a kerámiacsapágyakat kiválóvá nagy sebességű gépekben való alkalmazásra, mivel körülbelül kétharmaddal csökkentik a kellemetlen centrifugális erőket. Még jobb, hogy ezek a kerámiakomponensek akár 1000 °C-os hőmérsékletig is hibátlanul működnek, ami messze meghaladja az acél kb. 300 °C-on bekövetkező hibájának határát. Ami pedig a repedésképződés ellenállóságát illeti, a modern színíttrid törésállósága valóban eléri néhány kiváló minőségű acélötvözet szintjét. A tavaly publikált súrlódástani szakértők kutatásai szerint a fejlett kerámiákat használó gépek folyamatos üzemeltetés során majdnem háromszor tovább tartanak.
Bár a színitrid csapágyak kezdeti költsége 30–50%-kal magasabb, kemény körülmények között 3–5-ször hosszabb élettartamuk van, ami 40%-os alacsonyabb karbantartási költséget eredményez élettartamuk során. Egy 2024-es gyártási elemzés szerint a félvezetőgyártók éves csapágycserére fordított leállási idejüket 120 órával csökkentették hibrid kerámia konstrukciókra váltva, és így 18 hónapon belül elérték a befektetésük megtérülését.
Az új határok közé tartoznak a hidrogén üzemanyagcellás kompresszorok és a műholdas reakciós kerék, ahol az elektromos szigetelés és a vákuumkompatibilitás alapvető fontosságú. A legutóbbi precíziós mérnöki előrejelzések 25%-os éves növekedést prognosztizálnak ezen speciális piacokon 2030-ig.
A villanymotor-gyártók szilícium-nitrid csapágyakat építenek be az 800 V-os hajtómotor tengelyeibe, kihasználva annak nem mágneses jellegét, így csökkentve az elektromágneses zavarokat. A szélturbinák gyártói 12%-os hatásfoknövekedést jeleztek a közvetlen meghajtású generátorokban, amelyekben kenésmentes, tengervíz-korrózióálló kerámia csapágyakat használnak.
A fejlett gáznyomásos sinterelés jelenleg már eléri az elméleti sűrűség 99,5%-át ipari minőségű alkatrészeknél, csökkentve ezzel a továbbfeldolgozási igényt 35%-kal. Ezek az újítások orvosolják a korábbi konzisztencia-problémákat, és támogatják a mérethatékonyságot, amely korábban csak acélcsapágyak esetében volt lehetséges.
EN
