Silicijaus nitridas išsiskiria dirbant esant didelėms apkrovoms, nes turi itin įspūdingas mechanines savybes. Paimkime, pavyzdžiui, lūžio atsparumą – jis siekia apie 6–8 MPa√m, kas maždaug tris kartus geriau nei aliuminio oksido keramikos atveju, kaip nurodyta „ScienceDirect“ duomenimis praėjusiais metais. Kas daro šią medžiagą tokia atsparia? Viskas susiję su vidiniu beta fazės kristaline struktūra. Ištęsti grūdai tarsi dėlionės gabaliukai užsifiksuoją vienas į kitą, todėl medžiagoje atsiradusių mikroskopinių įtrūkimų plitimui pasipriešinama net ir veikiant kintamoms apkrovoms.
Medžiagos lenkimo stipris pasiekia 1000 MPa, pranokstant cirkonio (650 MPa) ir silicio karbido (550 MPa) rodiklius. Skirtingai nei šie variantai, silicio nitridas 800 °C išlaiko 85 % savo stiprio kambario temperatūroje, kaip parodyta terminės įtampos modeliavimo rezultatuose.
Šią išskirtinę atsparumą lemia trys pagrindiniai veiksniai:
Pažangios sinteravimo technologijos sukuria smulkiagrūdį matriksą (1–3 µm), armuotą didesniais β-fazės kristalais. Ši „savęs sustiprinta“ struktūra pagerina apkrovos pasiskirstymą, leidžiant silicio nitrido guoliams išlaikyti 20 % didesnius Hertzo kontaktinius įtempimus nei jų plieniniai atitikmenys turbinoje.
Silicijaus nitrido guoliai pasižymi puikia atsparumu riedėjimo kontaktiniam nuovargiui (RCF), išlaikydami vientisumą ciklinėms apkrovoms viršijant 4 GPa. 2024 m. žurnale Paviršiaus dangos ir technologijos paskelbtas tyrimas parodė, kad dėl silicijaus nitrido grūdelių ribų cheminės sudėties požeminės įtrūkimų atsiradimas sumažėja 40 %, palyginti su plieniniais guoliais, net aukštos apkrovos turbinoje aplinkoje. Šis elgesys lemiamas kovalentingųjų atominių ryšių, kurie efektyviai sklaido energiją apkrovos ciklų metu.
Bendradarbiaujant su aviacijos ir pramonės partneriais, atlikti bandymai parodė 60 % ilgesnį guolių tarnavimo laiką naudojant silicio nitrido hibridinius konstrukcinius sprendimus. Šie guoliai išlaikė daugiau nei 500 000 apkrovos ciklų reaktyvinio variklio modeliavimo sąlygose be matomo dilimo, lenkiant plieninius analogus santykiu 3:1. Eksploatacijos duomenys patvirtino mažesnį techninės priežiūros dažnumą, ypač kintamos spindulinsės apkrovos sąlygomis.
Vientisa silicio nitrido mikrostruktūra sumažina įtempimo koncentracijos vietas, dėl ko lūžimų dėl lupimosi sumažėja 75 %, palyginti su cirkonio oksidu pagrįstomis keramikomis. Gedimas keičiasi nuo staigaus lūžimo į palaipsnį dilimą, leidžiant prognozuoti techninę priežiūrą. Paviršiaus profiliometrijos tyrimai parodė 85 % mažesnę medžiagos netektį po 1 000 valandų šiurkščiomis sąlygomis.
Turėdamas Vikerso kietumą apie 15 GPa – beveik dvigubai didesnę nei kietinamo plieno – silicio nitridas efektyviai atsparus adheziniam ir abrazyviniam dilimui. Bandymų sausuoju būdu 400 °C temperatūroje metu dėvėjimosi rodikliai išliko žemiau 0,02 mm³/Nm, todėl jis puikiai tinka be aliejaus veikiantiems mechanizmams. Kietumo ir atsparumo subalansavimas užtikrina patikimą veikimą teršiamose aplinkose, kuriose plieniniai guoliai dažnai kenčia nuo įdubimų.
Silicijaus nitrido žemesnė tankis, apie 3,2 gramai viename kubiniame centimetre, sumažina išcentrines jėgas net 60 procentų, palyginti su plienu, kurio tankis yra 7,8 g/cm³. Tai reiškia, kad komponentai gali sklandžiai veikti net esant greičiui, viršijančiam 1,5 milijono DN vienetų (skersmuo, padaugintas iš apsukų per minutę). Šis pranašumas ypač akivaizdus tokiose srityse kaip lėktuvų turbinų velenai ir tie mažyčiai, bet svarbūs ašeliai, naudojami medicinos prietaisuose. Plieniniai guoliai dažniau sugenda, nes ilgainiui negali atlaikyti tokių inercinės apkrovos. Medžiagų mokslininkų tyrimai parodė, kad dėl sumažintos apkrovos pramoninių turbokompresorių techninės priežiūros intervalai pailgėja nuo 12 iki 18 procentų. Aišku, kodėl šiuolaikiniai gamintojai vis dažniau keičia medžiagas.
| Medžiaga | Tankis (g/cm³) | Išcentrinė apkrova esant 50 tūkst. apsukų per minutę | Šilumos gamyba |
|---|---|---|---|
| Silicio nitridas | 3.2 | 220 MPa | 580 MPa |
| Plienas | 7.8 | 35 °C padidėjimas | 82 °C padidėjimas |
3,4:1 tankio santykis leidžia lengvesnes guolių konstrukcijas, neprarandant apkrovos gebos – tai lemiamas veiksnys Formulės 1 hibridinėse varomosiose sistemose, kur komandos pasiekia 11 % didesnį pagreitį dėl masės mažinimo.
Silicio nitrido guoliai gali suktis apie 25–40 procentų greičiau nei jų plieniniai atitikmenys dujų turbinyse, nes jie turi mažesnes inercines jėgas. Vėjo turbinų operatoriai taip pat pastebi apie 6–9 procentus mažesnius energijos nuostolius pagrindiniuose velenų velenams, remiantis Tarptautinės atsinaujinančios energijos agentūros 2023 metais pateiktais skaičiais. Tai pastebėjo ir gamybos pasaulis. Įmonės, gaminančios tikslumo įrankius, tokios kaip Tsugami ir Okuma, nustatė, kad pereidamos prie keramikinių guolių savo špindelių pavaruose, ciklo trukmė sumažėjo maždaug 15 % visuose aukšto greičio CNC apdirbimo centruose. Šie patobulinimai pradeda keisti tai, kas yra įmanoma pramonės taikymuose.
DN reikšmė: pramonės standartinis matas, kai DN = guolio skersmuo (mm) × sukimosi greitis (apsisukimai per minutę)
Silicijau nitruidas išlaiko savo savybes labai gerai, kai temperatūra pakyla virš 1000 laipsnių Celsijaus, kur kas geriau nei įprastas plienas, kuris pradeda linkti ir iškraipyti jau ties apie 400 laipsnių. Kas daro šią medžiagą tokia atsparia? Atsakymas slypi tarp atomų esančiose itin stipriose cheminių ryšių jungtyse bei tankiai supakuotoje vidinėje struktūroje. Šios savybės leidžia jai patikimai veikti net labai aukštose temperatūrose, tokiomis sąlygomis kaip gamyklos krosnys ar reaktyvinių variklių dalys, kur kitos medžiagos sugestų. Praeitos metų tyrimas iš Ain Shams inžinerijos žurnalo parodė ir tai, kad po 500 iš eilės praėjusių valandų siaubingose 1000 laipsnių temperatūrose, šios keraminės medžiagos vis dar išlaikė daugiau nei 90 % savo pradinės lenktinės stiprybės. Toks ilgaamžiškumas įrodo, kad jos gali ištverti rimtą karščio apkrovą be laiko bėgant susidėvėjimo.
Šios šiluminės savybės daro silicio nitridą būtinu naudoti reaktyvinių variklių komponentams, veikiantiems tolygiai aukščiau nei 800 °C. Aukšto greičio apdirbime medžiaga sumažina šilumos sukeltą pagalbinio veleno iškraipymą 40–60 % lyginant su plienu, užtikrindama tikslesnes tarpines kietumo vertes tiksliajame metalo apdirbime.
Kaip ne-metalinė medžiaga, silicio nitridas atsparus galvaninei korozijai jūros vandenyje, rūgštinėse ir šarminėse aplinkose. Jis patikimai veikia cheminiuose siurbliuose ir jūros įrangose be tepimo, mažindamas techninės priežiūros išlaidas iki 70 % jūroje esančiuose vėjo elektrinėse ir druskos šalinimo sistemose.
Silicio nitrido šiluminio plėtimosi koeficientas (3,2 × 10⁶/°C) yra artimas nerūdijančio plieno (17 × 10⁶/°C), todėl sumažinamas tarpfazinis įtempis staigiai keičiantis temperatūrai. Šis suderinamumas prevencijuoja atsileidimą automobilių turbokompresoriuose, kuriuos dažnai veikia terminis ciklinis krūvis.
Kalbant apie medžiagų mokslą, silicio nitridas pranašesnis už įprastinį plieną keliomis svarbiomis kryptimis ir pašalina daugelį problemų, kurias turėjo tradicinės keramikos. Ši medžiaga taip pat žymiai lengvesnė – tik apie 3,2 gramo viename kubiniame centimetre, palyginti su plieno 7,8 gramais. Dėl to keraminiai guoliai puikiai tinka aukšto greičio įrenginiams, nes sumažina trikdančias centrifugines jėgas maždaug du trečdalius. Kas dar geriau? Šios keraminės detalės išlaiko savo funkcionalumą temperatūrose, artėjančiose prie 1 000 laipsnių Celsijaus, kas yra žymiai virš to, ką gali išlaikyti plienas, kuris pradeda silpti esant apie 300 laipsnių temperatūrai. Be to, atsparumu įtrūkimams šiuolaikinis silicio nitridas lygiavertis kai kuriems aukštos kokybės plieno lydiniams. Pagal paskutinių metų tribologijos ekspertų paskelbtus tyrimus, įrenginiai, naudojantys šias pažangias keramines medžiagas, veikia beveik tris kartus ilgiau pastovaus veikimo ciklų metu.
Nors silicio nitrido guoliai turi 30–50 % didesnę pradinę kainą, jų tarnavimo laikas žymiai sudėtingesnėse sąlygose yra 3–5 kartus ilgesnis, todėl viso gyvavimo trukmės metu techninės priežiūros išlaidos sumažėja 40 %. 2024 m. atlikta gamybos analizė parodė, kad puslaidininkių įmonės kasmet sumažino guolių keitimo sustojimus 120 valandų, pereidamos prie hibridinių keraminių konstrukcijų, ir pasiekė investicijų grąžinimą per 18 mėnesių.
Naujos sritys apima vandenilio kuro elementų kompresorius ir palydovų reakcijos ratelius, kuriuose yra būtina elektros izoliacija ir vakuumo suderinamumas. Naujausių tikslinės inžinerijos prognozių duomenimis, šiuose nišiniuose rinkose iki 2030 m. kasmetinis augimas sieks 25 %.
EV gamintojai integruoja silicio nitrido guolius į 800 V traukos variklių velenus, pasitelkdami jų neferomagnetines savybes, kad sumažintų elektromagnetinį trikdį. Vėjo turbinų gamintojai praneša apie 12 % efektyvumo padidėjimą tiesioginio pavaro generatoriuose, naudojant be tepimo keraminius guolius, atsparius druskmačio korozijai.
Pažangus dujų slėgio sinterizavimas dabar pasiekia 99,5 % teorinę tankį pramoninės kokybės komponentuose, sumažindamas poreikį apdorojimui po gaminimo 35 %. Šios pažangos išsprendžia ankstesnes nuoseklumo problemas ir palaiko mastelio plėtimą, kuris anksčiau buvo ribojamas tik plieniniais guoliais.
EN
