उच्च ताणाच्या परिस्थितींशी सामना करताना सिलिकॉन नायट्राइड खरोखरच आपल्या भली मोठ्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे खूप वेगळे ठरते. उदाहरणार्थ, फ्रॅक्चर टफनेस हे जवळपास 6 ते 8 MPa √m इतके मोजले जाते, जे गेल्या वर्षी ScienceDirect नुसार अॅल्युमिना सेरॅमिक्सच्या तुलनेत जवळजवळ तीन पट चांगले आहे. या सामग्रीला इतके मजबूत कोणते? तर, ते आतील बीटा फेज क्रिस्टल स्ट्रक्चरवर अवलंबून आहे. लांब धान्ये मूलत: पझलच्या तुकड्याप्रमाणे एकमेकांत घुसखोरी करतात, ज्यामुळे पुनरावृत्त भारांखाली सामग्रीतून लहान फुटणे पसरणे खूप कठीण होते.
ह्या पदार्थाची वाकण्याची ताकद 1,000 MPa पर्यंत पोहोचते, जी झिरकोनिया (650 MPa) आणि सिलिकॉन कार्बाइड (550 MPa) च्या तुलनेत जास्त आहे. या पर्यायांप्रमाणे नव्हे तर, 800°C तापमानाला सिलिकॉन नायट्राइड कोकणातील ताकदीचे 85% टिकवून ठेवते, जसे उष्णता तणाव सिम्युलेशनमध्ये दाखवले गेले आहे.
ही अतुलनीय बळकटी तीन महत्त्वाच्या घटकांमुळे निर्माण होते:
अग्रिम निस्तापन तंत्रज्ञान 1–3 µm च्या सूक्ष्म धान्य मॅट्रिक्सची निर्मिती करतात, जे मोठ्या β-फेज क्रिस्टल्सद्वारे पुनर्बलित असतात. ही "स्व-पुनर्बलित" संरचना भार वितरण सुधारते, ज्यामुळे टर्बाइन अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉन नायट्राइड बेअरिंग्स स्टीलच्या तुलनेत 20% जास्त हर्टझियन संपर्क तणाव सहन करू शकतात.
सिलिकॉन नायट्राइड बेअरिंग्समध्ये रोलिंग कॉन्टॅक्ट फॅटिग (RCF) च्या प्रतिकार करण्याची उत्कृष्ट क्षमता असते, ज्यामुळे 4 GPa पेक्षा जास्त चक्रीय ताणामध्ये देखील त्यांची घनता कायम राहते. 2024 मध्ये प्रकाशित एका अभ्यासात, सरफेस आणि कोटिंग्स टेक्नॉलॉजी असे नमूद केले की उच्च भार असलेल्या टर्बाइन वातावरणात देखील स्टील बेअरिंग्सच्या तुलनेत सिलिकॉन नायट्राइडच्या धान्य सीमा रसायनशास्त्रामुळे सबसरफेस फुटणे 40% ने कमी होते. हे वर्तन चक्रीय ताणादरम्यान ऊर्जा प्रभावीपणे पसरवणाऱ्या सहसंयोजक परमाणू बंधनांमुळे उद्भवते.
एअरोस्पेस आणि औद्योगिक भागीदारांसह सहकार्याने केलेल्या चाचण्यांमध्ये सिलिकॉन नायट्राइड हायब्रीड डिझाइनचा वापर करून बेअरिंगच्या सेवा आयुष्यात 60% वाढ दिसून आली. जेट इंजिन सिम्युलेशनमध्ये ही बेअरिंग 500,000 पेक्षा जास्त लोड सायकल सहन करतात आणि मोजता येणारा घर्षण नसतो, ज्यामुळे स्टीलच्या तुलनेत 3:1 नफा मिळतो. फील्ड डेटामध्ये चढ-उताराच्या रेडिअल लोड अंतर्गत दुरुस्तीची वारंवारता कमी झाल्याचे नोंदवले गेले.
सिलिकॉन नायट्राइडची सजातीय सूक्ष्मरचना ताणाच्या केंद्रांना कमी करते, ज्यामुळे झिरकोनिया-आधारित सिरॅमिक्सच्या तुलनेत स्पॉलिंग फेल्युअरमध्ये 75% कपात होते. अचानक फ्रॅक्चरऐवजी घसरण हळूहळू होते, ज्यामुळे प्रीडिक्टिव्ह दुरुस्ती सुलभ होते. खरखरीत परिस्थितीत 1,000 तासांनंतर सतहीच्या प्रोफाइलोमेट्री चाचण्यांमध्ये 85% कमी सामग्रीचे नुकसान दिसून आले.
लगभग 15 GPa च्या विकर्स हार्डनेससह—कठीण केलेल्या स्टीलच्या जवळपास दुप्पट—सिलिकॉन नायट्राइड चिकणखड आणि अपघर्षक घातापासून प्रभावीपणे प्रतिकार करतो. 400°C वर शुष्क धावणाऱ्या चाचण्यांमध्ये, घिसटाचे प्रमाण 0.02 mm³/Nm पेक्षा कमी राहिले, ज्यामुळे ते तेलमुक्त ऑपरेशन्ससाठी आदर्श बनते. कठोरता आणि कठीणपणाच्या संतुलनामुळे दूषित वातावरणात विश्वासार्ह कामगिरी सुनिश्चित होते जेथे स्टील बेअरिंग्स सामान्यतः खोलगट (pitting) होतात.
लोखंडाच्या तुलनेत सिलिकॉन नायट्राइडचे कमी घनत्व, जे सुमारे 3.2 ग्रॅम प्रति घन सेंटीमीटर आहे, केंद्रपसारक शक्तीवर 60 टक्क्यांपर्यंत कमी करते, ज्याचे वजन 7.8 ग्रॅम/सेमी³ आहे. याचा अर्थ असा की 1.5 दशलक्ष DN एककांपेक्षा (व्यास गुणिले प्रति मिनिट फेरे) जास्त वेगाने फिरत असतानाही घटक सुरळीतपणे कार्य करू शकतात. हे फायदे विमानांच्या टर्बाइन शाफ्टमध्ये आणि वैद्यकीय उपकरणांमधील लहान पण महत्त्वाच्या स्पिंडलमध्ये खूप उठून दिसतात. कालांतराने जड जडत्वाच्या ताणाला त्यांना सहन करता येत नाही म्हणून लोखंडी बेअरिंग्स लवकर फेल होतात. सामग्री शास्त्रज्ञांच्या अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की औद्योगिक टर्बोचार्जर्ससाठी हा कमी झालेला ताण दरमहा 12 ते 18 टक्क्यांपर्यंत दुरुस्तीच्या कालावधीत वाढ करतो. म्हणूनच आजकाल अनेक उत्पादक सामग्री बदलत आहेत.
| साहित्य | घनता (ग्रॅम/सेमी³) | 50k आरपीएम वर केंद्रपसारक ताण | ताप उत्पादन |
|---|---|---|---|
| सिलिकॉन नायट्राइड | 3.2 | 220 MPa | 35°C वाढ |
| स्टील | 7.8 | 580 MPa | 82°C वाढ |
3.4:1 घनत्व गुणोत्तर भार क्षमता बळीचा न पडता हलक्या बेअरिंग असेंब्लीसाठी सक्षम करते—हे फॉर्म्युला 1 हायब्रीड पॉवरट्रेनमध्ये एक निर्णायक घटक आहे, जिथे संघ वस्तुमान कमी करून 11% अधिक वेगवान गति साधतात.
सिलिकॉन नायट्राइड बेअरिंग्सचे गॅस टर्बाइनमध्ये त्यांच्या स्टीलच्या तुलनेत सुमारे 25 ते 40 टक्के जास्त वेगाने फिरण्याची क्षमता असते कारण त्यांच्या जडत्वाच्या शक्ती कमी असतात. 2023 मध्ये आंतरराष्ट्रीय नूतनीकरणीय ऊर्जा संस्थेच्या आकडेवारीनुसार वारा टर्बाइन ऑपरेटर्स मुख्य शाफ्टमध्ये सुमारे 6 ते 9 टक्के कमी ऊर्जा नुकसान पाहत आहेत. उत्पादन क्षेत्राने याकडे लक्ष दिले आहे. त्सुगामी आणि ओकुमा सारख्या अत्यंत अचूक साधने तयार करणाऱ्या कंपन्यांना आढळून आले की त्यांनी त्यांच्या स्पिंडल ड्राइव्हमध्ये सिरॅमिक बेअरिंग्सवर स्विच केल्यानंतर उच्च-गती सीएनसी मशीनिंग सेंटर्समध्ये सायकल वेळेत सुमारे 15% घट झाली. ही सुधारणे औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये शक्य असलेल्या गोष्टींचे पुनर्घडण घडवून आणत आहेत.
DN मूल्य: उद्योगाचे सामान्य मापन जेथे DN = बेअरिंग बोअर (मिमी) × भ्रमण गति (आरपीएम)
सिलिकॉन नायट्राइड 1000 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमानात खूप चांगले काम करते, ज्यामुळे सामान्य स्टीलपेक्षा हे चांगले आहे जे फक्त 400 डिग्री सभोवतालच्या वाकण्यास आणि विकृतीस सुरुवात करते. या सामग्रीला इतके मजबूत कोणते? उत्तर अणूंमधील अतिशय मजबूत रासायनिक बंधनांमध्ये आणि घनतेने भरलेल्या आंतरिक संरचनेमध्ये आहे. या गुणधर्मांमुळे उच्च तापमानाच्या वातावरणात जसे की कारखान्याच्या भट्ट्या किंवा जेट इंजिन भागांमध्ये इतर सामग्री अपयशी ठरतील तेथे देखील ते विश्वासार्हपणे काम करू शकते. गेल्या वर्षी ऐन शाम्स इंजिनिअरिंग जर्नलमधून प्रकाशित झालेल्या संशोधनात एक आकर्षक गोष्ट दिसून आली. 1000 डिग्री तापमानात लगात्तर 500 तास ठेवल्यानंतर, या सेरॅमिक सामग्रीने त्यांच्या मूळ वाकण्याच्या ताकदीपैकी 90% पेक्षा जास्त टिकवून ठेवली. या प्रकारची टिकाऊपणा सिद्ध करते की ते वेळेसोबत बिघडण्याशिवाय गंभीर उष्णता तणाव सहन करू शकतात.
हे उष्मांक गुणधर्म सिलिकॉन नायट्राइडला 800°C पेक्षा जास्त तापमानात सतत कार्य करणाऱ्या जेट इंजिन घटकांसाठी अपरिहार्य बनवतात. उच्च-गती यंत्रकार्यामध्ये, ही सामग्री इस्पाताच्या तुलनेत उष्णतेमुळे होणारा स्पिंडल विकृती 40–60% ने कमी करते, ज्यामुळे अचूक धातू कार्यात अधिक जवळच्या सहनशीलतेला पाठिंबा मिळतो.
अधातूच्या सामग्री म्हणून, सिलिकॉन नायट्राइड मीठाच्या पाण्यात, आम्लीय आणि क्षारीय वातावरणात गॅल्वॅनिक दुर्गंधीपासून प्रतिकार करते. हे रासायनिक पंप आणि समुद्री उपकरणांमध्ये चरबीशिवाय विश्वासार्हपणे कार्य करते, ज्यामुळे ऑफशोर वारा टर्बाइन आणि लवणहीनीकरण प्रणालीमध्ये देखभाल खर्चात 70% पर्यंत कपात होते.
सिलिकॉन नायट्राइडचा उष्मा प्रसरण गुणांक (3.2 × 10⁶/°C) स्टेनलेस स्टील (17 × 10⁶/°C) च्या जवळचा आहे, ज्यामुळे झपाट्याने तापमान बदलत असताना इंटरफेसिअल तणाव कमी होतो. ही सुसंगतता वारंवार उष्मा चक्रीयतेला उपलब्ध असलेल्या ऑटोमोटिव टर्बोचार्जरमध्ये ढिलेपणा रोखते.
सामग्री विज्ञानाच्या बाबतीत, सिलिकॉन नायट्राइड सामान्य स्टीलला काही महत्त्वाच्या प्रमुख मुद्द्यांवर मात देतो आणि पारंपारिक सिरॅमिक्समध्ये असलेल्या अनेक समस्या सोडवतो. ही सामग्री खूपच हलकी देखील आहे - स्टीलच्या जड 7.8 ग्रामच्या तुलनेत फक्त सुमारे 3.2 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर. यामुळे सिरॅमिक बेअरिंग्स उच्च गतीच्या यंत्रसामग्रीशी व्यवहार करण्यासाठी खरोखरच चांगली आहेत कारण त्या अवघ्या दोन-तृतीयांश इतक्या त्रिज्यापासून निर्माण होणाऱ्या अपकेंद्री शक्ती कमी करतात. त्यापेक्षा चांगले काय? हे सिरॅमिक घटक 1,000 अंश सेल्सिअसजवळील तापमानापर्यंत चांगल्या प्रकारे कार्य करत राहतात. हे स्टीलच्या तुलनेत खूप पुढे आहे जे सुमारे 300 अंशांवर असताना अपयशी ठरते. आणि त्यांच्या फाटण्याच्या तिरस्काराच्या बाबतीत, आधुनिक सिलिकॉन नायट्राइड खरोखरच काही उच्च दर्जाच्या स्टील मिश्र धातूंच्या तिरस्काराच्या बाबतीत बरोबरी करतो. गेल्या वर्षी प्रकाशित झालेल्या त्रिबोलॉजी तज्ञांच्या अहवालानुसार, या अॅडव्हान्स्ड सिरॅमिक्स वापरणाऱ्या यंत्रांचा वापर सतत ऑपरेशन चक्रांदरम्यान जवळपास तीन पट जास्त काळ टिकतो.
सिलिकॉन नायट्राइड बेअरिंग्जची सुरुवातीची किंमत 30–50% जास्त असली तरीही कठोर परिस्थितींमध्ये त्यांचा आयुष्यकाळ 3 ते 5 पट जास्त असल्यामुळे आजीवन देखभाल खर्च 40% कमी होतो. 2024 मधील एका उत्पादन विश्लेषणात असे आढळून आले की संकरित सिरॅमिक डिझाइनमध्ये बदल केल्यानंतर अर्धवाहक सुविधांमध्ये वार्षिक बेअरिंग प्रतिस्थापनाचा खंड 120 तासांनी कमी झाला, ज्यामुळे 18 महिन्यांत गुंतवणुकीचे पूर्ण परतावा मिळाला.
हायड्रोजन इंधन सेल कंप्रेसर आणि उपग्रह प्रतिक्रिया चाके ही नवीन अग्रस्थाने आहेत, जिथे विद्युत इन्सुलेशन आणि शून्य सहलग्नता महत्त्वाची आहे. अलीकडच्या अत्यंत अचूक अभियांत्रिकीच्या अंदाजानुसार 2030 पर्यंत या निष्ठामय बाजारात वार्षिक 25% वाढ होण्याची शक्यता आहे.
800V ट्रॅक्शन मोटर शाफ्टमध्ये सिलिकॉन नायट्राइड बेअरिंग्जचा समावेश करून ईव्ही उत्पादक त्यांच्या अ-चुंबकीय स्वभावाचा फायदा घेऊन विद्युतचुंबकीय हस्तक्षेप कमी करत आहेत. लुब्रिकेशन-मुक्त सिरॅमिक बेअरिंग्ज वापरून सीध्या ड्राइव्ह जनरेटरमध्ये विंड टर्बाइन उत्पादकांनी 12% दक्षता वाढ नोंदवली आहे, जे मीठाच्या पाण्याच्या गंजण्यास प्रतिरोधक आहेत.
उत्पादन-ग्रेड घटकांमध्ये अधवस्थेची 99.5% सैद्धांतिक घनता प्राप्त करण्यासाठी आता उन्नत वायू दाब सिंटरिंग वापरले जाते, ज्यामुळे पोस्ट-प्रोसेसिंगची गरज 35% ने कमी होते. या प्रगतीमुळे ऐतिहासिक सातत्याच्या समस्या सुटल्या आहेत आणि स्टील बेअरिंग्जपर्यंत मर्यादित असलेल्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनाला पाठिंबा मिळाला आहे.
EN
