Силикон нитрид заиста истиче када су у питању високи напони јер поседује неке изузетно импресивне механичке карактеристике. Узмимо, на пример, отпорност према пуцању — она износи око 6 до 8 MPa√m, што је грубо три пута боље од оних у алуминијумским керамикама, према подацима са ScienceDirect-а из прошле године. Шта чини овај материјал толико отпорним? Па, све се своди на бета фазну кристалну структуру унутра. Дугачки зрна се у основи заклопе попут делова слагалице, чинећи много тежим да се ситне пукотине шире кроз материјал када је изложен поновљеним оптерећењима.
Savojna čvrstoća materijala dostiže 1.000 MPa, što je iznad cirkonijuma (650 MPa) i silicijum karbida (550 MPa). Za razliku od ovih alternativa, silicijum nitrid zadržava 85% čvrstoće na sobnoj temperaturi pri 800°C, kako je pokazano u simulacijama termičkog naprezanja.
Ова изузетна отпорност је последица три кључна фактора:
Напредне технике синтеровања производе матрицу са финим зрнама (1–3 µm) која је појачана већим кристалима β-фазе. Ова „самоармирена“ структура побољшава расподелу оптерећења, омогућавајући лежајевима од силикон нитрида да поднесу 20% већи Херцов напон контакта у односу на челичне аналоге у турбинским применама.
Ležaji od silikonskog nitrida pokazuju izuzetnu otpornost na zamor materijala usled kotrljanja (RCF), zadržavajući integritet pod cikličnim naponima većim od 4 GPa. Istraživanje iz 2024. godine objavljeno u Tehnologija površina i premaza pokazalo je da hemijski sastav granica zrna kod silikonskog nitrida smanjuje inicijaciju pukotina ispod površine za 40% u poređenju sa čeličnim ležajevima, čak i u uslovima visokih opterećenja u turbinama. Ovo ponašanje je posledica kovalentnih atomskih veza koje efikasno rasipaju energiju tokom ciklusa naprezanja.
Колаборативни тестови са партнерима из аерокосмичке и индустријске индустрије показали су повећање радног века лежајева за 60% коришћењем хибридних конструкција од нитрида силицијума. Ови лежаји издржали су више од 500.000 циклуса оптерећења у симулацијама млазних мотора без мерљивог хабања, надмашујући челичне аналоге у размери 3:1. Подаци са терена потврдили су смањење учесталости одржавања, посебно под флуктуирајућим радијалним оптерећењима.
Хомогена микроструктура нитрида силицијума минимизира тачке концентрације напона, што резултира смањењем отказа услед исецanja за 75% у поређењу са керамикама заснованим на цирконијуму. Отказивање се премешта са наглог лома на постепено хабање, омогућавајући предиктивно одржавање. Тестови профилометрије површине показали су 85% мање губитка материјала након 1.000 сати рада у абразивним условима.
Са Викерсовом тврдоћом од приближно 15 GPa — скоро двоструко више него код закаленог челика — силикон нитрид ефикасно отпоран је на адхезивно и абразивно хабање. У испитивањима на суво при 400°C, стопа хабања остала је испод 0,02 mm³/Nm, што га чини идеалним за рад без уља. Баланс између тврдоће и жилавости осигурава поуздан рад у загађеним срединама у којима се клизни лежајеви од челика обично оштећују образовањем удубљења.
Нижа густина силикон нитрида од око 3,2 грама по кубном центиметру смањује центрифугалне силе чак до 60 процената у поређењу са челиком који има 7,8 g/cm³. То значи да компоненте могу радити глатко чак и када се окрећу брзином већом од 1,5 милиона DN јединица (то је пречник помножен са бројем обртаја у минути). Предност се посебно истиче код ствари као што су турбинске вратила авиона и оних малих али кључних вretenа у медицинским уређајима. Лежаји од челика често пре времена доспеју у квар јер просто не могу издржати све те инерцијалне напоне током времена. Студије материјала показују да ова смањена оптерећења заправо продужују периоде одржавања за између 12 и 18 процената код индустријских турбопунилача. Због тога је логично што све више произвођача мења материјале у данашње време.
| Материјал | Густина (г/см3) | Центрифугални напон на 50k rpm | Proizvodnja topline |
|---|---|---|---|
| Silicijum nitrid | 3.2 | 220 MPa | повећање од 35°C |
| Čelik | 7.8 | 580 MPa | повећање од 82°C |
Однос густине од 3,4:1 омогућава лакше склопове лежаја без смањења носивости — одлучујући фактор у хибридним погонима Формуле 1, где тимови постижу 11% брже убрзање кроз смањење масе.
Лежаји од силикон-нитрида могу да се окрећу отприлике 25 до 40 процената брже од оних од челика у гасним турбинама, јер имају мање инерцијалне силе. Радници ветрогенератора такође имају око 6 до 9 процената мањих губитака енергије на главним вратилима, на основу података Међународне агенције за обновљиве изворе енергије из 2023. године. И свет производње је то запазио. Компаније које производе прецизне алате као што су Цугами и Окума установиле су да су се временски циклуси смањили за отприлике 15% у високобрзинским CNC машинским центрима када су прешли на керамичке лежаје. Ове побољшане почињу да мењају оно што је могуће у индустријским применама.
DN vrednost: Industrijski standardni parametar gde je DN = prečnik ležaja (mm) × broj obrtaja (rpm)
Силикон нитрид изузетно добро издржава када температуре прелазе 1000 степени Celzijusovih, много боље од обичног челика који почиње да се истеже и изобличује већ око 400 степени. Шта чини овај материјал толико отпорним? Одговор лежи у веома јаким хемијским везама између атома, као и у густо уређеној унутрашњој структури. Ове особине омогућавају његову поуздану перформансу чак и у високотемпературним срединама, као што су фабрички ретортни печи или делови млазних мотора, где би други материјали доживели квар. Прошлогодишња истраживања из Инженjерског часописа Аин Шамс показала су још нешто занимљиво. Након 500 непрекидних сати на врућини од 1000 степени, ови керамички материјали су задржали више од 90% своје оригиналне чврстоће на савијање. Таква издржљивост доказује да могу подносити интензивна термичка оптерећења без временског распадања.
Ове термичке карактеристике чине силикон нитрид неопходним за делове млазних мотора који раде на температурама изнад 800°C. При брзом обрадивању, материјал смањује топлотом изазвану деформацију вретена за 40–60% у односу на челик, омогућавајући строжије толеранције у прецизној обради метала.
Као неметални материјал, силикон нитрид отпоран је на галванsku корозију у сланој води, киселим и алкалним срединама. Поуздано ради у хемијским пумпама и опреми за морску употребу без подмазивања, смањујући трошкове одржавања до 70% код офшор ветрогенератора и система за десалинацију.
Коефицијент термичке дилатације силикон нитрида (3,2 × 10⁶/°C) близу је оном од нерђајућег челика (17 × 10⁶/°C), минимизирајући напон на интерфејсу при брзим променама температуре. Ова компатибилност спречава ослабљивање у аутомобилским турбопунилачима који су изложени учесталим термичким циклусима.
Када је у питању наука о материјалима, силикон нитрид је бољи од обичног челика у неколико важних аспеката и решава многе проблеме са којима су се традиционалне керамике сусретале. Материјал је такође знатно лакши – само око 3,2 грама по кубном центиметру у поређењу са челикових 7,8 грама. Због тога су керамички лежајеви изузетно добри за рад у високобрзим машинама, јер смањују досадне центрифугалне силе за отприлике две трећине. Још боље је то што ови керамички делови могу да функционишу исправно на температурама близу 1.000 степени Целзијуса, што је много више од максималних 300 степени које челик може да поднесе пре него што почне да пропада. Када је реч о отпорности према формирању пукотина, модерни силикон нитрид заправо има отпорност која је упоредива са неким врхунским челичним легурама. Према недавним истраживањима стручњака за триболошку објављеним прошле године, машине које користе ове напредне керамике трају скоро три пута дуже током сталних радних циклуса.
Иако лежаји од силикон-нитрида имају 30–50% више почетне цене, њихов век трајања у неповољним условима је 3–5 пута дужи, чиме се постижу трошкови одржавања током целог животног века који су 40% нижи. Анализа из 2024. године у области производње показала је да су фабрике полупроводника смањиле годишње време простоја услед замене лежаја за 120 сати након преласка на хибридна керамичка решења, остварујући поврат улагања у року од 18 месеци.
Nove oblasti primene uključuju kompresore za gorive ćelije sa vodonikom i točkove reakcije za satelite, gde su električna izolacija i kompatibilnost sa vakuumom od vitalnog značaja. Nedavne prognoze precizne tehnike predviđaju godišnji rast od 25% na ovim nišnim tržištima do 2030. godine.
Proizvođači električnih vozila ugrađuju ležajeve od silicijum nitrida u pogonske motore na 800V, koristeći njihovu ne-magnetnu prirodu kako bi smanjili elektromagnetske smetnje. Proizvođači vetrenjača prijavljuju povećanje efikasnosti za 12% u generatorima sa direktnim pogonom koji koriste keramičke ležajeve otporne na morsku vodu i bez potrebe za podmazivanjem.
Napredno sinterovanje pod gasnim pritiskom sada postiže 99,5% teorijske gustine kod komponenti za proizvodnju, smanjujući potrebu za naknadnom obradom za 35%. Ova napredna rešenja prevazilaze ranije probleme sa doslednošću i omogućavaju skalabilnu proizvodnju koja je ranije bila ograničena na čelične ležajeve.
EN
