Silisyum nitrür, yüksek stres durumlarıyla başa çıkmak söz konusu olduğunda oldukça etkileyici mekanik özelliklere sahip olduğu için gerçekten dikkat çeker. Örneğin kırılma tokluğu, geçen yıl ScienceDirect'e göre alümina seramiklerinde gördüğümüzün yaklaşık üç katı kadar olan 6 ila 8 MPa kök m civarında ölçülür. Bu malzemeyi bu kadar dayanıklı yapan şey nedir? Aslında hepsi içsel beta fazı kristal yapısına bağlıdır. Uzun taneler temelde birbirine yapboz parçaları gibi kenetlenir ve bu da malzeme tekrarlanan yükler altındayken küçük çatlakların yayılmasını çok daha zor hale getirir.
Malzemenin eğilme mukavemeti 1.000 MPa'ya ulaşır ve zirkonyumu (650 MPa) ile silikon karbürü (550 MPa) geride bırakır. Bu alternatiflerin aksine, silisyum nitrür, 800 °C'de oda sıcaklığındaki mukavemetinin %85'ini korur ve bu durum termal stres simülasyonlarında gösterilmiştir.
Bu olağanüstü dayanıklılık, üç temel faktörden kaynaklanmaktadır:
Gelişmiş sinterleme teknikleri, daha büyük β-faz kristalleriyle takviyeli ince taneli bir matris (1–3 µm) oluşturur. Bu "kendiliğinden takviyeli" yapı, yük dağılımını iyileştirir ve silikon nitrür rulmanların türbin uygulamalarında çelik muadillerine göre %20 daha yüksek Hertz temas gerilimlerine dayanabilmesini sağlar.
Silisyum nitrür rulmanlar, yuvarlanma temas yorulmasına (RCF) karşı outstanding direnç gösterir ve 4 GPa'nın üzerindeki döngüsel gerilmeler altında bile bütünlüğünü korur. 2024 yılında yayınlanan bir çalışma, yüksek yük altındaki türbin ortamlarında bile silisyum nitrürün tane sınırı kimyasının çelik rulmanlara kıyasla alt yüzey çatlak oluşumunu %40 azalttığını ortaya koymuştur. Bu davranış, gerilme döngüleri sırasında enerjiyi verimli bir şekilde dağıtan kovalent atomik bağlardan kaynaklanmaktadır. Yüzey ve Kaplamalar Teknolojisi revealed that silicon nitride’s grain boundary chemistry reduces subsurface crack initiation by 40% compared to steel bearings, even in high-load turbine environments. This behavior stems from covalent atomic bonds that efficiently dissipate energy during stress cycles.
Havacılık ve endüstriyel ortaklarla yapılan iş birliği denemeleri, silisyum nitrür hibrit tasarımlarının rulman ömrünü %60 artırdığını gösterdi. Bu rulmanlar, ölçülebilir aşınma olmadan jet motoru simülasyonlarında 500.000'den fazla yük döngüsüne dayandı ve çelik eşdeğerlerini 3'e karşı 1 oranında geride bıraktı. Alan verileri, özellikle değişken radyal yükler altında bakım sıklığının azaldığını doğruladı.
Silisyum nitrürün homojen mikroyapısı, stres konsantrasyon noktalarını en aza indirerek zirkonya bazlı seramiklere kıyasla pul pul dökülme arızalarında %75 oranında azalmaya neden olur. Arıza, ani kırılmadan kademeli aşınmaya dönüşür ve bunun sonucunda tahmini bakım mümkün hale gelir. Yüzey profili ölçüm testleri, aşındırıcı koşullarda 1.000 saat sonra malzeme kaybında %85 daha az değer gösterdi.
Vickers sertliği yaklaşık 15 GPa ile -ısıl işlem görmüş çeliğin neredeyse iki katı- silisyum nitrür, adezif ve aşındırıcı aşınmaya karşı etkili bir şekilde direnir. Kuru çalışma testlerinde 400°C'de, aşınma oranları 0,02 mm³/Nm'nin altında kalmıştır ve bu da onu yağsız çalışmalarda ideal hale getirir. Sertlik ve tokluk arasındaki denge, çelik rulmanların genellikle kabuklanmaya maruz kaldığı kirli ortamlarda güvenilir performans sağlamaktadır.
Silisyum nitrürün yaklaşık 3,2 gram/cm³ civarındaki daha düşük yoğunluğu, 7,8 g/cm³ ağırlığındaki çelikle karşılaştırıldığında santrifüj kuvvetleri %60 oranında azaltabilir. Bu, bileşenlerin 1,5 milyon DN biriminin (çap ile dakikadaki devir sayısının çarpımı) üzerinde dönerken bile sorunsuz çalışabilmesi anlamına gelir. Bu avantaj özellikle uçak türbin şaftları ve tıbbi cihazlarda bulunan küçük ancak hayati öneme sahip mil aparatlarında çok belirgin hale gelir. Çelik rulmanlar zamanla o kadar çok eylemsizlik gerilimine maruz kaldıkları için daha erken bozulma eğilimindedir. Malzeme bilimcilerinin yaptığı çalışmalara göre, bu azaltılmış gerilimler endüstriyel türbokompresörlerde bakım aralıklarını gerçekten de %12 ila %18 arasında uzatmaktadır. Günümüzde pek çok üreticinin malzeme değiştirmesinin nedeni anlaşılabilir.
| Malzeme | Yoğunluk (g/cm3) | 50k rpm'de Santrifüj Gerilim | Isı üretimi |
|---|---|---|---|
| Silis Nitridi | 3.2 | 220 MPa | 35°C Artış |
| Çelik | 7.8 | 580 MPa | 82°C Artış |
3,4:1 yoğunluk oranı, yük kapasitesini zayfı etmeden daha hafif rulman gruplamalarına olanak tanır ve bu da takımların kütleyi azaltarak %11 daha hızlı ivmelenmeyi başardığı Formül 1 hibrit güç aktarma sistemlerinde karar verici bir faktördür.
Silikon nitrür rulmanlar, daha düşük atalet kuvvetlerine sahip olduklarından gaz türbinlerinde çelik muadillerine kıyasla yaklaşık %25 ila %40 daha hızlı dönebilir. Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı'nın 2023 yılı verilerine göre rüzgar türbini işletmecileri ana şaftlarda yaklaşık %6 ila %9 oranında daha az enerji kaybı görüyor. İmalat sektörü de bu gelişmeye dikkat çekiyor. Tsugami ve Okuma gibi hassas takım üreten şirketler, spindle sürücülerinde seramik rulmanlara geçtiklerinde yüksek hızlı CNC işleme merkezlerinde çevrim sürelerinin yaklaşık %15 düştüğünü belirledi. Bu iyileştirmeler, endüstriyel uygulamalarda mümkün olanın yeniden şekillenmesine başlıyor.
DN Değeri: DN = Rulman iç çapı (mm) × devir hızı (dev/dak) olan endüstri standardı metriği
Silisyum nitrür, sıcaklıklar 1000 dereceyi aştığında gerçekten çok iyi performans gösterir; normal çelik ise yaklaşık sadece 400 derecede eğilmeye ve bükülmeye başlar. Bu malzemeyi bu kadar dayanıklı yapan şey nedir? Cevap, atomlar arasındaki son derece güçlü kimyasal bağlarda ve sıkı bir iç yapıda yatmaktadır. Bu özellikler, diğer malzemelerin başarısız olacağı fabrika fırınları ya da jet motoru parçaları gibi yüksek sıcaklıklı ortamlarda bile güvenilir şekilde çalışmasını sağlar. Geçen yıl Ain Shams Mühendislik Dergisi'nden yapılan bir araştırma ayrıca ilginç bir bulgu ortaya koymuştur. 1000 derece sıcaklıkta art arda 500 saat boyunca bekletildikten sonra bu seramik malzemeler, orijinal eğilme mukavemetlerinin %90'ından fazlasını korumuştur. Bu tür bir dayanıklılık, zamanla bozulmadan ciddi ısı stresiyle başa çıkabileceklerini kanıtlar.
Bu termal özellikler, sürekli olarak 800°C'nin üzerinde çalışan jet motoru bileşenleri için silisyum nitrürü vazgeçilmez kılar. Yüksek hızlı işlenmede malzeme, çelik karşılaştırıldığında ısı kaynaklı mil deformasyonunu %40-60 oranında azaltarak hassas metal işlemede daha dar toleranslara olanak tanır.
Metal olmayan bir malzeme olarak silisyum nitrür, tuzlu su, asidik ve alkali ortamlarda galvanik korozyona karşı dirençlidir. Kimyasal pompalarda ve deniz ekipmanlarında yağlama gerektirmeden güvenilir şekilde çalışır ve açık deniz rüzgar türbinlerinde ile damıtma sistemlerinde bakım maliyetlerini %70'e varan oranda azaltır.
Silisyum nitrürün termal genleşme katsayısı (3,2 × 10⁶/°C), paslanmaz çeliğinkine (17 × 10⁶/°C) yakın olduğundan ani sıcaklık değişimleri sırasında ara yüzey stresini en aza indirir. Bu uyumluluk, sık tekrarlayan termal çevrimlere maruz kalan otomotiv turboşarjörlerinde gevşemeyi önler.
Malzeme bilimi açısından değerlendirildiğinde silisyum nitrür, normal çeliğe göre birkaç önemli açıdan üstün gelir ve geleneksel seramiklerin sahip olduğu birçok sorunu giderir. Malzeme aynı zamanda çok daha hafiftir ve hacim başına yalnızca yaklaşık 3,2 gramdır, buna karşılık çelik 7,8 gram civarındadır. Bu durum, seramik rulmanların yüksek devirli makinelerde ortaya çıkan merkezkaç kuvvetlerini yaklaşık üçte iki oranında azaltarak oldukça iyi performans göstermelerini sağlar. Daha da önemlisi, bu seramik bileşenler sıcaklık yaklaşık 1.000 santigrat dereceye kadar tamamen işlevsel kalabilir. Bu değer, yaklaşık 300 derecede bozulmaya başlayan çeliğin dayanabileceği sınırın çok üzerindedir. Çatlak oluşumuna karşı direnç açısından değerlendirildiğinde, modern silisyum nitrür bazı yüksek kaliteli çelik alaşımlarıyla eşdeğer düzeyde direnç sunar. Geçen yıl triboloji uzmanları tarafından yayımlanan son araştırmalara göre, bu gelişmiş seramikleri kullanan makineler sürekli çalışma döngülerinde neredeyse üç kat daha uzun ömürlü olmaktadır.
Silisyum nitrür rulmanlar başlangıçta %30-50 daha yüksek maliyete sahip olsa da, zorlu koşullarda 3-5 kat daha uzun ömürleri bakım giderlerini ömür boyu %40 oranında düşürmektedir. 2024 yılında yapılan bir üretim analizi, yarı iletken tesislerinin hibrit seramik tasarımlara geçtikten sonra yıllık rulman değiştirme süresini 120 saat azalttığını ve yatırımın 18 ay içinde tamamen geri kazanıldığını ortaya koymuştur.
Yeni ön sahalar arasında elektriksel yalıtım ve vakum uyumluluğunun hayati olduğu hidrojen yakıt hücresi kompresörleri ve uydu tepki tekerlekleri yer alır. Son yapılan hassas mühendislik tahminleri, bu niş pazarlarda 2030 yılına kadar yıllık %25 büyüme öngörmektedir.
EV üreticileri, elektromanyetik gürültüyü en aza indirmek için manyetsiz yapılarından faydalanarak 800V tahrik motoru millerine silisyum nitrür rulmanlar entegre ediyor. Rüzgar türbini üreticileri, yağlamasız seramik rulmanların kullanıldığı doğrudan tahrik jeneratörlerinde tuzlu su korozyonuna dayanıklı olmaları sayesinde %12'lik bir verim artışı bildiriyor.
Gelişmiş gaz basınç sinterleme artık üretim sınıfı bileşenlerde teorik yoğunluğun %99,5'ine ulaşırken, son işleme ihtiyaçlarını %35 oranında azaltıyor. Bu gelişmeler, geçmişte çelik rulmanlarla sınırlı olan ölçeklenebilir imalatı destekleyerek tarihsel tutarsızlık sorunlarını çözüyor.
EN
