Siliziumnitrid - Si3N4

Ein Allrounder in der Keramikindustrie

Siliziumnitrid (Si3N4) verfügt über die vielseitigste Kombination mechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften aller technischen Keramikmaterialien. Es handelt sich um eine technische Hochleistungskeramik, die extrem hart ist und eine aussergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit und Schlagfestigkeit aufweist.
Siliziumnitrid Keramik

Siliziumnitrid (Si3N4) verfügt über die vielseitigste Kombination mechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften aller technischen Keramikmaterialien. Es handelt sich um eine technische Hochleistungskeramik, die extrem hart ist und eine aussergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit und Schlagfestigkeit aufweist. Sie übertrifft die Hochtemperatureigenschaften der meisten Metalle und weist eine hervorragende Kombination aus Kriech- und Oxidationsbeständigkeit auf. Die geringe Wärmeleitfähigkeit und die hohe Verschleißfestigkeit machen es außerdem zu einem ausgezeichneten Werkstoff, der auch den härtesten Bedingungen in den anspruchsvollsten industriellen Anwendungen standhält. Siliziumnitrid ist eine ausgezeichnete Wahl, wenn Hochtemperatur- und Hochbelastungsfähigkeit gefragt sind.


Bild: Siliziumnitrid Si3N4 Teil für die Tabakindustrie


Siliziumnitrid Anwendungen

  • Rotierende Kugellager und Rollenlager

  • Schneidwerkzeuge

  • Motorkomponenten: Ventile, Kipphebelauflagen, Dichtungsflächen

  • Träger für Induktionsheizspulen

  • Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Schaufeln

  • Schweiß- und Lötvorrichtungen

  • Heizelement-Komponenten

  • Tiegel

  • Walzen und Matrizen zum Formen von Metallrohren

  • WIG-/Plasmaschweißdüsen

  • Schweißpositionierer

  • Präzisionswellen und -achsen in Umgebungen mit hohem Verschleiß

  • Thermoelement-Mäntel und -Rohre

  • Prozessausrüstung für Halbleiter


Siliziumnitrid Materialeigenschaften

  • Hohe Festigkeit über einen großen Temperaturbereich

  • Hohe Bruchzähigkeit

  • Gute Biegefestigkeit

  • Beständig gegen mechanische Ermüdung und Kriechverhalten

  • Geringes Gewicht - niedrige Dichte

  • Hohe Härte und Verschleißfestigkeit, sowohl durch Aufprall als auch durch Reibung

  • Hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit

  • Geringe thermische Ausdehnung

  • Elektrischer Isolator

  • Gute Oxidationsbeständigkeit

  • Gute chemische Korrosionsbeständigkeit

  • Verschleißfest

  • Hohe Steifigkeit


Siliziumnitrid Gasüberdruckgesintert


Dies ist das beliebteste Verfahren zur Herstellung hochfester und komplexer Siliciumnitridkomponenten. Beim GPSN-Verfahren wird ein Siliziumnitridpulver verwendet, das mit Sinterhilfsmitteln zur Förderung der Flüssigphasensinterung (in der Regel Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid) sowie mit Bindemitteln zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des keramischen Grünkörpers gemischt wird. Das Pulver wird in die gewünschte Form gepresst, und es kann eine Grünbearbeitung erfolgen. Die Presslinge werden dann in einen Ofen mit Stickstoffdruckatmosphäre gegeben, um die Verdichtung zu unterstützen und die Verdampfung/Zersetzung von Silizium, Stickstoff und Zusatzstoffen zu verhindern.

Precision Ceramics hat eine Reihe von Standard-Siliziumnitrid-Keramikstäben auf Lager, die alle präzisionsgedreht sind und eine hervorragende Oberflächengüte aufweisen. Diese Stäbe können als Lager, Kolben, Motorkomponenten oder in einer Vielzahl von anderen Baugruppen verwendet werden. Darüber hinaus bietet Precision Ceramics umfassende Bearbeitungs-/Schleifdienstleistungen für die Herstellung kundenspezifischer Siliziumnitridkomponenten an.


Siliziumnitrid Heissgepresst


HPSN wird durch einachsiges Pressen von Siliziumnitridpulver mit Sinterzusätzen bei gleichzeitiger Wärmezufuhr hergestellt. Dieses Verfahren erfordert eine besondere Art von Presse und Form. Es ergibt ein Siliciumnitrid mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Es können jedoch nur einfache Formen hergestellt werden. Da es unmöglich ist, ein heißgepresstes Bauteil grün zu bearbeiten, ist das Diamantschleifen die einzige Möglichkeit, komplexe Geometrien herzustellen. Aufgrund der hohen Kosten und der Schwierigkeiten, die mit dem Diamantschleifen und Heißpressen verbunden sind, ist die Verwendung dieses Verfahrens in der Regel auf die Herstellung einfacher Bauteile in kleinen Mengen beschränkt.


Siliziumnitrid Heiss-isostatisch gepresst HIP


Bei diesem Verfahren wird das Siliziumnitridpulver unter hohem Druck und hohen Temperaturen verfestigt. Ein Siliziumnitridkörper mit geschlossener Porosität wird durch ein Inertgas mit bis zu 2000 bar isostatisch gepresst (gleichmäßiger Druck auf allen Seiten), während die Kammer gleichzeitig erhitzt wird. Durch dieses Verfahren werden die Poren/Defekte während des Sinterns aus dem Material gepresst und die Dichte an die theoretische Dichte herangeführt. Das HIP-Verfahren verbessert die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit, es ist jedoch ein teures Verfahren, das in der Regel nur in sehr ausgewählten Fällen eingesetzt wird.


Siliziumnitrid Bearbeitung


Siliciumnitrid kann in grünem Zustand, als Grünling oder in vollständig dichtem Zustand bearbeitet werden. Im grünen Zustand oder in der Grünzustand lässt es sich relativ leicht zu komplexen Geometrien verarbeiten. Der Sinterprozess, der zur vollständigen Verdichtung des Materials erforderlich ist, führt jedoch zu einer Schrumpfung des Körpers um etwa 20 %. Diese Schrumpfung bedeutet, dass es unmöglich ist, bei der Bearbeitung vor dem Sintern sehr enge Toleranzen einzuhalten. Um sehr enge Toleranzen zu erreichen, muss das vollgesinterte Material mit Diamantwerkzeugen bearbeitet/geschliffen werden. Bei diesem Verfahren wird das Material mit einem sehr präzisen diamantbeschichteten Werkzeug/Rad abgetragen, bis die gewünschte Form erreicht ist. Dies kann ein zeit- und kostenaufwändiger Prozess sein, da das Material eine hohe Zähigkeit und Härte aufweist.


Häufig gestellte Fragen


Wofür wird Siliziumnitrid verwendet?


Rotierende Kugellager und Rollenlager

  • Schneidewerkzeuge

  • Motorkomponenten: Ventile, Kipphebelauflagen, Dichtungsflächen

  • Träger für Induktionsheizspulen

  • Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Schaufeln

  • Schweiß- und Lötvorrichtungen

  • Heizelement-Komponenten

  • Tiegel

  • Walzen und Matrizen zum Formen von Metallrohren

  • WIG-/Plasmaschweißdüsen

  • Schweißpositionierer

  • Präzisionswellen und -achsen in Umgebungen mit hohem Verschleiß

  • Thermoelement-Mäntel und -Rohre

  • Prozessausrüstung für Halbleiter


Vorteile von Siliziumnitrid

  • Im Vergleich zu anderen technischen Keramiken bietet sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient eine gute Temperaturwechselbeständigkeit. Es ist extrem hart, übertrifft die Hochtemperaturfähigkeiten der meisten Metalle und hat auch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Folglich kann Siliziumnitrid den härtesten Bedingungen in den anspruchsvollsten Hochtemperatur- und Hochlastanwendungen standhalten.

  • Sogar NASA-Wissenschaftler erkannten seine einzigartigen Eigenschaften, als Siliziumnitridlager in den Haupttriebwerken des Space Shuttle eingesetzt wurden. Es wurde als eines der wenigen monolithischen keramischen Materialien identifiziert, das den schweren Wärmeschock und die thermischen Gradienten, die in Wasserstoff/Sauerstoff-Raketentriebwerken entstehen, überstehen kann und sich während des gesamten Space-Shuttle-Programms als absolut zuverlässig erwies.


Formel für Siliziumnitrid