Siliziumnitrid-Keramik Si3N4 Keramik rotierende Kugellager / Rollenlager

Arten von Siliziumnitrid

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid, die alle Materialien mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen.

• Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN)

• Gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (SRBSN)

• Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSN)

• Heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN)

• Heißisostatisch gepresstes Siliziumnitrid (HIP-SN)

Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN)

In den frühen Tagen des Siliziumnitrids wurde es aufgrund der Schwierigkeit, ein Siliziumnitridpulver herzustellen, durch Reaktionsbindung hergestellt. Bei dieser Methode wird ein Silizium-Kompaktat in einer stickstoffreichen Atmosphäre erhitzt – der Stickstoff bindet an das Siliziumpulver und erzeugt einen porösen und nicht vollständig dichten Siliziumnitridkörper. Bei diesem Verfahren gibt es nur geringe Schrumpfung, wodurch die Grünbearbeitung (Bearbeitung des Kompaktats vor dem Sintern) sehr effektiv ist. Die mechanischen Eigenschaften von RBSN sind aufgrund seiner begrenzten Dichte (ca. 70 – 85 %) nicht gut. Darüber hinaus führt die Porenstruktur, die durch seine geringe Dichte verursacht wird, zu hohen Oxidationsraten und zu geringer Erosionsbeständigkeit. Typischerweise wird es in Hochtemperatur-/Temperaturwechselanwendungen eingesetzt.

Gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (SRBSN)

Das Verfahren des reaktionsgebundenen Sinterns verwendet das gleiche Verfahren wie oben, jedoch werden Sinterhilfsmittel in das ursprüngliche Pulver (zur Förderung des Flüssigphasensinterns) und ein zusätzlicher Sinterprozess einbezogen. Nachdem das Silizium-Kompaktat nitriert wurde, wird der poröse Siliziumnitridkörper in einen Hochdruck-Nitrierofen gegeben, um die Poren zu entfernen und ein viel dichteres Produkt herzustellen. Dieses Verfahren ist ziemlich veraltet und wurde hauptsächlich aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung von Siliziumnitridpulver in den frühen Tagen verwendet.

Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSN)

Dies ist die beliebteste Methode zur Herstellung von hochfesten und komplex geformten Siliziumnitrid-Komponenten. Das GPSN-Verfahren verwendet ein Siliziumnitridpulver, das mit Sinterhilfsmitteln gemischt wurde, um das Flüssigphasensintern (typischerweise Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid) sowie Bindemittel zu fördern, um die mechanische Festigkeit des grünen Keramikkörpers zu verbessern. Das Pulver wird in die gewünschte Form gepresst, und die Grünbearbeitung kann erfolgen. Die Kompaktate werden dann in einen Ofen gegeben, der eine unter Druck stehende Stickstoffatmosphäre aufweist, um die Verdichtung zu unterstützen und die Verdampfung/Zersetzung von Silizium, Stickstoff und Additiven zu verhindern.

Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSN)

Precision Ceramics führt eine Reihe von Standard-Siliziumnitrid-Keramikstäben, die alle präzise auf eine ausgezeichnete Oberflächengüte gedreht werden. Diese Stäbe können als Lager, Kolben, Motorkomponenten oder in einer Vielzahl anderer Baugruppen verwendet werden. Darüber hinaus bietet Precision Ceramics umfassende Bearbeitungs-/Schleifdienstleistungen für die kundenspezifische Herstellung von Siliziumnitrid-Komponenten an.

Heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN)

HPSN wird durch uniaxiales Pressen von Siliziumnitridpulver (mit Sinterzusätzen) unter gleichzeitiger Wärmezufuhr hergestellt. Für dieses Verfahren ist eine spezielle Art von Presse und Matrize erforderlich. Es erzeugt ein Siliziumnitrid mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, jedoch können nur einfache Formen hergestellt werden. Da es unmöglich ist, eine heißgepresste Komponente grün zu bearbeiten, ist Diamantschleifen die einzige Möglichkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen. Aufgrund der hohen Kosten und Schwierigkeiten, die mit Diamantschleifen und Heißpressen verbunden sind, ist seine Verwendung typischerweise auf die Herstellung einfacher Komponenten in kleinen Mengen beschränkt.

Heißisostatisch gepresstes Siliziumnitrid (HIP-SN)

Dieses Verfahren verdichtet das Siliziumnitridpulver durch Verwendung von hohem Druck und hohen Temperaturen. Ein Siliziumnitridkörper mit geschlossener Porosität wird isostatisch (gleichmäßiger Druck auf allen Seiten) über ein Inertgas bei bis zu 2000 bar gepresst, während die Kammer gleichzeitig erhitzt wird. Dieses Verfahren drückt effektiv alle Poren/Defekte aus dem Material, während es gesintert wird, und bringt die Dichte näher an die theoretische Dichte heran. HIPing verbessert die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit, ist jedoch ein teures Verfahren, das typischerweise nur unter sehr ausgewählten Umständen eingesetzt wird.

Siliziumnitrid-Bearbeitung

Siliziumnitrid kann im grünen, im Biskuit- oder im vollverdichteten Zustand bearbeitet werden. Im grünen oder Biskuit-Zustand kann es relativ einfach in komplexe Geometrien bearbeitet werden. Der Sinterprozess, der erforderlich ist, um das Material vollständig zu verdichten, bewirkt jedoch, dass der Siliziumnitridkörper um etwa 20 % schrumpft. Diese Schrumpfung bedeutet, dass es unmöglich ist, sehr enge Toleranzen einzuhalten, wenn Siliziumnitrid vor dem Sintern bearbeitet wird. Um sehr enge Toleranzen zu erreichen, muss voll gesintertes Material mit Diamantwerkzeugen bearbeitet/geschliffen werden. Bei diesem Verfahren wird ein sehr präzises diamantbeschichtetes Werkzeug/Rad verwendet, um das Material abzutragen, bis die gewünschte Form erzeugt ist. Aufgrund der inhärenten Zähigkeit und Härte des Materials kann dies ein zeitaufwändiger und kostspieliger Prozess sein.