Siliciumnitrid (Si3N4) – CeramaSil-N™

Siliciumnitrid (Si3N4) hat die vielseitigste Kombination mechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften aller modernen Keramikmaterialien. Es handelt sich um eine leistungsstarke, hochentwickelte Keramik, die extrem hart ist und eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit und Stoßfestigkeit aufweist. Es übertrifft die Hochtemperaturfähigkeit der meisten Metalle und hat eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Darüber hinaus machen seine geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit es zu einem ausgezeichneten Material, das den härtesten Bedingungen in den anspruchsvollsten industriellen Anwendungen standhält. Siliciumnitrid ist eine ausgezeichnete Wahl, wenn Hochtemperatur- und Belastungsfähigkeit gefragt sind.

Material Vorteile

  • Höchste Widerstandsfähigkeit über einen ausgedehnten Temperaturbereich
  • Hohe Bruchfestigkeit
  • Gute Biegefestigkeit
  • Mechanische Beständigkeit gegenüber Materialermüdung
  • Geringes Gewicht – Geringe Dichte
  • Hohe Härte und Verschleißfestigkeit, sowohl durch Aufprall als auch durch Reibung
  • Hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit
  • Geringe Wärmeausdehnung
  • Elektrische Isolierung
  • Gute Oxidationsbeständigkeit
  • Gute chemische Korrosionsbeständigkeit
  • Abriebfest
  • Hohe Festigkeit

Anwendungen

  • Rotierende Kugellager und Rollenlager
  • Schneidewerkzeuge
  • Motorkomponenten: Ventile, Kipphebelauflagen, Dichtungsflächen
  • Träger für Induktionsheizspulen
  • Turbinenblätter, Flügel, Düsen
  • Vorrichtungen zum Schweißen und Löten
  • Komponenten für Heizelemente
  • Tiegel
  • Walzen und Stempel zum Formen von Metallrohren
  • WIG / Plasma Schweißdüsen
  • Schweißbrenner
  • Präzisionswellen und Achsen in verschleißintensiven Umgebungen
  • Mantel und Rohre für Thermoelemente
  • Anlagen für Halbleiterprozesse

Material Sorten

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Siliciumnitrid. Jede Methode erzeugt Materialien mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften.

PCSN1000 – Gas-Überdruck Sinterung

Dies ist die beliebteste Methode zur Herstellung von Komponenten aus Siliciumnitrid mit hoher Festigkeit und komplexer Geometrie. Bei dieser Methode wird ein Siliciumnitridpulver verwendet, das mit Sinterhilfsmitteln zur Förderung der Flüssigphasensinterung (typischerweise Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid) sowie mit Bindemitteln zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des keramischen Rohkörpers vermischt wurde. Das Pulver wird in die gewünschte Form gepresst und die Rohbearbeitung kann erfolgen. Die Teile werden dann in einen Ofen mit Stickstoff-Druckatmosphäre gelegt, um die Verdichtung zu unterstützen und die Verdampfung/Zersetzung von Silizium, Stickstoff und Additiven zu verhindern.

Precision Ceramics hat eine Reihe von Standard-Siliciumnitrid-Keramikstäben auf Lager, die alle mit einer hervorragenden Oberflächengüte präzisionsgedreht sind. Diese Stangen können als Lager, Kolben, Motorkomponenten oder in einer Vielzahl von anderen Komponenten verwendet werden. Darüber hinaus bietet Precision Ceramics umfassende Bearbeitungs-/Schleifdienstleistungen für die Herstellung kundenspezifischer Siliziumnitrid-Komponenten an.

Anwendungen

  • Luft- und Raumfahrtanwendungen
  • Lageranwendungen
  • Motorverschleißteile
  • Anwendungen in der Gießerei
  • Maschinenbau
  • Medizintechnische Komponenten

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PCSN2000 – Heißgepresst

HPSN wird durch einachsiges Pressen von Siliziumnitridpulver mit Sinterzusätzen bei gleichzeitiger Wärmezufuhr hergestellt. Dieses Verfahren erfordert eine besondere Art von Presse und Werkzeug. Es entsteht ein Siliciumnitrid mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Es können jedoch nur einfache Formen hergestellt werden. Da es unmöglich ist, ein heißgepresstes Teil roh zu bearbeiten, ist das Diamantschleifen die einzige Möglichkeit, komplexe Formen zu erzeugen. Aufgrund der hohen Kosten und Schwierigkeiten, die mit dem Schleifen und Heißpressen von Diamanten verbunden sind, ist seine Verwendung in der Regel auf die Herstellung einfacher Komponenten in kleinen Mengen beschränkt.

Anwendungen

  • Luft- und Raumfahrtanwendungen
  • Chemischer Anlagenbau und Ingenieurwesen
  • Motorverschleißteile
  • Anwendungen in der Gießerei
  • Maschinenbau
  • Medizintechnische Komponenten

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PCSN3000 – Heißisostatisch gepresst

Bei dieser Methode wird das Siliciumnitridpulver durch hohen Druck und hohe Temperaturen verfestigt. Ein Siliciumnitrid-Körper mit geschlossener Porenstruktur wird isostatisch (gleichmäßiger Druck auf allen Seiten) durch ein Inertgas mit bis zu 2000 bar gepresst, während die Kammer gleichzeitig erhitzt wird. Durch diesen Prozess werden während des Sinterns effektiv alle Poren/Defekte aus dem Material gepresst und die Dichte kommt der gewünschten Theorie näher. Das HIP-Verfahren verbessert die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit. Es ist jedoch ein teures Verfahren, das in der Regel nur unter sehr ausgewählten Umständen eingesetzt wird.

Anwendungen

  • Luft- und Raumfahrtanwendungen
  • Lageranwendungen
  • Chemischer Anlagenbau und Ingenieurwesen
  • Motorverschleißteile
  • Anwendungen in der Gießerei
  • Maschinenbau
  • Medizintechnische Komponenten

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PCSN4000 – Extrudiertes Gas mit Überdruck gesintert

Bei dieser Methode wird ein Siliciumnitridpulver verwendet, das mit Sinterhilfsmitteln zur Förderung der Flüssigphasensinterung (typischerweise Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid) sowie mit Bindemitteln zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des keramischen Rohkörpers vermischt wurde.

Precision Ceramics hat eine Reihe von Standard-Siliciumnitrid-Keramikstäben auf Lager, die alle mit einer hervorragenden Oberflächengüte präzisionsgeschliffen sind. Diese Stangen können als Lager, Kolben, Motorkomponenten oder in einer Vielzahl von anderen Komponenten verwendet werden. Darüber hinaus bietet Precision Ceramics umfassende Bearbeitungs-/Schleifdienstleistungen für die Herstellung kundenspezifischer Siliziumnitrid-Komponenten an.

Anwendungen

  • Luft- und Raumfahrtanwendungen
  • Lageranwendungen
  • Chemischer Anlagenbau und Ingenieurwesen
  • Motorverschleißteile
  • Anwendungen in der Gießerei
  • Maschinenbau
  • Medizintechnische Komponenten

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Material Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften

EigenschaftEinheitPCSN1000PCSN2000PCSN3000PCSN4000
Dichteg/cm33.18-3.403.18-3.403.18-3.263.23
Festigkeit KeramikMPa3000300030003000
Biegefestigkeit @ 25°CMPa730970760-830850
Weibull-Modul m18201218
Bruchfestigkeit KIcMPa m1/276.26.2-6.58.5
ElastizitätsmodulGPa300300300-31020
Poissonsche Konstante0.260.260.260.28
HärteGPa151515.3-15.616

Wärmetechnische Eigenschaften

EigenschaftEinheitPCSN1000PCSN2000PCSN3000PCSN4000
Wärmeleitfähigkeit @ 20°CW/mK25242528
Temperaturschock Parameter R1K558748590-620700
Temperaturschock Parameter R2W/m14181519
CTE1 25°C ➞ 250°C10-6/K1.91.91.91.9
CTE1 25°C ➞ 1000°C10-6/K3.23.23.23.2
Maximale Temperatur (inert)2°C1400140014001400
Maximale Temperatur (oxidierend)2°C1200120012001200

1 Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) beschreibt, wie sich die Größe eines Objekts bei einer Temperaturänderung ändert.

2 Ohne Belastung.

Elektrische Eigenschaften

EigenschaftEinheitPCSN1000PCSN2000PCSN3000PCSN4000
Volumenwiderstand @ 25°COhm-cm1014101410141012
Dielektrizitätskonstante1 MHz8887

Haftungsausschluss: Die angegebenen Werte sind Mittelwerte und typisch für die Ergebnisse von Testproben. Sie dienen lediglich als Anhaltspunkt für die Gestaltung von Keramikkomponenten und stellen in keiner Weise eine Garantie dar. Die tatsächlichen Werte können je nach Form und Größe der geplanten Komponente variieren.

Datenblätter

Silicon Nitride CeramaSil-N Brand Image

Siliziumnitrid

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Silicon Nitride PCSN1000 Brand Image

Siliziumnitrid

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Siliziumnitrid

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Siliziumnitrid

PCSN3000

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Siliziumnitrid

PCSN4000

Siliciumnitrid-Bearbeitung

Siliciumnitrid kann in rohem Zustand, als Biskuit oder in vollständig dichtem Zustand bearbeitet werden. Es kann relativ einfach in komplexe Geometrien bearbeitet werden, solange es in roher Form oder als Biskuit vorliegt. Durch den Sinterprozess, der zur vollständigen Verdichtung des Materials erforderlich ist, schrumpft der Siliziumnitridkörper jedoch um etwa 20%. Diese Schrumpfung bedeutet, dass es unmöglich ist, bei der Bearbeitung von Siliziumnitrid vor dem Sintern sehr strenge Toleranzen einzuhalten. Um sehr enge Toleranzen zu erreichen, muss vollgesintertes Material mit Diamantwerkzeugen bearbeitet/geschliffen werden. Bei diesem Verfahren wird ein sehr präzises diamantbeschichtetes Werkzeug/Rad verwendet, um das Material abzuschleifen, bis die gewünschte Form entstanden ist. Dies kann aufgrund der inhärenten Härte und Robustheit des Materials ein zeit- und kostenaufwändiger Prozess sein.

Häufig gestellte Fragen

  • Wofür wird Siliziumnitrid verwendet?
    • Rotierende Kugellager und Rollenlager
    • Schneidewerkzeuge
    • Motorbauteile: Ventile, Kipphebel und Dichtungsflächen
    • Träger für Induktionsheizspulen
    • Turbinenblätter, Flügel und Schnecken
    • Vorrichtungen zum Schweißen und Löten
    • Komponenten des Heizelements
    • Tiegel
    • Walzen und Stempel zum Formen von Metallrohren
    • WIG / Plasma Schweißdüsen
    • Schweißbrenner
    • Präzisionswellen und Achsen in verschleißintensiven Umgebungen
    • Mantel und Rohre für Thermoelemente
    • Ausrüstung für Halbleiterprozesse
  • Was sind die Vorteile von Siliziumnitrid?

    Im Vergleich zu anderen technischen Keramiken bietet der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient von Siliziumnitrid eine gute Beständigkeit gegen Temperaturschocks. Es ist extrem hart, bruchfest, übertrifft die Hochtemperaturfähigkeit der meisten Metalle und hat eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Daher kann Siliziumnitrid auch den härtesten Bedingungen in den anspruchsvollsten Hochtemperatur- und Hochlastanwendungen standhalten.

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

  • Wie lautet die Formel für Siliziumnitrid?

    Die Formel für Siliziumnitrid lautet Si3N4.