Die vielen Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumnitrid Einführung

Hohe Festigkeit und Härte, ausgezeichnete thermische Stabilität, gute Korrosionsbeständigkeit und geringe Dichte: Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften macht Siliziumnitrid (Si₃N₄) zum idealen Material für viele industrielle Anwendungen, von der Automobilindustrie über die Elektronik bis hin zur Biomedizin. Die Forschung zu Si₃N₄ begann vor mehr als 60 Jahren im Rahmen der Entwicklung von vollständig aus Keramik gefertigten Verbrennungsmotoren. Die heutigen Herstellungsprozesse erlauben eine sehr flexible Verarbeitung dieses Materials mit einem hohen Grad an individueller Anpassung, um den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden.

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Was spricht für Si₃N₄?

Durch die Kombination hervorragender mechanischer, thermischer und physiochemischer Eigenschaften wird Si₃N₄ sowohl in traditionellen Anwendungen wie auch in höchst innovativen Lösungen verwendet. Sein geringes Gewicht, seine hohe Bruch- und Verschleissfestigkeit und seine Fähigkeit, anspruchsvollsten Bedingungen standzuhalten, machen Si₃N₄ zu einer bewährten ‒ und manchmal zur einzigen ‒ Alternative zu herkömmlichen Materialien wie Edelstahl, Wolframkarbid, Oxidkeramik oder Siliziumkarbid.

Das Potenzial dieser vielseitigen Keramik ist enorm, wird aber bei Weitem nicht ausgeschöpft.

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Beispiele für den Einsatz von Si₃N₄

Gleitschuhe für Axialkolbenpumpen

Siliziumnitrid-Keramik kommt in vielen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in Kugellagern, Metallschneidwerkzeugen und Komponenten für die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie: Dieselmotoren, Rotoren für Turbokompressoren, Funkenzünder usw. Si₃N₄ fand auch Einzug in noch innovativere Branchen wie Elektronik und Biomedizin.

Aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität, seiner hohen Korrosions- und Verschleissfestigkeit sowie seinen antibakteriellen Eigenschaften wird Si₃N₄ für orthopädische und Implantatkomponenten verwendet.

Seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften, wie die isolierenden Eigenschaften und die hohe Durchschlagsfestigkeit, in Verbindung mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und mechanischen Festigkeit machen Si₃N₄ zu einem besonders geeigneten Material für elektronische Bauteile.

 

Medizinindustrie

 

Keine hydrothermale Alterung	Da Siliziumnitrid keine hydrothermale Alterung kennt, wird es durch die wiederholte Sterilisation in Autoklaven nicht beeinträchtigt. Somit eignet es sich perfekt für jede Art von medizinischen Instrumenten.
Farbe grau	Siliziumnitrid ist von Natur aus grau und benötigt keine zusätzliche Farbbehandlung. Daher eignet es sich ideal für die Herstellung von Komponenten, bei denen die weisse Farbe nicht gewünscht ist.
Hoher Weibull-Modul	Statistisch gesehen bleibt die mechanische Festigkeit bei den Komponenten derselben Produktionscharge stabil. Der Weibull-Modul von Siliziumnitrid ist höher als bei herkömmlicher Keramik, was es für medizinische Anwendungen sicherer macht.
Ausgezeichnete mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen Niedriger Wärmeausdehnungs-koeffizient	Siliziumnitrid bleibt bei hohen Temperaturen mechanisch stabil. Zudem ist sein Ausdehnungskoeffizient äusserst gering: Die Abmessungen bleiben folglich über einen sehr breiten Temperaturbereich unverändert.

 

Flüssigkeitstransport

 

Niedriger Wärmeausdehnungs-koeffizient	Massliche Aspekte spielen bei dieser Anwendungsart eine zentrale Rolle, denn wenn sich die Komponenten ausdehnen, kann dies das gesamte System beeinträchtigen.
Hohe Wärmeleitfähigkeit	Siliziumnitrid zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, welche die Abführung der durch hohe Reibung oder den Transport von erhitzten Flüssigkeiten entstehenden Wärme fördert.
Hohe Wärmeschockfestigkeit	Für Anwendungen, bei denen keramische Komponenten sehr grossen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

 

Uhren- und Schmuckherstellung

 

Farbe grau	Um ein plastikartiges Aussehen zu vermeiden, wird weisse Keramik bei Produkten mit hoher Wertschöpfung oft mit Pigmenten behandelt, was jedoch die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen kann. Siliziumnitrid ist von Natur aus grau oder dunklerer Farbe und eignet sich daher perfekt für die ästhetischen und technischen Anforderungen der Uhren- und Schmuckindustrie.
Niedrige Dichte	Aufgrund seiner geringen Dichte ist Siliziumnitrid in ästhetischer Hinsicht oder aus technischen Gründen für Uhrwerkteile eine hervorragende Wahl. Dem Uhrengehäuse verleiht es Leichtigkeit und einen höheren Tragekomfort. Bei Bauteilen des Uhrwerks reduziert es den Trägheitsverlust, was die Gangreserve des Uhrwerks erhöht.
Hohe Verschleißfestigkeit Geringer Reibungskoeffizient	Die Verschleissfestigkeit von Siliziumnitrid erhöht die Lebensdauer von Uhrwerkteilen erheblich. Der niedrige Reibungskoeffizient begünstigt die Funktionstüchtigkeit der Uhrwerke sowohl in Bezug auf die Präzision als auch auf die Gangreserve.

 

Maschinenund

 

Hohe Verschleißfestigkeit	Die Verwendung eines zuverlässigen Materials ist bei Schneidwerkzeugen entscheidend, insbesondere bei längeren Bearbeitungszyklen.
Hoher Weibull-Modul	Die hohe Festigkeit und Härte von Siliziumnitrid in Verbindung mit seiner Temperaturwechselbeständigkeit verleihen ihm einen Vorteil gegenüber herkömmlich für Schneidwerkzeug verwendeter Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid.
Ausgezeichnete mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen	Its high strength and hardness, combined with its ability to withstand sudden temperature changes, give silicon nitride an edge over the ceramics traditionally used in cutting tools, such as alumina.
Niedrige Dichte	Siliziumnitrid hat in der Regel eine Dichte von 3,21 g/cm3. Seine Dichte ist somit 2,5-mal geringer als bei Stahl und 1,4-mal geringer als bei Titanlegierungen Grade 5.

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NUTZEN SIE DAS POTENZIAL VON SI₃N₄ DANK CERAMARET

Tipps für medizinische Endoskope

Das Potential von Si₃N₄ liegt auf der Hand. Und doch bietet diese Keramik noch so viele unausgeschöpfte Möglichkeiten!

Zusammen mit Ceramaret können Sie einen grossen Schritt vorwärts machen, indem Sie alle Vorteile von Siliziumnitrid für Ihre industriellen Anwendungen nutzen. Als weltweit führender Spezialist in der Entwicklung und im Polieren von hochpräzisen Komponenten aus Keramik wendet Ceramaret ein sehr spezifisches Verfahren für die Behandlung von Si₃N₄ an, das sich die Materialeigenschaften bestmöglich zunutze macht.

Diese Technologie ist das Ergebnis langjähriger Forschung und Entwicklung und ist mit keinen geometrischen Einschränkungen verbunden. Dadurch ist es möglich, extrem komplexe und präzise Keramikteile herzustellen.

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Was spricht für Ceramaret?

Ceramaret verfügt über umfassendes technisches Know-how und ist in der Lage, in Zusammenarbeit mit dem Kunden hochpräzise Komponenten aus Keramik zu entwickeln und ihn bei der Materialwahl je nach den geforderten Eigenschaften zu unterstützen. Ceramaret kann sich bereits ab der Konstruktions- und Entwicklungsphase einbringen, um technisch innovative und wettbewerbsfähige Lösungen hervorzubringen. Mit den eigenen technischen Möglichkeiten und hohen Fachkompetenzen verfügt Ceramaret über ein umfassendes Verständnis für die Entwicklung hochwertiger Werkzeuge und die Begleitung des Kunden über den gesamten Herstellungsprozess.

Seit mehreren Jahrzehnten ist Ceramaret ein weltweit führender Spezialist in der Entwicklung und im Polieren von Komponenten aus härtesten Materialien. Von der technischen Planung bis zum Bestandsmanagement ist Ceramaret für umfassende, individuelle Lösungen bekannt. Selbst bei Stückzahlen in Millionenhöhe wird jede Komponente mit höchster Präzision hergestellt und den innovativsten Anwendungen angepasst.

Das Know-how der Mitarbeitenden und die hochmodernen Produktionsbetriebe sind ein grosser Vorteil für unsere Kunden. Ceramaret ist nach ISO 9001:2015, ISO 14001:2105, ISO 45001:2018 und ISO 13485:2016 zertifiziert und hat sich der kontinuierlichen Verbesserung verschrieben, was weitere Erfolgsgarantien sind.

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Wie stellt Ceramaret das Si₃N₄ her?

Typische nadelartige Mikrostruktur der Beta-Phase von Siliziumnitrid

Im Gegensatz zu den früher entwickelten Siliziumnitrid-Komponenten, die durch die Reaktion von Siliziumpulver mit einer stickstoffreichen Atmosphäre erzielt wurden (sogenanntes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid oder RBSN), ist für gesinterte Siliziumnitrid-Komponenten die Zugabe von Sinteradditiven erforderlich. Die Art der chemischen Bindung zwischen Silizium und Stickstoff in Si₃N₄-Pulvern macht die Verdichtung des Materials durch Wärmebehandlung extrem schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, da die starke kovalente Bindung die Atomdiffusion blockiert, die für die Sinterung von entscheidender Bedeutung ist. Um diese zu ermöglichen, ist die Zugabe von Sinteradditiven wie Aluminiumoxid, Yttriumoxid oder Siliziumdioxid notwendig. Bei erreichter Sintertemperatur führen solche Oxide zur Bildung einer flüssigen Phase, die durch Kapillarität die vollständige Verdichtung der Siliziumnitridpartikel und die Bildung eines gesinterten Monolithen ermöglicht. Heute existieren verschiedene Sinterverfahren, um vollständig dichte Siliziumnitrid-Komponenten herzustellen. Heissgepresstes Siliziumnitrid (HPSN), heissisostatisch gepresstes Siliziumnitrid (HIPSN) und gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSN) heissen die Produkte der gängigsten Herstellungsverfahren. Ceramaret hat sich für das Gasdrucksintern (GPS) entschieden. Diese Technik zeichnet sich gegenüber den anderen durch ihre Wirtschaftlichkeit und Wiederholbarkeit sowie durch die Endqualität des Materials aus. Zudem gibt es keine geometrischen Einschränkungen, was im Einklang mit der Expertise und der Positionierung von Ceramaret steht, denn das Unternehmen ist für die Herstellung komplexer und hochpräziser Komponenten aus Keramik bekannt.

Wellen für Motoren und Pumpen mit hoher Präzision und Oberflächenqualität

Durch die Anwendung eines Stickstoffdruckes werden Si₃N₄-Pulvertabletten bei höheren Temperaturen gesintert, wodurch ihre thermische Zersetzung vermieden und eine hohe Verdichtung erzielt wird. Die Sinterparameter müssen jedoch präzise kontrolliert werden, um feste, hochwertige Monolithen zu erhalten. Schliesslich ermöglichen die beim GPS-Verfahren angewendeten höheren Sintertemperaturen die Herstellung eines Si₃N₄-Gefüges, bei dem grosse längliche Kristallite in einer feinkörnigen Matrix verteilt sind. Eine solche Mikrostruktur bietet hervorragende mechanische Eigenschaften. Nach jahrelanger Forschung und Entwicklung beherrscht Ceramaret die Sinterbedingungen vollends und ist in der Lage, qualitativ hochwertige Komponenten zu liefern.

Die breite Angebotspalette von Ceramaret umfasst auch zahlreiche Komponenten, die durch Standard-Trockenpressverfahren oder durch endkonturnahes Spritzgiessen hergestellt werden. Diese Verfahren ermöglichen die industrielle Fertigung von Komponenten einfacher und komplexer Geometrien zu wettbewerbsfähigen Preisen ‒ so individuell wie nie zuvor.

 

Referenzen
G. Petzow, M. Herrmann, Silicon Nitride Ceramics, Structure and Bbonsding, vol. 102, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002.
Robert B. Heimann, Classic and Advanced Ceramics: From Fundamentals to Applications, 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Branko Matovic, Low Temperature Sintering Additives for Silicon Nitride, Dissertation an der Universität Stuttgart, Bericht Nr. 137 August 2003
Frank L. Riley, Silicon Nitride and Related Materials, J. Am. Ceram. Soc., 83 [2] 245–65 (2000)
Saurabh Lal et al., Biological Impact of Silicon Nitride for Orthopaedic Applications: Role of Particle Size, Surface Composition and Donor Variation, www.nature.com/scientificreports, 2018

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