Sintrad kiselnitrid är på väg mot ett bredare genombrott. Användbarheten tvistar ingen om, och det största hindret är fortfarande den höga processkostnaden.
I dag hittar vi allt oftare keramen i tätningar till kökens nya vattenkranar. Den finns i kulorna i de hybridlager som allt oftare används i avancerade rullskridskor av typ "inlines". Sintrad kiselnitrid används idag också i några bilmodeller som tätning i motorns vattenpump.
En enda keramkula bland lagrets stålkulor kan också göra underverk för det traditionella kullagrets livslängd. Den hårda keramkulan håller löpbanan ren extra länge eftersom den "stämplar in" eventuella föroreningar i lagerringens yta.
Kiselnitriden har egentligen alla nödvändiga egenskaper för en bra konstruktionskeram. Den har tät struktur men ändå låg densitet, hög hållfasthet och brottseghet samt tål kraftiga värmechocker. Den har också både hårdhet, slitstyrka och livslängd som är överlägsna de hos konkurrerande metaller.
Kruxet är bara att tillverkningen av detaljer i keramen fortfarande är förhållandevis dyr.
Det krävs att materialets goda egenskaper kan utnyttjas till fullo för att tillverkare och användare ska vilja byta ut ett beprövat metallmaterial mot sintrad kiselnitrid.
Kiselnitriden kom fram på allvar för cirka femton år sedan, då som ett exklusivt konstruktionsmaterial. Keramen lockade till en början bara konstruktörer för vilka materialets fina egenskaper var det väsentliga medan kostnaden mer var en bisak, som i vissa grenar av den i den militära tekniken.
På den civila sidan fann den bland annat plats i exklusiva produkter som i lager till motorer och drivlinor i Formel 1-bilar.
Så småningom tog sig kiselnitriden in i andra avancerade produkter, främst i lager för höghastighetsmaskiner som tandläkarborrar och snabba verktygsmaskiner. Här är keramlager absolut nödvändiga om maskinerna skulle klara varvtal på 20 000 varv per minut eller mer med godtagbar livslängd.
För något år sedan närmade sig den sintrade kiselnitriden området konsumentprodukter. Då testade biltillverkaren Chrysler-Daimler keramlager i ventilerna till motorn i en liten provserie Mercedes C-klass. Men hittills har tillverkaren inte ansett sig kunna motivera kostnaden för dessa lager i bruksbilar.
På Svenska Keraminstitutet väntar man nu på ett genomslag i en liknande, bred konsumentprodukt.
- När tillverkare av bilar eller cyklar börjar använda kiselnitrid, exempelvis i hjullager, då får vi säkert se ett riktigt genombrott för den här utmärkta keramen. Det behöver inte dröja särskilt länge, det behövs nog bara att priserna på tillverkning och material sjunker litet till, säger Roger Carlsson på Keraminstitutet i Göteborg.
Internationell statistik visar att området keramer för närvarande växer med ungefär åtta procent per år. Det finns inga säkra siffror för enbart kiselnitrid eller sintrad sådan. Men på Keraminstitutet tror man att utvecklingen även där motsvarar keramutvecklingen i stort.
De höga tillverkningskostnaderna för sintrad kiselnitrid beror på den teknik som krävs för att få fram keramens fulla egenskaper. För att materialet ska duga i keramiska kullager krävs att kulorna produceras med het isostatisk pressning. Det är en ganska komplicerad och långsam tillverkningsmetod som resulterar i höga styckekostnader.
Enligt siffror från kullagertillverkaren SKF är själva kulorna uppåt hundra gånger dyrare än stålkulor och hybridlagren med keramkulor från tre till tjugo gånger dyrare än motsvarande stålkullager.
Det är först när det handlar om specialtillverkade lager med extra kostnader för själva konstruktionen som keramen kan vara med och tävla prismässigt.
Keramiska tätningar till ventiler tillverkas i högtryckspressar i kväveatmosfär. Ett billigare och snabbare sätt att tillverka krävs för att sänka styckepriset ner mot massproduktionsnivå.
Den billigaste metoden är att sintra keramen vid atmosfärstryck. Men den räcker tyvärr inte till för att ge kiselnitriden den täthet och hårdhet som behövs i lager och tätningar.
GENOMBROTTET KAN KOMMA MED HANDVERKTYGEN
Eldrivna handverktyg för professionella yrkesutövare blir det område där lager med kulor i sintrad kiselnitrid får sitt breda genombrott. Detta hoppas och tror man hos tillverkaren SKF i Göteborg.
Här går utvecklingen mot alltmer avancerade maskiner som måste ha större livslängd för att kunna betala sina högre inköpskostnader. Hybridlagren med keramkulor i sintrad kiselnitrid är visserligen mycket dyrare än de vanliga stålkullagren men ger maskinen den kraftigt ökade livslängd som krävs.
- Det handlar om förbättringar i livslängd från tre gånger ända upp till hundra gånger. Vilket det blir beror främst på under vilka driftsförhållanden elmaskinen används, säger Lars Kahlman, produktspecialist på SKF Ceramic Bearings.
Hybridlagren har också egenskaper som stämmer väl överens med den pågående utvecklingen av professionella handverktyg. I stort sett alla tillverkare går nu över till handverktyg som har elmotor med frekvensomriktare. Omriktaren förenklar elmotorns konstruktion, gör att motorn kan köras med högre varvtal men medför ändå att den drar mindre energi.
Men samtidigt ökar frekvensomriktaren risken för strömskador i kullagren. Krypströmmar och elektriska urladdningar mellan kulor och ringar skapar snart gropar eller rentav "tvättbrädor" i lagrens löpbanor. Frekvensomriktarens korta kopplingstider ger också upphov till strömspikar (transienter) som kan ge lagren ytterligare skador.
Det är här hybridlagrens speciella egenskaper kommer in och gör att man i stort sett undviker sådana skadeproblem. Kulorna av kiselnitrid fungerar nämligen som elektriska isolatorer. I ett otätat hybridlager utan ledande skyddsplåtar och tätningar kan det handla om en isolerande resistans på flera gigaohm. De keramiska kulorna blir, vid högfrekventa strömmar, dessutom ett dielektrikum mellan lagrets yttre och inre ring med mycket låg kapacitans.
Hybridlagret klarar därför det nya eldrivna handverktygets högre prestanda samtidigt som det ger ett effektivt skydd mot de strömskador som kan orsakas av frekvensomriktaren.
