Атомите в керамиката от силициев нитрид са свързани помежду си чрез силни ковалентни връзки, което е вродено свойство, правещо тази неорганична неметална керамика изключително трудна за постигане на плътно спечаване. По време на обработката тя не само трябва да издържа високотемпературна среда над 1800 ℃, но и да поддържа налягане за спечаване в продължение на дълго време. Екстремната среда за обработка често води до възникване на вътрешни пори и пукнатини в зеленото тяло, което директно намалява механичната издръжливост на материала и общата му функционална надеждност. За решаване на този проблем при подготовката индустрията е развила различни процеси на спечаване.
1. Спечаване без налягане
В процеса на подготовката на силициев нитрид чрез спечаване при атмосферно налягане възниква основно противоречие: процесът на уплътняване на материала конкурира с високотемпературната разлагателна реакция на силициевия нитрид. Този проблем става по-изразен в формулярните системи, които включват добавки на базата на магнезий. За подобряване на ефекта от уплътняването на зеления корпус при атмосферни условия промишлеността използва оксид на итрий в комбинация с оксид на магнезий или оксид на итрий, оксид на алуминий и нитрид на алуминий като допълнителни компоненти за спечаване при подготовката на силициев нитрид. След обширна верификация двете формули – оксид на итрий + оксид на алуминий и оксид на итрий + оксид на магнезий – са станали водещи избори на пазара. Този процес все още не е широко приложен в специализираните композитни области. Въпреки това, стига да се комбинира с подходящи технологични методи и недеструктивни изпитвания за елиминиране на вътрешни дефекти, компонентите от силициев нитрид, произведени чрез спечаване при атмосферно налягане, могат да се използват за аксесоари към оборудване с висока надеждност.
2. Реакционно спечаване (RBSN)
Производството на порести реакционно спечени силициев нитрид започва с подготовката на керамични заготовки от финопомелен силициев прах след компресионна обработка. Заготовките се поставят в атмосфера от азот или амоняк и се нагряват непрекъснато в температурен диапазон 1000–1450 °C. По време на този процес силициевият прах претърпява нитридирана реакция, водеща до образуване на смесена кристална фаза, състояща се от α-Si3N4 и β-Si3N4. Този нитридиран процес предизвиква обемно разширение от приблизително 22 %, но празнините между частиците на заготовката могат да компенсират този ефект от разширение. По време на спечаването размерите на заготовката почти не претърпяват деформация чрез свиване. Благодарение на тази особеност за поддържане на постоянни размери процесът е изключително подходящ за производството на керамични блокове със специална форма, втулки със специална форма и основи на междипрешленни раздалечители. След спечаването не е необходимо допълнително машинно обработване с диамантени инструменти, което осигурява значителни предимства по отношение на разходите. Дори при запазване на порестостта на готовия продукт в диапазона 20–30 %, тези компоненти запазват отлични механични свойства, като пределната им якост при огъване достига до 350 MPa.
3. Горещо пресоване и спечаване (HP)
Процесът на синтероване чрез горещо пресоване не може да уплътни предварително оформения силиконов нитрид, без да се добавят допълнителни вещества. Затова в системата от прах се смесват магнезиеви материали като магнезиев оксид и магнезиев нитрид като помощни агенти за синтероване. Оптималното количество добавки се препоръчва да се поддържа в диапазона 3,3–5,0 мас. %. По време на обработката върху предварително оформения продукт се прилага механично налягане от 23 MPa, а температурата на синтероване се задава на 1800±50 ℃ при време на издръжка от 4 до 18 минути. Този процес позволява производството на плътни керамични детайли с относителна плътност над 99,9 %, а огъващата якост на готовия продукт достига 690±20 MPa. Благодарение на изключително високата си плътност процесът на синтероване чрез горещо пресоване може да се използва за производството на изделия със строги изисквания към механичните характеристики, като например лагери от силиконов нитрид, керамични пръти от силиконов нитрид и износостойки топчета от силиконов нитрид. Това решение е внедрено и в промишлената практика.
4. Спекаване под газово налягане (GPS)
Основната функция на процеса на спечаване под налягане е да реши индустриалния проблем с лесното разлагане на силициев нитрид по време на високотемпературно спечаване. Този процес постига това чрез внасяне на азотен газ под високо налягане в спечаващата камера, създавайки защитна атмосфера с високо налягане, която ефективно обръща и потиска реакцията на високотемпературно разлагане на силициев нитрид, осигурявайки структурната цялост и стабилната производителност на полуфабриката по време на процеса на високотемпературно уплътняване. Благодарение на отличния ефект от уплътняването и стабилността на материала процесът на спечаване под налягане може да произвежда големи високотемпературноустойчиви тигли от силициев нитрид и дълги тръби от керамичен силициев нитрид, както и други високоточни и високотемпературноустойчиви конструктивни компоненти. Продуктите от силициев нитрид, получени по този процес, притежават общо производителност, изключително близка до тази на продуктите, произведени чрез водещите процеси на спечаване, и имат отлични комплексни характеристики, което предлага широки перспективи за индустриално приложение.
5. Спекане с реакция, комбинирано със силициев нитрид (SRBSN)
За подобряване на спекателното поведение на зелените тела към суровината силициев прах се добавят алумина, силиция и калциев оксид – вспомогателни спекателни компоненти. Целият процес на подготовката се разделя на два етапа на нагряване. Първо, при атмосфера, съдържаща водород или аргон и азот, се извършва продължителна нитридирана реакция при 1400 ℃ в продължение на 150–300 часа. След завършване на нитридирането материалът се прехвърля в среда за високоналячно спекане, където се задържа при температура от 1700 до 1950 ℃ в продължение на 1–2 часа. Налягането на азотния газ в средата се регулира в диапазона 0,21–2,1 MPa. Благодарение на този процес плътността на зелените тела може да надвиши 86 % от теоретичната плътност. Ако налягането на азотния газ в спекателната камера се увеличи допълнително над 10 MPa, плътността на зелените тела може да достигне 98 % от теоретичната стойност, а огъващата якост на компонентите – 750 MPa. При добра точност на формоването и контролирани производствени разходи този процес може да се използва за производство на тежки керамични пръстени от силициев нитрид и големи керамични плочи от силициев нитрид. След модификация чрез уплътняване физичните и механичните свойства на тези компоненти вече отговарят на показателите на високопроизводителните спекателни части от силициев нитрид, предлагани на пазара.
6. Спекване чрез разрядна плазма (SPS)
Процесът на спекване чрез разрядна плазма се основава на директното действие на импулсен ток върху пресования прашък и използва резистентно нагряване, за да увеличи бързо температурата на пресования. Той позволява получаването на плътни твърди материали без необходимостта от продължително задържане при високи температури. Този кратковременен режим на високотемпературна обработка може да потисне непрекъснатото нарастване на кристалните зърна, да предотврати аномални фазови превръщания, да запази фината микрокристална структура на материала и да осигури на компонентите по-изключителни механични свойства. Този процес е подходящ за обработка на ултратънки керамични листове от силициев нитрид и миниатюрни позициониращи пинове от силициев нитрид — прецизни малки части. В сравнение с конвенционалните схеми за спекване целият процес отнема по-малко време, темпото на обработка е по-бързо и може значително да съкрати общия цикъл на производство на компоненти от силициев нитрид.
EN
