Los átomos de las cerámicas de nitruro de silicio están unidos entre sí mediante fuertes enlaces covalentes, una propiedad inherente que hace que esta cerámica inorgánica no metálica sea muy difícil de sinterizar de forma densa. Durante el procesamiento, no solo debe soportar un entorno de alta temperatura superior a 1800 ℃, sino que también necesita mantener la presión de sinterización durante un largo periodo. El entorno extremo de procesamiento tiende a provocar poros internos y grietas en el cuerpo verde, debilitando directamente el rendimiento mecánico del material y su fiabilidad funcional general. Para resolver este problema de preparación, la industria ha desarrollado diversos procesos de sinterización.
1. Sinterización sin presión
En el proceso de preparación de nitruro de silicio mediante sinterización a presión atmosférica, existe una contradicción fundamental: el proceso de densificación del material compite con la reacción de descomposición a alta temperatura del nitruro de silicio. Este problema se vuelve más acusado en los sistemas formulados que incluyen aditivos a base de magnesio. Para mejorar el efecto de densificación del cuerpo verde bajo condiciones atmosféricas, la industria emplea óxido de itrio combinado con óxido de magnesio, o bien una combinación de óxido de itrio, óxido de aluminio y nitruro de aluminio como componentes auxiliares de sinterización para la preparación del nitruro de silicio. Tras una amplia verificación, las dos formulaciones —óxido de itrio + óxido de aluminio y óxido de itrio + óxido de magnesio— se han convertido en las opciones predominantes en el mercado. Este proceso aún no se ha aplicado ampliamente en campos especializados de materiales compuestos. Sin embargo, siempre que se combine con técnicas de procesamiento adecuadas y ensayos no destructivos para eliminar defectos internos, los componentes de nitruro de silicio fabricados mediante sinterización a presión atmosférica pueden utilizarse como accesorios para equipos de alta fiabilidad.
2. Sinterización por reacción (RBSN)
La producción de nitruro de silicio sinterizado por reacción porosa comienza con la preparación de piezas cerámicas a partir de polvo fino de silicio tras un tratamiento de compresión. Las piezas se colocan en una atmósfera de nitrógeno o amoníaco y se calientan continuamente en un rango de temperatura de 1000 a 1450 °C. Durante este proceso, el polvo de silicio experimenta una reacción de nitridación, dando lugar a una fase cristalina mixta compuesta por α-Si₃N₄ y β-Si₃N₄. Este proceso de nitridación provoca una expansión volumétrica de aproximadamente un 22 %, pero los espacios vacíos dejados entre las partículas de la pieza pueden contrarrestar este efecto de expansión. Durante la sinterización, el tamaño de la pieza apenas sufre deformación por contracción. Debido a esta característica de mantenimiento de un tamaño constante, este proceso resulta altamente adecuado para la fabricación de bloques cerámicos de formas especiales, casquillos de formas especiales y bases para espaciadores intervertebrales. Tras la sinterización, no se requiere mecanizado adicional con herramientas de diamante, lo que supone importantes ventajas de coste. Incluso si la porosidad del producto terminado permanece entre el 20 % y el 30 %, estos componentes conservan excelentes propiedades mecánicas, con una resistencia a la flexión de hasta 350 MPa.
3. Sinterización por prensado en caliente (HP)
El proceso de sinterización por prensado en caliente no puede densificar la preforma de nitruro de silicio sin añadir aditivos. Por lo tanto, se mezclan materiales a base de magnesio, como óxido de magnesio y nitruro de magnesio, al sistema de polvo como ayudas para la sinterización. La cantidad óptima de aditivos se controla preferiblemente dentro del rango de 3,3–5,0 % en peso. Durante el procesamiento, se aplica una presión mecánica de 23 MPa a la preforma y la temperatura de sinterización se fija en 1800 ± 50 °C, con un tiempo de mantenimiento de 4 a 18 minutos. Este proceso permite fabricar piezas cerámicas densas con una densidad relativa superior al 99,9 %, y la resistencia a la flexión del producto terminado puede alcanzar 690 ± 20 MPa. Gracias a su densidad extremadamente elevada, el proceso de sinterización por prensado en caliente puede emplearse para fabricar productos con requisitos rigurosos de rendimiento mecánico, como rodamientos de nitruro de silicio, varillas cerámicas de nitruro de silicio y bolas resistentes al desgaste de nitruro de silicio. Esta solución también se ha implementado a escala industrial.
4. Sinterización por presión de gas (GPS)
La función principal del proceso de sinterización bajo presión es resolver el problema industrial de la descomposición fácil del nitruro de silicio durante la sinterización a altas temperaturas. Este proceso lo consigue introduciendo gas nitrógeno a alta presión en la cámara de sinterización, creando así una atmósfera protectora de alta presión que invierte y inhibe eficazmente la reacción de descomposición del nitruro de silicio a altas temperaturas, garantizando la integridad estructural y el rendimiento estable de la preforma durante el proceso de densificación a altas temperaturas. Gracias a su excelente efecto de densificación y estabilidad del material, el proceso de sinterización bajo presión permite fabricar crisoles de nitruro de silicio resistentes a altas temperaturas a gran escala y tubos cerámicos largos de nitruro de silicio, así como otros componentes estructurales de alta precisión y resistencia a altas temperaturas. Los productos de nitruro de silicio obtenidos mediante este proceso presentan un rendimiento general muy similar al de los producidos mediante procesos de sinterización convencionales, y ofrecen un rendimiento integral sobresaliente, lo que les confiere amplias perspectivas de aplicación industrial.
5. Reacción de sinterización combinada con nitruro de silicio (SRBSN)
Para mejorar el comportamiento de sinterización de los cuerpos verdes, se añaden al polvo de silicio como materia prima componentes auxiliares de sinterización: alúmina, sílice y óxido de calcio. Todo el proceso de preparación se divide en dos etapas térmicas. En primer lugar, en una atmósfera que contiene hidrógeno o argón y nitrógeno, se lleva a cabo una reacción de nitridación prolongada a 1400 °C, cuya duración oscila entre 150 y 300 horas. Una vez finalizada la nitridación, el material se transfiere a un entorno de sinterización a alta presión, donde se mantiene durante 1 a 2 horas a una temperatura comprendida entre 1700 y 1950 °C. La presión del gas nitrógeno en dicho entorno se ajusta al intervalo de 0,21 a 2,1 MPa. Mediante este proceso, la densidad de los cuerpos verdes puede superar el 86 % de la densidad teórica. Si la presión del gas nitrógeno dentro de la cámara de sinterización se incrementa aún más hasta superar los 10 MPa, la densidad de los cuerpos verdes puede alcanzar el 98 % del valor teórico y la resistencia a la flexión de los componentes también puede llegar a 750 MPa. Gracias a su buena precisión de conformado y a unos costos de procesamiento controlables, este proceso puede emplearse para fabricar anillos cerámicos de nitruro de silicio de servicio pesado y placas cerámicas de nitruro de silicio de gran tamaño. Tras la modificación mediante densificación, las propiedades físicas y mecánicas de estos componentes ya son capaces de igualar el rendimiento de las piezas sinterizadas de nitruro de silicio de alto rendimiento disponibles en el mercado.
6. Sinterización por descarga de plasma (SPS)
El proceso de sinterización por descarga de plasma se basa en la acción directa de una corriente pulsada sobre el compacto de polvo y utiliza el calentamiento por resistencia para elevar rápidamente la temperatura del compacto. Permite lograr una solidificación densa sin necesidad de mantener temperaturas elevadas durante largos periodos. Este modo de procesamiento a alta temperatura y corta duración puede inhibir el crecimiento continuo de los granos cristalinos, evitar transformaciones de fase anómalas, conservar la fina estructura microcristalina del material y permitir que los componentes obtengan propiedades mecánicas aún mejores. Este proceso es adecuado para procesar láminas cerámicas de nitruro de silicio ultradelgadas y pasadores de posicionamiento miniatura de nitruro de silicio, es decir, piezas pequeñas de alta precisión. En comparación con los esquemas convencionales de sinterización, todo el proceso requiere menos tiempo, el ritmo de procesamiento es más rápido y puede acortar significativamente el ciclo total de procesamiento de los componentes de nitruro de silicio.
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