A szilícium-nitrid kerámiák atomjait erős kovalens kötések kapcsolják össze, ami egy belső tulajdonság, és ezzel az anorganikus, nemfémes kerámiát rendkívül nehézzé teszi sűrűn szinterelni. A feldolgozás során nemcsak 1800 °C feletti magas hőmérsékleti környezetnek kell ellenállnia, hanem hosszú ideig fenntartott szinterelési nyomást is biztosítania kell. Az extrém feldolgozási környezet könnyen belső pórusokat és repedéseket okozhat a nyers testben, ami közvetlenül gyengíti az anyag mechanikai tulajdonságait és az általános funkcionális megbízhatóságát. Ennek az előállítási problémának a megoldása érdekében az ipar különböző szinterelési eljárásokat fejlesztett ki.
1. Nyomásmentes szinterelés
A szilícium-nitrid atmoszférikus nyomáson történő szinterelése során egy alapvető ellentét áll fenn: az anyag tömörödési folyamata verseng a szilícium-nitrid magas hőmérsékleten zajló bomlási reakciójával. Ez a probléma különösen érzékelhető a magnézium-alapú adalékanyagokat tartalmazó összetételi rendszerekben. Az alapanyag tömörödésének javítása érdekében az iparág gyakran ittrium-oxidot magnézium-oxiddal, illetve ittrium-oxidot alumínium-oxiddal és alumínium-nitriddel kombinálva használ segéd-szinterelő összetevőként a szilícium-nitrid előállításához. Széles körű ellenőrzés után az ittrium-oxid + alumínium-oxid, valamint az ittrium-oxid + magnézium-oxid összetételek váltak a piacon domináns választássá. Ezt a folyamatot eddig még nem alkalmazzák széles körben speciális kompozit területeken. Ugyanakkor, ha megfelelő feldolgozási technikákkal és nem romboló vizsgálati módszerekkel kiküszöböljük a belső hiányosságokat, az atmoszférikus nyomáson szinterelt szilícium-nitrid alkatrészeket megbízható, magas minőségű berendezések kiegészítő elemeire is lehet használni.
2. Reakciós szinterelés (RBSN)
A pórusos reakció- és szinterelt szilícium-nitrid gyártása finoman őrölt szilíciumporból készült kerámiapalástok előkészítésével kezdődik, amelyeket a tömörítés után nitrogén- vagy ammóniakörnyezetbe helyeznek, majd folyamatosan 1000–1450 °C-os hőmérsékleten melegítenek. E folyamat során a szilíciumpor nitridálódási reakción megy keresztül, amely eredményeként α-Si₃N₄ és β-Si₃N₄ kristályfázisok keveréke jön létre. A nitridálás során kb. 22%-os térfogatnövekedés következik be, de a palást részecskéi között maradó üregek ellensúlyozzák ezt a tágulási hatást. A szinterelés során a palást mérete alig szenved összehúzódási deformációt. Ennek a méretállandóságnak köszönhetően az eljárás kiválóan alkalmas speciális alakú kerámiatömbök, speciális alakú hüvelyek és intervertebrális távtartók alapjainak gyártására. A szinterelés után nem szükséges további gyémántszerszámos megmunkálás, így jelentős költségelőnyök érhetők el. Még akkor is, ha a késztermék porozitása 20–30% között marad, az alkatrészek kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hajlítószilárdságuk akár 350 MPa is lehet.
3. Meleg sajtózásos szinterelés (HP)
A forró sajtózásos szinterelési folyamat nem képes a szilícium-nitrid előforma tömörítésére kiegészítő anyagok hozzáadása nélkül. Ezért magnézium-alapú anyagokat – például magnézium-oxidot és magnézium-nitridet – kevernek a porrendszerbe szinterelési segédanyagként. A kiegészítő anyagok optimális hozzáadási mennyisége 3,3–5,0 tömegszázalék között ajánlott. A feldolgozás során mechanikai nyomást (23 MPa) alkalmaznak az előformára, a szinterelési hőmérsékletet 1800±50 °C-ra állítják be, és a megtartási idő 4–18 perc. Ezzel a folyamattal sűrű kerámia alkatrészeket lehet előállítani, amelyek relatív sűrűsége meghaladja a 99,9%-ot, és a kész termék hajlítószilárdsága elérheti a 690±20 MPa értéket. A rendkívül magas sűrűség miatt a forró sajtózásos szinterelési folyamat alkalmas olyan termékek gyártására, amelyek szigorú mechanikai teljesítménykövetelményeket támasztanak, például szilícium-nitrid csapágyak, szilícium-nitrid kerámia rúdok és szilícium-nitrid kopásálló golyók. Ezt a megoldást ipari méretben is bevezették.
4. Gáznyomásos szinterelés (GPS)
A nyomásos szinterelési folyamat alapvető funkciója a szilícium-nitrid magas hőmérsékleten történő szinterelése során fellépő könnyű bomlási probléma megoldása az iparágban. Ezt a folyamat úgy éri el, hogy nagynyomású nitrogéngázt vezet be a szinterelő kamrába, így létrehozva egy védő, nagynyomású atmoszférát, amely hatékonyan visszafordítja és gátolja a szilícium-nitrid magas hőmérsékleten zajló bomlási reakcióját, biztosítva ezzel az előforma szerkezeti integritását és stabil működését a magas hőmérsékleten zajló tömörítési folyamat során. Kiváló tömörítési hatás és anyagstabilitás mellett a nyomásos szinterelési folyamat nagy méretű, magas hőmérséklet-álló szilícium-nitrid krisztallizációs edényeket és hosszú szilícium-nitrid kerámia csöveket, valamint egyéb nagy pontosságú és hőálló szerkezeti alkatrészeket is előállíthat. A folyamattal előállított szilícium-nitrid termékek általános teljesítménye nagyon hasonló a főbb szinterelési eljárásokkal gyártott termékekéhez, és kiváló komplex teljesítményt mutatnak, így széles ipari alkalmazási lehetőségeket kínálnak.
5. Szinterelési reakció szilícium-nitriddal (SRBSN) kombinálva
A zöld testek szinterelési viselkedésének javítása érdekében az alapanyagként használt szilíciumporhoz alumínium-oxidot, szilícium-dioxidot és kalcium-oxidot – segéd szinterelő összetevőket – adnak. Az egész előkészítési folyamat két fűtési szakaszra oszlik. Először hosszú ideig tartó nitridációs reakciót hajtanak végre 1400 °C-on, hidrogén-, argon- és nitrogénatmoszférában, a folyamat időtartama 150–300 óra. A nitridáció befejezése után a mintát magasnyomású szinterelő környezetbe helyezik, ahol 1700–1950 °C közötti hőmérsékleten 1–2 órán át tartják. A környezetben uralkodó nitrogéngáz nyomását 0,21–2,1 MPa tartományba állítják be. E folyamattal a zöld testek sűrűsége meghaladhatja a teoretikus sűrűség 86 %-át. Ha a szinterelő kemence belső nitrogéngáz-nyomását tovább növelik 10 MPa fölé, a zöld testek sűrűsége elérheti a teoretikus érték 98 %-át, és az alkatrészek hajlítószilárdsága is elérheti a 750 MPa-ot. A jó formázási pontosság és a kontrollálható feldolgozási költségek miatt ezt a folyamatot nehézüzemi szilícium-nitrid kerámia gyűrűk és nagyméretű szilícium-nitrid kerámia lemezek gyártására lehet alkalmazni. A sűrűsítés utáni módosítást követően ezeknek az alkatrészeknek a fizikai és mechanikai tulajdonságai már összevethetők a piacon kapható nagy teljesítményű szilícium-nitrid szinterelt alkatrészek teljesítményével.
6. Kisüléses plazmaszinterelés (SPS)
A kisüléses plazmaszinterelési eljárás a poros tömörített anyagra ható impulzusáram közvetlen hatásán alapul, és ellenállási fűtést alkalmaz a tömörített anyag hőmérsékletének gyors emelésére. Sűrű szilárdítást érhet el hosszú ideig tartó magas hőmérsékleten való tartás nélkül. Ez a rövid ideig tartó, magas hőmérsékletű feldolgozási mód gátolja a kristályszemcsék folyamatos növekedését, megakadályozza az anomális fázisátalakulást, megőrzi az anyag finom mikrokristályos szerkezetét, és lehetővé teszi, hogy az alkatrészek kiválóbb mechanikai tulajdonságokat érjenek el. Az eljárás alkalmas az ultra vékony szilícium-nitrid kerámialemezek és a mikro szilícium-nitrid pozícionáló csapok – azaz a precíziós kis alkatrészek – feldolgozására. A hagyományos szinterelési eljárásokhoz képest az egész folyamat rövidebb időt vesz igénybe, a feldolgozási ütem gyorsabb, és jelentősen lerövidíti a szilícium-nitrid alkatrészek teljes feldolgozási ciklusát.
EN
