Atom-atom pada keramik nitrida silikon terikat satu sama lain melalui ikatan kovalen yang kuat, suatu sifat bawaan yang membuat keramik anorganik non-logam ini sangat sulit untuk mencapai sintering padat. Selama proses pengolahan, bahan tidak hanya harus tahan terhadap lingkungan bersuhu tinggi di atas 1800℃, tetapi juga perlu mempertahankan tekanan sintering dalam waktu yang lama. Lingkungan pengolahan ekstrem tersebut berisiko tinggi menyebabkan pori-pori internal dan retakan pada badan hijau (green body), sehingga secara langsung melemahkan kinerja mekanis material serta keandalan fungsional keseluruhannya. Untuk mengatasi masalah persiapan ini, industri telah mengembangkan berbagai proses sintering yang berbeda.
1. Sintering tanpa tekanan
Dalam proses persiapan silikon nitrida melalui sintering tekanan atmosferik, terdapat kontradiksi inti: proses densifikasi material bersaing dengan reaksi dekomposisi suhu tinggi dari silikon nitrida. Masalah ini menjadi lebih nyata dalam sistem formulasi yang mengandung aditif berbasis magnesium. Untuk meningkatkan efek densifikasi badan hijau (green body) dalam kondisi atmosferik, industri menggunakan kombinasi oksida itrium dan oksida magnesium, atau kombinasi oksida itrium, oksida aluminium, serta nitrida aluminium sebagai komponen bantu sintering guna mempersiapkan silikon nitrida. Setelah verifikasi luas, dua formulasi — oksida itrium + oksida aluminium dan oksida itrium + oksida magnesium — telah menjadi pilihan utama di pasar. Proses ini belum diterapkan secara luas di bidang komposit khusus. Namun, selama dikombinasikan dengan teknik pemrosesan yang tepat serta pengujian tanpa merusak (non-destructive testing) untuk menghilangkan cacat internal, komponen silikon nitrida yang dihasilkan melalui sintering tekanan atmosferik dapat digunakan sebagai aksesori peralatan berkeandalan tinggi.
2. Sintering Reaksi (RBSN)
Produksi silikon nitrida berpori hasil reaksi-sinter dimulai dengan persiapan benda mentah keramik dari serbuk silikon halus setelah perlakuan kompresi. Benda mentah tersebut ditempatkan dalam atmosfer nitrogen atau amonia lalu dipanaskan terus-menerus pada kisaran suhu 1000–1450°C. Selama proses ini, serbuk silikon mengalami reaksi nitridasi, menghasilkan fasa kristal campuran yang terdiri atas α-Si3N4 dan β-Si3N4. Proses nitridasi ini menyebabkan ekspansi volume sekitar 22%, namun rongga-rongga yang tersisa di antara partikel benda mentah dapat menetralisir efek ekspansi tersebut. Selama proses sintering, ukuran benda mentah hampir tidak mengalami deformasi penyusutan. Berkat sifatnya yang mempertahankan ukuran konstan, proses ini sangat cocok untuk memproduksi balok keramik berbentuk khusus, bushing berbentuk khusus, serta dasar spacer intervertebralis. Setelah sintering, tidak diperlukan lagi pemesinan tambahan menggunakan alat berlian, sehingga memberikan keuntungan biaya yang signifikan. Bahkan jika porositas produk jadi tetap berada pada kisaran 20%–30%, komponen-komponen ini tetap mempertahankan sifat mekanis yang sangat baik, dengan kekuatan lentur hingga 350 MPa.
3. Pengempaan Panas dan Sintering (HP)
Proses sintering hot-pressing tidak mampu memadatkan preform silikon nitrida tanpa penambahan bahan tambahan apa pun. Oleh karena itu, bahan berbasis magnesium seperti magnesium oksida dan magnesium nitrida dicampur ke dalam sistem serbuk sebagai bahan bantu sintering. Jumlah penambahan optimal bahan tambahan ini sebaiknya dikendalikan dalam kisaran 3,3–5,0 wt.%. Selama proses, tekanan mekanis sebesar 23 MPa diberikan pada preform, dan suhu sintering diatur pada 1800±50℃ dengan waktu tahan 4 hingga 18 menit. Proses ini mampu menghasilkan komponen keramik padat dengan densitas relatif lebih tinggi dari 99,9%, serta kekuatan lentur produk jadi mencapai 690±20 MPa. Berkat densitasnya yang sangat tinggi, proses sintering hot-pressing dapat digunakan untuk memproduksi produk dengan persyaratan kinerja mekanis ketat, seperti bantalan silikon nitrida, batang keramik silikon nitrida, dan bola tahan aus silikon nitrida. Solusi ini juga telah diimplementasikan dalam skala industri.
4. Sintering Tekanan Gas (GPS)
Fungsi utama proses sintering tekanan adalah mengatasi permasalahan industri terkait dekomposisi mudah silikon nitrida selama sintering suhu tinggi. Proses ini mencapainya dengan memasukkan gas nitrogen bertekanan tinggi ke dalam ruang sintering, sehingga menciptakan atmosfer pelindung bertekanan tinggi yang secara efektif membalikkan dan menghambat reaksi dekomposisi silikon nitrida pada suhu tinggi, serta menjamin integritas struktural dan kinerja stabil preform selama proses pemadatan suhu tinggi. Dengan efek pemadatan yang sangat baik serta stabilitas material yang unggul, proses sintering tekanan mampu memproduksi krusibel silikon nitrida tahan suhu tinggi dalam skala besar dan tabung keramik silikon nitrida berbentuk panjang, serta komponen struktural presisi tinggi dan tahan suhu tinggi lainnya. Produk silikon nitrida yang dihasilkan melalui proses ini memiliki kinerja keseluruhan yang sangat mirip dengan produk yang dihasilkan melalui proses sintering konvensional, serta menunjukkan kinerja menyeluruh yang luar biasa, sehingga membuka prospek aplikasi industri yang luas.
5.Reaksi sintering yang dikombinasikan dengan silikon nitrida (SRBSN)
Untuk meningkatkan perilaku sintering dari benda hijau, alumina, silika, dan kalsium oksida—yang merupakan komponen sintering tambahan—ditambahkan ke bahan baku serbuk silikon. Seluruh proses persiapan dibagi menjadi dua tahap pemanasan. Pertama-tama, dalam atmosfer yang mengandung hidrogen atau argon dan nitrogen, reaksi nitridasi jangka panjang dilakukan pada suhu 1400℃ selama 150 hingga 300 jam. Setelah nitridasi selesai, benda tersebut dipindahkan ke lingkungan sintering tekanan tinggi, di mana benda tersebut dipertahankan pada kisaran suhu 1700 hingga 1950℃ selama 1 hingga 2 jam. Tekanan gas nitrogen dalam lingkungan tersebut disesuaikan berada dalam kisaran 0,21 hingga 2,1 MPa. Melalui proses ini, densitas benda hijau dapat melebihi 86% dari densitas teoretisnya. Jika tekanan gas nitrogen di dalam ruang sintering ditingkatkan lebih lanjut hingga di atas 10 MPa, densitas benda hijau dapat mencapai 98% dari nilai teoretisnya, dan kekuatan lentur komponen juga dapat mencapai 750 MPa. Dengan akurasi pembentukan yang baik serta biaya proses yang terkendali, proses ini dapat digunakan untuk memproduksi cincin keramik silikon nitrida tugas berat dan pelat keramik silikon nitrida berukuran besar. Setelah modifikasi densifikasi, sifat fisik dan mekanis komponen-komponen ini telah mampu menyamai kinerja komponen silikon nitrida hasil sintering berkinerja tinggi yang tersedia di pasaran.
6. Pengempaan Plasma Pelepasan (SPS)
Proses pengempaan plasma pelepasan mengandalkan aksi langsung arus berdenyut terhadap benda padat serbuk, serta memanfaatkan pemanasan resistif untuk meningkatkan suhu benda padat secara cepat. Proses ini mampu mencapai pemadatan rapat tanpa memerlukan penahanan suhu tinggi dalam jangka panjang. Mode pemrosesan bersuhu tinggi jangka pendek ini dapat menghambat pertumbuhan butir kristal yang berkelanjutan, mencegah transformasi fasa tidak normal, mempertahankan struktur mikro-kristalin halus bahan, serta memungkinkan komponen memperoleh sifat mekanis yang lebih unggul. Proses ini cocok untuk memproses lembaran keramik silikon nitrida ultra-tipis dan pin posisi silikon nitrida berukuran mini, yaitu komponen presisi berukuran kecil. Dibandingkan skema pengempaan konvensional, keseluruhan proses memerlukan waktu lebih singkat, ritme pemrosesan lebih cepat, serta mampu mempersingkat siklus pemrosesan keseluruhan komponen silikon nitrida secara signifikan.
EN
