Gli atomi delle ceramiche di nitruro di silicio sono legati tra loro da forti legami covalenti, una proprietà intrinseca che rende questa ceramica inorganica non metallica molto difficile da sinterizzare in modo denso. Durante la lavorazione, non solo deve resistere a un ambiente ad alta temperatura superiore ai 1800 ℃, ma deve anche mantenere la pressione di sinterizzazione per un lungo periodo. L’ambiente estremo di lavorazione tende a causare porosità interne e fessurazioni nel corpo verde, indebolendo direttamente le prestazioni meccaniche del materiale e la sua affidabilità funzionale complessiva. Per risolvere questo problema di preparazione, il settore ha sviluppato vari processi di sinterizzazione differenti.
1. Sinterizzazione senza pressione
Nel processo di preparazione del nitruro di silicio mediante sinterizzazione a pressione atmosferica, emerge una contraddizione fondamentale: il processo di densificazione del materiale compete con la reazione di decomposizione ad alta temperatura del nitruro di silicio. Questo problema si accentua ulteriormente nei sistemi formulati che includono additivi a base di magnesio. Per migliorare l’effetto di densificazione del corpo verde in condizioni atmosferiche, il settore impiega comunemente ossido di ittrio abbinato a ossido di magnesio, oppure una combinazione di ossido di ittrio, ossido di alluminio e nitruro di alluminio come componenti ausiliari per la sinterizzazione del nitruro di silicio. Dopo ampie verifiche, le due formulazioni ossido di ittrio + ossido di alluminio e ossido di ittrio + ossido di magnesio sono diventate le scelte prevalenti sul mercato. Questo processo non è ancora ampiamente applicato nei settori specializzati dei compositi. Tuttavia, purché venga abbinato a opportune tecniche di lavorazione e a prove non distruttive per eliminare i difetti interni, i componenti in nitruro di silicio ottenuti mediante sinterizzazione a pressione atmosferica possono essere utilizzati come accessori per apparecchiature ad alta affidabilità.
2. Sinterizzazione per reazione (RBSN)
La produzione di nitruro di silicio poroso ottenuto per reazione e sinterizzazione inizia con la preparazione di semilavorati ceramici da polvere finemente macinata di silicio, dopo un trattamento di compressione. I semilavorati vengono posti in atmosfera di azoto o ammoniaca e riscaldati continuamente in un intervallo di temperatura compreso tra 1000 e 1450 °C. Durante questo processo, la polvere di silicio subisce una reazione di nitrurazione, generando una fase cristallina mista composta da α-Si3N4 e β-Si3N4. Tale processo di nitrurazione provoca un’espansione volumetrica pari a circa il 22 %, ma i vuoti lasciati tra le particelle del semilavorato possono controbilanciare tale effetto espansivo. Durante la sinterizzazione, le dimensioni del semilavorato subiscono quasi nessuna deformazione per contrazione. Grazie a questa caratteristica di mantenimento delle dimensioni costanti, il processo risulta particolarmente adatto alla produzione di blocchi ceramici di forma speciale, boccole di forma speciale e basi per spaziatori intervertebrali. Dopo la sinterizzazione, non è necessaria alcuna ulteriore lavorazione con utensili diamantati, con notevoli vantaggi economici. Anche qualora la porosità del prodotto finito rimanga compresa tra il 20 % e il 30 %, tali componenti conservano eccellenti proprietà meccaniche, con una resistenza a flessione fino a 350 MPa.
3. Sinterizzazione a caldo (HP)
Il processo di sinterizzazione con pressatura a caldo non riesce a densificare il grezzo in nitruro di silicio senza l’aggiunta di alcun additivo. Pertanto, materiali a base di magnesio, come ossido di magnesio e nitruro di magnesio, vengono miscelati al sistema di polveri come ausiliari di sinterizzazione. La quantità ottimale di additivi da aggiungere è preferibilmente controllata nell’intervallo 3,3–5,0% in peso. Durante il processo, sul grezzo viene applicata una pressione meccanica di 23 MPa e la temperatura di sinterizzazione è impostata a 1800±50 °C, con un tempo di permanenza compreso tra 4 e 18 minuti. Questo processo consente di ottenere componenti ceramici densi con una densità relativa superiore al 99,9 %; la resistenza a flessione del prodotto finito raggiunge 690±20 MPa. Grazie alla sua densità estremamente elevata, la sinterizzazione con pressatura a caldo può essere utilizzata per produrre articoli con rigorosi requisiti prestazionali meccanici, quali cuscinetti in nitruro di silicio, aste ceramiche in nitruro di silicio e sfere resistenti all’usura in nitruro di silicio. Questa soluzione è stata inoltre implementata su scala industriale.
4. Sinterizzazione a pressione di gas (GPS)
La funzione principale del processo di sinterizzazione sotto pressione è risolvere il problema industriale della facile decomposizione del nitruro di silicio durante la sinterizzazione ad alta temperatura. Questo processo raggiunge tale obiettivo introducendo azoto gassoso ad alta pressione nella camera di sinterizzazione, creando così un’atmosfera protettiva ad alta pressione che inverte efficacemente e inibisce la reazione di decomposizione ad alta temperatura del nitruro di silicio, garantendo l’integrità strutturale e le prestazioni stabili del grezzo durante il processo di densificazione ad alta temperatura. Grazie all’eccellente effetto di densificazione e alla stabilità del materiale, il processo di sinterizzazione sotto pressione consente di produrre crogioli in nitruro di silicio resistenti alle alte temperature su larga scala e tubi ceramici lunghi in nitruro di silicio, nonché altri componenti strutturali ad alta precisione e resistenza alle alte temperature. I prodotti in nitruro di silicio ottenuti con questo processo presentano prestazioni complessive molto simili a quelle dei prodotti realizzati mediante i principali processi di sinterizzazione in uso, offrendo eccellenti caratteristiche complessive e ampie prospettive di applicazione industriale.
5. Reazione di sinterizzazione combinata con nitruro di silicio (SRBSN)
Per migliorare il comportamento di sinterizzazione dei corpi verdi, alla polvere di silicio come materia prima vengono aggiunti allumina, silice e ossido di calcio, che fungono da componenti ausiliari per la sinterizzazione. L’intero processo di preparazione è suddiviso in due fasi termiche. In primo luogo, in un’atmosfera contenente idrogeno oppure argon e azoto, si effettua una reazione di nitrurazione prolungata a 1400 ℃, della durata compresa tra 150 e 300 ore. Al termine della nitrurazione, il materiale viene trasferito in un ambiente di sinterizzazione ad alta pressione, dove viene mantenuto a una temperatura compresa tra 1700 e 1950 ℃ per 1–2 ore. La pressione del gas azoto nell’ambiente viene regolata entro l’intervallo 0,21–2,1 MPa. Grazie a questo processo, la densità dei corpi verdi può superare l’86 % della densità teorica. Se la pressione del gas azoto all’interno della camera di sinterizzazione viene ulteriormente aumentata oltre i 10 MPa, la densità dei corpi verdi può raggiungere il 98 % del valore teorico e la resistenza a flessione dei componenti può arrivare a 750 MPa. Con buona precisione di formatura e costi di lavorazione controllabili, questo processo può essere utilizzato per produrre anelli ceramici in nitruro di silicio per impieghi gravosi e lastre ceramiche in nitruro di silicio di grandi dimensioni. Dopo la modifica mediante densificazione, le proprietà fisiche e meccaniche di questi componenti sono già in grado di eguagliare le prestazioni delle parti in nitruro di silicio sinterizzato ad alte prestazioni disponibili sul mercato.
6. Sinterizzazione a scarica al plasma (SPS)
Il processo di sinterizzazione a scarica al plasma si basa sull’azione diretta di una corrente pulsata sul composto in polvere e utilizza il riscaldamento per resistenza per aumentare rapidamente la temperatura del composto. Consente di ottenere una solidificazione densa senza necessità di mantenere a lungo temperature elevate. Questa modalità di lavorazione a breve termine e alta temperatura può inibire la crescita continua dei grani cristallini, evitare trasformazioni di fase anomale, preservare la struttura microcristallina fine del materiale e consentire ai componenti di raggiungere proprietà meccaniche eccellenti. Questo processo è adatto alla lavorazione di fogli ceramici ultra-sottili in nitruro di silicio e di perni di posizionamento miniaturizzati in nitruro di silicio, ossia parti piccole e di precisione. Rispetto agli schemi convenzionali di sinterizzazione, l’intero processo richiede meno tempo, il ritmo di lavorazione è più rapido e il ciclo complessivo di produzione dei componenti in nitruro di silicio può essere notevolmente ridotto.
EN
