실리콘 나이트라이드 세라믹의 원자들은 강한 공유 결합으로 서로 결합되어 있으며, 이는 이 무기 비금속 세라믹이 밀도 높은 소결을 달성하기 매우 어려운 본래의 특성이다. 가공 과정에서 1800℃를 넘는 고온 환경을 견뎌야 할 뿐만 아니라 오랜 시간 동안 소결 압력을 유지해야 한다. 극단적인 가공 조건은 그린 바디 내부에 기공과 균열 문제를 유발하기 쉬워, 재료의 기계적 성능과 전반적인 기능 신뢰성을 직접적으로 저하시킨다. 이러한 제조 문제를 해결하기 위해 산업계는 다양한 소결 공정을 개발하였다.
1. 무압력 소결
대기압 소결을 통해 실리콘 나이트라이드를 제조하는 과정에서 핵심적인 모순이 존재한다. 바로 재료의 밀도화 과정과 실리콘 나이트라이드의 고온 분해 반응이 서로 경쟁한다는 점이다. 이 문제는 마그네슘 기반 첨가제를 포함하는 배합계에서 더욱 두드러진다. 대기 조건 하에서 그린 바디의 밀도화 효과를 향상시키기 위해 산업계는 산화이트륨과 산화마그네슘을 병용하거나, 산화이트륨·산화알루미늄·질화알루미늄을 조합하여 보조 소결 성분으로 활용해 실리콘 나이트라이드를 제조한다. 광범위한 검증 결과, 산화이트륨 + 산화알루미늄 및 산화이트륨 + 산화마그네슘의 두 가지 배합이 시장의 주류 선택지로 자리 잡았다. 그러나 이 공정은 아직 특수 복합 분야에서는 널리 적용되지 않았다. 다만 적절한 가공 기술과 비파괴 검사를 병행해 내부 결함을 제거한다면, 대기압 소결 방식으로 제조된 실리콘 나이트라이드 부품을 고신뢰성 장비 액세서리로 사용할 수 있다.
2. 반응 소결(RBSN)
다공성 반응 소결 실리콘 나이트라이드의 제조는 압축 처리 후 미분된 실리콘 분말로 세라믹 블랭크를 제작하는 것에서 시작된다. 이 블랭크는 질소 또는 암모니아 분위기에서 1000~1450°C 범위의 온도로 지속적으로 가열된다. 이 과정에서 실리콘 분말은 니트라이드화 반응을 겪어 α-Si3N4와 β-Si3N4로 구성된 혼합 결정상을 형성한다. 이 니트라이드화 과정은 약 22%의 부피 팽창을 유발하지만, 블랭크 내 입자 사이에 남아 있는 공극이 이러한 팽창 효과를 상쇄할 수 있다. 소결 과정 중 블랭크의 크기는 거의 수축 변형되지 않는다. 이처럼 크기를 일정하게 유지하는 특성 덕분에, 이 공정은 특수 형상의 세라믹 블록, 특수 형상의 부싱, 그리고 척추체간 스페이서의 베이스 제조에 매우 적합하다. 소결 후 다이아몬드 공구를 이용한 추가 가공이 필요 없으며, 비용 측면에서 큰 이점을 가진다. 완제품의 기공률이 20~30% 수준으로 남아 있더라도, 이 부품들은 여전히 뛰어난 기계적 성질을 유지하며, 굽힘 강도는 최대 350 MPa에 이른다.
3. 고온 압축 소결(HP)
열압성형 소결 공정은 어떤 첨가제도 첨가하지 않고는 실리콘 나이트라이드 전구체를 밀도화할 수 없다. 따라서 산화마그네슘 및 질화마그네슘과 같은 마그네슘 기반 재료를 소결 보조제로 분말 계에 혼합한다. 첨가제의 최적 첨가량은 3.3~5.0 wt.% 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다. 공정 중 전구체에는 23 MPa의 기계적 압력을 가하고, 소결 온도는 1800±50℃로 설정하며, 보온 시간은 4~18분이다. 이 공정을 통해 상대 밀도가 99.9% 이상인 밀도 높은 세라믹 부품을 제조할 수 있으며, 완제품의 휨 강도는 690±20 MPa에 달한다. 극도로 높은 밀도를 갖기 때문에 열압성형 소결 공정은 실리콘 나이트라이드 베어링, 실리콘 나이트라이드 세라믹 로드, 실리콘 나이트라이드 내마모성 볼 등 기계적 성능 요구 사양이 엄격한 제품 제조에 활용될 수 있다. 이 솔루션은 이미 산업화 단계에 진입하였다.
4. 가스 압력 소결(GPS)
압력 소결 공정의 핵심 기능은 고온 소결 중 실리콘 나이트라이드가 쉽게 분해되는 산업 문제를 해결하는 것이다. 이 공정은 소결 챔버 내부에 고압 질소 가스를 주입함으로써 고압 보호 분위기를 조성하여, 실리콘 나이트라이드의 고온 분해 반응을 효과적으로 역전시키고 억제한다. 이를 통해 고온 밀도화 과정에서 전구체의 구조적 완전성과 안정적인 성능을 확보한다. 뛰어난 밀도화 효과와 재료 안정성을 갖춘 압력 소결 공정은 대규모 고온 내열 실리콘 나이트라이드 크루시블 및 장관형 실리콘 나이트라이드 세라믹 튜브뿐 아니라 기타 고정밀·고온 내열 구조 부품도 제조할 수 있다. 이 공정으로 제조된 실리콘 나이트라이드 제품은 주류 소결 공정으로 생산된 제품과 전반적인 성능이 매우 유사하며, 탁월한 종합 성능을 지니고 있어 광범위한 산업 응용 가능성을 보여준다.
5. 실리콘 나이트라이드와 결합된 소결 반응(SRBSN)
녹체의 소결 거동을 개선하기 위해 산화알루미늄, 이산화규소, 산화칼슘 등 보조 소결 성분을 규소 분말 원료에 첨가한다. 전체 제조 공정은 두 단계의 가열 과정으로 나뉜다. 먼저, 수소 또는 아르곤과 질소가 혼합된 분위기에서 1400℃에서 장시간 질화 반응을 수행하며, 공정 지속 시간은 150~300시간이다. 질화 반응이 완료된 후, 고압 소결 환경으로 이동시켜 1700~1950℃에서 1~2시간 동안 보온한다. 이때 소결 환경 내 질소 가스 압력은 0.21~2.1 MPa 범위로 조절한다. 이 공정을 통해 녹체의 밀도는 이론 밀도의 86%를 초과할 수 있다. 소결 챔버 내 질소 가스 압력을 추가로 10 MPa 이상으로 높이면, 녹체의 밀도는 이론 밀도의 98%까지 향상되며, 부품의 굽힘 강도도 750 MPa에 도달할 수 있다. 양호한 성형 정밀도와 제어 가능한 가공 비용을 갖춘 이 공정은 중형 규모의 실리콘 나이트라이드 세라믹 링 및 대형 실리콘 나이트라이드 세라믹 판의 제조에 활용 가능하다. 밀도 증진 처리 후, 이러한 부품의 물리적·기계적 특성은 시장에서 유통되는 고성능 실리콘 나이트라이드 소결 부품의 성능과 이미 맞먹는 수준에 이른다.
6. 방전 플라즈마 소결(SPS)
방전 플라즈마 소결 공정은 분말 압축체에 펄스 전류를 직접 작용시켜 저항 가열을 이용해 압축체의 온도를 급격히 상승시키는 방식이다. 이 공정은 장시간 고온 보존 없이도 밀도 높은 고체화를 달성할 수 있다. 이러한 단기간 고온 처리 방식은 결정 입자의 지속적 성장을 억제하고, 비정상적인 상변화를 피하며, 재료의 미세한 미세결정 구조를 유지함으로써 부품에 더욱 우수한 기계적 특성을 부여한다. 이 공정은 초박형 실리콘 나이트라이드 세라믹 시트 및 소형 실리콘 나이트라이드 정위 핀과 같이 정밀한 소형 부품 가공에 적합하다. 기존 소결 방식과 비교해 전체 공정 시간이 짧고, 가공 리듬이 빠르며, 실리콘 나이트라이드 부품의 총 가공 주기를 현저히 단축할 수 있다.
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