De atomen van siliciumnitrideceramiek zijn aan elkaar gebonden via sterke covalente bindingen, een inherente eigenschap die het voor deze anorganische niet-metalen ceramiek zeer moeilijk maakt om een dichte sintering te bereiken. Tijdens de verwerking moet niet alleen een hoge temperatuur van meer dan 1800 ℃ worden doorstaan, maar ook moet lange tijd een sinterdruk worden gehandhaafd. De extreme verwerkingsomgeving leidt gemakkelijk tot interne poriën en scheurproblemen in het groene lichaam, wat direct de mechanische prestaties en de algehele functionele betrouwbaarheid van het materiaal verzwakt. Om dit bereidingsprobleem op te lossen, heeft de industrie diverse verschillende sinterprocessen ontwikkeld.
1. Sinteren zonder druk
Tijdens het bereiden van siliciumnitride via sinteren bij atmosferische druk bestaat er een kerncontradictie: het verdichtingsproces van het materiaal staat in competitie met de hoogtemperatuurontledingsreactie van siliciumnitride. Dit probleem wordt nog duidelijker in formulatiesystemen die magnesiumhoudende toevoegingen bevatten. Om het verdichtingseffect van het groene lichaam onder atmosferische omstandigheden te verbeteren, gebruikt de industrie vaak yttriumoxide in combinatie met magnesiumoxide, of yttriumoxide, aluminiumoxide en aluminiumnitride als hulpsintercomponenten voor de bereiding van siliciumnitride. Na uitgebreide validatie zijn de twee formuleringen yttriumoxide + aluminiumoxide en yttriumoxide + magnesiumoxide de marktleiders geworden. Dit proces is nog niet wijdverspreid toegepast in gespecialiseerde composietgebieden. Toch kunnen siliciumnitridedelen die via sinteren bij atmosferische druk zijn geproduceerd, worden ingezet voor accessoires van uiterst betrouwbare apparatuur, mits zij worden gecombineerd met geschikte bewerkingsmethoden en niet-destructieve testmethoden om interne gebreken te elimineren.
2. Reactiesinteren (RBSN)
De productie van poreus reactie-gebrand siliciumnitride begint met de bereiding van keramische blanken uit fijn gemalen siliciumpoeder na compressiebehandeling. De blanken worden in een stikstof- of ammoniakatmosfeer geplaatst en continu verhit binnen een temperatuurbereik van 1000–1450 °C. Tijdens dit proces ondergaat het siliciumpoeder een nitridatie-reactie, waardoor een mengkristalfase ontstaat die bestaat uit α-Si3N4 en β-Si3N4. Deze nitridatie veroorzaakt een volumetoename van ongeveer 22 %, maar de lege ruimten tussen de deeltjes van de blank compenseren dit uitzettings-effect. Tijdens het sinterproces ondergaat de afmeting van de blank nauwelijks krimpvervorming. Vanwege deze eigenschap om een constante afmeting te behouden, is dit proces zeer geschikt voor de fabricage van keramische blokken met speciale vormen, bushings met speciale vormen en de basis van intervertebrale spacers. Na het sinteren is geen verdere bewerking met diamantgereedschap nodig, wat aanzienlijke kostenvoordelen oplevert. Zelfs wanneer de porositeit van het eindproduct op 20–30 % blijft, behouden deze componenten uitstekende mechanische eigenschappen, met een buigsterkte tot 350 MPa.
3. Warmteperssinteren (HP)
Het heetpers-sinterproces kan de siliciumnitride-preform niet verdichten zonder toevoeging van additieven. Daarom worden magnesiumgebaseerde materialen, zoals magnesiumoxide en magnesiumnitride, als sinterhulpmiddelen in het poedersysteem gemengd. De optimale hoeveelheid toevoegingen wordt bij voorkeur beheerd binnen het bereik van 3,3–5,0 gew.% . Tijdens de verwerking wordt een mechanische druk van 23 MPa op de preform uitgeoefend en wordt de sintertemperatuur ingesteld op 1800 ± 50 °C, met een houdduur van 4 tot 18 minuten. Dit proces kan dichte keramische onderdelen produceren met een relatieve dichtheid hoger dan 99,9 %, en de buigsterkte van het eindproduct kan 690 ± 20 MPa bereiken. Vanwege de uiterst hoge dichtheid kan het heetpers-sinterproces worden gebruikt voor de productie van producten met strenge mechanische prestatie-eisen, zoals siliciumnitride lagers, siliciumnitride keramische staven en siliciumnitride slijtvaste kogels. Deze oplossing is ook geïmplementeerd in de industrialisatie.
4. Gasdruk-sinteren (GPS)
De kernfunctie van het druk-sinterproces is het oplossen van het industrieel probleem van de gemakkelijke ontleding van siliciumnitride tijdens het hoge-temperatuur-sinteren. Dit proces bereikt dit door stikstofgas onder hoge druk in de sinterkamer te introduceren, waardoor een beschermende atmosfeer onder hoge druk ontstaat. Deze atmosfeer keert de ontledingsreactie van siliciumnitride bij hoge temperatuur effectief om en onderdrukt deze, wat de structurele integriteit en stabiele prestaties van het voorproduct tijdens het hoge-temperatuur-verdichtingsproces waarborgt. Door het uitstekende verdichtingseffect en de materiaalstabiliteit kan het druk-sinterproces grootschalige, hittebestendige siliciumnitride-kroezen en lange buizen van siliciumnitride-ceramiek vervaardigen, evenals andere hoogprecieze en hittebestendige constructie-onderdelen. De siliciumnitrideproducten die via dit proces worden bereid, vertonen een algehele prestatie die sterk lijkt op die van producten die via gangbare sinterprocessen zijn geproduceerd, en kenmerken zich door uitstekende algemene prestaties, wat brede industriële toepassingsmogelijkheden biedt.
5. Sinterreactie gecombineerd met siliciumnitride (SRBSN)
Om het sintergedrag van de groene lichamen te verbeteren, worden alumina, silica en calciumoxide – hulpstoffen voor het sinterproces – aan het siliciumpoeder als grondstof toegevoegd. Het gehele bereidingsproces bestaat uit twee verwarmingsfasen. Allereerst vindt, in een atmosfeer van waterstof of argon met stikstof, gedurende 150 tot 300 uur een langdurige nitridatie-reactie plaats bij 1400 °C. Nadat de nitridatie is voltooid, wordt het materiaal overgebracht naar een hogedruk-sinteromgeving, waar het gedurende 1 tot 2 uur wordt gehandhaafd bij een temperatuur tussen 1700 en 1950 °C. De stikstofdruk in deze omgeving wordt afgeregeld op een waarde tussen 0,21 en 2,1 MPa. Via dit proces kan de dichtheid van de groene lichamen meer dan 86 % van de theoretische dichtheid bereiken. Indien de stikstofdruk binnen de sinterkamer verder wordt verhoogd tot boven de 10 MPa, kan de dichtheid van de groene lichamen stijgen tot 98 % van de theoretische waarde, terwijl de buigsterkte van de onderdelen ook kan oplopen tot 750 MPa. Door de goede vormnauwkeurigheid en de goed beheersbare productiekosten is dit proces geschikt voor de productie van zware siliconitride keramische ringen en grote siliconitride keramische platen. Na verdichtingsmodificatie voldoen de fysieke en mechanische eigenschappen van deze onderdelen reeds aan de prestaties van hoogwaardige, op de markt verkrijgbare gesinterde siliconitride-onderdelen.
6. Ontladingsplasma-sinteren (SPS)
Het ontladingsplasma-sinterproces berust op de directe werking van gepulste stroom op het poederverdichtingslichaam en maakt gebruik van weerstandsverwarming om de temperatuur van het lichaam snel te verhogen. Het kan een dichte verharding bereiken zonder langdurige hoge-temperatuurbehandeling. Deze kortdurende hoge-temperatuurverwerking kan de continue groei van kristallijne korrels remmen, abnormale fasentransformaties voorkomen, de fijne microkristallijne structuur van het materiaal behouden en componenten betere mechanische eigenschappen geven. Dit proces is geschikt voor de verwerking van ultradunne siliciumnitride-ceramische platen en miniatuur siliciumnitride-positioneringspennen, dat zijn precisie-onderdelen van kleine afmetingen. In vergelijking met conventionele sintermethoden duurt het gehele proces korter, is het verwerkingsritme sneller en kan de totale verwerkingstijd van siliciumnitride-componenten aanzienlijk worden ingekort.
EN
