Vários processos de sinterização de nitreto de silício

Os átomos das cerâmicas de nitreto de silício são ligados entre si por ligações covalentes fortes, uma propriedade inerente que torna esta cerâmica inorgânica não metálica muito difícil de sinterizar de forma densa. Durante o processamento, não só é necessário suportar um ambiente de alta temperatura acima de 1800 °C, como também é preciso manter a pressão de sinterização por um longo período. Esse ambiente extremo de processamento tende a causar poros internos e fissuras no corpo verde, enfraquecendo diretamente o desempenho mecânico do material e sua confiabilidade funcional global. Para resolver esse problema de preparação, a indústria desenvolveu diversos processos de sinterização distintos.

1. Sinterização sem pressão

No processo de preparação do nitreto de silício por sinterização à pressão atmosférica, existe uma contradição central: o processo de densificação do material compete com a reação de decomposição em alta temperatura do nitreto de silício. Esse problema torna-se mais acentuado no sistema de formulação que inclui aditivos à base de magnésio. Para melhorar o efeito de densificação do corpo verde sob condições atmosféricas, a indústria utiliza óxido de ítrio combinado com óxido de magnésio ou, alternativamente, óxido de ítrio, óxido de alumínio e nitreto de alumínio em conjunto como componentes auxiliares de sinterização para preparar o nitreto de silício. Após ampla verificação, as duas formulações — óxido de ítrio + óxido de alumínio e óxido de ítrio + óxido de magnésio — tornaram-se as opções dominantes no mercado. Esse processo ainda não foi amplamente aplicado em campos especializados de compósitos. Contudo, desde que seja combinado com técnicas de processamento adequadas e ensaios não destrutivos para eliminar defeitos internos, os componentes de nitreto de silício produzidos por sinterização à pressão atmosférica podem ser utilizados em acessórios para equipamentos de alta confiabilidade.

2. Sinterização por Reação (RBSN)

A produção de nitreto de silício sinterizado por reação porosa começa com a preparação de pré-formas cerâmicas a partir de pó fino de silício após tratamento por compressão. As pré-formas são colocadas em uma atmosfera de nitrogênio ou amônia e aquecidas continuamente numa faixa de temperatura de 1000–1450 °C. Durante esse processo, o pó de silício sofre uma reação de nitridação, resultando numa fase cristalina mista composta por α-Si₃N₄ e β-Si₃N₄. Esse processo de nitridação provoca uma expansão volumétrica de aproximadamente 22 %, mas os vazios deixados entre as partículas da pré-forma podem contrabalançar esse efeito de expansão. Durante a sinterização, o tamanho da pré-forma praticamente não sofre deformação por contração. Devido a essa característica de manter dimensões constantes, este processo é altamente adequado para a fabricação de blocos cerâmicos de formas especiais, buchas de formas especiais e bases de espaçadores intervertebrais. Após a sinterização, não é necessário nenhum usinagem adicional com ferramentas de diamante, conferindo-lhe significativas vantagens de custo. Mesmo que a porosidade do produto acabado permaneça entre 20 % e 30 %, esses componentes ainda mantêm excelentes propriedades mecânicas, com resistência à flexão de até 350 MPa.

3. Sinterização por Preensão a Quente (HP)

O processo de sinterização por prensagem a quente não consegue densificar a pré-forma de nitreto de silício sem a adição de quaisquer aditivos. Por conseguinte, materiais à base de magnésio, como óxido de magnésio e nitreto de magnésio, são misturados ao sistema em pó como auxiliares de sinterização. A quantidade ótima de aditivos deve ser preferencialmente controlada na faixa de 3,3–5,0% em peso. Durante o processamento, aplica-se uma pressão mecânica de 23 MPa à pré-forma, e a temperatura de sinterização é ajustada para 1800 ± 50 °C, com um tempo de permanência de 4 a 18 minutos. Esse processo permite produzir peças cerâmicas densas com densidade relativa superior a 99,9 %, e a resistência à flexão do produto acabado pode atingir 690 ± 20 MPa. Graças à sua densidade extremamente elevada, a sinterização por prensagem a quente pode ser empregada na fabricação de produtos com requisitos rigorosos de desempenho mecânico, tais como rolamentos de nitreto de silício, hastes cerâmicas de nitreto de silício e esferas resistentes ao desgaste de nitreto de silício. Essa solução já foi implementada na escala industrial.

4. Sinterização por Pressão de Gás (GPS)

A função principal do processo de sinterização sob pressão é resolver o problema industrial da fácil decomposição do nitreto de silício durante a sinterização em alta temperatura. Esse processo consegue isso ao introduzir gás nitrogênio sob alta pressão na câmara de sinterização, criando uma atmosfera protetora sob alta pressão, que efetivamente reverte e inibe a reação de decomposição do nitreto de silício em alta temperatura, garantindo a integridade estrutural e o desempenho estável da peça pré-formada durante o processo de densificação em alta temperatura. Com excelente efeito de densificação e estabilidade do material, o processo de sinterização sob pressão pode produzir cadinhos de nitreto de silício resistentes a altas temperaturas em larga escala e tubos cerâmicos longos de nitreto de silício, além de outros componentes estruturais de alta precisão e resistência a altas temperaturas. Os produtos de nitreto de silício preparados por esse processo apresentam desempenho geral muito semelhante ao dos produtos obtidos por processos de sinterização convencionais e possuem excelente desempenho abrangente, oferecendo amplas perspectivas de aplicação industrial.

5. Reação de sinterização combinada com nitreto de silício (SRBSN)

Para melhorar o comportamento de sinterização dos corpos verdes, adicionam-se ao pó de silício bruto componentes auxiliares de sinterização, nomeadamente alumina, sílica e óxido de cálcio. Todo o processo de preparação divide-se em duas etapas térmicas. Primeiramente, numa atmosfera contendo hidrogênio ou argônio e nitrogênio, realiza-se uma reação de nitretação prolongada a 1400 °C, com duração de 150 a 300 horas. Após conclusão da nitretação, o material é transferido para um ambiente de sinterização sob alta pressão, onde é mantido numa faixa de temperatura entre 1700 e 1950 °C durante 1 a 2 horas. A pressão do gás nitrogênio no ambiente é ajustada para ficar na faixa de 0,21 a 2,1 MPa. Por meio deste processo, a densidade dos corpos verdes pode ultrapassar 86 % da densidade teórica. Se a pressão do gás nitrogênio dentro da câmara de sinterização for aumentada ainda mais, para acima de 10 MPa, a densidade dos corpos verdes pode atingir 98 % do valor teórico, e a resistência à flexão dos componentes também pode alcançar 750 MPa. Com boa precisão de conformação e custos de processamento controláveis, este processo pode ser empregado na produção de anéis cerâmicos de nitreto de silício de alta resistência e placas cerâmicas de nitreto de silício de grandes dimensões. Após modificação por densificação, as propriedades físicas e mecânicas desses componentes já são capazes de igualar o desempenho das peças sinterizadas de nitreto de silício de alto desempenho disponíveis no mercado.

6. Sinterização por Descarga de Plasma (SPS)

O processo de sinterização por descarga de plasma baseia-se na ação direta de uma corrente pulsada sobre o compacto de pó e utiliza aquecimento por resistência para elevar rapidamente a temperatura do compacto. Permite obter uma solidificação densa sem necessidade de manutenção prolongada em altas temperaturas. Esse modo de processamento de curta duração e alta temperatura pode inibir o crescimento contínuo dos grãos cristalinos, evitar transformações de fase anormais, preservar a fina estrutura microcristalina do material e permitir que os componentes adquiram propriedades mecânicas ainda melhores. Esse processo é adequado para a fabricação de folhas cerâmicas ultrafinas de nitreto de silício e pinos de posicionamento miniatura de nitreto de silício, ou seja, peças pequenas de alta precisão. Em comparação com esquemas convencionais de sinterização, todo o processo leva menos tempo, o ritmo de processamento é mais acelerado e o ciclo total de fabricação dos componentes de nitreto de silício pode ser significativamente reduzido.