Diverse procese de sinterizare ale nitridului de siliciu

Atomii ceramicii de nitrid de siliciu sunt legați între ei prin legături covalente puternice, o proprietate intrinsecă care face ca această ceramică anorganică nemetalică să fie foarte dificil de sinterizat în mod dens. În timpul procesării, nu doar că trebuie să reziste unui mediu de temperatură ridicată, peste 1800℃, ci trebuie, de asemenea, să mențină presiunea de sinterizare pe o perioadă îndelungată. Mediul extrem de procesare favorizează apariția porilor interni și a problemelor de fisurare în corpul verde, slăbind direct performanța mecanică a materialului și fiabilitatea sa funcțională generală. Pentru a rezolva această problemă de preparare, industria a dezvoltat diverse procese de sinterizare.

1. Sinterizare fără presiune

În procesul de obținere a nitridului de siliciu prin sinterizare la presiune atmosferică, există o contradicție esențială: procesul de densificare al materialului este în competiție cu reacția de descompunere la temperatură înaltă a nitridului de siliciu. Această problemă devine mai pronunțată în sistemele de formulare care includ aditivi pe bază de magneziu. Pentru a îmbunătăți efectul de densificare al corpului verde în condiții atmosferice, industria folosește oxid de itriu combinat cu oxid de magneziu sau, alternativ, oxid de itriu, oxid de aluminiu și nitrid de aluminiu ca componente auxiliare de sinterizare pentru obținerea nitridului de siliciu. După verificări ample, cele două formulări — oxid de itriu + oxid de aluminiu și oxid de itriu + oxid de magneziu — s-au impus ca variante principale pe piață. Acest proces nu a fost încă aplicat pe scară largă în domeniile specializate de componenți compoziți. Totuși, atâta timp cât este asociat cu tehnici adecvate de prelucrare și cu încercări ne-distructive pentru eliminarea defectelor interne, componentele din nitrid de siliciu obținute prin sinterizare la presiune atmosferică pot fi utilizate ca accesorii pentru echipamente de înaltă fiabilitate.

2. Sinterizare prin reacție (RBSN)

Producția nitridului de siliciu sinterizat prin reacție poros începe cu pregătirea semifabricatelor ceramice din pulbere fină de siliciu, după tratamentul de comprimare. Semifabricatele sunt plasate într-o atmosferă de azot sau amoniac și încălzite continuu într-un interval de temperatură de 1000–1450 °C. În timpul acestui proces, pulberea de siliciu suferă o reacție de nitrurare, rezultând o fază cristalină mixtă compusă din α-Si₃N₄ și β-Si₃N₄. Acest proces de nitrurare determină o expansiune volumică de aproximativ 22 %, dar golurile rămase între particulele semifabricatului pot contracara acest efect de expansiune. În timpul procesului de sinterizare, dimensiunea semifabricatului suferă practic nicio deformare prin contracție. Datorită acestei caracteristici de menținere a dimensiunii constante, acest proces este foarte potrivit pentru fabricarea blocurilor ceramice de formă specială, a bucșelor de formă specială și a bazei distanțierelor intervertebrale. După sinterizare, nu este necesară nicio prelucrare suplimentară cu scule diamantate, ceea ce oferă avantaje semnificative de cost. Chiar dacă porozitatea produsului finit rămâne între 20 % și 30 %, aceste componente păstrează proprietăți mecanice excelente, având o rezistență la încovoiere de până la 350 MPa.

3. Sinterizare prin presare la cald (HP)

Procesul de sinterizare prin presare la cald nu poate densifica preforma din nitrid de siliciu fără adăugarea unor aditivi. Prin urmare, materiale pe bază de magneziu, cum ar fi oxidul de magneziu și nitridul de magneziu, sunt amestecate în sistemul de pulberi ca agenți de sinterizare. Cantitatea optimă de aditivi trebuie controlată preferabil în intervalul 3,3–5,0 % în greutate. În timpul procesării, se aplică preformeii o presiune mecanică de 23 MPa, iar temperatura de sinterizare este stabilită la 1800±50 °C, cu o durată de menținere de 4–18 minute. Acest proces poate produce piese ceramice dense, având o densitate relativă superioară lui 99,9 %, iar rezistența la încovoiere a produsului finit poate atinge 690±20 MPa. Datorită densității extrem de ridicate, procesul de sinterizare prin presare la cald poate fi utilizat pentru fabricarea de produse cu cerințe stricte privind performanța mecanică, cum ar fi rulmenții din nitrid de siliciu, tijele ceramice din nitrid de siliciu și bilele rezistente la uzură din nitrid de siliciu. Această soluție a fost, de asemenea, implementată la scară industrială.

4. Sinterizare prin presiune gaz (GPS)

Funcția principală a procesului de sinterizare sub presiune este de a rezolva problema industrială a descompunerii ușoare a nitridului de siliciu în timpul sinterizării la temperaturi ridicate. Acest proces realizează acest lucru prin introducerea unui gaz de azot la presiune ridicată în camera de sinterizare, creând astfel o atmosferă protectoare la presiune ridicată, care inversează și inhibă eficient reacția de descompunere la temperaturi ridicate a nitridului de siliciu, asigurând integritatea structurală și performanța stabilă a preformei în timpul procesului de densificare la temperaturi ridicate. Datorită efectului excelent de densificare și stabilității materialelor, procesul de sinterizare sub presiune poate produce creuzete din nitrid de siliciu rezistente la temperaturi ridicate, în cantități mari, precum și țevi ceramice lungi din nitrid de siliciu, împreună cu alte componente structurale de înaltă precizie și rezistente la temperaturi ridicate. Produsele din nitrid de siliciu obținute prin acest proces au o performanță generală foarte asemănătoare cu cea a produselor realizate prin procesele de sinterizare dominante și prezintă o performanță complexă excelentă, oferind perspective largi de aplicare industrială.

5. Reacția de sinterizare combinată cu nitridul de siliciu (SRBSN)

Pentru a îmbunătăți comportamentul de sinterizare al corpurilor verzi, se adaugă pulberii de siliciu materialele auxiliare de sinterizare: alumina, silica și oxidul de calciu. Întregul proces de pregătire este împărțit în două etape de încălzire. În primul rând, într-o atmosferă care conține hidrogen sau argon și azot, are loc o reacție de nitridare pe termen lung la 1400℃, durata procesului fiind de 150–300 de ore. După finalizarea nitridării, materialul este transferat într-un mediu de sinterizare la presiune ridicată, unde este menținut la o temperatură cuprinsă între 1700 și 1950℃ timp de 1–2 ore. Presiunea gazului de azot din mediul respectiv este reglată în intervalul 0,21–2,1 MPa. Prin acest proces, densitatea corpurilor verzi poate depăși 86 % din densitatea teoretică. Dacă presiunea gazului de azot din interiorul camerei de sinterizare este crescută ulterior peste 10 MPa, densitatea corpurilor verzi poate ajunge la 98 % din valoarea teoretică, iar rezistența la încovoiere a componentelor poate atinge și 750 MPa. Având o precizie bună de formare și costuri de prelucrare controlabile, acest proces poate fi utilizat pentru producerea inelelor ceramice din nitrid de siliciu pentru aplicații grele și a plăcilor ceramice mari din nitrid de siliciu. După modificarea densității, proprietățile fizice și mecanice ale acestor componente au deja capacitatea de a corespunde performanței pieselor sinterizate din nitrid de siliciu de înaltă performanță disponibile pe piață.

6. Sinterizarea prin descărcare cu plasmă (SPS)

Procesul de sinterizare prin descărcare cu plasmă se bazează pe acțiunea directă a unui curent pulsator asupra compactului de pulbere și utilizează încălzirea prin rezistență pentru a crește rapid temperatura compactului. Acesta poate realiza o solidificare densă fără necesitatea menținerii pe termen lung la temperaturi înalte. Acest mod de procesare de scurtă durată la temperaturi înalte poate inhiba creșterea continuă a grăunților cristalini, evită transformările de fază anormale, păstrează structura fină microcristalină a materialului și permite obținerea unor proprietăți mecanice superioare ale componentelor. Acest proces este potrivit pentru prelucrarea foilor ultra-subțiri din ceramică de nitrid de siliciu și a știfturilor mici de poziționare din nitrid de siliciu, care sunt piese mici de precizie. Comparativ cu schemele convenționale de sinterizare, întregul proces durează mai puțin, ritmul de prelucrare este mai rapid și poate reduce semnificativ ciclul general de prelucrare al componentelor din nitrid de siliciu.