Ang mga atom ng silicon nitride ceramics ay nakakabit sa isa’t isa sa pamamagitan ng malalakas na covalent bonds, na isang likas na katangian na nagpapahihirap sa ganitong inorganic non-metallic ceramic na makamit ang dense sintering. Sa proseso ng paggawa, hindi lamang kailangang tumagal ito sa mataas na temperatura na higit sa 1800℃, kundi kailangan din nitong panatilihin ang presyon sa sintering nang matagal. Ang napakahirap na kapaligiran sa proseso ay madaling magdulot ng mga panloob na butas at problema sa pagsira sa green body, na direktang binabawasan ang mekanikal na pagganap ng materyal at ang kabuuang katiyakan ng pagganap nito. Upang malutas ang problemang ito sa paghahanda, ang industriya ay nagbuo ng iba’t ibang proseso ng sintering.
1. Pressureless sintering
Sa proseso ng paghahanda ng silicon nitride gamit ang atmospheric pressure sintering, mayroong pangunahing kontradiksyon: ang proseso ng pagpapakapal (densification) ng materyal ay kumakampi sa mataas-na-temperaturang reaksyon ng pagkabulok ng silicon nitride. Ang problemang ito ay lalo pang lumalala sa mga sistema ng pormulasyon na naglalaman ng mga additive na may magnesium. Upang mapabuti ang epekto ng pagpapakapal ng green body sa ilalim ng atmospheric na kondisyon, ginagamit ng industriya ang yttrium oxide na pinagsama sa magnesium oxide, o ang yttrium oxide, aluminum oxide, at aluminum nitride bilang pambihirang sangkap para sa sintering upang maghanda ng silicon nitride. Matapos ang malawakang pagsusuri, ang dalawang pormulasyon—yttrium oxide + aluminum oxide at yttrium oxide + magnesium oxide—ay naging pangunahing pagpipilian sa merkado. Ang prosesong ito ay hindi pa malawakang ginagamit sa mga espesyalisadong larangan ng composite. Gayunman, basta’t pagsamahin ito sa angkop na mga teknik ng pagproseso at sa non-destructive testing upang alisin ang mga panloob na depekto, ang mga bahagi ng silicon nitride na ginawa sa pamamagitan ng atmospheric pressure sintering ay maaaring gamitin bilang accessory para sa mga kagamitang may mataas na reliability.
2. Pagpapakulay ng Reaksyon (RBSN)
Ang produksyon ng porous na reaction-sintered silicon nitride ay nagsisimula sa paghahanda ng mga ceramic blank mula sa makinis na pinaghiwalay na silicon powder matapos ang compression treatment. Inilalagay ang mga blank sa nitrogen o ammonia atmosphere at patuloy na iniinit sa temperature range na 1000–1450°C. Sa panahon ng prosesong ito, ang silicon powder ay sumasailalim sa nitridation reaction, na nagreresulta sa isang mixed crystal phase na binubuo ng α-Si3N4 at β-Si3N4. Ang prosesong ito ng nitridation ay nagdudulot ng volume expansion na humigit-kumulang sa 22%, ngunit ang mga voids na natitira sa pagitan ng mga particles ng blank ay maaaring kompensahin ang epekto ng expansion na ito. Sa panahon ng sintering process, halos hindi nagkakaroon ng shrinkage deformation ang sukat ng blank. Dahil sa katangiang ito ng pagpapanatili ng constant na sukat, ang prosesong ito ay lubos na angkop para sa paggawa ng mga special-shaped ceramic blocks, special-shaped bushings, at ang base ng intervertebral spacers. Pagkatapos ng sintering, walang karagdagang machining na kailangang gawin gamit ang diamond tools, at may malaking cost advantage ito. Kahit na manatili ang porosity ng finished product sa 20%–30%, ang mga komponenteng ito ay nananatiling may mahusay na mechanical properties, na may bending strength hanggang 350 MPa.
3. Pagpipiga ng Mainit na Pagsasama (HP)
Ang proseso ng hot-pressing sintering ay hindi kayang pampadensidad sa silicon nitride preform nang walang anumang idinagdag na sangkap. Kaya, ang mga materyales na may magnesium tulad ng magnesium oxide at magnesium nitride ay inihaloo sa pulbos na sistema bilang mga sintering aids. Ang pinakamainam na halaga ng idinagdag na sangkap ay dapat kontrolin sa loob ng saklaw na 3.3–5.0 wt.%. Sa panahon ng pagpaproseso, isinasagawa ang mekanikal na presyon na 23 MPa sa preform, at itinatakda ang temperatura ng sintering sa 1800±50℃, kasama ang oras ng paghawak na 4 hanggang 18 minuto. Ang prosesong ito ay nakakalikha ng mga dense ceramic parts na may relative density na mas mataas sa 99.9%, at ang bending strength ng natapos na produkto ay maaaring umabot sa 690±20 MPa. Dahil sa napakataas na densidad nito, ang hot-pressing sintering process ay maaaring gamitin sa paggawa ng mga produkto na may mahigpit na kinakailangan sa mekanikal na pagganap, tulad ng silicon nitride bearings, silicon nitride ceramic rods, at silicon nitride wear-resistant balls. Ang solusyong ito ay naipatupad na rin sa industriyalisasyon.
4. Pagpapakulay sa ilalim ng Gas na May Presyon (GPS)
Ang pangunahing tungkulin ng proseso ng pressure sintering ay malutas ang suliranin sa industriya kung saan madaling mabulok ang silicon nitride habang isinasagawa ang mataas-na-temperaturang sintering. Nakakamit ito sa pamamagitan ng pagpapasok ng mataas-na-presyong nitrogen gas sa loob ng sintering chamber, na lumilikha ng mataas-na-presyong protektibong kapaligiran, na epektibong binabalik at hinahadlangan ang reaksyon ng mataas-na-temperaturang pagbubulok ng silicon nitride, na nagpapaguarantee sa structural integrity at stable performance ng preform habang isinasagawa ang mataas-na-temperaturang densification process. Dahil sa mahusay na epekto nito sa densification at matatag na katangian ng materyales, ang prosesong ito ng pressure sintering ay nakakagawa ng malalaking silicon nitride crucible na may kakayahang tumagal sa mataas na temperatura, mahabang tubo na gawa sa silicon nitride ceramic, at iba pang high-precision at mataas-na-temperaturang structural components. Ang mga produkto ng silicon nitride na ginawa gamit ang prosesong ito ay may kabuuang performance na lubos na katulad ng mga produkto na ginawa gamit ang mga pangunahing sintering process, at may mahusay na buong performance, na nagpapakita ng malawak na aplikasyon sa industriya.
5. Reaksyon ng sintering na pinagsama sa silicon nitride (SRBSN)
Upang mapabuti ang pag-uugnay ng mga hilaw na anyo, idinagdag ang alumina, silica, at calcium oxide—na mga pangalawang sangkap sa pag-uugnay—sa hilaw na pulbos ng silicon. Ang buong proseso ng paghahanda ay hinati sa dalawang yugto ng pagpainit. Una, isinasagawa ang mahabang reaksyon ng nitridation sa isang kapaligiran na may hydrogen o argon at nitrogen, sa temperatura na 1400℃, at tumatagal ito ng 150 hanggang 300 oras. Kapag natapos na ang nitridation, ililipat ito sa kapaligiran ng mataas na presyur para sa pag-uugnay, kung saan pananatilihin ito sa temperatura na 1700 hanggang 1950℃ sa loob ng 1 hanggang 2 oras. Ang presyur ng nitrogen gas sa kapaligiran ay ina-adjust upang nasa loob ng saklaw na 0.21 hanggang 2.1 MPa. Sa pamamagitan ng prosesong ito, ang density ng mga hilaw na anyo ay maaaring lumampas sa 86% ng teoretikal na density. Kung dagdagan pa ang presyur ng nitrogen gas sa loob ng silid ng pag-uugnay hanggang sa higit sa 10 MPa, ang density ng mga hilaw na anyo ay maaaring umabot sa 98% ng teoretikal na halaga, at ang lakas ng pagkiling (bending strength) ng mga bahagi ay maaari ring umabot sa 750 MPa. Dahil sa mabuting kahusayan sa pagbuo at kontroladong gastos sa pagproseso, maaaring gamitin ang prosesong ito upang mag-produce ng malalaking silicon nitride ceramic rings at malalaking silicon nitride ceramic plates. Pagkatapos ng densification modification, ang pisikal at mekanikal na katangian ng mga bahaging ito ay nakakasunod na sa performance ng mga high-performance silicon nitride sintered parts sa merkado.
6. Pagpapakulay ng Plasma (Discharge Plasma Sintering o SPS)
Ang proseso ng pagpapakulay ng plasma ay umaasa sa direkta at pangsamantalang pagkilos ng pulsed current sa compact na pulbos, at gumagamit ng resistance heating upang mabilis na itaas ang temperatura ng compact. Nakakamit nito ang malapad na solidification nang walang pangangailangan ng mahabang panahon ng pag-iingat sa mataas na temperatura. Ang ganitong maikling proseso ng mataas na temperatura ay nakakapigil sa patuloy na paglaki ng mga butil ng kristal, nakaiiwas sa di-normal na pagbabago ng yugto, nananatiling buo ang siksik na mikro-kristalinong istruktura ng materyal, at nagbibigay-daan sa mga bahagi na makakuha ng mas mahusay na mekanikal na katangian. Ang prosesong ito ay angkop para sa pagpoproseso ng ultra-maginhawang mga sheet ng silicon nitride ceramic at maliit na mga pin ng silicon nitride para sa eksaktong posisyon—mga presisyong maliit na bahagi. Kumpara sa mga karaniwang pamamaraan ng pagpapakulay, mas maikli ang kabuuang tagal ng proseso, mas mabilis ang bilis ng pagpoproseso, at makababawas nang malaki sa kabuuang siklo ng pagpoproseso ng mga bahaging silicon nitride.
EN
