Silicon nitride là một loại gốm cấu trúc được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị mạnh giữa silicon với nitơ. Kết quả là sự kết hợp mà ít kim loại có thể sánh được: độ bền cao được giữ ở nhiệt độ cao, khả năng chống sốc nhiệt tốt, mật độ thấp khoảng 3,2 g/cm³, hệ số giãn nở nhiệt thấp ở mức 3,2 × 10-6/K, độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, cách điện và hoạt động không{0}}từ tính. Dịch vụ trong không khí thường bị giới hạn ở khoảng 1200 độ do quá trình oxy hóa, nhưng trong môi trường trơ, vật liệu chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều. Các tuyến sản xuất được chia thành hai loại, thiêu kết phản ứng và ép nóng, với một số cấp ở giữa.
Tuyến sản xuất thiêu kết phản ứng
Trong phương pháp thiêu kết phản ứng, bột silicon hoặc hỗn hợp bột silicon và bột silicon nitrit, trước tiên được tạo hình theo các phương pháp sản xuất thông thường đối với các sản phẩm gốm sứ, ví dụ như ép khô, ép đẳng tĩnh, đúc trượt hoặc ép phun. Sau đó, phần thân được tạo hình sẽ được đưa vào lò thấm nitơ và{{1} thấm nitơ trước ở nhiệt độ 1150 đến 1200 độ, mang lại cho bộ phận một mức độ bền xử lý nhất định. Trong điều kiện-thấm nitơ trước đó, thân máy vẫn có thể được gia công trên các máy công cụ thông thường, do đó, ren vít, rãnh và các tính năng phức tạp khác sẽ bị cắt trước khi vật liệu đạt đến độ cứng tối đa. Giai đoạn thấm nitơ thứ hai ở nhiệt độ 1350 đến 1450 độ trong 18 đến 36 giờ sau đó hoàn thành phản ứng cho đến khi silicon được chuyển đổi hoàn toàn thành silicon nitride.
Các bộ phận được sản xuất theo cách này có kích thước chính xác và khối lượng ổn định. Nguyên nhân là do nitơ khuếch tán vào cơ thể hiện có nên sự thay đổi kích thước tổng thể trong giai đoạn thấm nitơ cuối cùng là nhỏ; do đó, việc tạo hình gần{1}}hình dạng lưới rất thực tế và ngay cả những phần lớn hoặc phức tạp về mặt hình học cũng có thể được hoàn thiện mà không cần mài kim cương nhiều. Sự cân bằng-là độ xốp còn lại, giúp hạn chế mật độ, độ bền và độ cứng so với quá trình thiêu kết-được hỗ trợ bằng áp suất. Do đó, các bộ phận thiêu kết phản ứng được chọn cho nhiệm vụ sốc nhiệt, tiếp xúc với kim loại nóng chảy và các hình dạng phức tạp lớn thay vì cho các ứng dụng ổ trục chịu ứng suất cao nhất.
Đường thiêu kết ép nóng-
Quá trình thiêu kết ép nóng-bắt đầu từ bột silicon nitrit với một lượng nhỏ chất phụ gia thiêu kết như magie oxit, nhôm oxit, magie florua, nhôm florua hoặc oxit sắt. Bột được nén và cô đặc đồng thời dưới áp suất 19,6 MPa trở lên ở nhiệt độ 1600 đến 1700 độ. Chất phụ gia tạo thành pha lỏng giúp thúc đẩy quá trình sắp xếp lại và cô đặc hạt, do đó,-các sản phẩm ép nóng thường đạt mật độ cao hơn và hiệu suất cơ học tốt hơn so với các sản phẩm thiêu kết phản ứng, có độ bền uốn cao hơn, độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn.
Những hạn chế là hình học và kinh tế. Ép nóng một trục thường được giới hạn ở các hình dạng đơn giản như đĩa, tấm, khối và vòng có thể được tạo thành trong khuôn than chì, và đó là quy trình hàng loạt với chi phí năng lượng và dụng cụ tương đối cao, do đó phôi ép thường có dung lượng mài lớn. Do đó, các bộ phận phức tạp được mài kim cương từ các phôi-ép nóng, điều này làm tăng thêm chi phí và hạn chế kích thước của bộ phận có thể được sản xuất một cách kinh tế.
So sánh hai tuyến sản xuất chính
| tham số | Thiêu kết phản ứng | Ép nóng |
|---|---|---|
| Bột khởi đầu | Bột silicon hoặc silicon cộng với bột silicon nitride | Bột silicon nitrit có phụ gia oxit hoặc florua |
| tạo hình | Tạo hình gốm tiêu chuẩn, gần{0}}hình dạng lưới | Khuôn điền, chỉ có hình dạng đơn giản |
| Chu trình nhiệt | -thấm nitơ trước ở nhiệt độ 1150 đến 1200 độ, sau đó thấm nitơ ở nhiệt độ 1350 đến 1450 độ trong 18 đến 36 giờ | Bước thiêu kết đơn ở 1600 đến 1700 độ |
| Áp lực | Không, phản ứng xảy ra trong nitơ | 19,6 MPa trở lên, đơn trục |
| Giai đoạn gia công | Sau-thấm nitơ trước, trước quá trình thấm nitơ cuối cùng | Kim cương mài trống dày đặc |
| Mật độ điển hình | Khoảng 2,4 đến 2,7 g/cm³ | Khoảng 3,2 g/cm³ |
| Độ bền uốn điển hình | Khoảng 200 đến 350 MPa | Khoảng 700 đến 1000 MPa |
| Độ ổn định kích thước | Tuyệt vời, thay đổi âm lượng nhỏ | Độ co ngót được bù bằng trợ cấp mài |
| Phù hợp nhất với | Các bộ phận chịu tải sốc nhiệt lớn, phức tạp | Mặc các bộ phận nhỏ quan trọng, có độ bền cao |
Các giá trị mật độ và cường độ trong bảng là phạm vi tài liệu điển hình cho hai loại thương mại và phụ thuộc nhiều vào hệ phụ gia, hàm lượng oxy và cấu trúc hạt; chúng phải được xác nhận dựa trên giấy chứng nhận kiểm tra của nhà cung cấp đối với số bộ phận cụ thể.
Các biến thể sản xuất nâng cao
Một số biến thể công nghiệp nằm giữa hai tuyến đường cổ điển. Silicon nitride liên kết với phản ứng thiêu kết bắt đầu bằng hỗn hợp phụ gia silicon và oxit, nitrit ở nhiệt độ 1350 đến 1450 độ, sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao hơn để giảm độ xốp, kết hợp khả năng gần như hình dạng lưới của liên kết phản ứng với độ bền được cải thiện. Quá trình thiêu kết áp suất khí làm đặc silicon nitrit ở nhiệt độ 1800 đến 2000 độ dưới áp suất nitơ khoảng 1 đến 10 MPa, giúp ngăn chặn sự phân hủy ở nhiệt độ cao và cho phép cô đặc mà không cần áp suất một trục, do đó có thể sản xuất các bộ phận phức tạp có đặc tính gần bằng vật liệu ép nóng. Quá trình ép đẳng tĩnh nóng và thiêu kết plasma tia lửa điện được áp dụng cho các loại đặc biệt đòi hỏi mật độ gần lý thuyết hoặc độ tin cậy đặc biệt.
Kiểm soát chất lượng và lựa chọn lớp
Khi chỉ định các bộ phận bằng gốm silicon nitride, việc trích dẫn tên vật liệu là không đủ. Một thông số kỹ thuật hoàn chỉnh phải nêu rõ lộ trình sản xuất, hệ thống phụ gia, tỷ lệ pha alpha và beta, mật độ và mức độ đặc tính cơ học được yêu cầu. Mật độ thường được xác định bằng phương pháp Archimedes, độ bền uốn bằng uốn bốn-điểm theo ISO 14704 hoặc ASTM C1161 và độ bền khi gãy theo ASTM C1421. Người mua cũng nên xác nhận độ xốp cho phép, nhiệt độ sử dụng tối đa và độ hoàn thiện bề mặt cần thiết cho ứng dụng ghép nối.
Sự lựa chọn tuân theo nhiệm vụ của bộ phận. Các thành phần lớn và phức tạp về mặt hình học có chu trình nhiệt, chẳng hạn như phần cứng xử lý kim loại nóng chảy, ống bảo vệ cặp nhiệt điện, ống nâng và vòi đốt, thường được tạo ra bằng quá trình thiêu kết phản ứng vì độ ổn định kích thước và khả năng tự do tạo hình quan trọng hơn cường độ cực đại. Mang các bộ phận quan trọng như vòng đệm, vòng bi, con lăn dẫn hướng, miếng cắt, chốt hàn, phích cắm phát sáng và các bộ phận tăng áp được chế tạo bằng cách ép nóng hoặc thiêu kết áp suất khí, trong đó mật độ, độ cứng và độ tin cậy mỏi khi tải tiếp xúc theo chu kỳ quyết định tuổi thọ sử dụng.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Hai phương pháp sản xuất chính cho sản phẩm gốm silicon nitride là gì?
Quá trình thiêu kết phản ứng, trong đó phần thân chứa silicon được thấm nitơ trong lò và ép nóng, trong đó bột silicon nitrit với các chất phụ gia được nén và thiêu kết dưới áp suất ở nhiệt độ cao.
Hỏi: Nhiệt độ nào được sử dụng trong quá trình thiêu kết phản ứng?
Quá trình thấm nitơ sơ bộ diễn ra ở nhiệt độ 1150 đến 1200 độ để phát triển khả năng xử lý, tiếp theo là quá trình thấm nitơ cuối cùng ở nhiệt độ 1350 đến 1450 độ trong 18 đến 36 giờ cho đến khi silicon được chuyển hóa hoàn toàn.
Q: Những chất phụ gia nào được sử dụng trong quá trình ép nóng?
Một lượng nhỏ oxit magiê, oxit nhôm, magiê florua, nhôm florua hoặc oxit sắt, tạo thành pha lỏng thúc đẩy quá trình cô đặc.
Hỏi: Tại sao các bộ phận được ép nóng-hoạt động tốt hơn các bộ phận được thiêu kết phản ứng?
Quá trình nén chặt được hỗ trợ bằng áp suất sẽ loại bỏ hầu hết độ xốp, tạo ra mật độ cao hơn, độ bền uốn cao hơn, độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn so với lớp liên kết phản ứng xốp vốn có.
Hỏi: Tại sao các bộ phận thiêu kết phản ứng có thể được gia công trước khi thấm nitơ lần cuối?
Sau khi thấm nitơ trước, phần thân chỉ còn một phần độ bền nên các máy công cụ thông thường có thể cắt các chi tiết cuối cùng; sự thay đổi kích thước nhỏ ở giai đoạn cuối sẽ giữ nguyên dung sai gia công.
Câu hỏi: Những hạn chế của silicon nitride ép nóng là gì?
Ép nóng một trục là quy trình hàng loạt được giới hạn ở các hình dạng đơn giản như đĩa, tấm và vòng, với chi phí năng lượng và dụng cụ cao hơn, vì vậy các bộ phận phức tạp cần phải mài kim cương sau đó.
