Slinutý karbid křemíku

Karbid křemíku je jedním z nejžádanějších keramických materiálů, který nabízí vynikající vlastnosti, jako je tvrdost, pevnost, tepelná odolnost a odolnost proti korozi/oxidaci.

Reakční spékání je nejlepším řešením pro výrobu velkých, tvarově složitých keramických výrobků z karbidu křemíku ve velkém měřítku. Bohužel je však její účinnost spojena s některými nevýhodami, jako je nerovnoměrné rozložení hustoty a praskání spékaných výrobků.

Tvrdost

Karbid křemíku (SiC) je jedním z nejtvrdších keramických materiálů, který nabízí výjimečnou pevnost při vysokých teplotách a je vhodný pro celou řadu aplikací, jako jsou součásti těsnění s tvrdým povrchem, součásti zařízení pro výrobu polovodičů a konstrukční součásti jaderných fúzních reaktorů. Kromě toho se SiC vyznačuje vynikající odolností proti chemikáliím a opotřebení.

Reakční a beztlakové slinování jsou dvě základní metody výroby SiC. Reakční slinování nabízí nižší teploty zpracování, ale trpí nízkou pevností v ohybu a odolností vůči chemikáliím, jako jsou silné kyseliny a zásady; oproti tomu beztlakové slinování nabízí lepší flexibilitu, vysokou hustotu slinování a dobrou tvarovou stálost, ale za cenu vyšších nákladů na zpracování kvůli přídavkům kovů, jako je hliník, bór a uhlík.

Slinutý karbid křemíku vyniká mezi svými kolegy mimořádnou tvrdostí. S Vickersovou tvrdostí 2563 HV, která výrazně převyšuje požadavky na pancíř 1500 HV, je slinutý karbid křemíku také mimořádně houževnatý materiál a vykazuje praskání mediánového typu, takže je vhodný pro aplikace s více údery.

Spékání hraje zásadní roli při výrobě kvalitních slinutých výrobků z karbidu křemíku. Třídy s reakčním lepením nabízejí hrubá zrna s nižší tvrdostí a teplotou použití; třídy s přímým spékáním nabízejí jemnější částice pro lepší odolnost proti trhlinám a teplotu použití, takže jsou lepší volbou než třídy s reakčním lepením, pokud jde o těsnicí plochy a vysoce výkonné těsnicí plochy.

Odolnost proti korozi

Slinutý karbid křemíku se osvědčil jako odolný proti korozi v kyselém prostředí díky své vynikající oxidační odolnosti, kdy kolem svého materiálu vytváří kyslíkovou bariéru, která jej chrání před napadením kyselými chemikáliemi a zároveň zajišťuje další chemickou degradaci z jiných agresivních prostředí.

Odolnost karbidu křemíku proti korozi závisí do značné míry na faktorech, jako jsou nečistoty, pomocné látky při spékání, fáze na hranicích zrn, pórovitost a bezprostřední reakční historie materiálu. Tyto vlastnosti mohou změnit jeho dominantní reakční sekvenci za provozních podmínek, a tím ovlivnit jeho následné korozní chování.

Beztlakově slinutý karbid křemíku obvykle předčí reaktivně pojený karbid křemíku, pokud jde o odolnost vůči vysokým teplotám a mechanickou tvrdost, ale různé aplikace vyžadují různé vlastnosti materiálů; proto výběr mezi slinutým a reaktivně pojeným závisí na vašich konkrétních požadavcích.

Obrábění slinutého karbidu křemíku (SSiC) může být obtížné a nákladné kvůli jeho extrémní tvrdosti. Společnost GAB Neumann používá beztlakové monolitické díly ze slinutého karbidu křemíku vyráběné intenzivním výrobním procesem, který zahrnuje přípravu prášku, míchání s pojivem, tvarování, izostatické lisování za studena a nakonec slinování při vysokých teplotách a po slinutí obrábění s přesnými tolerancemi pomocí nástrojů s diamantovým povlakem.

Odolnost vůči vysokým teplotám

Karbid křemíku si zachovává tvrdost a pevnost i při velmi vysokých teplotách, takže je vysoce odolný vůči opotřebení, korozi a tepelným šokům. Navíc jeho odolnost proti oxidaci patří k nejvyšším mezi neoxidovými keramickými materiály a váží o polovinu méně než ocel.

Reakčně vázané a přímo slinuté výrobní procesy pro výrobu karbidu křemíku jsou dvě široce používané techniky pro jeho výrobu. Každá metoda tváření hraje nedílnou roli při utváření konečné mikrostruktury a vlastností vyráběného keramického materiálu.

Reakčně vázaný karbid křemíku lze vyrobit infiltrací kompaktů složených ze směsi prášku a-SiC a uhlíku kapalným křemíkem, poté reakcí tohoto nového SiC se stávajícími částicemi za vzniku hustých zhuštěných těles SiC, která mají úplnou hustotu.

Mikrostruktura a-SiC s přidruženou krystalickou strukturou a-SiC -b-SiC poskytuje vynikající odolnost proti opotřebení a tepelným šokům, ale elektrický odpor je nižší v důsledku přítomnosti zrn a-SiC i b-SiC v této formě karbidu křemíku.

Reakční slinování je účinná a ekonomická metoda vytváření extrémně houževnaté keramiky z karbidu křemíku s vynikající houževnatostí, díky čemuž je tato metoda vhodná pro přípravu velkých rozměrů nebo složitých tvarů. Nízké teploty spékání zajišťují rychlé časy spékání, kdy se během několika minut vytvoří díly s téměř čistou velikostí; mezi její jediné nevýhody patří vysoké nároky na materiál, náklady na spotřebu energie a drahé vybavení.

Tepelná vodivost

Karbid křemíku je jedním z nejtvrdších a nejodolnějších keramických materiálů na trhu. Zachovává si svou tvrdost a pevnost i při extrémně vysokých teplotách, což přispívá k jeho mimořádné odolnosti proti opotřebení. Kromě toho se tato keramika může pochlubit odolností proti tepelným šokům a odolností proti korozi a oxidaci; je o polovinu těžší než ocel, a přesto odolává extrémním tlakům a teplotním změnám.

Tepelná vodivost SSiC do značné míry závisí na zvoleném procesu spékání; beztlakové spékání nebo spékání reakční vazbou vytvářejí různé mikrostruktury, které ovlivňují jeho tepelně vodivé vlastnosti.

Reakčně vázaný SiC se vytváří infiltrací porézních uhlíkových nebo grafitových preforem kapalným křemíkem, který reaguje s uhlíkem a vytváří ztuhlou keramiku SiC, kterou lze následně lisovat do tvarů. Reakčně vázaná keramika bývá měkčí a méně hustá než její protějšky z SSiC, ale nabízí dobrou odolnost proti opotřebení při vyšších teplotách a zároveň vysokou odolnost proti oxidaci a korozi.

Oxidy vzácných zemin mohou být zavedeny jako přísady pro zlepšení slinování b-SiC, avšak jejich velký iontový poloměr jim brání proniknout do jeho krystalové mřížky a zachycují se mezi zrny - proto je rozhodující výběr přísad, které do ní mohou proniknout - hliník, bór a uhlík (ABC) je jednou z takových slibných přísad, které mohou být přidány vázané na zrna pro aplikace slinování při nižších teplotách zpracování.