Szinterezett szilíciumkarbid és alkalmazásai

A szilíciumkarbid kiváló tulajdonságainak köszönhetően számos ipari alkalmazással rendelkezik. Ezek közé tartozik a korrózióval, oxidációval és hőhatással szembeni ellenállása.

A reaktív kötésű SiC-t szinterelési eljárással állítják elő úgy, hogy folyékony szilíciumot szivárogtatnak a szilíciumkarbid porózus zöld testekbe, majd nyomás alatt infúzióval. A kész anyag törési szívóssága alacsony.

Nagy szilárdság

A szilícium-karbid kerámiák rendkívül kemény felületükről ismertek, amelyek kiváló kopás-, korrózió- és hőállósági tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezenkívül ez az anyag kiváló oxidációállósági tulajdonságokkal rendelkezik, valamint erős magas hőmérsékleti szilárdsági szintekkel, kémiai stabilitási tulajdonságokkal, valamint mechanikai keménységi tulajdonságokkal.

A különböző szabványos méretekben és geometriákban kapható szilikontömítések a technológiai berendezések alkalmazásaihoz kiváló kopásállóságot biztosítanak, csökkentett súrlódással a szivattyútömítések párhuzamos alkatrészeivel szemben.

A szinterezett szilíciumkarbid erózió- és kopásállósága tovább növelhető bór- vagy volfrámkarbidok alkalmazásával, és ezek a speciális minőségek a kissé magasabb nyersanyag- és gyártási költségek ellenére is jobb anyagmechanikát kínálnak magas hőmérsékleten.

A SiC-kerámiák reakciókötése vagy nyomás nélküli szinterezése különböző mikroszerkezeteket eredményez, és a választott formázási módszer határozza meg a végeredményt. A reakciókötéses szilíciumkarbid alacsonyabb feldolgozási hőmérsékletet, kiváló alakíthatóságot és alacsonyabb költségeket kínál, mint a nyomás nélküli szinterezett SiC; azonban a magas hőmérsékletű szilárdsága és hajlítószilárdsága gyengébb, mint a nyomás nélküli szinterezett SiC-é; ezért a reakciókötéses szilíciumkarbid jobban alkalmazható olyan alkalmazásokban, amelyek nem követelik meg a maximális teljesítményt a kerámiaanyagtól.

Magas korrózióállóság

A szilícium-karbid kerámia a kerámiák közül az egyik legmagasabb korrózióállósági értékkel büszkélkedhet, és figyelemre méltó keménységének, szilárdságának, hővezető képességének és kopásállósági tulajdonságainak köszönhetően még a súlyos kémiai környezeteknek is ellenáll. A szilícium-karbid továbbá kiváló oxidációállóságot, valamint kopásállósági tulajdonságokat kínál.

A szinterezett szilíciumkarbidot (SSiC) finom szemcsés SiC por és nem oxidos szinterezési segédanyagok pasztaszerű keverékké történő préselésével és szinterezésével (melegítésével) állítják elő, amely ezután az alkalmazáshoz szükséges módon tömöríthető vagy alakítható, vagy szerszámokon keresztül szinterezett szilíciumkarbid csövekké préselhető.

A reaktív szinterezés többelemű eutektikus oxidok (például Y2O3-Al2O3) keverését jelenti alacsony eutektikus hőmérsékleten, hogy folyékony fázist képezzen a SiC-részecskék mozgásához, diffúziójához, tömegátadásához a sűrítés során a pontos méretekkel rendelkező szinterezett kerámiatermékekbe; azonban hátrányai vannak, mint a drága nyersanyagfogyasztás és energiaköltségek, valamint a korróziós viselkedés a sűrítés során, amelyet gondosan kell kezelni a SiC-kerámia legjobb teljesítménye érdekében.

Magas hőmérsékleti ellenállás

A szilíciumkarbid ellenáll a magas hőmérsékletnek, így kiváló anyag a vegyipari feldolgozó berendezésekben, például kemencékben való felhasználásra. Továbbá a kémiai korrózióállósága miatt akár 1 900 °C-os hőmérsékletet is kibír, miközben nagyszerű mechanikai keménységi tulajdonságokkal büszkélkedhet.

A reakciókötésű SiC-kerámiákat porózus szén alapanyagból és olvasztott szilíciumból állítják elő, és olyan módszerekkel alakítják ki, mint a száraz préselés, öntés és extrudálás. Gyakran alkalmazzák őket a ballisztikus fenyegetések ellen használt kompozit páncélrendszerekben.

A nyomás nélkül szinterezett szilíciumkarbid (PSiC) egy fejlett anyag, amely rendkívüli szilárdsággal, keménységgel és hővezető képességgel, valamint korrózióval, oxidációval és hajlítással szembeni ellenállással rendelkezik - ideális olyan alkatrészekhez, mint a fúvókák, tömítések és kopógyűrűk.

A PSiC szinterelési hatékonyságának növelése érdekében folyékony fázis hozható létre egy vagy több több elemet tartalmazó eutektikus oxid, például Y2O3-Al2O3 hozzáadásával, amelyek alacsony eutektikus ponttal rendelkeznek, és elősegítik a SiC-részecskék mozgását, diffúzióját és átrendeződését, ami a termék sűrűsödését eredményezi. Ennek eredményeként az előállított SiC-kerámiák kiváló hajlítószilárdsággal és hőmérséklet-ellenállósági jellemzőkkel rendelkeznek.

Magas hőmérsékleti szilárdság

A szinterezett szilíciumkarbid nagy szilárdsággal büszkélkedhet, amely magas hőmérsékleten is viszonylag állandó marad, így számos alkalmazáshoz kiváló anyagválasztás. Ezenfelül a kémiai korrózióállósága miatt számos ipari környezetben alkalmazható.

A reakciókötésű szilíciumkarbid (RBSiC) viszont úgy jön létre, hogy az olvadt szilíciumot porózus szén- vagy grafit-előformákba szivárogtatják, és ezek struktúrái között porózus területeket hoznak létre. Az RBSiC kisebb szilárdsággal és keménységgel rendelkezik, mint az SSiC, de nagyobb kémiai és termikus sokkállóságot biztosít.

A szinterezés lehetővé teszi a pontos méretekkel és sűrűséggel rendelkező kerámiatermékek előállítását, de vannak hátrányai is: a magas szinterelési hőmérséklet a sűrítés során zsugorodást okozhat; továbbá ez az eljárás repedéseket hozhat létre az anyagban, ami egyenetlen kémiai összetételhez vagy sűrűséghez vezethet, ami befolyásolhatja a teljesítményt, ha oxidáló vagy korrozív környezetnek van kitéve. Ezért a legtöbb kutató a folyadékfázisú szinterezést választja, amely környezetbarátabb is.

Nagy mechanikai keménység

A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb és legerősebb anyag a Földön. Ez a kombináció ellenállóvá teszi a korrózióval, kopással és hőhatásokkal szemben, miközben jó kopásállóságot és alacsony csúszási súrlódást biztosít számos különböző párhuzamos anyaggal szemben.

A szinterezett SiC-kerámiák nagy szilárdságukat a SiC-részecskék közötti erős szinterkötések kialakulásával érik el. A szilíciumkarbid nyomás nélküli szinterezése vagy forró izosztatikus préselése gyakorlatilag pórusmentes termékeket eredményez, ami tovább javítja a kerámiatermékek mechanikai tulajdonságait.

A reakciókötésű szilíciumkarbid (RSIC) a HPSIC-hez vagy HIPSIC-hez képest nyitottabb porozitással és durvább szemcseszerkezettel rendelkezik, ami csökkenti a hajlítószilárdságát, és kevésbé teszi alkalmassá magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz.

A közvetlenül szinterezett szilíciumkarbid finomabb szemcsékkel rendelkezik, mint az RSIC, és ezért nagyobb ellenállást nyújt az oxidációval szemben, így drágább, mint társa, de kiváló kopási, hő- és magas hőmérsékleti szilárdsági tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek tökéletessé teszik szivattyútömítésekhez vagy más igényes, magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz. A közvetlenül szinterezett szilíciumkarbidot általában olyan szivattyútömítésekhez írják elő, amelyek kiváló magas hőmérsékleti szilárdságot, valamint kiváló magas hőmérsékleti szilárdsági teljesítményt igényelnek.