Carburo di silicio sinterizzato

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici più desiderati e offre proprietà eccezionali come durezza, forza, resistenza al calore e alla corrosione/ossidazione.

La sinterizzazione per reazione è la soluzione migliore per produrre ceramiche di carburo di silicio di forma complessa e di grandi dimensioni su scala. Purtroppo, però, la sua efficienza comporta alcuni inconvenienti, come una distribuzione non uniforme della densità e la formazione di cricche nei prodotti sinterizzati.

Durezza

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali ceramici più duri, che offre un'eccezionale resistenza alle alte temperature e che lo rende adatto a una vasta gamma di applicazioni, come i componenti di tenuta a superficie dura, le parti di apparecchiature per la produzione di semiconduttori e i componenti strutturali dei reattori a fusione nucleare. Inoltre, il SiC vanta un'eccellente resistenza chimica e all'usura.

La sinterizzazione per reazione e quella senza pressione sono i due metodi principali per produrre SiC. La sinterizzazione per reazione offre temperature di lavorazione più basse, ma soffre di una scarsa resistenza alla flessione e agli agenti chimici, come acidi e alcali forti; in confronto, la sinterizzazione senza pressione offre una migliore flessibilità, alti tassi di densificazione della sinterizzazione e una buona capacità di forma, ma a costi di lavorazione più elevati a causa dell'aggiunta di additivi metallici come alluminio, boro e carbonio.

Il carburo di silicio sinterizzato si distingue per la sua straordinaria durezza. Con una durezza Vickers di 2563 HV - che supera di gran lunga i requisiti delle armature di 1500 HV - il carburo di silicio sinterizzato è anche un materiale eccezionalmente resistente e presenta cricche di tipo mediano, che lo rendono adatto ad applicazioni con più colpi.

La sinterizzazione svolge un ruolo essenziale nella produzione di prodotti in carburo di silicio sinterizzato di qualità. I gradi legati per reazione offrono una grana grossa con una durezza e una temperatura di utilizzo inferiori; i gradi sinterizzati direttamente offrono particelle più fini per una maggiore resistenza alle cricche e alla temperatura di utilizzo, il che li rende una scelta migliore rispetto ai gradi legati per reazione quando si tratta di facce di tenuta e facce di tenuta ad alte prestazioni.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio sinterizzato si è dimostrato resistente alla corrosione in ambienti acidi grazie alla sua superiore resistenza all'ossidazione, creando una barriera di ossigeno intorno al materiale per proteggerlo dall'attacco di sostanze chimiche acide e garantendo al contempo un'ulteriore degradazione chimica da altri ambienti aggressivi.

La resistenza alla corrosione del carburo di silicio dipende fortemente da fattori quali le impurità, i coadiuvanti di sinterizzazione, le fasi di confine dei grani, la porosità e la storia di reazione immediata del materiale. Tali caratteristiche possono alterare la sequenza di reazione dominante in condizioni di servizio e quindi influenzare il successivo comportamento alla corrosione.

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione ha tipicamente superato il carburo di silicio legato a reazione per quanto riguarda la resistenza alle alte temperature e la durezza meccanica, ma applicazioni diverse richiedono proprietà diverse dei materiali; pertanto la scelta tra sinterizzato e legato a reazione dipende dalle esigenze specifiche.

La lavorazione del carburo di silicio sinterizzato (SSiC) può essere difficile e costosa a causa della sua estrema durezza. GAB Neumann utilizza parti monolitiche in carburo di silicio sinterizzato senza pressione, realizzate attraverso un processo di produzione intensivo che comprende la preparazione della polvere, la miscelazione con il legante, la formatura, la pressatura isostatica a freddo e infine la sinterizzazione ad alte temperature, prima di essere lavorate con tolleranze precise utilizzando utensili rivestiti di diamante dopo la sinterizzazione.

Resistenza alle alte temperature

Il carburo di silicio mantiene la sua durezza e la sua forza anche a temperature molto elevate, rendendolo una ceramica altamente resistente all'usura, alla corrosione e agli shock termici. Inoltre, la sua resistenza all'ossidazione è tra le più elevate tra i materiali ceramici non ossidati e pesa la metà dell'acciaio.

I processi di produzione del carburo di silicio per reazione e per sinterizzazione diretta sono due tecniche ampiamente utilizzate per la sua creazione. Ciascun metodo di formatura gioca un ruolo fondamentale nel plasmare la microstruttura finale e le proprietà del materiale ceramico prodotto.

Il carburo di silicio legato per reazione può essere prodotto infiltrando compatti composti da miscele di polvere di a-SiC e carbonio con silicio liquido, facendo poi reagire questo nuovo SiC con le particelle esistenti per formare corpi densi densificati di SiC che hanno una densità completa.

La microstruttura a-SiC, con la relativa struttura cristallina a-SiC -b-SiC, offre un'eccellente resistenza all'usura e agli shock termici, ma la resistività elettrica è inferiore a causa della presenza di grani a-SiC e b-SiC in questa forma di carburo di silicio.

La sinterizzazione per reazione è un metodo efficiente ed economico per la creazione di ceramiche in carburo di silicio estremamente resistenti e con una tenacità superiore, che lo rende adatto alla preparazione di grandi dimensioni o di forme complesse. Le basse temperature di sinterizzazione garantiscono tempi di sinterizzazione rapidi, con la formazione di pezzi di dimensioni quasi nette in pochi minuti; gli unici svantaggi sono l'elevato fabbisogno di materiale, i costi di consumo energetico e i costi costosi delle attrezzature.

Conduttività termica

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici più duri e durevoli presenti sul mercato. Mantiene la sua durezza e la sua forza anche a temperature estremamente elevate, il che contribuisce alla sua eccezionale resistenza all'usura. Inoltre, questa ceramica vanta una resistenza agli shock termici e alla corrosione e all'ossidazione; pesa la metà dell'acciaio, ma resiste a pressioni e sbalzi di temperatura estremi.

La conducibilità termica dell'SSiC dipende fortemente dal processo di sinterizzazione scelto; la sinterizzazione senza pressione o per reazione produce microstrutture diverse che influenzano le proprietà di conducibilità termica.

Il SiC legato per reazione viene creato infiltrando preforme porose di carbonio o grafite con silicio liquido, che reagisce con il carbonio per produrre ceramica SiC solidificata che può poi essere pressata in forme. Le ceramiche legate per reazione tendono a essere più morbide e meno dense delle loro controparti in SSiC, ma offrono una buona resistenza all'usura a temperature più elevate, pur mantenendo alti livelli di resistenza all'ossidazione e alla corrosione.

Gli ossidi di terre rare possono essere introdotti come additivi per migliorare la sinterizzazione del b-SiC, ma il loro grande raggio ionico impedisce loro di penetrare nel reticolo cristallino e rimangono intrappolati tra i grani; pertanto, la scelta di additivi in grado di penetrare nel reticolo cristallino è fondamentale: l'alluminio, il boro e il carbonio (ABC) è uno di questi promettenti additivi che possono essere aggiunti in modo legato ai grani per applicazioni di sinterizzazione a temperature di lavorazione inferiori.