Spekaný karbid kremíka

Karbid kremíka je jedným z najžiadanejších keramických materiálov, ktorý ponúka vynikajúce vlastnosti, ako je tvrdosť, pevnosť, tepelná odolnosť a odolnosť proti korózii/oxidácii.

Reakčné spekanie je najlepším riešením na výrobu veľkej keramiky z karbidu kremíka zložitého tvaru vo veľkom meradle. Nanešťastie je však jeho účinnosť spojená s niektorými nevýhodami, ako je nerovnomerné rozloženie hustoty a praskanie spekaných výrobkov.

Tvrdosť

Karbid kremíka (SiC) je jedným z najtvrdších keramických materiálov, ktorý ponúka výnimočnú pevnosť pri vysokých teplotách a je vhodný na celý rad aplikácií, ako sú napríklad komponenty tesnení s tvrdým povrchom, časti zariadení na výrobu polovodičov a konštrukčné komponenty jadrových fúznych reaktorov. Okrem toho sa SiC vyznačuje vynikajúcou odolnosťou voči chemikáliám a opotrebovaniu.

Reakčné a beztlakové spekanie sú dve základné metódy výroby SiC. Reakčné spekanie ponúka nižšie teploty spracovania, ale trpí nízkou pevnosťou v ohybe a odolnosťou voči chemikáliám, ako sú silné kyseliny a zásady; v porovnaní s tým beztlakové spekanie ponúka lepšiu flexibilitu, vysokú hustotu spekania a dobrú tvarovú schopnosť, ale pri vyšších nákladoch na spracovanie v dôsledku prídavkov kovov, ako sú hliník, bór a uhlík.

Spekaný karbid kremíka vyniká medzi svojimi kolegami mimoriadnou tvrdosťou. S tvrdosťou podľa Vickersa 2563 HV - čo vysoko prevyšuje požiadavky na pancier 1500 HV - je spekaný karbid kremíka tiež mimoriadne húževnatý materiál a vykazuje trhliny mediánového typu, takže je vhodný na aplikácie s viacerými zásahmi.

Spekanie zohráva dôležitú úlohu pri výrobe kvalitných spekaných výrobkov z karbidu kremíka. Triedy s reakčným spájaním ponúkajú hrubé zrno s nižšou tvrdosťou a teplotou použitia; triedy s priamym spekaním ponúkajú jemnejšie častice pre lepšiu odolnosť voči trhlinám a teplotu použitia, vďaka čomu sú lepšou voľbou ako triedy s reakčným spájaním, pokiaľ ide o tesniace plochy a vysoko výkonné tesniace plochy.

Odolnosť proti korózii

Spekaný karbid kremíka sa ukázal ako odolný voči korózii v kyslom prostredí vďaka svojej vynikajúcej oxidačnej odolnosti, pričom vytvára okolo svojho materiálu kyslíkovú bariéru, ktorá ho chráni pred pôsobením kyslých chemikálií a zároveň zabezpečuje ďalšiu chemickú degradáciu z iných agresívnych prostredí.

Odolnosť karbidu kremíka proti korózii závisí vo veľkej miere od faktorov, ako sú nečistoty, spekanie, fázy na hranici zŕn, pórovitosť a bezprostredná reakčná história jeho materiálu. Takéto charakteristiky môžu zmeniť jeho dominantnú reakčnú postupnosť v prevádzkových podmienkach, a tým ovplyvniť jeho následné korózne správanie.

Beztlakový spekaný karbid kremíka zvyčajne prekonáva reakčne viazaný karbid kremíka, pokiaľ ide o odolnosť voči vysokým teplotám a mechanickú tvrdosť, ale rôzne aplikácie vyžadujú rôzne vlastnosti materiálov; preto výber medzi spekaným a reakčne viazaným závisí od vašich konkrétnych požiadaviek.

Obrábanie spekaného karbidu kremíka (SSiC) môže byť náročné a drahé kvôli jeho extrémnej tvrdosti. Spoločnosť GAB Neumann používa beztlakové monolitické diely zo spekaného karbidu kremíka vyrábané intenzívnym výrobným procesom, ktorý zahŕňa prípravu prášku, miešanie so spojivom, tvarovanie, izostatické lisovanie za studena a napokon spekanie pri vysokých teplotách, a po spekaní sa nakoniec obrábajú s presnými toleranciami pomocou nástrojov s diamantovým povlakom.

Odolnosť voči vysokým teplotám

Karbid kremíka si zachováva svoju tvrdosť a pevnosť aj pri veľmi vysokých teplotách, vďaka čomu je vysoko odolný voči opotrebovaniu, korózii a tepelným šokom. Okrem toho jeho odolnosť voči oxidácii patrí medzi najvyššie spomedzi neoxidových keramických materiálov a váži o polovicu menej ako oceľ.

Reakčne viazané a priamo spekané výrobné procesy na výrobu karbidu kremíka sú dve široko využívané techniky na jeho výrobu. Každý spôsob tvarovania zohráva neoddeliteľnú úlohu pri formovaní konečnej mikroštruktúry a vlastností vyrábaného keramického materiálu.

Reakčne viazaný karbid kremíka sa môže vyrábať infiltráciou kompaktov zložených zo zmesí prášku a-SiC a uhlíka tekutým kremíkom a následnou reakciou tohto nového SiC s existujúcimi časticami za vzniku hustých zhutnených telies SiC, ktoré majú úplnú hustotu.

Mikroštruktúra a-SiC s pridruženou kryštalickou štruktúrou a-SiC -b-SiC poskytuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu a tepelným šokom, ale elektrický odpor je nižší v dôsledku prítomnosti zŕn a-SiC aj b-SiC v tejto forme karbidu kremíka.

Reakčné spekanie je efektívna a ekonomická metóda vytvárania extrémne húževnatej keramiky z karbidu kremíka s vynikajúcou húževnatosťou, vďaka čomu je táto metóda vhodná na prípravu veľkých rozmerov alebo komplexných tvarov. Nízke teploty spekania zabezpečujú rýchle časy spekania, pričom diely s takmer čistou veľkosťou sa vytvárajú v priebehu niekoľkých minút; medzi jej jediné nevýhody patria vysoké požiadavky na materiál, náklady na spotrebu energie a drahé zariadenia.

Tepelná vodivosť

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších a najodolnejších keramických materiálov na trhu. Svoju tvrdosť a pevnosť si zachováva aj pri extrémne vysokých teplotách, čo prispieva k jeho výnimočnej odolnosti proti opotrebovaniu. Okrem toho sa táto keramika môže pochváliť odolnosťou voči tepelným šokom, ako aj odolnosťou voči korózii a oxidácii; je o polovicu ťažšia ako oceľ, a pritom odoláva extrémnym tlakom a teplotným zmenám.

Tepelná vodivosť SSiC do značnej miery závisí od zvoleného procesu spekania; beztlakové spekanie alebo spekanie reakčnou väzbou vytvárajú rôzne mikroštruktúry, ktoré ovplyvňujú jeho tepelne vodivé vlastnosti.

Reakčne viazaný SiC sa vytvára infiltráciou pórovitých uhlíkových alebo grafitových predliskov tekutým kremíkom, ktorý reaguje s uhlíkom a vytvára stuhnutú keramiku SiC, ktorá sa potom môže lisovať do tvarov. Reakčne viazaná keramika býva mäkšia a menej hustá ako jej náprotivky z SSiC, ale má dobrú odolnosť proti opotrebovaniu pri vyšších teplotách a zároveň vysokú úroveň odolnosti proti oxidácii a korózii.

Oxidy vzácnych zemín sa môžu zaviesť ako prísady na zlepšenie spekania b-SiC, avšak ich veľký iónový polomer im bráni preniknúť do kryštálovej mriežky a uviaznu medzi zrnami - preto je rozhodujúci výber prísad, ktoré môžu preniknúť - hliník, bór a uhlík (ABC) je jednou z takýchto sľubných prísad, ktoré sa môžu pridávať viazané na zrná pre aplikácie spekania pri nižších teplotách spracovania.