Característiques de rendiment del nitrur de silici: resistència, xoc tèrmic i estabilitat química

Què és el nitrur de silici i com es produeix

El nitrur de silici (Si3N4) és un compost covalent de silici i nitrogen. Tots dos elements són abundants, però el compost no es presenta de manera natural en una forma utilitzable, de manera que es produeix sintèticament. Les rutes industrials inclouen l'enllaç de reacció, en què la pols de silici es nitrura en una atmosfera controlada, i les rutes de sinterització en què la pols de nitrur de silici amb ajudes de sinterització d'òxids es densifica mitjançant la sinterització sense pressió, la sinterització a pressió de gas o la pressió isostàtica en calent. Els graus comercials solen assolir entre el 95% i el 99% de la densitat teòrica, i aquesta densitat és el punt de partida de cada propietat que es descriu a continuació.

Resistència mecànica i duresa

El nitrur de silici sinteritzat té una alta resistència mecànica i una bona duresa. La resistència a la flexió a temperatura ambient s'informa habitualment de 980 MPa o superior, comparable amb l'acer aliat, i gran part d'aquesta resistència es manté fins a uns 1200 graus centígrads, cosa inusual per a una ceràmica d'enginyeria. La duresa de Vickers dels graus densos és típicament de la regió de 1400 a 1700 HV, propera a la de la ceràmica densa d'òxid d'alumini. En contacte lliscant, el material es comporta com una ceràmica autolubricant, donant una fricció baixa i una bona resistència al desgast sense lubricació externa. La resistència a la flexió es verifica normalment segons ISO 14704 a temperatura ambient i ISO 17565 a temperatura elevada, amb ASTM C1161 acceptat com a alternativa, mentre que la duresa segueix ISO 14705.

Propietats tèrmiques i resistència al xoc tèrmic

El nitrur de silici té un baix coeficient d'expansió tèrmica, en la regió de 3,0 a 3,3 x 10 a la potència menys 6 per Kelvin, juntament amb una conductivitat tèrmica útil, de manera que resisteix l'esquerdament sota canvis de temperatura sobtats. Una qualificació comuna és un apagat des de la temperatura ambient a la banda de 1000 graus centígrads sense formació d'esquerdes visibles. La baixa expansió, l'alta resistència i la conductivitat moderada expliquen per què s'escull el material per a puntes d'ubicació de soldadura, tubs de protecció de termoparells i peces de contacte de metall fos on el cicle tèrmic és continu.

Resistència química

El material té una química estable. Resisteix gairebé tots els àcids inorgànics, amb l'àcid fluorhídric l'excepció notable, i resisteix solucions d'hidròxid de sodi per sota d'un 30% de concentració. Molts mitjans orgànics hi tenen poc efecte. No és resistent als metalls fosos no ferrosos, i l'alumini fos en particular mulla i ataca la superfície, de manera que la immersió directa en la fosa d'alumini requereix un recobriment de barrera o un material diferent. El nitrur de silici també suporta una forta exposició a la radiació sense pèrdua important de propietats mecàniques.

Densitat, propietats elèctriques i altres propietats físiques

La densitat sol ser de 3,1 a 3,3 grams per centímetre cúbic, aproximadament dues cinquenes parts de la de l'acer, la qual cosa redueix la càrrega centrífuga a les peces giratòries d'alta velocitat. El material és un bon aïllant elèctric, amb una resistivitat de volum en el rang de 10 a la potència 12 fins a 10 a la potència de 14 ohms centímetre a temperatura ambient i una rigidesa dielèctrica adequada per a aïllar components en equips elèctrics. La densitat i la porositat aparent es comprova normalment segons la norma ISO 18754.

Formes i usos industrials típics

Boles i rodetsper a coixinets ceràmics i híbrids complets on es requereix aïllament elèctric i capacitat d'alta velocitat.

Anells de tancament i cares de tancament mecànicper a bombes que manipulen purins abrasius i líquids químicament agressius.

Casquilles de guia, agulles de soldadura i agulles d'ubicacióen automoció i eines de soldadura per resistència.

Broquets i revestiments de desgastper al control del flux abrasiu i erosiu.

Tubs de protecció de termoparells i tubs elevadorsen alumini i altres tallers de fusió no ferrosos, utilitzats per sobre de la línia de fusió.

Substrats i parts aïllantsen electrònica de potència i equips elèctrics d'alta temperatura.

Notes de selecció i control de qualitat

Preguntes freqüents

P: El nitrur de silici es troba a la natura?
No. El silici i el nitrogen són elements comuns, però el nitrur de silici natural no es troba als dipòsits utilitzables, de manera que tot el material industrial es sintetitza, normalment nitrurant silici o sinteritzant pols de nitrur de silici.

P: Per què el material resisteix tan bé el xoc tèrmic?
La baixa expansió tèrmica limita la tensió generada per un gradient de temperatura, mentre que la força i la conductivitat tèrmica permeten que la peça sobrevisqui a l'extinció des de la temperatura ambient fins a uns 1000 graus centígrads.

P: Quins productes químics ataquen el nitrur de silici?
L'àcid fluorhídric l'ataca, l'hidròxid de sodi concentrat calent ataca la superfície i els metalls no ferrosos fosos la mullen, sent l'alumini fos el cas més agressiu.

P: Es pot utilitzar nitrur de silici dins de l'alumini fos?
No en contacte directe. L'alumini fos mulla i dissol la superfície, de manera que els components utilitzats en la fosa necessiten un recobriment protector o una ceràmica diferent, encara que els tubs utilitzats per sobre de la línia de fosa funcionen bé.

P: Com es compara la seva densitat amb l'acer?
La densitat típica és de 3,1 a 3,3 grams per centímetre cúbic, unes dues cinquenes parts de la de l'acer, la qual cosa redueix la tensió centrífuga a les peces de rotació ràpida.

P: Quins estàndards s'apliquen als components de nitrur de silici?
ISO 14704 i ISO 17565 per a la resistència a la flexió, ISO 14705 per a la duresa, ISO 18754 per a la densitat i la porositat i ASTM C1161 com a mètode acceptat de resistència a la temperatura ambient.