Tecnología de fabricación
Una variedad de piezas densas simples y complejas es hecha de los polvos Si3N4 por técnicas de proceso de cerámica. Ya que el nitruro de silicio es un compuesto covalente consolidado que tiene un coeficiente de difusión bajo, las ayudas de sinterización se utilizan para alcanzar la densificación completa. Las ayudas son típicamente óxidos tales como Al2O3, Y2O3, ZrO2, MgO, óxidos del lantanidos, y, ocasionalmente, A1N también. Se agregan solo o en combinaciones en cantidades de varios por ciento del peso y pueden alcanzar el 15 % en peso de la matriz. Los cristales de α-Si3N4, que abarcan típicamente el 90% del material del polvo de partida, se disuelven en la fase líquida formada por la reacción de los aditivos de la sinterización con la capa de la silice presente en la superficie de las partículas del nitruro de silicio, entonces reprecipitan como β-Si3N4. Esto transformación de la β-fase es facilitada por la presencia de la fase líquida así como núcleos del β-cristal. No parece ser reversible. Se observa la cerámica es más fuerte cuando se eliminan todos los poros y ocurre la conversión completa a β-Si3N4. Una matriz cristalina densa consiste en los granos característicos de las β-fase formados. Los cristales se rodean por una fase amorfa o cristalina intergranular fina que se forma al enfriar.
La composición y la cantidad de aditivos de la sinterización afectan profundamente a las características de la cerámica del nitruro de silicio. Los aditivos facilitan la densificación, sirven como factor limitante de la fuerza a las altas temperaturas, y pueden también afectar negativamente a la resistencia a la oxidación. Por lo tanto los aditivos de sinterización se intentan ajustar al máximo. El aditivo específico usado depende de la última aplicación de la cerámica. Para las aplicaciones hasta 1000 ºC y temperaturas más bajas, las combinaciones de magnesia- magnesia/alumina se emplean con frecuencia; en el rango intermedio (hasta 1200 ºC) las formulaciones se prefieren generalmente de oxido de itrio-alumina; para los usos en los cuales la integridad y el funcionamiento estructurales se requieren a temperaturas de hasta 1400 ºC, se utiliza óxido de itrio solamente.
El polvo Si3N4 se mezcla usualmente con la cantidad apropiada de aditivos de sinterización y de un ligante orgánico. Esta mezcla entonces experimenta una amplia pulverizació n extensa, generalmente molienda, usando a menudo medios que muelen del nitruro de silicio. Los polvos para los usos más críticos se hace con frecuencia en ambientes completamente limpio.
La formación de estos polvos a tamaños submicrométricos con componentes complejos y su consiguiente consolidación en una cerámica densa de porosidad idealmente cero es un desafío tecnológico importante. Las piezas formadas necesitan ser consolidadas inmediatamente porque el Si3N4 requiere una molienda de diamante lo cual encarece altamente el proceso. Además, Si3N4 se disocia cerca de las temperaturas típicas de densificación usadas en la fabricación de la cerámica estructural y, por lo tanto, medidas especiales tienen que ser tomados para preservar la integridad el material.
Las partes de geometrías simples se pueden hacer fácilmente por prensado isostatico en seco o prensado isostático en frío y densificación por sinterización o prensado isostático en caliente (HIP). Las temperaturas típicas de sinterización están en la gama de 1700-2000 ºC, dependiendo de la composición y de la concentración del aditivo de sinterización, y para prevenir la descomposición del nitruro de silicio, las piezas se encajan en un polvo protector tal como nitruro del boro o de silicio y/o se ponen generalmente en un recipiente cerrado. Una sobrepresión de 0.1-10 MPa (15-1500 PSI) de nitrógeno se mantiene generalmente durante la sinterización. Se pueden obtener productos satisfactorios a presiones atmosféricas, usando particularmente las formulaciones del nitruro de silicio diseñadas para los usos a temperaturas más bajas. Las piezas que tienen densidades sobre el 99% de teórico se pueden hacer por esta técnica y la contracción se puede controlar para alcanzar un tamaño cercano a la fabricación neta de la forma.
Con el prensado en caliente, el conformado y la densificación ocurren en un solo paso de proceso. Las temperaturas están en la gama de 1650-1800 ºC y las presiones aplicadas son a partir de la 30-40 MPa (4000-6000 PSI), dando por resultado partes de alta calidad. Este método se limita a las formas simples y los volúmenes bajos de la producción, sin embargo, el proceso pueden también impartir características anisotrópicas al material.
Hay dos variaciones operacionales en el proceso de la HIP en relación a piezas del nitruro de silicio. En uno, los especimenes formados se encapsulan en un cristal y entonces se realiza un prensado en caliente isostático; en la otra, denominada Sinter-HIP, las piezas están primero presinterizadas a la porosidad cerrada (< 7%) y entonces son prensadas isostáticamente en caliente directamente, sin la encapsulación. La última técnica, aunque es un proceso de dos etapas, ofrece la ventaja de eliminar el riesgo de la difusión de componentes de cristal dañinos en las piezas de trabajo y la necesidad de una descapsulación posterior. Las condiciones de proceso para ambas variaciones son similares: gama de temperaturas de 1700-2000 ºC y de presiones a partir de la 100-200 MPa. La calidad de los productos que resultan es alta. Las densidades se acercan a valores teóricos y las características mecánicas son comparables a las de componentes obtenidos por prensado en caliente.
El moldeo por inyección y el “slip casting” se utilizan para hacer componentes de cerámica estructurales de nitruro de silicio complejos. El moldeo por inyección es una técnica de alto volumen de producción. Para impartir las características reológicas apropiadas, el polvo se mezcla con 10-15 % en peso de componentes orgánicos ligantes, que necesitan ser eliminados antes de la densificación. Este proceso requiere un control cuidadoso de tiempo y temperatura y puede llevar desde algunos días hasta algunas semanas. Las partes complejas tales como rotores de turbina han sido fabricadas teniendo una adecuada dureza y la microestructura requerida para la densificación por procesado HIP que produce cerámica s de la alta calidad.
“Slip casting” usado cada vez más para las piezas de nitruro de silicio, tiene la ventaja de que solamente se necesitan cantidades pequeñas de aditivos químicos y por lo tanto, se eliminan los problemas de quemado de los ligantes. La desventaja más grande es el tiempo que se necesita para formar las piezas. Se pueden requerir diez horas para fabricar el rotor de un motor de turbina de gas y durante ese tiempo la estabilidad de la suspensión puede cambiar. Por lo tanto, se está utilizando este proceso asistido por prensado, lo cual acelera el conformado de la pieza, lo cual reduce el tiempo alrededor de una hora. Después retirar el molde, la pieza necesite ser secada cuidadosamente lentamente y para prevenir la formación de grietas. La metodología de proceso automatizada es utilizada para fabricar diez de millares de turbo cargadores de nitruro de silicio por mes por “Slip casting” asistido por prensado. Estos son entonces densificados por método HIP o sinterizados por sobrepresión de gas.
Una técnica alternativa para la fabricación de las piezas complejas de Si3N4 es enlazado por reacción. Una pieza es formada de polvo del silicio por cualquiera de los métodos ya mencionados y el parte verde resultante, teniendo una densidad típica que sea 60-70% del valor teórico del silicio, es entonces nitrificada por la reacción con nitrógeno a 1300-1400 ºC para formar el nitruro de silicio enlazado por reacción (RBSN). La reacción, realizada en un período de 3 a 10 días, es exotérmica y necesita ser controlada cuidadosamente para no exceder, incluso localmente, el punto de fusión del silicio (1410 ºC). El producto final no es completamente denso; tiene una porosidad conectada residual de cerca del 12-30%. Este proceso permite la fabricación de la forma exacta de componentes complejos porque la pieza no se contrae durante la reacción. Las tolerancias dimensionales exactas pueden ser obtenidas sin trabajarlas posteriormente. Otra ventaja es que no se utiliza a ningunos asistentes de sinterización de modo que las piezas de RBSN conservan su dureza incluso a altas temperaturas y son resistentes a la abrasión. Sin embargo, la baja densidad de los materiales de RBSN da lugar a los valores típicos de la dureza que son solamente una fracción de la cerámica completamente densa del nitruro de silicio. Los alta porosidad de los materiales de RBSN también tienen resistencia más baja a la oxidación y son más frágiles que el nitruro de silicio denso. Las modificaciones de la densidad material obtenidos por enlazado por reacción incluyen postsinterización (SRBSN) o la post-HIP (HIPRBSN). Se han observado mejoras de las características, pero esta mejora no parece ofrecer ventajas de calidad sobre los procesos más directos.