La ceramica al nitruro di silicio, con il suo peso specifico leggero, elevata robustezza, resistenza all'usura, eccellente isolamento elettrico e proprietà di autolubrificazione, si distingue nel campo dei cuscinetti ceramici, soprattutto in condizioni di lavoro estreme come alta velocità, alta temperatura, bassa coppia e lubrificazione con olio magro, sfera in nitruro di silicio come cuscinetti ceramici con corpo volvente mostrano un eccellente potenziale applicativo. Tuttavia, le forti proprietà di legame covalente del nitruro di silicio rendono difficile la densificazione attraverso la sinterizzazione in fase solida, il che comporta sfide per la preparazione delle ceramiche al nitruro di silicio. In questo documento vengono discussi il processo di sinterizzazione in fase liquida delle ceramiche al nitruro di silicio, compresa la sinterizzazione atmosferica, la sinterizzazione con pressatura a caldo e la sinterizzazione a pressione, e l'influenza di questi processi sulla microstruttura e le proprietà meccaniche delle ceramiche al nitruro di silicio.
La ceramica al nitruro di silicio è la prima scelta dei rulli con cuscinetti in ceramica con le sue eccellenti proprietà come leggerezza, elevata resistenza, resistenza all'abrasione, isolamento elettrico e autolubrificazione. I cuscinetti in ceramica con sfere in ceramica di nitruro di silicio come corpi volventi sono particolarmente adatti per l'uso in condizioni di lavoro come alta velocità, alta temperatura, bassa coppia e lubrificazione con olio magro, come cuscinetti per mandrini motorizzati ad alta velocità per macchine utensili di precisione, cuscinetti per energia eolica e cuscinetti aerospaziali.
Il nitruro di silicio è un composto con legame covalente forte con un basso coefficiente di autodiffusione e una forza motrice di sinterizzazione insufficiente, quindi è difficile ottenere la densificazione mediante la semplice sinterizzazione in fase solida. Pertanto, è necessario aggiungere una certa quantità di additivi per sinterizzazione per completare il processo di densificazione mediante sinterizzazione in fase liquida. Il principio della sinterizzazione in fase liquida delle ceramiche al nitruro di silicio è che gli additivi di sinterizzazione reagiscono con SiO2 sulla superficie della polvere di nitruro di silicio per formare una fase liquida e, sotto l'azione della fase liquida, raggiunge la densificazione attraverso il processo di riarrangiamento delle particelle, soluzione -precipitazioni e crescita del grano.
I metodi di sinterizzazione in fase liquida comunemente utilizzati per le ceramiche al nitruro di silicio comprendono la sinterizzazione a pressione atmosferica, la sinterizzazione con pressa a caldo e la sinterizzazione a pressione dell'aria.
Il nitruro di silicio inizia a decomporsi dopo 1700°C, al fine di inibire la decomposizione del nitruro di silicio, la sinterizzazione a pressione atmosferica viene solitamente eseguita mediante polvere sepolta, ma l'effetto della polvere sepolta è limitato, quindi la temperatura della sinterizzazione a pressione atmosferica non può superare i 1750°C ed è necessario aggiungere un gran numero di additivi per la sinterizzazione per promuovere la densificazione, che influisce seriamente sulle prestazioni del prodotto.
La sinterizzazione con pressa a caldo consiste nel raggiungere la densificazione sotto la doppia azione della fase liquida e della pressione meccanica, la temperatura di sinterizzazione è bassa e le prestazioni del prodotto sono eccellenti, ma a causa delle limitazioni dello stampo in grafite, può essere utilizzata solo per produrre prodotti con forme semplici e la capacità produttiva è bassa.
La sinterizzazione a pressione (GPS) si basa sull'azoto ad alta pressione (1 ~ 10 MPa) per inibire la decomposizione del nitruro di silicio, può aumentare la temperatura di sinterizzazione delle ceramiche di nitruro di silicio a oltre 1900 â, risolvere la contraddizione tra densificazione e decomposizione ad alta temperatura del processo di sinterizzazione della ceramica al nitruro di silicio, può ridurre la quantità di additivi per sinterizzazione, migliorare le prestazioni dei prodotti, adatti alla produzione di massa.
Attualmente esistono numerosi rapporti in letteratura sugli effetti del processo di sinterizzazione pneumatica sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle ceramiche al nitruro di silicio.
Ad esempio, Zhou Changling et al. ha utilizzato la polvere β-Si3N4 come materia prima e il granato di ittrio e alluminio (YAG) come agente di sinterizzazione per produrre ceramiche al nitruro di silicio mediante processo di sinterizzazione a pressione e ha scoperto che il grado di densificazione e le proprietà meccaniche delle ceramiche al nitruro di silicio prima aumentavano e poi diminuivano con l'aumento di temperatura di sinterizzazione.
Mitomo et al., utilizzando polvere α-Si3N4 e polvere β-Si3N4 come materie prime e MgO-Y2O3 come agente di sinterizzazione, hanno studiato le differenze nella microstruttura delle ceramiche di nitruro di silicio sinterizzate mediante pressione di diverse materie prime e hanno scoperto che sotto lo stesso condizioni, la microstruttura della ceramica al nitruro di silicio preparata con polvere di α-Si3N4 come materia prima mostrava uno stato bimodale e grani grossolani di β-Si3N4. La microstruttura della ceramica al nitruro di silicio preparata con polvere di β-Si3N4 era uniforme e mostrava uno stato unimodale.
In sintesi, il processo di preparazione delle ceramiche al nitruro di silicio, in particolare la tecnologia di sinterizzazione in fase liquida, ha un effetto cruciale sulla sua microstruttura e sulle proprietà meccaniche. Confrontando i vantaggi e gli svantaggi di diversi metodi come la sinterizzazione atmosferica, la sinterizzazione con pressatura a caldo e la sinterizzazione pneumatica, possiamo scoprire che la sinterizzazione pneumatica ha prestazioni eccezionali nell'aumentare la temperatura di sinterizzazione, inibendo la decomposizione del nitruro di silicio, riducendo la quantità di additivi di sinterizzazione e migliorando le prestazioni dei prodotti ed è adatto per la produzione in serie di ceramiche al nitruro di silicio ad alte prestazioni. Allo stesso tempo, anche la scelta di diverse materie prime e additivi per la sinterizzazione ha un effetto significativo sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle ceramiche al nitruro di silicio. In futuro, con l'approfondimento della ricerca e il continuo progresso della tecnologia, il processo di preparazione della ceramica al nitruro di silicio sarà più perfetto e la sua applicazione nelle macchine utensili di precisione, nell'energia eolica, nell'aerospaziale e in altri campi sarà più estesa.
