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氮化硅陶瓷加工设备

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时间:2021-09-30

氮化硅(Si3N4 ) 是一系列先进的工程陶瓷,具有高强度、韧性和硬度以及优异的化学和热稳定性。

氮化硅是在 19 世纪中叶被发现的,但由于其共价键合性质,因此并不易于制造。这最初导致了两种类型的氮化硅的发展,即反应键合氮化硅 (RBSN) 和热压氮化硅 (HPSN)。随后,自 1970 年代以来又开发了两种类型:烧结氮化硅 (SSN),包括赛隆,以及烧结反应键合氮化硅 (SRBSN)。

当前对基于氮化硅的工程材料的兴趣主要源于 1980 年代对燃气轮机和活塞发动机陶瓷部件的研究。设想主要由基于氮化硅的部件(例如赛隆)制成的发动机重量轻,并且能够在比传统发动机更高的温度下运行,从而提高效率。然而,最终这个目标并没有实现,原因有很多,包括成本、可靠地制造零件的困难以及陶瓷固有的脆性。

然而,这项工作导致了氮化硅基材料的许多其他工业应用的发展,例如金属成型、工业磨损和熔融金属处理。

不同类型的氮化硅RBSN、HPSN、SRBSN和SSN是由它们的制造方法产生的,这决定了它们的性能和应用。

反应键合氮化硅 ( RBSN )

RBSN是通过在大约 1450°C 下对硅 (Si)“面团”或压块仔细氮化制成的。在反应过程中,Si3N 4在压块的孔隙中生长。这导致伴随密度增加的很小的尺寸变化。此功能是RBSN的最大优势,因为它通常允许将零件制成近净形状,而无需进行后续昂贵的磨削操作。


该反应的结果是最终产品含有孔隙,因此其机械性能不如其他类型的氮化硅,如下表所示。然而,这种材料的生产成本相对较低,特别适用于窑具。

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热压氮化硅 ( HPSN )

HPSN是在 1960 年代和 1970 年代开发的,目的是让工程师能够利用 Si3N4 的一些出色特性,这是RBSN无法实现的。HPSN是通过将助熔剂(通常是氧化镁)添加到细的Si3N4粉末中,然后在通常为 1800°C 和 40MPa 压力的石墨模具中压制粉末而制成的。所得物体完全致密,具有优异的机械性能(见下文)。


例如,这些HPSN已被用作切削工具。应用往往是相对简单的形状,因为热压“坯料”必须经过金刚石研磨才能获得所需的轮廓。因此,HPSN部件往往很昂贵,现在已在很大程度上被SSN所取代。

烧结反应键合氮化硅 ( SRBSN )

SRBSN是RBSN的发展,旨在降低产品的最终孔隙率,从而提高其机械性能(见下文)。这是通过向起始粉末混合物中添加烧结添加剂来实现的,这允许材料在反应粘合阶段后烧结。虽然现在有显着的收缩,但它比SSN小,并且允许更好的控制。


与RBSN 一样,SRBSN的起始原料,主要是金属硅,与高质量氮化硅粉末相比相对便宜,因此SRBSN 的制造成本比HPSN和SSN都便宜。SRBSN 的应用包括切削工具和磨损部件。


由于裂纹偏转 Si3N 4晶须的生长,这些材料的最新发展显示出韧性和抗冲击性的改进。

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烧结氮化硅 ( SSN )

SSN涵盖氮化硅材料,该材料通过在约 1750°C 的氮气气氛中无压烧结而致密。为了帮助致密化,使用了各种烧结添加剂的组合,例如氧化钇、氧化镁和氧化铝。在添加含铝添加剂的情况下,烧结材料可归类为赛隆。赛隆是基于元素硅(Si)、铝(Al)、氧(O) 和氮(N) 的陶瓷合金,该术语通常与SSN互换使用。SSN的物理性质 和 Syalon 101,一种由 International Syalons 制造的赛隆,在下表中与其他常见类型的氮化硅进行了比较。


SSN和赛隆通常为氮化硅提供最佳机械性能,并且最广泛用于工业应用,例如熔融金属处理、工业磨损、金属成型、石油和天然气工业以及化学和加工工业。


RBSN、HPSN、SRBSN、SSN和Syalon 101的物性数据比较

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在测试条件下获得的 Syalon 101 的典型物理性能数据。所有性能均由独立测试机构测量。给出的值仅适用于确定它们的测试体,因此只能是推荐值。

概括

氮化硅是一种非常重要的工程陶瓷,有多种形式,每种形式都有其独特的性能。这些包括高强度、韧性和硬度、优异的耐磨性、耐多种酸和碱的腐蚀以及出色的抗热震性。这些特性使氮化硅,特别是SSN和赛隆,能够在许多工业应用中找到用途。随着材料越来越被广泛接受和使用,新的应用不断被发现。




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