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氮化硅陶瓷加工設備

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氮化硅(Si3N4 ) 是一系列先進的工程陶瓷,具有高強度、韌性和硬度以及優異的化學和熱穩定性。

氮化硅是在 19 世紀中葉被發現的,但由于其共價鍵合性質,因此并不易于制造。這最初導致了兩種類型的氮化硅的發展,即反應鍵合氮化硅 (RBSN) 和熱壓氮化硅 (HPSN)。隨后,自 1970 年代以來又開發了兩種類型:燒結氮化硅 (SSN),包括賽隆,以及燒結反應鍵合氮化硅 (SRBSN)。

當前對基于氮化硅的工程材料的興趣主要源于 1980 年代對燃氣輪機和活塞發動機陶瓷部件的研究。設想主要由基于氮化硅的部件(例如賽隆)制成的發動機重量輕,并且能夠在比傳統發動機更高的溫度下運行,從而提高效率。然而,最終這個目標并沒有實現,原因有很多,包括成本、可靠地制造零件的困難以及陶瓷固有的脆性。

然而,這項工作導致了氮化硅基材料的許多其他工業應用的發展,例如金屬成型、工業磨損和熔融金屬處理。

不同類型的氮化硅RBSN、HPSN、SRBSN和SSN是由它們的制造方法產生的,這決定了它們的性能和應用。

反應鍵合氮化硅 ( RBSN )

RBSN是通過在大約 1450°C 下對硅 (Si)“面團”或壓塊仔細氮化制成的。在反應過程中,Si3N 4在壓塊的孔隙中生長。這導致伴隨密度增加的很小的尺寸變化。此功能是RBSN的最大優勢,因為它通常允許將零件制成近凈形狀,而無需進行后續昂貴的磨削操作。


該反應的結果是最終產品含有孔隙,因此其機械性能不如其他類型的氮化硅,如下表所示。然而,這種材料的生產成本相對較低,特別適用于窯具。

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熱壓氮化硅 ( HPSN )

HPSN是在 1960 年代和 1970 年代開發的,目的是讓工程師能夠利用 Si3N4 的一些出色特性,這是RBSN無法實現的。HPSN是通過將助熔劑(通常是氧化鎂)添加到細的Si3N4粉末中,然后在通常為 1800°C 和 40MPa 壓力的石墨模具中壓制粉末而制成的。所得物體完全致密,具有優異的機械性能(見下文)。


例如,這些HPSN已被用作切削工具。應用往往是相對簡單的形狀,因為熱壓“坯料”必須經過金剛石研磨才能獲得所需的輪廓。因此,HPSN部件往往很昂貴,現在已在很大程度上被SSN所取代。

燒結反應鍵合氮化硅 ( SRBSN )

SRBSN是RBSN的發展,旨在降低產品的最終孔隙率,從而提高其機械性能(見下文)。這是通過向起始粉末混合物中添加燒結添加劑來實現的,這允許材料在反應粘合階段后燒結。雖然現在有顯著的收縮,但它比SSN小,并且允許更好的控制。


與RBSN 一樣,SRBSN的起始原料,主要是金屬硅,與高質量氮化硅粉末相比相對便宜,因此SRBSN 的制造成本比HPSN和SSN都便宜。SRBSN 的應用包括切削工具和磨損部件。


由于裂紋偏轉 Si3N 4晶須的生長,這些材料的最新發展顯示出韌性和抗沖擊性的改進。

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燒結氮化硅 ( SSN )

SSN涵蓋氮化硅材料,該材料通過在約 1750°C 的氮氣氣氛中無壓燒結而致密。為了幫助致密化,使用了各種燒結添加劑的組合,例如氧化釔、氧化鎂和氧化鋁。在添加含鋁添加劑的情況下,燒結材料可歸類為賽隆。賽隆是基于元素硅(Si)、鋁(Al)、氧(O) 和氮(N) 的陶瓷合金,該術語通常與SSN互換使用。SSN的物理性質 和 Syalon 101,一種由 International Syalons 制造的賽隆,在下表中與其他常見類型的氮化硅進行了比較。


SSN和賽隆通常為氮化硅提供最佳機械性能,并且最廣泛用于工業應用,例如熔融金屬處理、工業磨損、金屬成型、石油和天然氣工業以及化學和加工工業。


RBSN、HPSN、SRBSN、SSN和Syalon 101的物性數據比較

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在測試條件下獲得的 Syalon 101 的典型物理性能數據。所有性能均由獨立測試機構測量。給出的值僅適用于確定它們的測試體,因此只能是推薦值。

概括

氮化硅是一種非常重要的工程陶瓷,有多種形式,每種形式都有其獨特的性能。這些包括高強度、韌性和硬度、優異的耐磨性、耐多種酸和堿的腐蝕以及出色的抗熱震性。這些特性使氮化硅,特別是SSN和賽隆,能夠在許多工業應用中找到用途。隨著材料越來越被廣泛接受和使用,新的應用不斷被發現。


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