שיטות ייצור של חלקי קרמיקה סיליקון ניטריד: סינטר תגובה וכבישה חמה

סיליקון ניטריד הוא קרמיקה מבנית המוחזקת יחד על ידי קשרי סיליקון קוולנטיים חזקים לחנקן. התוצאה היא שילוב שמעט מתכות יכולות להתאים לו: חוזק גבוה שנשמר לטמפרטורה גבוהה, עמידות טובה בפני זעזועים תרמיים, צפיפות נמוכה של כ-3.2 גרם/ס"מ³, מקדם התפשטות תרמית נמוך בסדר גודל של 3.2 × 10^-6/K, קשיות גבוהה ועמידות בפני שחיקה, בידוד חשמלי והתנהגות לא-מגנטית. השירות באוויר מוגבל בדרך כלל לכ-1200 מעלות על ידי חמצון, אך באטמוספירה אינרטית החומר עומד בטמפרטורות גבוהות בהרבה. מסלולי הייצור מתחלקים לשתי משפחות, סינטר תגובה וכבישה חמה, עם מספר דרגות ביניהן.

מסלול ייצור ריאקציינטינג

בשיטת ריאקציה סינטר, אבקת סיליקון, או תערובת של אבקת סיליקון ואבקת סיליקון ניטריד, מעוצבת תחילה לפי שיטות הייצור המקובלות למוצרים קרמיים, למשל כבישה יבשה, כבישה איזוסטטית, יציקת החלקה או הזרקה. לאחר מכן, הגוף המעוצב נטען לתוך תנור ניטרציה ו-מנוטרד מראש ב-1150 עד 1200 מעלות, מה שנותן לחלק רמה מסוימת של חוזק טיפול. במצב חנק מראש-זה עדיין ניתן לעבד את הגוף בכלי מכונות רגילים, ולכן חוטי הברגה, חריצים ותכונות מורכבות אחרות נחתכים לפני שהחומר מגיע לקשיות מלאה. שלב ניטריד שני ב-1350 עד 1450 מעלות למשך 18 עד 36 שעות ולאחר מכן משלים את התגובה עד שהסיליקון הופך במלואו לסיליקון ניטריד.

לחלקים המיוצרים בדרך זו יש מידות מדויקות ונפח יציב. הסיבה היא שחנקן מתפזר לתוך הגוף הקיים, ולכן השינוי הממדים הכולל בשלב הניגוד הסופי קטן; יצירת צורה כמעט-ת היא ריאלית, ואפילו חלקים גדולים או מורכבים מבחינה גיאומטרית ניתן לסיים ללא השחזה מקיפה של יהלומים. ההחלפה-ת היא נקבוביות שיורית, שמכסה את הצפיפות, החוזק והקשיות בהשוואה לסינטרינג בסיוע-לחץ. כתוצאה מכך, חלקים מחוטאים בתגובה נבחרים עבור הלם תרמי, מגע מתכת מותכת וצורות מורכבות גדולות ולא עבור יישומי מיסבים הלחוצים ביותר.

חם-נתיב סינטינג

סינטר-בכבישה חמה מתחיל מאבקת סיליקון ניטריד עם כמות קטנה של תוספי סינטר כגון תחמוצת מגנזיום, תחמוצת אלומיניום, מגנזיום פלואוריד, אלומיניום פלואוריד או תחמוצת ברזל. האבקה נדחסת וצפופה בו-זמנית בלחץ של 19.6 MPa או יותר בטמפרטורה של 1600 עד 1700 מעלות. התוסף יוצר פאזה נוזלית המעודדת סידור מחדש וצפיפות החלקיקים, כך שמוצרים בכבישה חמה- מגיעים בדרך כלל לצפיפות גבוהה יותר וביצועים מכניים טובים יותר מאשר מוצרים מחוטאים בתגובה, עם חוזק כיפוף גבוה יותר, קשיות גבוהה יותר ועמידות טובה יותר בפני שחיקה.

המגבלות הן גיאומטריות וכלכליות. כבישה חד-צירית מוגבלת בדרך כלל לצורות פשוטות כמו דיסקים, צלחות, בלוקים וטבעות שניתן ליצור במת גרפיט, וזהו תהליך אצווה עם עלויות אנרגיה ועלויות כלי עבודה גבוהות יחסית, כך שחסר לחוץ בדרך כלל נושאים קצבת שחיקה. לכן חלקים מורכבים נטחנים ביהלומים מלוחות- חמות, מה שמוסיף עלות ומגביל את גודל הרכיב שניתן לייצר בצורה כלכלית.

השוואה בין שני מסלולי הייצור העיקריים

ערכי הצפיפות והחוזק בטבלה הם טווחי ספרות טיפוסיים עבור שתי הדרגות המסחריות ותלויים מאוד במערכת התוספות, תכולת החמצן ומבנה הדגן; יש לאשר אותם מול תעודת הבדיקה של הספק עבור מספר חלק מסוים.

גרסאות ייצור מתקדמות

מספר גרסאות תעשייתיות יושבות בין שני המסלולים הקלאסיים. סיליקון ניטריד מלוכד בריאקציה מתחיל בתערובת תוספים של סיליקון ותחמוצת, ניטרידים ב-1350 עד 1450 מעלות ולאחר מכן חוטא בטמפרטורה גבוהה יותר כדי להפחית את הנקבוביות, תוך שילוב של יכולת הצורה הקרובה-של חיבור תגובה עם חוזק משופר. סינטר לחץ גז מצפיפות סיליקון ניטריד ב-1800 עד 2000 מעלות תחת לחץ חנקן של בערך 1 עד 10 MPa, מה שמדכא פירוק בטמפרטורה גבוהה ומאפשר צפיפות ללא לחץ חד-צירי, כך שניתן לייצר חלקים מורכבים בעלי תכונות המתקרבות לחומר דחוס- חם. לחיצה איזוסטטית חמה וסינטר פלזמה ניצוץ מיושמים בדרגות מיוחדות בהן נדרשת צפיפות תיאורטית קרובה או אמינות יוצאת דופן.

בקרת איכות ובחירת כיתה

כאשר מציינים חלקי קרמיקה סיליקון ניטריד, לא מספיק לצטט את שם החומר. מפרט מלא צריך לציין את נתיב הייצור, מערכת התוספות, יחס שלב אלפא לבטא, הצפיפות ורמת התכונה המכנית הנדרשת. הצפיפות נקבעת בדרך כלל על ידי שיטת ארכימדס, חוזק כיפוף על ידי כיפוף ארבע- תחת ISO 14704 או ASTM C1161, וקשיחות שבר על ידי ASTM C1421. הקונים צריכים גם לאשר את הנקבוביות המותרת, טמפרטורת השירות המקסימלית ואת גימור פני השטח הנדרש ליישום ההזדווגות.

הבחירה באה לפי חובת החלק. רכיבים גדולים ומורכבים מבחינה גיאומטרית שרואים מחזוריות תרמית, כגון חומרה לטיפול במתכת מותכת, צינורות הגנה על צמד תרמי, צינורות הרמה וחירי מבערים, מיוצרים בדרך כלל על ידי סינטר תגובה, מכיוון שיציבות הממדים וחופש העיצוב חשובים יותר מאשר חוזק שיא. ללבוש חלקים קריטיים כגון טבעות איטום, מיסבים, גלילי מנחה, תוספות חיתוך, פיני ריתוך, אטמי זוהרים ורכיבי מגדש טורבו מיוצרים על ידי לחיצה חמה או סינטר בלחץ גז, כאשר צפיפות, קשיות ואמינות עייפות תחת עומס מגע מחזורי קובעות את חיי השירות.

שאלות נפוצות

ש: מהן שתי שיטות הייצור העיקריות של מוצרי קרמיקה סיליקון ניטריד?
סינטר ריאקציונלי (Reaction sintering), בו מניטרידים גוף המכיל סיליקון בכבשן, וכבישה חמה, בה נדחסת אבקת סיליקון ניטריד עם תוספים ומחנטת בלחץ בטמפרטורה גבוהה.

ש: באילו טמפרטורות משתמשים בסינטר ריאקציה?
טרום-ניטרידה מתבצעת ב-1150 עד 1200 מעלות כדי לפתח חוזק טיפול, ולאחר מכן ניטרידה סופית ב-1350 עד 1450 מעלות למשך 18 עד 36 שעות עד שהסיליקון הופך לחלוטין.

ש: באילו תוספים משתמשים בכבישה חמה?
כמויות קטנות של תחמוצת מגנזיום, תחמוצת אלומיניום, מגנזיום פלואוריד, אלומיניום פלואוריד או תחמוצת ברזל, היוצרות פאזה נוזלית המקדמת צפיפות.

ש: מדוע חלקים בכבישה חמה-מתפקדים טוב יותר מחלקים מחוטאים בתגובה?
צפיפות בעזרת לחץ מסיר את רוב הנקבוביות, ומעניקה צפיפות גבוהה יותר, חוזק כיפוף גבוה יותר, קשיות גבוהה יותר ועמידות בפני שחיקה טובה יותר מהדרגה המלוכדת בתגובה נקבוביות מטבעה.

ש: מדוע ניתן לעבד חלקים מחוטאים בתגובה לפני הניגוד הסופי?
לאחר טרום-חנקה לגוף יש חוזק חלקי בלבד, כך שכלי מכונות רגילים יכולים לחתוך את התכונות הסופיות; השינוי הממד הקטן בשלב הסופי משמר אז את הטלרנסים המעובדים.

ש: מהן המגבלות של סיליקון ניטריד חם-?
כבישה חד-צירית היא תהליך אצווה המוגבל לצורות פשוטות כמו דיסקים, צלחות וטבעות, עם עלויות כלי עבודה ואנרגיה גבוהות יותר, כך שחלקים מורכבים דורשים השחזה של יהלום לאחר מכן.