Cos'è il nitruro di silicio e come viene prodotto
Il nitruro di silicio (Si3N4) è un composto covalente di silicio e azoto. Entrambi gli elementi sono abbondanti, ma il composto non si trova naturalmente in una forma utilizzabile, quindi viene prodotto sinteticamente. I percorsi industriali includono l'incollaggio a reazione, in cui la polvere di silicio viene nitrurata in un'atmosfera controllata, e percorsi di sinterizzazione in cui la polvere di nitruro di silicio con ausili di sinterizzazione di ossido viene densificata mediante sinterizzazione senza pressione, sinterizzazione a pressione di gas o pressatura isostatica a caldo. I gradi commerciali in genere raggiungono circa il 95%-99% della densità teorica e tale densità è il punto di partenza per ogni proprietà descritta di seguito.
Resistenza meccanica e durezza
Il nitruro di silicio sinterizzato ha un'elevata resistenza meccanica e una buona durezza. La resistenza alla flessione a temperatura ambiente è comunemente riportata a 980 MPa e oltre, paragonabile a quella dell'acciaio legato, e gran parte di tale resistenza viene mantenuta fino a circa 1200 gradi Celsius, cosa insolita per una ceramica tecnica. La durezza Vickers dei gradi densi è tipicamente compresa tra 1400 e 1700 HV, vicina a quella delle ceramiche dense di ossido di alluminio. Nel contatto strisciante il materiale si comporta come una ceramica autolubrificante, garantendo basso attrito e buona resistenza all'usura senza lubrificazione esterna. La resistenza alla flessione è normalmente verificata secondo ISO 14704 a temperatura ambiente e ISO 17565 a temperatura elevata, con ASTM C1161 accettato come alternativa, mentre la durezza segue ISO 14705.
Proprietà termiche e resistenza allo shock termico
Il nitruro di silicio ha un basso coefficiente di dilatazione termica, nella regione da 3,0 a 3,3 x 10 alla potenza meno 6 per Kelvin, insieme a un'utile conduttività termica, quindi resiste alle fessurazioni sotto improvvisi cambiamenti di temperatura. Una qualifica comune è il raffreddamento dalla temperatura ambiente alla banda dei 1000 gradi Celsius senza formazione di crepe visibili. Bassa espansione, elevata resistenza e conduttività moderata spiegano insieme perché il materiale viene scelto per la saldatura di perni di posizionamento, tubi di protezione per termocoppie e parti di contatto in metallo fuso in cui il ciclo termico è continuo.
Resistenza chimica
Il materiale ha una chimica stabile. Resiste a quasi tutti gli acidi inorganici, con l'eccezione degna di nota dell'acido fluoridrico, e resiste alle soluzioni di idrossido di sodio con una concentrazione inferiore al 30% circa. Molti media organici hanno scarso effetto su di esso. Non è resistente ai metalli non ferrosi fusi e l'alluminio fuso in particolare bagna e attacca la superficie, quindi l'immersione diretta nell'alluminio fuso richiede un rivestimento barriera o un materiale diverso. Il nitruro di silicio resiste anche a una forte esposizione alle radiazioni senza una notevole perdita di proprietà meccaniche.
Densità, proprietà elettriche e altre proprietà fisiche
La densità è tipicamente compresa tra 3,1 e 3,3 grammi per centimetro cubo, circa due quinti di quella dell'acciaio, il che riduce il carico centrifugo sulle parti rotanti ad alta velocità. Il materiale è un buon isolante elettrico, con resistività di volume compresa tra 10 alla potenza 12 fino a 10 alla potenza 14 ohm centimetri a temperatura ambiente e rigidità dielettrica adatta per isolare componenti di apparecchiature elettriche. La densità e la porosità apparente vengono normalmente controllate secondo la norma ISO 18754.
Forme e usi industriali tipici
Sfere e rulliper cuscinetti interamente in ceramica e ibridi dove sono richiesti isolamento elettrico e capacità ad alta velocità.
Anelli di tenuta e facce di tenuta meccanicaper pompe che movimentano fanghi abrasivi e liquidi chimicamente aggressivi.
Boccole di guida, perni di saldatura e perni di posizionamentonel settore automobilistico e negli utensili per saldatura a resistenza.
Ugelli e rivestimenti antiusuraper il controllo del flusso abrasivo ed erosivo.
Tubi di protezione termocoppia e tubi montantinelle fonderie di alluminio e di altri materiali non ferrosi, utilizzato sopra la linea di fusione.
Substrati e parti isolantinell'elettronica di potenza e nelle apparecchiature elettriche ad alta temperatura.
Note di selezione e controllo qualità
| Proprietà | Valore tipico per il grado sinterizzato denso | Riferimento alla prova |
|---|---|---|
| Resistenza alla flessione, 20 gradi Celsius | 980 MPa e oltre | ISO 14704/ASTM C1161 |
| Resistenza alla flessione, temperatura elevata | Mantenuto a circa 1200 gradi Celsius | ISO 17565 |
| Durezza Vickers | da 1400 a 1700 alta tensione | ISO 14705 |
| Densità | Da 3,1 a 3,3 grammi per centimetro cubo | ISO 18754 |
| Coefficiente di dilatazione termica | Da 3,0 a 3,3 x 10 alla potenza meno 6 per Kelvin | Dilatometria |
| Shock termico | Nessuna crepa dopo lo spegnimento a circa 1000 gradi Celsius | Prova di spegnimento in acqua |
| Resistenza agli acidi | La maggior parte degli acidi inorganici, escluso l'acido fluoridrico | Prova di immersione |
| Resistenza agli alcali | Concentrazione di idrossido di sodio inferiore a circa il 30%. | Prova di immersione |
Domande frequenti
D: Il nitruro di silicio è presente in natura?
No. Il silicio e l'azoto sono elementi comuni, ma il nitruro di silicio naturale non si trova nei depositi utilizzabili, quindi tutto il materiale industriale viene sintetizzato, solitamente mediante nitrurazione del silicio o sinterizzazione della polvere di nitruro di silicio.
D: Perché il materiale resiste così bene allo shock termico?
La bassa espansione termica limita la deformazione generata da un gradiente di temperatura, mentre la resistenza e la conduttività termica consentono alla parte di sopravvivere allo spegnimento dalla temperatura ambiente a circa 1000 gradi Celsius.
D: Quali sostanze chimiche attaccano il nitruro di silicio?
L'acido fluoridrico lo attacca, l'idrossido di sodio concentrato caldo attacca la superficie e i metalli non ferrosi fusi la bagnano, di cui l'alluminio fuso è il caso comune più aggressivo.
D: È possibile utilizzare il nitruro di silicio all'interno dell'alluminio fuso?
Non in contatto diretto. L'alluminio fuso bagna e dissolve la superficie, quindi i componenti utilizzati nella fusione necessitano di un rivestimento protettivo o di una ceramica diversa, sebbene i tubi utilizzati sopra la linea di fusione funzionino bene.
D: Come si confronta la sua densità con quella dell'acciaio?
La densità tipica è compresa tra 3,1 e 3,3 grammi per centimetro cubo, circa due quinti di quella dell'acciaio, che riduce lo stress centrifugo sulle parti rotanti veloci.
D: Quali standard si applicano ai componenti in nitruro di silicio?
ISO 14704 e ISO 17565 per la resistenza alla flessione, ISO 14705 per la durezza, ISO 18754 per densità e porosità e ASTM C1161 come metodo accettato per la resistenza a temperatura ambiente.
