La céramique de nitrure de silicium, avec sa légère densité, sa haute résistance, sa résistance à l'usure, ses excellentes propriétés d'isolation électrique et d'autolubrification, se distingue dans le domaine des roulements en céramique, en particulier dans des conditions de travail extrêmes telles que vitesse élevée, température élevée, faible couple et lubrification à l'huile pauvre, billes en nitrure de silicium en tant que corps roulant, les roulements en céramique présentent un excellent potentiel d'application. Cependant, les fortes propriétés de liaison covalente du nitrure de silicium rendent difficile sa densification par frittage en phase solide, ce qui pose des défis à la préparation de céramiques de nitrure de silicium. Dans cet article, le processus de frittage en phase liquide des céramiques de nitrure de silicium, y compris le frittage atmosphérique, le frittage par pressage à chaud et le frittage sous pression, ainsi que l'influence de ces processus sur la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques de nitrure de silicium sont discutés.
La céramique de nitrure de silicium est le premier choix de rouleaux de roulement en céramique avec ses excellentes propriétés telles que la légèreté, la haute résistance, la résistance à l'abrasion, l'isolation électrique et l'autolubrification. Les roulements en céramique avec des billes en céramique de nitrure de silicium comme corps roulants sont particulièrement adaptés à une utilisation dans des conditions de travail telles que la lubrification à haute vitesse, à haute température, à faible couple et à l'huile pauvre, comme les roulements de broche motorisés à grande vitesse pour les machines-outils de précision, les roulements d'énergie éolienne et roulements aérospatiaux.
Le nitrure de silicium est un composé de liaison covalente puissant avec un faible coefficient d'auto-diffusion et une force motrice de frittage insuffisante, il est donc difficile d'obtenir une densification par simple frittage en phase solide. Par conséquent, une certaine quantité d’additifs de frittage doit être ajoutée pour compléter le processus de densification par frittage en phase liquide. Le principe du frittage en phase liquide des céramiques de nitrure de silicium est que les additifs de frittage réagissent avec SiO2 à la surface de la poudre de nitrure de silicium pour former une phase liquide, et sous l'action de la phase liquide, il atteint la densification grâce au processus de réarrangement des particules, solution -précipitations et croissance des grains.
Les méthodes de frittage en phase liquide couramment utilisées pour les céramiques à base de nitrure de silicium comprennent le frittage sous pression atmosphérique, le frittage par presse à chaud et le frittage sous pression atmosphérique.
Le nitrure de silicium commence à se décomposer après 1700°, afin d'inhiber la décomposition du nitrure de silicium, le frittage à pression atmosphérique est généralement effectué avec de la poudre enterrée, mais l'effet de la poudre enterrée est limité, de sorte que la température du frittage à pression atmosphérique ne peut pas dépasser 1750°, et un grand nombre d'additifs de frittage doivent être ajoutés pour favoriser la densification, ce qui affecte sérieusement les performances du produit.
Le frittage par presse à chaud consiste à obtenir une densification sous la double action de la phase liquide et de la pression mécanique, la température de frittage est basse et les performances du produit sont excellentes, mais en raison de la limitation du moule en graphite, il ne peut être utilisé que pour produire des produits aux formes simples et la capacité de production est faible.
Le frittage sous pression (GPS) repose sur l'azote à haute pression (1 ~ 10 MPa) pour inhiber la décomposition du nitrure de silicium, peut augmenter la température de frittage des céramiques de nitrure de silicium à plus de 1900 °C, résoudre la contradiction entre la densification et la décomposition à haute température. du processus de frittage des céramiques de nitrure de silicium, peut réduire la quantité d'additifs de frittage, améliorer les performances des produits, adaptés à la production de masse.
À l'heure actuelle, il existe de nombreux rapports publiés sur l'effet du processus de frittage pneumatique sur la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques de nitrure de silicium.
Par exemple, Zhou Changling et al. a utilisé de la poudre de β-Si3N4 comme matière première et du grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) comme agent de frittage pour produire des céramiques de nitrure de silicium par processus de frittage sous pression, et a découvert que le degré de densification et les propriétés mécaniques des céramiques de nitrure de silicium augmentaient d'abord, puis diminuaient avec l'augmentation de température de frittage.
Mitomo et al., utilisant de la poudre α-Si3N4 et de la poudre β-Si3N4 comme matières premières et du MgO-Y2O3 comme agent de frittage, ont étudié les différences de microstructure des céramiques de nitrure de silicium frittées par la pression de différentes matières premières et ont découvert que sous la même Dans certaines conditions, la microstructure des céramiques de nitrure de silicium préparées avec de la poudre α-Si3N4 comme matière première présentait un état bimodal et des grains grossiers de β-Si3N4. La microstructure des céramiques de nitrure de silicium préparées avec de la poudre β-Si3N4 était uniforme et présentait un état unimodal.
En résumé, le processus de préparation des céramiques de nitrure de silicium, en particulier la technologie de frittage en phase liquide, a un effet crucial sur sa microstructure et ses propriétés mécaniques. En comparant les avantages et les inconvénients de différentes méthodes telles que le frittage atmosphérique, le frittage par pressage à chaud et le frittage pneumatique, nous pouvons constater que le frittage pneumatique présente des performances exceptionnelles pour augmenter la température de frittage, inhiber la décomposition du nitrure de silicium, réduire la quantité d'additifs de frittage et améliorer la performance des produits et convient à la production en série de céramiques de nitrure de silicium haute performance. Dans le même temps, la sélection de différentes matières premières et additifs de frittage a également un effet significatif sur la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques de nitrure de silicium. À l'avenir, avec l'approfondissement de la recherche et les progrès continus de la technologie, le processus de préparation des céramiques de nitrure de silicium sera plus parfait et son application dans les machines-outils de précision, l'énergie éolienne, l'aérospatiale et d'autres domaines sera plus étendue.
