Procesos de sinterización comunes para cerámicas de carburo de silicio
1.Sinterización por reacción
El proceso de sinterización por reacción de carburo de silicio comienza con la mezcla de una fuente de carbono y polvo de carburo de silicio. Después de formar la mezcla mediante colada en barbotina, prensado en seco o prensado isostático en frío, se prepara un cuerpo verde. Posteriormente, la reacción de infiltración de silicio se produce calentando el cuerpo verde por encima de 1500 °C en vacío o en una atmósfera inerte. El silicio sólido se funde en silicio líquido, impregnando el cuerpo verde a través de la acción capilar. La reacción química entre el silicio líquido (o vapor de silicio) y el carbono en el cuerpo da como resultado la formación in situ de β-SiC, que se une a las partículas de SiC existentes, formando un material cerámico de carburo de silicio sinterizado por reacción. Los factores clave que influyen en el rendimiento del carburo de silicio sinterizado por reacción incluyen el tamaño y tipo de fuente de carbono, el tamaño de las partículas de las materias primas de carburo de silicio, la porosidad del cuerpo verde, la temperatura de sinterización y el tiempo de retención. Las ventajas de la sinterización por reacción incluyen baja temperatura de sinterización, bajo costo de producción y alta densificación del material, lo que la hace particularmente adecuada para la fabricación de componentes estructurales de gran tamaño y formas complejas. Las aplicaciones típicas incluyen materiales de hornos de alta temperatura, tubos de radiación, intercambiadores de calor y boquillas de desulfuración.
2. Sinterización sin presión
La sinterización del carburo de silicio sin presión se produce sin aplicar presión externa. Se añaden coadyuvantes de sinterización adecuados y se consigue una sinterización densa entre 2000°C y 2150°C. El proceso se puede clasificar en sinterización en fase sólida y sinterización en fase líquida según la forma del auxiliar de sinterización. La sinterización en fase sólida emplea B y C como auxiliares de sinterización, con otras opciones que incluyen B4C + C, BN + C, BP + C, AlB2 + C. La sinterización en fase sólida puede lograr una alta densidad (3,10 - 3,15 g/cm³) sin intergranular. fase vítrea, que exhibe excelentes propiedades mecánicas a alta temperatura con una temperatura de uso de hasta 1600°C. Sin embargo, si la temperatura de sinterización es demasiado alta, puede producirse un tamaño de grano grande y una resistencia a la flexión reducida. La sinterización en fase líquida utiliza ciertas cantidades de óxidos multicomponentes de bajo contenido eutéctico como coadyuvantes de sinterización, logrando la densificación del SiC a temperaturas más bajas. El proceso da como resultado granos equiaxiales finos y uniformes, y la introducción de una fase líquida debilita la unión de la interfaz, lo que lleva a una fractura transgranular completa y una resistencia y tenacidad significativamente mejoradas. La sinterización sin presión de carburo de silicio es una tecnología madura con ventajas como la capacidad de utilizar varios procesos de conformación, un bajo costo de producción y la capacidad de lograr alta resistencia y tenacidad con los aditivos adecuados. Los productos industriales típicos incluyen anillos de sellado resistentes al desgaste y a la corrosión y cojinetes deslizantes, entre otros.
3. Sinterización por prensado en caliente
La sinterización por prensado en caliente implica llenar con polvo de carburo de silicio seco un molde de grafito de alta resistencia. La aplicación simultánea de presión axial y calentamiento en condiciones controladas de presión, temperatura y tiempo da como resultado la sinterización y la conformación del carburo de silicio. El proceso se beneficia de la aplicación simultánea de calor y presión, donde el polvo se encuentra en un estado termoplástico, lo que facilita los procesos de contacto de partículas, difusión y transferencia de masa en flujo. Este método puede producir cerámicas de carburo de silicio con granos finos, alta densidad relativa y excelentes propiedades mecánicas a temperaturas de sinterización más bajas y tiempos de sinterización más cortos. Sin embargo, la complejidad de los equipos y procesos, los altos requisitos para los materiales de los moldes, la aplicabilidad limitada a piezas de formas simples, la baja eficiencia de producción y los altos costos de producción son desventajas notables. Por ello, este método es adecuado principalmente para aplicaciones especiales.
4. Sinterización por prensado isostático en caliente (HIP)
HIP implica someter los materiales (polvos, cuerpos verdes o cuerpos sinterizados) a una presión equilibrada durante el proceso de calentamiento, utilizando gases inertes como el argón o el nitrógeno como medios de transmisión de presión. La combinación de alta temperatura y alta presión promueve la densificación. La tecnología HIP puede producir materiales completamente homogéneos, microestructuralmente uniformes, de grano fino y completamente densos a temperaturas de sinterización más bajas y tiempos más cortos. Es adecuado para preparar productos de formas complejas, especialmente cuando los requisitos bajos de polvo son esenciales para la preparación de cerámicas de nanopartículas. La tecnología permite un control preciso de las dimensiones finales del producto, requiriendo un posprocesamiento mínimo o incluso permitiendo un uso directo sin procesamiento adicional. Sin embargo, la sinterización HIP se caracteriza por altas barreras para la tecnología de encapsulación y altos costos de inversión y operación, lo que limita su aplicación generalizada.
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