Wat siliciumnitride is en hoe het wordt geproduceerd
Siliciumnitride (Si3N4) is een covalente verbinding van silicium en stikstof. Beide elementen zijn overvloedig aanwezig, maar de verbinding komt van nature niet in een bruikbare vorm voor en wordt daarom synthetisch geproduceerd. Industriële routes omvatten reactiebinding, waarbij siliciumpoeder wordt genitreerd in een gecontroleerde atmosfeer, en sinterroutes waarbij siliciumnitridepoeder met oxide-sinterhulpmiddelen wordt verdicht door drukloos sinteren, sinteren onder gasdruk of heet isostatisch persen. Commerciële kwaliteiten bereiken doorgaans ongeveer 95% tot 99% van de theoretische dichtheid, en die dichtheid is het uitgangspunt voor elke eigenschap die hieronder wordt beschreven.
Mechanische sterkte en hardheid
Gesinterd siliciumnitride heeft een hoge mechanische sterkte en een goede hardheid. Buigsterkte bij kamertemperatuur wordt gewoonlijk gerapporteerd bij 980 MPa en hoger, vergelijkbaar met gelegeerd staal, en een groot deel van die sterkte blijft behouden tot ongeveer 1200 graden Celsius, wat ongebruikelijk is voor technisch keramiek. De Vickers-hardheid van dichte kwaliteiten ligt doorgaans in het gebied van 1400 tot 1700 HV, dicht bij die van dichte aluminiumoxide-keramiek. Bij glijdend contact gedraagt het materiaal zich als een zelfsmerende keramiek, waardoor lage wrijving en goede slijtvastheid ontstaat zonder externe smering. Buigsterkte wordt normaal gesproken geverifieerd volgens ISO 14704 bij kamertemperatuur en ISO 17565 bij verhoogde temperatuur, waarbij ASTM C1161 als alternatief wordt geaccepteerd, terwijl de hardheid ISO 14705 volgt.
Thermische eigenschappen en weerstand tegen thermische schokken
Siliciumnitride heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, in de buurt van 3,0 tot 3,3 x 10 tot de macht minus 6 per Kelvin, samen met een bruikbare thermische geleidbaarheid, zodat het bestand is tegen scheuren bij plotselinge temperatuurveranderingen. Een veel voorkomende kwalificatie is een afkoeling van kamertemperatuur tot in de 1000 graden Celsius-band zonder zichtbare scheurvorming. Lage uitzetting, hoge sterkte en matige geleidbaarheid verklaren samen waarom dit materiaal wordt gekozen voor laslocatiepennen, thermokoppelbeschermingsbuizen en contactonderdelen van gesmolten metaal waar thermische cycli continu plaatsvinden.
Chemische weerstand
Het materiaal heeft een stabiele chemie. Het is bestand tegen bijna alle anorganische zuren, met fluorwaterstofzuur als opmerkelijke uitzondering, en is bestand tegen natriumhydroxideoplossingen met een concentratie van minder dan ongeveer 30%. Veel organische media hebben er weinig effect op. Het is niet bestand tegen gesmolten non-ferrometalen, en vooral gesmolten aluminium bevochtigt en tast het oppervlak aan, dus directe onderdompeling in aluminiumsmelt vereist een barrièrecoating of een ander materiaal. Siliciumnitride is ook bestand tegen sterke blootstelling aan straling zonder groot verlies aan mechanische eigenschappen.
Dichtheid, elektrische en andere fysieke eigenschappen
De dichtheid is doorgaans 3,1 tot 3,3 gram per kubieke centimeter, ongeveer twee vijfde van die van staal, waardoor de centrifugale belasting op snel roterende onderdelen wordt verminderd. Het materiaal is een goede elektrische isolator, met een volumeweerstand in het bereik van 10 tot 12 ohm tot 10 tot 14 ohm centimeter bij kamertemperatuur, en een diëlektrische sterkte die geschikt is voor het isoleren van componenten in elektrische apparatuur. Dichtheid en schijnbare porositeit worden normaal gesproken gecontroleerd volgens ISO 18754.
Typische industriële vormen en toepassingen
Ballen en rollenvoor volledig keramische en hybride lagers waarbij elektrische isolatie en hoge snelheden vereist zijn.
Afdichtingsringen en mechanische afdichtingsvlakkenvoor pompen die schurende slurries en chemisch agressieve vloeistoffen verpompen.
Geleidebussen, laspennen en locatiepennenin automobiel- en weerstandslasgereedschappen.
Mondstukken en slijtvoeringenvoor abrasieve en erosieve stroomcontrole.
Thermokoppelbeschermbuizen en stijgbuizenin aluminium- en andere non-ferro-smelterijen, gebruikt boven de smeltlijn.
Substraten en isolatiedelenin vermogenselektronica en elektrische apparatuur voor hoge temperaturen.
Selectienotities en kwaliteitscontrole
| Eigendom | Typische waarde voor dicht gesinterde kwaliteit | Testreferentie |
|---|---|---|
| Buigsterkte, 20 graden Celsius | 980 MPa en hoger | ISO 14704 / ASTM C1161 |
| Buigsterkte, verhoogde temperatuur | Gehouden tot ongeveer 1200 graden Celsius | ISO17565 |
| Vickers-hardheid | 1400 tot 1700 hoogspanning | ISO14705 |
| Dikte | 3,1 tot 3,3 gram per kubieke centimeter | ISO18754 |
| Coëfficiënt van thermische uitzetting | 3,0 tot 3,3 x 10 tot de macht min 6 per Kelvin | Dilatometrie |
| Thermische schok | Geen barsten na afschrikken tot ongeveer 1000 graden Celsius | Waterafschriktest |
| Zuurbestendigheid | De meeste anorganische zuren, met uitzondering van waterstoffluoride | Onderdompelingstest |
| Alkali-resistentie | Natriumhydroxide onder een concentratie van ongeveer 30% | Onderdompelingstest |
Veelgestelde vragen
Vraag: Komt siliciumnitride in de natuur voor?
Nee. Silicium en stikstof zijn gemeenschappelijke elementen, maar natuurlijk siliciumnitride wordt niet aangetroffen in bruikbare afzettingen, dus wordt al het industriële materiaal gesynthetiseerd, meestal door silicium te nitreren of door siliciumnitridepoeder te sinteren.
Vraag: Waarom is het materiaal zo goed bestand tegen thermische schokken?
Lage thermische uitzetting beperkt de spanning die wordt gegenereerd door een temperatuurgradiënt, terwijl sterkte en thermische geleidbaarheid ervoor zorgen dat het onderdeel het afschrikken van kamertemperatuur tot ongeveer 1000 graden Celsius overleeft.
Vraag: Welke chemicaliën vallen siliciumnitride aan?
Fluorwaterstofzuur tast het aan, heet geconcentreerd natriumhydroxide tast het oppervlak aan en gesmolten non-ferrometalen bevochtigen het, waarbij gesmolten aluminium het meest agressieve voorkomende geval is.
Vraag: Kan siliciumnitride worden gebruikt in gesmolten aluminium?
Niet in direct contact. Gesmolten aluminium bevochtigt en lost het oppervlak op, dus componenten die in de smelt worden gebruikt, hebben een beschermende coating of een ander keramiek nodig, hoewel buizen die boven de smeltlijn worden gebruikt goed presteren.
Vraag: Hoe verhoudt de dichtheid zich tot staal?
De typische dichtheid is 3,1 tot 3,3 gram per kubieke centimeter, ongeveer twee vijfde van die van staal, wat de centrifugale spanning op snel roterende onderdelen verlaagt.
Vraag: Welke normen zijn van toepassing op componenten van siliciumnitride?
ISO 14704 en ISO 17565 voor buigsterkte, ISO 14705 voor hardheid, ISO 18754 voor dichtheid en porositeit, en ASTM C1161 als geaccepteerde sterktemethode bij kamertemperatuur.
