Processi ad alto stress con carburo di silicio sinterizzato

Il carburo di silicio sinterizzato offre proprietà eccellenti, che lo rendono adatto ad applicazioni ad alte prestazioni nei componenti aeronautici, nel settore automobilistico e nella produzione di semiconduttori. Grazie alla sua eccellente stabilità termica e al basso coefficiente di dilatazione, è in grado di resistere a sbalzi di temperatura estremi senza subire fessurazioni o deformazioni sotto sforzo.

La sinterizzazione tradizionale a pressa a caldo richiede attrezzature complesse e una progettazione accurata degli stampi, il che ne limita l'applicazione a forme relativamente semplici. Tuttavia, le innovazioni relative alla chimica degli agenti di sinterizzazione e alla progettazione dei processi consentiranno a questo metodo di superare tali ostacoli.

Durezza

Il carburo di silicio è un materiale eccezionalmente resistente e denso, dotato di un'eccellente resistenza al calore e agli urti, che lo rende adatto all'impiego negli ugelli dei motori a reazione e nei giubbotti antiproiettile. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione chimica, all'ossidazione e agli shock termici lo rende una scelta eccellente.

La ceramica al carburo di silicio viene prodotta sinterizzando polvere fine di carburo di silicio con leganti non ossidici, quali il nerofumo o il nitruro di boro, per formare una pasta che viene poi compattata mediante estrusione, pressatura isostatica a freddo o estrusione in tubi, blocchi o altre forme utilizzando tecniche di estrusione o pressatura isostatica a freddo e compattata a temperature fino a 1720 °C in un forno industriale.

La sinterizzazione senza pressione consente di ottenere un materiale con purezza e densità superiori rispetto al carburo di silicio sinterizzato per reazione standard, il che si traduce in granulometrie significativamente più fini, una maggiore resistenza alla flessione a temperatura ambiente, una maggiore resistenza alla propagazione delle cricche e un coefficiente di dilatazione termica complessivamente inferiore.

Conduttività termica

Il SIC vanta un'eccellente conduttività termica e resistenza alle temperature elevate, il che lo rende adatto ad applicazioni che richiedono durata nel tempo, come i processi aerospaziali e metallurgici. Inoltre, offre resistenza all'abrasione e alla corrosione.

Il carburo di silicio legato per reazione (RBSiC) rappresenta un'alternativa interessante al tradizionale carburo di silicio sinterizzato. Grazie alle basse temperature di sinterizzazione e alle semplici tecniche di formatura dei metalli, consente di realizzare componenti complessi in grandi volumi. Inoltre, la sua resistenza alla flessione a temperatura ambiente, pari a 300 MPa, regge bene il confronto con quella del tradizionale carburo di silicio sinterizzato.

La purezza della materia prima influisce direttamente sulle prestazioni del carburo di silicio sinterizzato. Le polveri ad alta purezza consentono temperature di sinterizzazione più basse, garantendo una migliore densificazione e una riduzione dei difetti, con il risultato finale di proprietà meccaniche e termiche superiori per qualsiasi applicazione esigente. Il carburo di silicio sinterizzato Purebide™ di Morgan offre una purezza pari o superiore a 99,0%, garantendo un’eccezionale resistenza alla fatica in ambienti difficili, nonché migliori prestazioni in termini di velocità di pressione tra coppie di superfici di accoppiamento con rivestimento duro, consentendo una riduzione del costo totale del ciclo di vita con un eccellente ritorno sull’investimento.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio sinterizzato è ben noto per la sua resistenza all'ossidazione e alla corrosione in ambienti ad alta temperatura, il che lo rende un materiale molto richiesto per pompe chimiche, parti di bruciatori, componenti di forni e persino impianti di lavorazione chimica. Inoltre, la sua struttura robusta ma stabile garantisce la sua resistenza anche a temperature fino a 1600 °C.

Il carburo di silicio sinterizzato richiede un processo di produzione complesso per ottenere le proprietà meccaniche ideali. La sinterizzazione reattiva produce ceramiche con una microstruttura densa e una composizione uniforme, ma presenta una serie di limiti che ne restringono l'impiego in determinate applicazioni.

La polvere grezza ad alta purezza garantisce la massima resistenza meccanica durante la sinterizzazione reattiva del carburo di silicio, mentre le impurità indeboliscono i bordi dei grani o formano fasi indesiderate che riducono la resistenza alle sollecitazioni e all’usura. Inoltre, il carburo di silicio sinterizzato ad alta purezza resiste meglio agli shock termici – un vantaggio inestimabile in ambienti industriali difficili dove gli sbalzi improvvisi di temperatura spesso giocano un ruolo fondamentale. Le rapide fluttuazioni di temperatura contribuiscono a evitare guasti ai sensori e a ridurre i costi di manutenzione in applicazioni quali altiforni e inceneritori, dove le variazioni di temperatura sono spesso rapide e drastiche: si tratta di vantaggi particolarmente significativi quando si ha a che fare con sbalzi termici rapidi nelle applicazioni relative ad altiforni e inceneritori.

Forza

Il carburo di silicio è il materiale ideale per applicazioni che richiedono elevata resistenza meccanica, conducibilità termica e resistenza all'ossidazione. Viene spesso impiegato nelle pompe per processi chimici, nei componenti dei forni e nelle parti dei forni industriali grazie alla sua capacità di resistere a temperature estreme e all'esposizione a sostanze chimiche.

Nella produzione del SiC vengono impiegate diverse tecniche per ottenere la microstruttura desiderata. Questi processi spaziano dal legame reattivo e dalla pressatura a caldo alla sinterizzazione; ciascuno di essi ha un impatto diverso sulla microstruttura e sulle caratteristiche prestazionali del prodotto finale.

Il carburo di silicio legato per reazione (RBSiC) può essere prodotto infiltrando silicio liquido in un corpo ceramico poroso di a-SiC contenente carbonio e iniettandovi silicio liquido fuso, il quale reagisce con il carbonio presente per formare b-SiC e riempire eventuali pori al suo interno. L’RBSiC presenta bassi valori di energia di attivazione e di esponente di sollecitazione, il che si traduce in una forte resistenza allo scorrimento grazie allo scorrimento lungo i bordi dei grani, nonché in limiti di cavitazione sulla deformazione da scorrimento.