Carburo di silicio e SiC sinterizzato

Le ceramiche in carburo di silicio (SiC) sono note per le loro eccezionali proprietà, quali l'elevata durezza, la buona resistenza all'usura, la bassa dilatazione termica e la resistenza alla corrosione in ambienti difficili. Il SiC è disponibile sia in forma legata per reazione che sinterizzata.

Il sinterizzazione consiste nel far reagire e infiltrare silicio in fase vapore in una billetta di acciaio a base di grafite porosa per produrre un corpo sinterizzato per reazione a piena densità, a seconda della temperatura, del tempo di mantenimento alla temperatura desiderata e degli accessori utilizzati durante la produzione. La resistività elettrica di questo prodotto varia in funzione di tali variabili.

Durezza

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali più duri esistenti sulla Terra, in grado di resistere a temperature, pressioni e corrosione estreme senza perdere la propria resistenza. Inoltre, questo semiconduttore vanta un’elevata conduttività termica. Grazie alla sua durezza e resistenza, il SiC rappresenta una scelta eccellente come materiale per le tenute meccaniche.

La resistenza all'usura e alla corrosione rende queste guarnizioni particolarmente adatte all'impiego in applicazioni caratterizzate da condizioni ambientali difficili o da carichi elevati, quali gli impianti di produzione di petrolio e gas, gli stabilimenti di produzione di semiconduttori o i macchinari industriali in generale.

La ceramica SiC sinterizzata presenta la resistenza più elevata tra le ceramiche ed è nota per la sua eccezionale resistenza termica. Anche a temperature che raggiungono i 1400 °C, le sue prestazioni rimangono inalterate, rendendola adatta alla realizzazione di piastre corazzate, utensili da taglio e scudi balistici.

Mascera produce SiC in due forme: sinterizzato direttamente e legato per reazione. Il materiale sinterizzato direttamente utilizza una polvere di a-SiC che viene riscaldata ad alte temperature durante la sinterizzazione per formare corpi grezzi densi con forti legami interstrato, ideali per applicazioni ad alta temperatura o come alternativa ai materiali legati per reazione. Il materiale legato per reazione offre maggiori opzioni e, di conseguenza, tende ad essere utilizzato maggiormente per lavori ad alta temperatura e come sostituto in applicazioni ad alto volume.

Il SiC ottenuto per sinterizzazione reattiva viene prodotto a partire da una billetta di acciaio porosa che viene infiltrata con silicio in fase vapore per formare particelle reattive di b-SiC che si combinano con i grani di a-SiC già presenti, dando origine a corpi densi di SiC caratterizzati da temperature di sinterizzazione inferiori e da una maggiore tenacità alla frattura rispetto alle versioni di questo materiale ottenute mediante sinterizzazione diretta.

Conduttività termica

Il carburo di silicio è caratterizzato da un’elevata conduttività termica e da un’ottima resistenza alla corrosione, che lo rendono adatto ad applicazioni ad alta temperatura. Inoltre, questo materiale viene spesso utilizzato nelle tenute meccaniche grazie alla sua durata e alla sua resistenza all’usura; temperature fino a 1400 gradi Celsius non ne compromettono in alcun modo la resistenza.

La conduttività termica del carburo di silicio sinterizzato dipende sia dal processo di produzione che dagli additivi, comprese le condizioni di sinterizzazione e la natura degli additivi stessi. Le condizioni di sinterizzazione influenzano la struttura del materiale ceramico ottenuto, mentre metodi diversi danno origine a microstrutture diverse. Le forme di carburo di silicio ottenute mediante sinterizzazione diretta e quelle ottenute mediante sinterizzazione con legame reattivo presentano valori di resistenza alla flessione, coefficienti di dilatazione termica e proprietà di resistenza chimica diversi rispetto alle loro controparti ottenute mediante sinterizzazione diretta.

La qualità del SiC sinterizzato può essere determinata anche dalla temperatura di sinterizzazione e dagli additivi, poiché la densità e la resistenza alla flessione del SiC dipendono dal tipo di additivo utilizzato; il SiC sinterizzato per reazione offre una buona resistenza agli acidi e agli alcali, ma subisce una perdita di resistenza alla flessione dopo aver raggiunto i 1000 gradi Celsius.

Il carburo di silicio sinterizzato direttamente vanta una resistenza alla flessione superiore, ottime prestazioni alle alte temperature e un basso coefficiente di dilatazione. Realizzato con a-SiC di elevata purezza e polvere additiva sinterizzata in un forno a vuoto, i suoi legami saldi garantiscono un’adesione maggiore rispetto alle versioni sinterizzate per reazione ed è considerato un materiale di qualità superiore.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici più duri, in grado di mantenere la propria durezza anche a temperature elevate, il che lo rende ideale per componenti di pompe ad alte prestazioni come le guarnizioni. Inoltre, questo materiale offre un'elevata resistenza all'usura e una buona protezione dalla corrosione; pesa, poi, la metà rispetto all'acciaio, il che lo rende una scelta leggera e resistente.

Il SiC sinterizzato è praticamente resistente alla corrosione e mostra un’elevata resistenza agli acidi (cloridrico, solforico e nitrico), alle basi, ai solventi e a tutte le forme di agenti ossidanti, come l’aria. Inoltre, l’elevata resistenza meccanica di questo materiale lo rende estremamente resistente anche all’aggressione meccanica da parte di particelle o scorie.

La resistenza alla flessione del policarbonato è estremamente elevata e questo materiale è in grado di resistere a temperature che superano di gran lunga i mille senza incrinarsi né frantumarsi. Inoltre, l’ampia varietà di forme e dimensioni lo rende adatto a numerose applicazioni diverse.

Il carburo di silicio sinterizzato per reazione e quello sinterizzato direttamente sono le due forme principali di carburo di silicio sinterizzato. Il processo di sinterizzazione per reazione offre costi inferiori grazie alla sua struttura a grana grossa; tuttavia, la sua durezza rimane inalterata anche a temperature elevate e garantisce un'eccellente resistenza all'usura e alla corrosione. Il SiC sinterizzato direttamente è più costoso, ma presenta una grana molto più fine e una struttura estremamente densa, in grado di resistere sia alle alte temperature che alle sollecitazioni meccaniche.

La corrosione del SiC è un fenomeno complesso e altamente variabile a seconda dell'ambiente in cui si verifica. Gli studi condotti in ambienti di forni industriali fungono da test di verifica, mentre sono necessarie ulteriori ricerche per stabilire le tendenze di corrosione a lungo termine e comprendere in che modo le impurità, gli additivi di sinterizzazione e le fasi ai bordi dei grani influenzino il comportamento del materiale.

Forza

Le ceramiche al carburo di silicio sono tra le ceramiche fini più dure e chimicamente resistenti, dotate di un’eccezionale resistenza al calore fino a 1400 °C senza perdere resistenza né mostrare segni di deterioramento della stessa. Grazie a questa proprietà, il carburo di silicio trova impiego in applicazioni industriali che richiedono un contatto scorrevole, quali tenute meccaniche e componenti di pompe, nonché nelle apparecchiature per la lavorazione dei semiconduttori e nelle parti di macchinari industriali in generale, grazie alla sua elevata conduttività termica e alle sue proprietà semiconduttrici.

La resistenza del carburo di silicio sinterizzato varia notevolmente a seconda del metodo di produzione. Le ceramiche sinterizzate senza pressione e mediante pressatura isostatica a caldo presentano resistenze superiori rispetto al carburo di silicio legato per reazione; quest'ultimo, infatti, contiene quantità significative di silice libera o altre impurità, il che comporta una riduzione della resistenza alla flessione; tuttavia, garantisce comunque una buona resistenza alle soluzioni acide e alcaline, pur non tollerando bene le temperature estreme.

La sinterizzazione della polvere ceramica con carburo di boro o carbonio ne aumenta la resistenza; tale processo avviene in atmosfera di gas inerte per impedire l’ossidazione e favorire la diffusione delle particelle, garantendo una maggiore densità e valori di resistenza più uniformi. La resistenza alla flessione dell’Hexoloy SP SiC supera quella dell’alfa-SiC legato per reazione o sinterizzato, e i suoi pori sferici contribuiscono ad aumentare lo spazio di accumulo del fluido o del lubrificante tra i componenti in scorrimento, garantendo prestazioni migliorate in varie condizioni operative.