反應燒結法生產氮化矽
用一級結晶矽塊在球磨機中溼磨,酒精作研磨介質,磨至小於0.07mm(具體工藝要求細度不同)。然後淨化原料,配料製成坯體。成型方式可用澆注法、模壓法、熱壓注法或等靜壓法等。成型時要使素坯密度達到一定值。
素坯先於氮化爐中進行預氮化。氮化爐可用鉬絲電爐或二矽化鉬棒電爐,爐膛要密封嚴緊,以保證抽真空和使用安全性。矽和氮約在9701000℃開始反應,並隨著溫度升高反應速率加快。但如果溫度很快上升超過矽熔點時,則坯體會由於矽熔融而坍塌。故必須在遠低於熔點的溫度中預先氮化。氮化爐內為95%氮氣和5%氫氣的混合氣氛,在11801210℃下氮化11.5h,氮化程度約9%,爐內墊板為氮化矽質。
然後對坯體進行機械加工。加工時避免坯體與水接觸,進刀和車速也不宜太快。加工至成品所需尺寸。
最後進行氮化燒成。氮化溫度可採用低於矽熔點(1420℃)和高於矽熔點分階段保溫氮化方法。一種是在1250℃氮化保溫一段時間,使矽顆粒表面生成交織狀的氮化矽單晶晶粒,填滿坯體中矽顆粒之間的孔隙,整個坯體具有一定強度。然後於13501400℃下長時間氮化,通過氮氣一固相矽顆粒反應,使原來形成的網絡結構的氮化矽繼續發育長大、緻密。另一種是在1250℃氮化保溫一段時間後,於1450℃氮化保溫一段時間,此時矽熔成液體,反應速率很快,生成的氮化矽為硬度、密度較高的顆粒狀,分散於低溫下形成的網絡狀氮化矽內。
氮化時間:在125℃氮化4h,在1350℃氮化8h,氮化程度達51%,繼續在1350℃氮化28h,氮化程度只増加10%,在1450℃氮化,2h可完全氮化。通常為:1250℃,410h,1350℃,2436h,1450℃,612h。
氮化氣氛:由於氮與矽反應為放熱反應,氮化初期反應很快,產生的大量熱量會使局部溫度超過矽的熔點而使其熔融滲出。故升溫至1000℃時,開始通入氬氣(佔氮氣量的2/3),到1350℃保溫一段時間後停止通氬氣,恢復95%氮氣和5%氫氣氣氛,這樣可以用氬氣來緩衝過快的反應速度。
該法製得的氮化矽製品氣孔率較高,強度不高,適宜制形狀複雜的製品。製品體積密度在1.82.7g/cm3。
熱壓法生產氮化矽
將矽粉於氮化爐中氮化,得到氮化矽,進行粉碎,作為熱壓用原料。為提高氮化矽粉的純度,可先氮化一次,然後粉碎淨化處理。再氮化一次,細磨,用於熱壓製品。將5%左右MgO、鎂的化合物或Y2O3等添加劑加入氮化矽粉中,以酒精作介質,於球磨中充分溼混。熱壓模為石墨質的,模內壁上塗一層氮化硼粉,將氮化矽混合料裝入,於17501850℃,壓力2550MPa的感應加熱或輻射加熱的熱壓爐中熱壓燒結。該法製得製品密度、強度高,體積密度在3.123.20g/cm3。