氮化矽：特性，生產和應用

氮化矽（Si3N4）是一種非氧化物結構的陶瓷材料，通常為黑色或深灰色，並經常拋光以提供光滑和醒目的反射性表面外觀。 因其高抗衝擊性和耐熱性而廣受歡迎，其典型應用包括金屬成型，工業磨損情況和熔融金屬處理。

氮化矽的性質

一些氮化矽是高度多孔的，因此具有低密度和抗氧化性。 經過適當處理，氮化矽可以在極高的溫度下提供良好的硬度，高耐磨性，低熱膨脹係數，耐化學性，抗氧化性以及增強機械強度。

氮化矽的生產

氮化矽通常通過金屬矽和氣態氮的化學反應合成。通過完善的方法對零件進行仔細的壓制和燒結，這些方法會產生特殊的性能，從而定義最終應用，生產方法根據所需的氮化矽的類型而變化。

反應鍵合氮化矽（RBSN）

加工RBSN首先形成矽「麵團」或壓塊，然後在大約1450°C的溫度下進行稱為氮化的表面硬化處理。與其他類型的氮化矽相比，RBSN的多孔性更高（約25％的孔隙度），並且在機械性能方面劣於其他類型的氮化矽，但其成本效益相對較高，並用於窯爐家具等應用中。

熱壓氮化矽（HPSN）

HPSN由細的Si3N4粉末和氧化鎂在石墨模頭中的混合物製成，該混合物要經受高溫和高壓（通常在1800°C和40MPa的壓力下）。與RBSN相比，它是高密度的，並且具有更好的機械性能。

燒結反應結合氮化矽（SRBSN）

SRBSN是RBSN的升級版本。為了降低最終產品的孔隙率，將燒結添加劑添加到初始粉末混合物中，然後使其具有在反應結合階段之後燒結（在大於1800°C的溫度和大氣壓下）的能力。

燒結氮化矽（SSN）

為了製造SSN，氮化矽在約1750℃下與諸如氧化鎂，氧化釔和氧化鋁的燒結添加劑的組合經歷無壓燒結以促進緻密化過程。密度為98％，強度範圍為600-700 MPa。

但是，在緻密化過程中會發生高達20％的收縮率。為了克服這個問題，通過精確的金剛石工具處理對完全燒結的地層進行再加工，以逐漸磨損掉多餘的材料，直到獲得所需的形狀和尺寸。然而，由於這些組件天生就是堅韌的，因此該過程變得勞動密集且昂貴。

氮化矽的應用

氮化矽能夠承受嚴酷的熱，機械和磨損情況，因此可以生產出高質量的組件，可用於極其苛刻的應用。

汽車行業

氮化矽的最大應用是在汽車工業中，尤其是在高溫應力普遍存在的往復式發動機中，各種磨損和燃燒部件。在柴油發動機中，氮化矽用於電熱塞（以加快啟動時間），預燃燒室（以減少排放或充當消音器）和渦輪增壓器（以減少發動機滯後）。氮化矽還用於凸輪從動件，挺杆墊片，精密軸和軸中。

軸承類

對於高溫應用，氮化矽陶瓷球和滾子軸承比鋼更受青睞。這將延長軸承在較高速度下的壽命，因為它將具有更好的耐腐蝕性。與鋼相比，它的彈性模量更高，這表明它更堅硬，從而在接觸表面上產生了平穩的運動並減少了振動。

金屬工業

氮化矽由於其硬度，斷裂韌性和抗熱衝擊性，還被用於鑄鐵，硬鋼和鎳基合金的金屬切削工具中。

工業應用

另一個應用是處理熔融金屬-金屬成分通常不合適。焊接夾具/定位器，噴嘴，汽缸壁塗層，渦輪轉子，葉片，火箭管和飛彈使用氮化矽來提高強度，電氣性能和耐衝擊性。氮化矽的良好的耐腐蝕性，耐熱衝擊性和導熱性也使鋁鑄造行業的應用受益。這些包括加熱管，泵襯裡，立管和熱電偶保護套。