Η κεραμική από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ευρέως αναγνωρισμένη για την εξαιρετική σκληρότητά της, τη σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και την εξαιρετική αντοχή στην φθορά.Καρβίδιο πυριτίου συντηρημένο χωρίς πίεση (SSiC)είναι ένα από τα σημαντικότερα προηγμένα δομικά κεραμικά που χρησιμοποιούνται σε ακραία βιομηχανικά περιβάλλοντα.
Ωστόσο, η τελική σκληρότητα του SSiC δεν είναι μια σταθερή ιδιότητα.μέθοδοι σχηματισμού, συνθήκες συντρίψεως, χαρακτηριστικά πρώτων υλών και μικροδομική εξέλιξη.
Αυτό το άρθρο αναλύει συστηματικά τους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την σκληρότητα του SSiC και εξηγεί τους υποκείμενους μηχανισμούς από την άποψη της επιστήμης των υλικών.
Κατά την ασύγχρονη συγκόλληση χωρίς πίεση, η συμπύκνωση εξαρτάται εξ ολοκλήρουπυκνότητα συσκευασίας του πράσινου σώματοςΗ υψηλότερη και πιο ομοιόμορφη συσκευασία οδηγεί σε χαμηλότερη πορώστεια και υψηλότερη σκληρότητα μετά τη συγκόλληση.
Κατάταξη σκληρότητας με τη μέθοδο σχηματισμού
Ισοστατική πίεση ≥ στεγνή πίεση > Έκταξη > Στρίψιμο
Η CIP παρέχει ομοιόμορφη πίεση προς όλες τις κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα:
- Η υψηλότερη και ομοιόμορφη πράσινη πυκνότητα
- Ελάχιστη εσωτερική πίεση κατά τη συγκόλληση
- Ελάχιστη συγκέντρωση ελαττωμάτων
- Αύξητη σταθερότητα τελικής σκληρότητας
Η ξηρή πίεση χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή, αλλά δείχνει:
- Διάταξη πυκνότητας λόγω τριβής και απώλειας πίεσης
- Ελαφριά ανισοτροπία στη μικροδομή
- Μέτρια σκληρότητα σε σύγκριση με την CIP
Η εξάντληση είναι κατάλληλη για ράβδους και σωλήνες, αλλά εισάγει:
- Υψηλότερη περιεκτικότητα σε σύνδεσμο (515%)
- Μειονεκτική πορώστεια μετά την αποσύνδεση
- Προσανατολισμός σωματιδίων που προκαλείται από ροή
- Κατώτερη συνολική σκληρότητα
Το χύτευμα με γύρισμα βασίζεται στην αποβρύθμιση των τριχοειδών:
- Κατώτερη πυκνότητα συσκευασίας
- Μεγαλύτερη πορώστεια μετά τη συσσωρεύση
- Σχετικά χαμηλότερη μηχανική σκληρότητα
Η σκληρότητα του SSiC καθορίζεται κυρίως από τρεις μικροδομικές παραμέτρους:
- Σφιχτότητα (επίπεδο πορώτητας)
- Μέγεθος κόκκων
- Ακεραιότητα των σιτηρών
Η πορώστια λειτουργεί ως κέντρα συγκέντρωσης άγχους, μειώνοντας την σκληρότητα.
- Μεγαλύτερη πραγματική εφοδιαστική περιοχή
- Μειωμένη εκκίνηση ρωγμών
- Ανώτερη μέτρηση σκληρότητας Vickers
Οι μικρότεροι κόκκοι αυξάνουν τη σκληρότητα επειδή:
- Τα όρια των κόκκων εμποδίζουν την κίνηση εκτόξευσης
- Περισσότερα όρια ανά μονάδα όγκου αυξάνουν την αντοχή σε παραμόρφωση
- Η εξάπλωση της ρήξης καταστείλεται αποτελεσματικά
Η συμπύκνωση υψηλής θερμοκρασίας βελτιώνει την ολοκληρωτικότητα των κρυστάλλων:
- Εξαλείφει τα όρια των υποσπόρων
- Μειώνει τις εσωτερικές ανωμαλίες
- Παράγει σταθερές διαδρομές διάδοσης ρωγμών
- Βελτιώνει τη σταθερότητα σκληρότητας
Το SSiC χωρίς πίεση απαιτεί συνήθως> 2000°Cγια πλήρη πυκνότητα.
2150 ∼ 2200°C
Σε αυτή την απόσταση:
- Πυκνότητα > 96%
- Σκληρότητα ≥ 23 GPa
- Πολύ χαμηλά:ατελή συμπύκνωση, χαμηλή σκληρότητα
- Βέλτιστο εύρος:λεπτοί κόκκοι + υψηλή πυκνότητα
- Πολύ ψηλά:ακατέργαστο σπόρο, διάσπαση SiC, μείωση σκληρότητας
Το βόριο βελτιώνει τη διάχυση και την πυκνότητα.
- Προτιμάται: Β ή Β4C
- Αποφύγετε: BN (σχηματίζει αδύναμη όρια στα κόκκια)
Ο άνθρακας παίζει πολλούς ρόλους:
- Απομακρύνει τις επιφανειακές ακαθαρσίες SiO2
- Ελέγχει την ανάπτυξη των σιτηρών
- Βελτιώνει την ομοιομορφία της πυκνώσεως
Οι οργανικές πηγές άνθρακα (π.χ. φαινολική ρητίνη) παρέχουν καλύτερη κατανομή από το μαύρο άνθρακα, με αποτέλεσμα υψηλότερη τελική σκληρότητα.
- Πιο λεπτή σκόνη (< 0,6 μm) → υψηλότερη ενέργεια επιφάνειας → καλύτερη συγκόλληση
- Αποτέλεσμα υψηλότερης πυκνότητας και σκληρότητας
Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης πρέπει να αφαιρείται το SiO2 επιφάνειας:
- Η περίσσεια οξυγόνου αυξάνει την κατανάλωση άνθρακα
- Επηρεάζει την τελική πυκνότητα και τη σταθερότητα της μικροδομής
Η μέθοδος σχηματισμού καθορίζει:
- Σφαιρική πυκνότητα
- Ομοιομορφία
- Συμμετρητική συμπεριφορά συρρίκνωσης
Αυτό καθορίζει τελικά την κατανομή της σκληρότητας στο τελικό προϊόν.
Η σκληρότητα του άνευ πίεσης συγκολλημένου καρβιδίου του πυριτίου είναι αποτέλεσμα μιας πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ επεξεργασίας και μικροδομής.
- Θερμοκρασία συντρίψεως (2150~2200°C)είναι κρίσιμη για την επίτευξη βέλτιστης σκληρότητας
- Επιλογή πρόσθετης ύλης (Β + κατάλληλη πηγή άνθρακα)καθορίζει άμεσα την ποιότητα πυκνώσεως
- Η μέθοδος σχηματισμού ελέγχει την τελική βαθμολογία σκληρότητας (CIP υψηλότερη, γύρισμα γλιστρισμού χαμηλότερη)
- Οι λεπτές σκόνες και η ομοιόμορφη πράσινη πυκνότητα είναι απαραίτητες για την υψηλής απόδοσης SSiC
Με τη βελτιστοποίηση αυτών των παραμέτρων, οι βιομηχανικές κεραμικές SSiC μπορούν να επιτύχουν ανώτερη σκληρότητα, αντοχή στην φθορά και μακροχρόνια αξιοπιστία σε ακραία περιβάλλοντα.
