Sinteritud ränikarbiid

Ränikarbiid on üks kõige kõvemaid keraamilisi materjale, millel on äärmiselt suur tugevus ja soojusjuhtivus. Lisaks muudab selle vastupidavus oksüdeerumisele ja korrosioonile selle sobivaks kasutamiseks kõrgel temperatuuril.

Reaktsioonisidestatud SiC-l on jämedad terad ja madal korrosioonikindlus, samas kui otseselt paagutatud SiC on tihedam ja pakub paremaid omadusi kõrgel temperatuuril. Surveteta paagutamisel kasutatakse väga peent SiC-pulbrit koos mitteoksiidiliste paagutuslisanditega, et toota tihedat materjali, millel on suurepärased füüsikalised omadused.

Kõvadus

Ränikarbiid on üks kõige kõvemaid levinud abrasiivmaterjale, mille kõvadus Mohsi skaalal on 9,5 – see on lähedal teemanti kõvadusele, mis on 10. See kõvadus tagab materjalile suurepärase kulumiskindluse isegi kõrgetel temperatuuridel; kemikaalid, soolad, happed ja leelised ei kujuta endast suurt ohtu; termilise šoki vastupidavus on hea; lisaks on selle kaal poole väiksem kui terasel!

Vedelafaasiline paagutamine pakub teiste protsesside ees mitmeid eeliseid, sealhulgas madalaid töötlemistemperatuure ja head vormitavust. Lisaks muudavad selle täis tihedus ja suurepärased mehaanilised omadused selle sobivaks abrasiivseks töötlemiseks, lihvimiseks ja poleerimiseks, samuti lõikamiseks, puurimiseks, söövitamiseks ja freesimiseks.

Paagutatud SiC-d kasutatakse laialdaselt pooljuhtide tootmisseadmete osade, laserite ja tuumasünteesireaktorite konstruktsioonielementide valmistamiseks tänu selle erakordsele keemilisele stabiilsusele, temperatuuritaluvusele, madalale tihedusele, tugevusele, kulumiskindlusele ja madalale aktiveerimisenergiale. Saadaval on nii reaktsioonisidestatud kui ka otsesintratud SiC-tüübid; reaktsioonisidestatud tüübid on tavaliselt odavamad ja neil on jämedam terasuurus, mis sobib paremini madalama löögi- ja soojustöö jaoks, samas kui otsesintratud tüübid pakuvad kõrgemal temperatuuril paremat kulumiskindlust tänu peenemale terasuurusele. Reaktsioonisidestatud liike, millel on jämedam tera, kasutatakse tavaliselt sagedamini.  Kui töötingimustes on vaja suuremat kõvadust kui kõrgel temperatuuril või kui nõutakse suuremat töövõimet, kasutatakse otseselt paagutatud tüüpe, kuna neil on kõrgemal temperatuuril parem kulumiskindlus ja neid määratakse sagedamini kasutamiseks; vastavalt eelistatakse neid, kui soovitakse suuremat kulumiskindlust kõrgel temperatuuril ja kõvadust, võrreldes reaktsioonpaagutatud tüüpidega.kõvadusega kõrgemate töötemperatuuride juures, mistõttu määratakse need sagedamini kasutamiseks kui otseselt paagutatud tüübid; kui määratakse otseselt paagutatud tüübid, võib olla vaja mõlemat varianti, mistõttu määratakse need sagedamini kasutamiseks.

Tugevus

Ränikarbiid on äärmiselt tugev tulekindel keraamiline materjal, millel on suurepärane kõvadus, kõrge temperatuuritaluvus ja keemiline korrosioonikindlus – need omadused teevad sellest ühe maailma mitmekülgseimatest tulekindlatest materjalidest, mida kasutatakse mitmesugustes tööstuslikes rakendustes.

Kuumpress-paagutamine on üks peamisi SiC-keraamika tootmismeetodeid. Selle meetodi puhul kasutatakse äärmiselt peent ränikarbiidipulbrit, millele on lisatud paagutuslisandeid, ning seda tihendatakse traditsiooniliste keraamiliste vormimismeetodite abil, nagu isostaatiline pressimine, matriitspressimine või süstimine, et toota tihedaid struktuure, mis koosnevad tugevust tagavatest pisikestest osakestest.

SiC vedelafaasiline rõhuvaba paagutamine (LPPSiC) on veel üks SiC tihendamise meetod. Selle puhul viiakse vedel räni või ränisulam a-SiC-osakestest koosnevasse toorkeha, et moodustada b-SiC, mis reageerib ja seondub olemasolevate a-SiC-osakestega, tihendades nii neid kui ka keha tervikuna.

Reaktsioonpaagutatud ränikarbiidil on suurepärane vormitavus keeruliste kujude puhul, madalad töötlemistemperatuurid ja kõrge puhtusaste; selle mehaanilised omadused, nagu paindetugevus, on madalamad kui tavalisel paagutatud ränikarbiidil; selle omaduse parandamiseks on vaja kontrollida jääk-Si osakeste suurust, hoides osakeste suuruse alla 100 nm – see saavutus tähistab suurt edu LSiC-keraamika tugevuse parandamisel.

Korrosioonikindlus

Ränikarbiidil on suurepärane korrosioonikindlus ja see talub temperatuure kuni 1 900 °C, mistõttu sobib see kasutamiseks olukordades, kus keemilised ja termilised šokid võivad komponente kahjustada.

Keraamiliste materjalide korrosioon tekib nende pinnale moodustuva oksiidikihi tõttu, mis koosneb tavaliselt ränidioksiidist või silikaadist, sõltuvalt sellistest teguritest nagu keskkonnamõjud, lisandid, paagutamisabiained, terapiirifaasid ja vahetult pärast seda toimunud reaktsioonid. See põhjustab suuri erinevusi ränikarbiidi ja räninitriidi materjalide korrosioonikäitumises.

Kuna korrosiivses keskkonnas kasutatavate materjalide projekteerimisel on peamisteks teguriteks vastupidavus (mida mõõdetakse korrosiivses keskkonnas toimuva pindade kahanemise kiirusena) ja mehaaniline tugevus (C-rõngas või neljapunktiline paindetugevus), suurendab korrosioon pindade defekte, mis aja jooksul nõrgendavad materjali tugevust ja lühendavad selle mehaanilist kasutusiga.

Paagutatud ränikarbiid on suurepärane valik kasutamiseks rasketes tingimustes, kuna see ühendab endas suurt tugevust ja kulumiskindlust, madalat erikaalu ning suurepäraseid triboloogilisi omadusi. Seda kasutatakse sageli detailides, mis peavad taluma raskete koormuste tekitatud löökkoormusi, nagu näiteks lõhkepihustid või liuglaagrite laagrid; lisaks kasutatakse seda laialdaselt süsinikkiududega tugevdatud ränikarbiidpidurite või kuulikindlate soomuste tootmisel, kuna see on vastupidav suurtele pingetele ja kõrgetele temperatuuridele.

Vastupidavus

Paagutatud ränikarbiid on äärmiselt kõva keraamiline materjal, millel on suurepärased kulumiskindluse ja korrosioonikaitse omadused, mis teevad sellest suurepärase abrasiivmaterjali. Seda kasutatakse lihvketastes, hoonimiskivides, liivapuhastites ja veejoalõikurites nii lihvimis- kui ka hoonimistöödel, samuti veejoalõikamisprotsessides.

Selle materjali keemiline vastupidavus võimaldab tal taluda pikaajalist kokkupuudet tavaliste anorgaaniliste hapete, soolade ja leelistega ilma, et see laguneks. Lisaks suurendavad materjali vastupidavust tihedalt pakitud kovalentsed sidemed, mis moodustuvad neljast räni- ja neljast süsiniku aatomist tetraeedriliste koordinatsioonide raames.

Paagutatud SiC saadakse ränidioksiidipulbri osakeste kokkupressimise ja paagutamise (kuumutamise) teel. Paagutamine võimaldab neil üksikutel osakestel sulanduda üheks tahkeks tükiks, millel on suur kõvadus ja tugevus ning mis on samuti vastupidav oksüdeerumisele ja korrosioonile; lisaks on sellel suurem vastupidavus kui enamikel keraamikaliikidel.

Reaktsioonisidega ränikarbiid, mida toodetakse vedela räni imbumisega poorsetesse grafiit- või süsinik-eelvormidesse, on tugevuselt nõrgem kui paagutatud ränikarbiid, kuid sobib paremini tänu madalatele töötlemistemperatuuridele, heale vormitavusele ja suuremale puhtusele. Kaubanduslikult kättesaadava reaktsioonipaagutatud ränikarbiidi paindetugevus on toatemperatuuril umbes 300 MPa.

Reaktsioonisinterdatud ränikarbiid, milles on kasutatud boori või süsiniku abilisaineid, omab äärmiselt suurt deformeerumisvastupidavust, mis saavutatakse tera- ja pinnapiirienergia muutmise ning mahudifusioonikiiruse suurendamise kaudu, et soodustada tihedamaks muutumist ja tihedamaks muutumist. See võimaldab teradel jääda otsesesse kristallilisse kokkupuutesse, ilma et terapiiridel tekiksid teise faasi struktuurid.