Получение изделий из нитрида кремния

Для изготовления изделий из порошков нитрида кремния применяется широкий спектр приемов порошковой металлургии. Среди них: полусухое прессование, изостатическое прессование, шликерное литье, горячее прессование и ряд других.

При формовании заготовки изделия методом полусухого прессования уплотнение нитрида кремния идет в стальных пресс-формах под давлением 100 – 250 МПа. Для улучшения текучести порошков используют различные связующие вещества, такие как 2%-ный раствор поливинилового спирта, метилцеллюлоза, акрил. Для получения материала с высокой прочностью и малым размером пор следует использовать смесь порошков, содержащую 75% фракции 80 – 100 мкм и 25% ультратонкой фракции. Такой фракционный состав обеспечивает более эффективное заполнение объема порошком, и лучшее спекание частиц. Преимуществом данного метода является низкая трудоемкость, однако при полусухом прессовании порошка возможны такие дефекты, как неравноплотности. Вероятность образования дефектов снижается, если использовать метод изостатического прессования. Этот метод предполагает проведение процесса в эластичных оболочках, обеспечивающих всестороннее сжатие порошка. В качестве среды, передающей давление, в методе изостатического прессования чаще всего используются глицерин и веретенное масло.

Разнообразный ассортимент длинномерных изделий и изделий сложной формы позволяет получать метод шликерного литья. Используется как водно-шликерное литье в пористые формы, так и литье термопластичных шликеров. Для литья в пористые формы используют несколько наиболее распространенных составов, которые готовят на основе различных дисперсных сред. При приготовлении водного шликера соотношение твердой и жидкой фазы должно составлять 7:3, а средний размер частиц кремния 60 – 70 мкм. Такой состав обеспечивает наилучшую устойчивость смеси. Для повышения текучести шликера в него добавляют гидроксид натрия или аммония. При приготовлении шликера на основе карбоксилметилцеллюлозы наибольшую устойчивость демонстрирует состав, в котором на 2 части порошка приходится 1 часть дисперсной среды. В качестве жидкой фазы шликера часто используют водные растворы поливинилового спирта.

В качестве связки для литья термопластичных шликеров нитрида кремния используют смесь воска с парафином в количестве 5 – 15 %. В таком случае шликер имеет невысокую температуру размягчения, достаточную устойчивость, мало изменяет объем при охлаждении и нагревании.

После формования изделия проводят его обжиг, при этом частицы порошка спекаются, обеспечивая прочность конструкции. Для нитрида кремния характерной особенностью является низкие диффузионная подвижность и подвижность дислокаций, что замедляет процесс спекания. Для более интенсивного уплотнения в нитрид кремния вводят добавки, образующие жидкую фазу и, таким образом, ускоряющие процесс спекания (MgO, Y₂O₃, Al₂O₃, CeO₂).

Сущность горячего прессования заключается в одновременном воздействии на заготовку высоких давлений и температур. При получении изделий этим методом используют графитовые пресс-формы, футерованные нитридом бора для предотвращения взаимодействия графита с нитридом кремния. Поскольку чистый нитрид при горячем прессовании не уплотняется до температур, близких к температуре плавления, то порошок для прессования смешивают со специальными добавками, применяющимися и при спекании нитрида кремния. На степень уплотнения также влияет температура прессования. Для получения образцов высокой плотности и микротвердости нагрев должен быть не менее 1500 °С. Горячее прессование проводят под давлением 20 – 40 МПа, иногда значительно больше.

Отдельно стоит метод реакционного связывания. Этот способ используют, когда обычное спекание частиц порошка затруднено. Для его применения необходимо, чтобы реакция образования материала шла с положительным объемным эффектом. В противном случае заполнения пор твердыми продуктами реакции происходить не будет – слабовыраженный процесс спекания не обеспечит необходимого упрочнения. При получении нитрида кремния методом реакционного связывания параллельно идут процессы азотирования заготовки из порошка кремния и спекания. Лимитирующей стадией при получении изделий этим способом является диффузия азота в объем заготовки. Поэтому реакционное связывание заготовки из более тонкодисперсного порошка идет быстрее. Увеличение скорости азотирования достигается уменьшением исходной плотности сырца и увеличением температуры. Реакционное связывание позволяет получать изделия сложной формы, однако материал обладает высокой пористостью – 10 – 30%.

В данной работе для получения заготовок для азотирования был использован метод одноосного прессования с доппресовкой на изостатическом прессе.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

    Для получения порошка для прессования сначала была приготовлена связка – 10-процентный раствор поливинилового спирта. Ее добавляли в порошок полупроводникового кремния чистотой 99,9999 % в количестве, равном 1/5 от общей массы смеси. После тщательного перемешивания полученную смесь просеивали на аналитической просеивающей мельнице сначала до крупности 0,8 мм, затем – до 0,4 мм. Перед просеиванием и после каждого этапа порошок сушили при 30 ºС в сушильном шкафу для удаления лишней связки.

    Полученный порошок засыпали в форму и прессовали на гидростатическом прессе при давлении 70 кГс/см². Время выдержки равнялось 1 мин. После извлечения кремниевую пластину 100 100 6 мм допрессовывали на изостатическом прессе при давлении 30 кГс/см². Передающей средой служила водомасляная эмульсия. Чтобы заготовка не повредила эластичную форму, острые углы были скруглены алмазной шкуркой.

    Во время допрессовки заготовка погнулась вседствие неравномерности давления, оказываемого передающей жидкостью на квадратную пластину.

ВЫВОД: использование метода изостатического прессования при формовании деталей, не являющихся телами вращения может привести к браку изделия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ромашин А.Г., Камнев П.И., Русин М. Ю. Опыт разработки головных обтекателей летательных аппаратов // Авиационно-космическая техника и технология. –  2004. –  №5. –  С. 63 – 69.

2.Уварова Н.Е. Радиопрозрачные стеклокерамические материалы // УСПЕХИ в химии и химической технологии Том XXI. – 2007. – №7 – С. 96 – 99.

3.Кирюшина В.В. Исследование керамических материалов с применением методов вероятного анализа при разработке и производстве элементов летательных аппаратов // Обнинск: ГНЦ РФ АО «ОНПП «Технология» ФГБУ ВПО «МГУ им. Н.Э.Баумана», 2014. – 227 с.

4. Шаяхметов У.Ш. Композиционные материалы на основе нитрида кремния и фосфатных связующих. – М.: «СП Интермент Инжиниринг», 1999. – 128 с.

5. Гузман И.Я. Химическая технология керамики:Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.