Céramiques de Sialon et céramiques de nitrure de silicium

Les céramiques contemporaines, dotées de qualités mécaniques, thermiques et chimiques supérieures, sont nécessaires à la technologie d'aujourd'hui. Les céramiques à base de sialon et de nitrure de silicium sont dures, résistantes à l'usure et thermiquement stables. La combinaison du nitrure de silicium et de l'alumine confère au sialon une ténacité à la rupture et une résistance à l'oxydation. La faible dilatation thermique et la forte conductivité thermique du nitrure de silicium sont idéales pour les applications à haute température. Les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'électronique utilisent ces céramiques pour améliorer les composants des moteurs, les outils de coupe et les équipements de traitement des semi-conducteurs. Elles améliorent donc les performances et la durabilité dans les environnements hostiles.

À propos du Sialon et des céramiques à base de nitrure de silicium 

Céramique Sialon

Le silicium, l'aluminium, l'oxygène et l'azote font des céramiques de sialon des matériaux sophistiqués. Les sialons sont fabriqués en remplaçant les atomes de silicium et d'azote du nitrure de silicium (Si3N4) par de l'aluminium et de l'oxygène. Ils améliorent la ténacité et la stabilité thermique. Les sialons peuvent être classés comme alpha (α), bêta (β) ou à phase mixte. Les sialons alpha, un matériau monophasé doté d'une grande dureté et d'une résistance à l'oxydation à haute température, sont utilisés dans les applications d'usure sévère.

Les sialons bêta conviennent aux outils de coupe et aux pièces d'usure grâce à leur structure de grains imbriqués, leur ténacité à la rupture et leur résistance aux chocs thermiques. Les sialons à phase mixte équilibrent la dureté et la ténacité pour les applications à haute température en combinant les caractéristiques alpha et bêta.

Céramiques à base de nitrure de silicium

Les céramiques de nitrure de silicium à haute performance (Si3N4) sont à base de silicium et d'azote. Ces céramiques de nitrure de silicium se distinguent par leur grande résistance, leur ténacité à la rupture, leur stabilité thermique et leur résistance à l'oxydation. Le nitrure de silicium est lié par réaction, fritté ou pressé à chaud. La poudre de silicium de nitruration se compacte en nitrure de silicium poreux et résistant lié par réaction (RBSN). Le nitrure de silicium fritté (SSN) produit des céramiques denses avec des caractéristiques mécaniques plus élevées pour les composants de roulements et de turbines en frittant de l'yttrium ou de l'alumine. Le nitrure de silicium pressé à chaud (HPSN) est fabriqué en appliquant simultanément chaleur et pression. Il s'agit d'une céramique dense dotée d'une résistance mécanique et d'une conductivité thermique inhabituelles pour les composants de moteurs à haute performance et les substrats électroniques.

Procédés de frittage

Frittage de céramiques à base de nitrure de silicium

Les corps verts sont densifiés en une structure solide pendant le frittage de la céramique de nitrure de silicium (Si3N4). Pour éviter la décomposition, le frittage sans pression peut avoir lieu dans l'azote à 1750°C-1850°C. Le frittage sous pression de gaz (GPD) augmente la densification tout en appliquant une pression d'azote gazeux allant jusqu'à 10 MPa. Il permet d'abaisser les températures de frittage à 1700°C et d'atteindre une densité proche de la densité théorique. Le pressage isostatique à chaud (HIP) augmente les qualités mécaniques en combinant des températures élevées (1600°C-1800°C) avec une pression de gaz isostatique (100-200 MPa). La température de frittage, la pression et l'environnement doivent être régulés pour améliorer la croissance des grains, la résistance mécanique et réduire la porosité.

Frittage des céramiques Sialon

Le frittage des céramiques β′-sialon présente des similitudes avec le nitrure de silicium, mais aussi des différences. Bien que les deux utilisent le frittage à haute température, les sialons peuvent avoir besoin de Y2O3 et de MgO pour former des phases liquides et augmenter la densification. Les additifs peuvent abaisser la température de frittage à 1600°C-1750°C et générer une phase liquide transitoire. Elle dissout et reprécipite les grains pour une croissance homogène de la microstructure. Le processus de frittage par dissolution-diffusion-précipitation affecte la taille et la forme des grains. Le contrôle de la microstructure renforce la ténacité et la résistance à l'usure. Par conséquent, les additifs et les paramètres de frittage sont essentiels pour les céramiques de sialon à hautes performances.

Applications des céramiques de Sialon et de nitrure de silicium

Applications générales

La dureté élevée, les propriétés de résistance à l'usure et la stabilité de la température font du sialon et des céramiques de nitrure de silicium (Si3n4) des matériaux idéaux pour les outils de coupe et les abrasifs. Les céramiques de Sialon maintiennent les outils de coupe affûtés à des vitesses et des températures élevées. Par conséquent, elles réduisent la fréquence de remplacement des outils. Le nitrure de silicium favorise la productivité dans l'usinage à grande vitesse de la fonte et de l'acier dur. Les pièces de moteurs automobiles et les turbocompresseurs ont besoin de ces céramiques. Sa faible dilatation thermique et sa forte résistance aux chocs thermiques sont durables dans les situations difficiles. Une résistance élevée à l'usure, un faible frottement et une durée de vie plus longue augmentent les roulements et les rouleaux des équipements industriels, ce qui réduit les frais d'entretien.