Nitrure de silicium, sialon ou carbure de silicium : quelle céramique de pointe choisir ?

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Entrez dans n’importe quelle fonderie, usine chimique ou installation de four à haute température digne de ce nom, et vous verrez des céramiques de pointe accomplir les tâches difficiles que les métaux ne peuvent pas assumer. Mais lesquelles ? Le nitrure de silicium, le sialon et le carbure de silicium fritté sont souvent cités dans le même souffle : tous trois supportent des températures extrêmes, résistent à la corrosion et durent plus longtemps que les métaux dans des applications exigeantes. Les différences entre eux sont toutefois suffisamment marquées pour qu’un mauvais choix puisse coûter cher.

Ce guide fait la lumière sur ces confusions. Il explique d'où provient chaque matériau, ce dont il est réellement capable et, surtout, dans quelles applications il s'impose et dans lesquelles il échoue.

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En bref : les trois matériaux

| Propriété | Nitrure de silicium (Si₃N₄) | Sialon (SiAlON) | SiC fritté (SSiC) | | — | — | — | — | | Dureté (échelle de Mohs) | ~9 | ~9 | 9–9,5 | | Température maximale effective (air) | ~1 200–1 400 °C | Jusqu'à ~1 400 °C | 1 600–1 700 °C | | Résistance aux chocs thermiques | Excellent | Excellent | Bien | | Résistance aux métaux en fusion | Bon | Exceptionnel | Bon | | Résistance à la corrosion chimique | Bien | Bien | Excellent | | Densité (g/cm³) | ~3,2 | ~3,2–3,4 | ~3,1–3,2 | | Coût relatif | Moyen | Moyen à élevé | Moyen à élevé |

Aucun matériau ne l'emporte dans tous les domaines. C'est justement là tout l'intérêt – et la raison d'être de cette comparaison.

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Nitrure de silicium : la céramique de précision

Un parcours de 170 ans vers l'industrie

Le nitrure de silicium est celui qui a la plus longue histoire parmi les trois, même si, pour l’essentiel, il n’a pas été particulièrement utile. Il a été synthétisé pour la première fois en 1857 par les chimistes français Sainte-Claire Deville et Wöhler – une curiosité de laboratoire qui est restée largement ignorée pendant un siècle. Ce n’est qu’au cours des années 1960 et 1970, lorsque les ingénieurs ont commencé à rechercher sérieusement des matériaux capables de résister aux conditions règnant à l’intérieur des moteurs à turbine des avions, que le Si₃N₄ a reçu l’attention industrielle qu’il méritait.

Le rêve du moteur en céramique – remplacer le métal par du nitrure de silicium pour les rotors de turbocompresseurs, les bougies de préchauffage et les chambres de combustion – ne s'est concrétisé que partiellement. Mais les recherches qu'il a suscitées n'ont pas été vaines. Dans les années 1980 et 1990, le nitrure de silicium a trouvé sa véritable vocation dans les roulements, les outils de coupe et la manipulation des métaux en fusion, où sa combinaison unique de propriétés s'est avérée véritablement difficile à égaler.

Les atouts du nitrure de silicium

La caractéristique principale du nitrure de silicium réside dans la combinaison d'une résistance mécanique élevée et d'une excellente résistance aux chocs thermiques. Il peut être chauffé et refroidi rapidement sans se fissurer – une propriété qui découle de son faible coefficient de dilatation thermique et de la structure de liaisons covalentes de son réseau Si–N.

Son autre caractéristique remarquable est sa résistance à l'usure à grande vitesse. Les quelque 300 000 rotors de turbocompresseurs en nitrure de silicium fabriqués chaque année doivent leur existence au fait que ce matériau conserve sa dureté et sa stabilité dimensionnelle à des températures et des vitesses de rotation qui détruiraient des roulements conventionnels. Le marché annuel des outils de coupe pour le Si₃N₄, évalué à 50 millions de dollars, existe pour la même raison : il permet d’usiner la fonte et les superalliages à base de nickel à des vitesses de coupe jusqu’à 25 fois supérieures à celles du carbure de tungstène.

Le nitrure de silicium résiste également aux métaux non ferreux en fusion – aluminium, zinc, étain, plomb – sans contaminer la masse fondue. Il peut donc être utilisé pour la fabrication de gaines de thermocouples, de buses et de creusets dans le secteur de la métallurgie.

Les limites du nitrure de silicium

Le nitrure de silicium se décompose au-delà d'environ 1 850 °C, mais il s'agit là d'une limite théorique et non d'une température de fonctionnement. En pratique, les températures de fonctionnement maximales se situent entre environ 1 200 et 1 400 °C, selon la qualité du matériau et l'atmosphère. Il ne peut pas être utilisé au-delà de cette plage sans subir de dégradation.

Il cède également du terrain face au sialon, notamment lorsqu’il est en contact avec de l’aluminium fondu. Le nitrure de silicium est plus facilement attaqué par l’aluminium fondu que le sialon – une différence minime, mais importante sur le plan commercial dans le secteur de la fonderie.

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Le sialon : la céramique de fonderie

Issu du nitrure de silicium

Le sialon – qui se prononce « sialon » – n’est pas un composé, mais une famille d’alliages céramiques dérivés du nitrure de silicium. Son nom est un acronyme : oxynitrure de silicium et d’aluminium. Lorsque des atomes d’aluminium et d’oxygène viennent se substituer dans le réseau cristallin du nitrure de silicium, ils stabilisent une phase du matériau qui, sans cela, serait moins facile à travailler, et lui confèrent un ensemble de propriétés thermiques et chimiques totalement nouvelles.

Ce matériau a été décrit pour la première fois en 1971, à l'issue de travaux menés en parallèle à l'université de Newcastle et au Laboratoire national de physique du Royaume-Uni. L'article de K.H. Jack publié en 1976 dans le *Journal of Materials Science*, intitulé «Sialons and related nitrogen ceramics » (Les sialons etles céramiques azotéesapparentées), a fourni le cadre théorique qui a permis d'accélérer sa commercialisation au cours de la décennie suivante.

La société Sialon Ceramics ApS a été fondée en 1986 – au cours de la même décennie où le sialon est passé du statut de matériau de laboratoire à celui de produit commercial – et fabrique depuis lors des composants en sialon et en carbure de silicium destinés à des applications industrielles et de fonderie à très haute température.

Les points forts du sialon

La principale caractéristique du sialon réside dans son exceptionnelle résistance au mouillage et à la corrosion par les métaux non ferreux en fusion, en particulier l'aluminium. Alors que le nitrure de silicium n'offre qu'une résistance limitée, le sialon est véritablement insensible à la plupart des conditions de traitement de l'aluminium. Les tubes de protection pour thermocouples, les tubes de chauffage par immersion, les tubes de remontée pour le moulage sous pression à basse pression et les rotors de dégazage pour l'aluminium tirent tous parti de cette propriété d'une manière que les autres céramiques peinent à égaler.

Le deuxième atout majeur est la résistance aux chocs thermiques. Grâce à sa faible dilatation thermique et à sa capacité à conserver sa résistance mécanique à haute température, le Sialon peut être plongé dans du métal en fusion, soumis à des cycles rapides et retiré sans se fissurer – cycle après cycle. Les tubes de protection pour thermocouples Sialon ULTRA™ de Sialon Ceramics sont conçus pour fonctionner jusqu’à 1 400 °C et sont fabriqués avec des tolérances de ±0,02 mm ; les tubes chauffants sont conçus pour résister à 1 100 °C en contact direct avec le métal en fusion.

Au-delà de ses applications dans la fonderie, le sialon est utilisé dans les outils de coupe destinés à l'usinage de la fonte moulée à froid, dans les dispositifs de soudage, dans les équipements de traitement chimique, ainsi que dans les applications du secteur pétrolier et gazier où la stabilité chimique à haute température constitue une exigence essentielle.

Les limites du sialon

Le sialon n'est pas le plus dur des trois : le carbure de silicium le surpasse sur l'échelle de Mohs. Dans les applications où la résistance à l'abrasion face à des particules dures constitue la contrainte principale (buses de sablage, garnitures mécaniques dans des boues abrasives), le SSiC est généralement le choix le plus résistant.

Le sialon ne peut pas non plus rivaliser avec le SSiC aux températures extrêmes les plus élevées. La gamme de produits SSiC de Sialon Ceramics (XICAR™) est homologuée jusqu’à 1 700 °C à l’air libre et jusqu’à 1 900 °C dans des atmosphères contrôlées – une plage que le sialon ne peut tout simplement pas atteindre.

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Carbure de silicium fritté : la céramique pour conditions extrêmes

130 ans : des abrasifs à la céramique technique

Parmi ces trois matériaux, c'est le carbure de silicium qui a l'histoire la plus spectaculaire. En 1891, alors qu'Edward Goodrich Acheson tentait de fabriquer des diamants artificiels, il fit accidentellement passer un courant électrique à travers un mélange d'argile et de coke et obtint ainsi un matériau capable de tailler le verre. Il le baptisa « Carborundum » et fonda la société du même nom, offrant ainsi à l'industrie le premier abrasif synthétique plus dur que le corindon.

Pendant la majeure partie du XXe siècle, le SiC est resté principalement sous forme de poudre : meules, papiers abrasifs, composés de coupe. Le passage aux céramiques techniques frittées denses s’est opéré dans les années 1970 et 1980, lorsque des techniques de frittage améliorées ont permis aux ingénieurs de produire des composants solides conservant l’intégralité des propriétés mécaniques du matériau. Le carbure de silicium fritté XICAR™ de Sialon Ceramics représente l'état de l'art actuel dans cette lignée : des composants résistants à des températures allant jusqu'à 1 900 °C et fabriqués dans des longueurs pouvant atteindre 3 000 mm.

Les points forts du SiC fritté

Les avantages concurrentiels du SSiC reposent sur deux propriétés qu’aucune autre céramique de pointe ne possède à la fois : la dureté et la conductivité thermique.

Avec une dureté comprise entre 9 et 9,5 sur l'échelle de Mohs et d'environ 2 500 HV sur l'échelle de Vickers, le carbure de silicium fritté est le plus dur des trois matériaux et figure parmi les substances les plus dures connues, à l'exception du diamant et du nitrure de bore cubique. Cela se traduit directement par une résistance à l'usure supérieure dans les applications abrasives : buses de sablage, roues de pompes traitant des boues abrasives, garnitures mécaniques dans des environnements chimiquement agressifs et accessoires de four soumis à une usure thermique et mécanique constante.

Sa conductivité thermique, comprise entre 120 et 200 W/m·K, est exceptionnelle pour une céramique : elle est bien supérieure à celle du nitrure de silicium (~20–30 W/m·K) et du sialon (~10–20 W/m·K). Le SSiC s'impose donc comme le choix naturel pour les échangeurs de chaleur, les composants de fours et toute application où la chaleur doit traverser efficacement le composant plutôt que de se heurter à une résistance de sa part.

La température de service en continu dans des atmosphères oxydantes dépasse 1 600 °C, les composants XICAR™ étant homologués jusqu'à 1 700 °C à l'air et jusqu'à 1 900 °C dans des atmosphères contrôlées ou réductrices. Aucun produit à base de nitrure de silicium ou de sialon n'atteint ces températures.

Sa résistance chimique est très étendue : le SSiC résiste à la plupart des acides, des bases et des sels fondus sans subir d'attaque notable. Cela en fait le matériau de choix pour les roues de pompes, les sièges de vannes et les équipements de traitement dans les usines chimiques où le fluide est agressif et où toute contamination provenant du matériau de la cuve est inacceptable.

Les limites du SiC fritté

La résistance aux chocs thermiques du SSiC est bonne mais pas exceptionnelle – elle est inférieure à celle du nitrure de silicium et du sialon. Sa conductivité thermique est supérieure à celle des céramiques à base de nitrure, ce qui constitue en réalité un certain avantage, mais sa ténacité à la rupture plus faible signifie que les cycles thermiques rapides et non contrôlés présentent davantage de risques qu’avec le sialon. Les applications impliquant des immersions répétées dans du métal en fusion – tubes chauffants, tubes de protection de thermocouples dans les fours à aluminium – privilégient généralement le sialon ou le nitrure de silicium précisément pour cette raison.

Le SSiC est également le plus fragile des trois en termes de résistance aux chocs. Dans les applications soumises à des chocs mécaniques, la résistance à la rupture légèrement supérieure du sialon prend toute son importance.

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Quel matériau s'impose dans quel domaine ?

Optez pour le nitrure de silicium dans les cas suivants :

• Les roulements de précision, les outils de coupe ou les composants de moteur constituent le domaine d'application
• Des tolérances dimensionnelles très strictes sont requises en cas de cycles thermiques
• L'usinage à grande vitesse de la fonte ou des superalliages au nickel constitue le cas d'utilisation
• Le coût constitue une contrainte importante par rapport aux options haut de gamme

Optez pour le sialon dans les cas suivants :

• L'aluminium, le zinc, le laiton ou d'autres métaux non ferreux en fusion sont concernés
• Les chocs thermiques sont fréquents et violents (alternance rapide entre immersion et sortie du métal en fusion)
• Protection de thermocouples, chauffage par immersion ou applications avec tube de remontée
• Environnements de traitement chimique où la résistance à la corrosion et les températures modérées constituent les principales contraintes

Optez pour le carbure de silicium fritté dans les cas suivants :

• La dureté maximale et la résistance à l'usure face aux milieux abrasifs constituent l'exigence principale
• Les températures de fonctionnement dépassent 1 400 °C à l'air libre
• Le transfert de chaleur à travers le composant est important (échangeurs de chaleur, composants de four)
• Une résistance chimique aux acides, aux bases ou aux sels fondus à haute température est requise
• Des composants de grand format (joints mécaniques, buses de sablage, étagères de four) sont nécessaires

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Domaines d'application par matériau

Ces trois matériaux sont rarement en concurrence directe dans une même application. En pratique :

• Le nitrure de silicium est largement utilisé dans les groupes motopropulseurs automobiles (rotors de turbocompresseurs, bougies de préchauffage), les roulements de machines-outils et les outils de coupe pour métaux durs.
• Le sialon est largement utilisé dans les équipements de fonderie de métaux non ferreux : tubes de protection pour thermocouples, tubes de résistances à immersion, rotors de dégazage, tubes de coulée pour le moulage sous pression de l'aluminium, ainsi que poches de coulée et creusets pour lesquels la résistance au métal en fusion est essentielle.
• Le carbure de silicium fritté est largement utilisé dans les garnitures mécaniques, les roues de pompe, les buses de sablage, les accessoires de four, les revêtements de four, les échangeurs de chaleur, les dispositifs de traitement des semi-conducteurs et les panneaux de protection balistique.

C'est dans cette zone de chevauchement – où règne une chaleur extrême sans autre contrainte dominante – que le choix des matériaux devient un véritable choix technique plutôt qu'une évidence.

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Découvrez les céramiques au sialon

Sialon Ceramics fabrique des composants en sialon et en carbure de silicium fritté depuis 1986. Que l'application nécessite un tube de protection de thermocouple Sialon ULTRA™ résistant à 1 400 °C, un tube de chauffage par immersion garanti 12 mois dans de l'aluminium fondu, ou un composant en carbure de silicium fritté XICAR™ résistant à 1 900 °C en atmosphère contrôlée, l'entreprise produit des géométries sur mesure avec des tolérances de ±0,02 mm, dans des longueurs allant jusqu'à 3 000 mm.

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Sources

• Wikipédia : Sialon
• Wikipédia : Nitrure de silicium
• AZoM : Propriétés et applications du nitrure de silicium (Si₃N₄)
• AZoM : Propriétés et applications du carbure de silicium (SiC)
• Jack, K.H. (1976). « Sialons et céramiques azotées apparentées ». Journal of Materials Science, 11(6) : 1135-1158
• Cao, G.Z. ; Metselaar, R. (1991). « Céramiques α’-sialon : une synthèse ». Chemistry of Materials, 3(2) : 242
• Wikipédia : Edward Goodrich Acheson
• Céramiques au sialon : tubes chauffants Sialon ULTRA™
• Céramiques au sialon : carbure de silicium fritté XICAR™