Nitruro di silicio, sialon e carburo di silicio: quale ceramica avanzata scegliere?

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Basta entrare in qualsiasi fonderia, impianto chimico o impianto con forni ad alta temperatura di tutto rispetto per trovare ceramiche avanzate impegnate in compiti gravosi che i metalli non sono in grado di svolgere. Ma quali sono? Il nitruro di silicio, lo sialon e il carburo di silicio sinterizzato vengono spesso citati nello stesso contesto: tutti e tre sopportano il calore estremo, tutti e tre resistono alla corrosione e tutti e tre durano più a lungo dei metalli in applicazioni impegnative. Le differenze tra loro, tuttavia, sono abbastanza marcate da rendere costosa una scelta sbagliata.

Questa guida fa chiarezza su questo tema. Spiega da dove proviene ciascun materiale, quali sono le sue effettive potenzialità e, soprattutto, in quali applicazioni si rivela vincente e in quali no.

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In sintesi: i tre materiali

| Proprietà | Nitruro di silicio (Si₃N₄) | Sialon (SiAlON) | SiC sinterizzato (SSiC) | | — | — | — | — | | Durezza (scala di Mohs) | ~9 | ~9 | 9–9,5 | | Temperatura massima effettiva (aria) | ~1.200–1.400 °C | Fino a ~1.400 °C | 1.600–1.700 °C | | Resistenza agli shock termici | Eccellente | Eccellente | Buono | | Resistenza ai metalli fusi | Buono | Eccezionale | Buono | | Resistenza alla corrosione chimica | Buono | Buono | Eccellente | | Densità (g/cm³) | ~3,2 | ~3,2–3,4 | ~3,1–3,2 | | Costo relativo | Medio | Medio-alto | Medio-alto |

Non esiste un unico materiale che sia il migliore in ogni ambito. È proprio questo il punto – ed è il motivo per cui esiste questo confronto.

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Nitruro di silicio: la ceramica di precisione

Un percorso di 170 anni nel mondo dell'industria

Il nitruro di silicio è quello con la storia più lunga tra i tre, anche se per la maggior parte non è stato particolarmente utile. Fu sintetizzato per la prima volta nel 1857 dai chimici francesi Sainte-Claire Deville e Wöhler: una curiosità di laboratorio che rimase in gran parte ignorata per un secolo. Fu solo negli anni '60 e '70, quando gli ingegneri iniziarono a cercare seriamente materiali in grado di resistere all'interno dei motori a turbina degli aerei, che il Si₃N₄ ricevette l'attenzione industriale che meritava.

Il sogno del motore in ceramica – sostituire il metallo con il nitruro di silicio per i rotori dei turbocompressori, le candele di preriscaldamento e le camere di combustione – è stato realizzato solo in parte. Ma la ricerca che ne è scaturita non è andata sprecata. Negli anni ’80 e ’90, il nitruro di silicio aveva trovato la sua vera vocazione nei cuscinetti, negli utensili da taglio e nella movimentazione dei metalli fusi, ambiti in cui la sua combinazione unica di proprietà si è rivelata davvero difficile da eguagliare.

I punti di forza del nitruro di silicio

La caratteristica distintiva del nitruro di silicio è la combinazione di elevata resistenza meccanica ed eccellente resistenza agli shock termici. Può essere rapidamente riscaldato e raffreddato senza subire fessurazioni: una proprietà che deriva dal suo basso coefficiente di dilatazione termica e dalla struttura a legami covalenti del suo reticolo Si–N.

Un’altra sua caratteristica distintiva è la resistenza all’usura alle alte velocità. I circa 300.000 rotori per turbocompressori in nitruro di silicio prodotti ogni anno sono possibili proprio perché il materiale rimane duro e dimensionalmente stabile a temperature e velocità di rotazione che distruggerebbero i cuscinetti convenzionali. Il mercato annuale degli utensili da taglio per Si₃N₄, del valore di 50 milioni di dollari, esiste per lo stesso motivo: consente di lavorare ghisa e superleghe a base di nichel a velocità superficiali fino a 25 volte superiori rispetto al carburo di tungsteno.

Il nitruro di silicio è inoltre in grado di resistere al contatto con metalli non ferrosi fusi – alluminio, zinco, stagno, piombo – senza contaminare il materiale fuso. Ciò lo rende adatto alla realizzazione di guaine per termocoppie, ugelli e crogioli nell’ambito della lavorazione dei metalli.

I limiti del nitruro di silicio

Il nitruro di silicio si decompone al di sopra di circa 1.850 °C, ma si tratta di un limite massimo teorico, non di una temperatura di esercizio. In pratica, le temperature di esercizio effettive raggiungono un massimo di circa 1.200–1.400 °C a seconda del tipo di materiale e dell'atmosfera. Non è possibile utilizzarlo al di sopra di questo intervallo senza che il materiale subisca un degrado.

Inoltre, perde terreno rispetto allo sialon proprio quando entra in gioco il contatto con l’alluminio fuso. Il nitruro di silicio viene attaccato dall’alluminio fuso più facilmente rispetto allo sialon: una differenza minima, ma commercialmente significativa nel settore della fonderia.

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Sialon: la ceramica per fonderia

Realizzato in nitruro di silicio

Lo sialon – che si pronuncia “sigh-alon” – non è un composto, bensì una famiglia di leghe ceramiche derivate dal nitruro di silicio. Il nome è un acronimo: ossinitruro di silicio e alluminio. Quando gli atomi di alluminio e ossigeno vengono inseriti nel reticolo cristallino del nitruro di silicio, stabilizzano quella che altrimenti sarebbe una fase del materiale meno lavorabile e conferiscono una serie di proprietà termiche e chimiche completamente nuove.

Il materiale fu descritto per la prima volta nel 1971, frutto di ricerche condotte in parallelo presso l’Università di Newcastle e il National Physical Laboratory del Regno Unito. L’articolo di K.H. Jack pubblicato nel 1976 sul *Journal of Materials Science*, intitolato“Sialoni e ceramiche azotate correlate”, fornì il quadro teorico che accelerò la commercializzazione nel decennio successivo.

Sialon Ceramics ApS è stata fondata nel 1986 – lo stesso decennio in cui lo sialon è passato dall’essere un materiale da laboratorio a un prodotto commerciale – e da allora produce componenti in sialon e carburo di silicio per applicazioni industriali e di fonderia a temperature estreme.

I punti di forza di Sialon

La proprietà principale dello sialon è la sua eccezionale resistenza alla bagnabilità e alla corrosione da parte dei metalli non ferrosi fusi, in particolare l’alluminio. Laddove il nitruro di silicio è semplicemente resistente, lo sialon è realmente immune nella maggior parte delle condizioni di lavorazione dell’alluminio. I tubi di protezione per termocoppie, i tubi per riscaldatori a immersione, i tubi di risalita per la pressofusione a bassa pressione e i rotori di degassificazione per l’alluminio traggono tutti vantaggio da questa proprietà in modi che altre ceramiche faticano a eguagliare.

Il secondo punto di forza è la resistenza agli shock termici. La bassa dilatazione termica e il mantenimento della resistenza alle alte temperature dello Sialon consentono di immergerlo nel metallo fuso, sottoporlo a cicli rapidi e ritirarlo senza che si verifichino crepe – ciclo dopo ciclo. I tubi di protezione per termocoppie Sialon ULTRA™ di Sialon Ceramics sono progettati per funzionare fino a 1.400 °C e sono realizzati con tolleranze di ±0,02 mm; i tubi riscaldanti sono progettati per resistere fino a 1.100 °C a contatto diretto con il metallo fuso.

Oltre che nelle fonderie, il sialon viene impiegato negli utensili da taglio per la lavorazione della ghisa a raffreddamento rapido, nei dispositivi di fissaggio per la saldatura, nelle apparecchiature per i processi chimici e nelle applicazioni nel settore petrolifero e del gas, dove la stabilità chimica alle alte temperature è il requisito fondamentale.

I limiti dello sialon

Lo sialon non è il più duro dei tre: il carburo di silicio lo supera sulla scala di Mohs. Nelle applicazioni in cui la resistenza all’abrasione da particelle dure rappresenta il carico principale (ugelli di sabbiatura, tenute meccaniche in sospensioni abrasive), l’SSiC è in genere la scelta più indicata.

Inoltre, il sialon non può eguagliare l’SSiC alle temperature più elevate. La linea di prodotti SSiC di Sialon Ceramics (XICAR™) è classificata per resistere fino a 1.700 °C in aria e fino a 1.900 °C in atmosfere controllate – un intervallo che il sialon semplicemente non può raggiungere.

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Carburo di silicio sinterizzato: la ceramica per condizioni estreme

130 anni: dagli abrasivi alla ceramica tecnica

Il carburo di silicio ha la storia delle origini più sorprendente tra i tre. Nel 1891, Edward Goodrich Acheson stava cercando di produrre diamanti artificiali quando, per caso, fece passare una corrente elettrica attraverso una miscela di argilla e coke, ottenendo un materiale in grado di tagliare il vetro. Lo chiamò “Carborundum” e fondò l’azienda che ne portava il nome, regalando all’industria il primo abrasivo sintetico più duro del corindone.

Per gran parte del XX secolo, il SiC è rimasto principalmente una polvere: mole, carte abrasive, composti da taglio. Il salto verso le ceramiche tecniche sinterizzate dense è avvenuto negli anni ’70 e ’80, quando tecniche di sinterizzazione migliorate hanno permesso agli ingegneri di produrre componenti solidi mantenendo intatte tutte le proprietà meccaniche del materiale. Il carburo di silicio sinterizzato XICAR™ di Sialon Ceramics rappresenta lo stato dell’arte attuale in questo settore: componenti resistenti fino a 1.900 °C e realizzati con lunghezze fino a 3.000 mm.

I punti di forza del SiC sinterizzato

I vantaggi competitivi dell’SSiC ruotano attorno a due proprietà che nessun’altra ceramica avanzata possiede contemporaneamente: la durezza e la conducibilità termica.

Con una durezza compresa tra 9 e 9,5 sulla scala di Mohs e circa 2.500 HV sulla scala di Vickers, il carburo di silicio sinterizzato è il più duro dei tre materiali e figura tra le sostanze più dure conosciute, a parte il diamante e il nitruro di boro cubico. Ciò si traduce direttamente in una durata superiore alle usure nelle applicazioni abrasive: ugelli di sabbiatura, giranti di pompe che trattano sospensioni abrasive, tenute meccaniche in ambienti chimicamente aggressivi e elementi di supporto per forni soggetti a costante usura termica e meccanica.

La sua conducibilità termica, compresa tra 120 e 200 W/m·K, è eccezionale per una ceramica: di gran lunga superiore a quella del nitruro di silicio (~20–30 W/m·K) e del sialon (~10–20 W/m·K). Ciò rende l’SSiC la scelta naturale per scambiatori di calore, componenti di forni e qualsiasi applicazione in cui il calore debba attraversare il componente in modo efficiente anziché incontrare resistenza da parte di esso.

La temperatura di esercizio continuo in atmosfere ossidanti supera i 1.600 °C; i componenti XICAR™ sono omologati per resistere fino a 1.700 °C in aria e fino a 1.900 °C in atmosfere controllate o riducenti. Nessun prodotto in nitruro di silicio o sialon raggiunge tali temperature.

La resistenza chimica è completa: l’SSiC resiste alla maggior parte degli acidi, delle basi e dei sali fusi senza subire danni significativi. Ciò lo rende il materiale preferito per giranti di pompe, sedi di valvole e apparecchiature di processo negli impianti chimici in cui il fluido è aggressivo e la contaminazione da parte del materiale del serbatoio non è accettabile.

I limiti del SiC sinterizzato

La resistenza agli shock termici dell’SSiC è buona ma non eccezionale – inferiore sia al nitruro di silicio che al sialon. Presenta una conduttività termica superiore rispetto alle ceramiche a base di nitruro, il che in effetti aiuta in parte, ma la sua minore tenacità alla frattura comporta che i cicli termici rapidi e incontrollati presentino un rischio maggiore rispetto al sialon. Le applicazioni che comportano ripetute immersioni nel metallo fuso – tubi riscaldanti, tubi di protezione per termocoppie nei forni per l’alluminio – prediligono in genere il sialon o il nitruro di silicio proprio per questo motivo.

L'SSiC è inoltre il più fragile dei tre in termini di resistenza agli urti. Nelle applicazioni soggette a sollecitazioni da urti meccanici, la resistenza alla frattura leggermente superiore dello sialon assume particolare rilevanza.

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Quale materiale è il migliore in ogni situazione

Scegliere il nitruro di silicio quando:

• Cuscinetti di precisione, utensili da taglio o componenti per motori sono le applicazioni
• Sono richieste tolleranze dimensionali strette in presenza di cicli termici
• La lavorazione ad alta velocità della ghisa o delle superleghe al nichel rappresenta il caso d'uso
• Il costo rappresenta un vincolo significativo rispetto alle opzioni di fascia alta

Scegliere lo sialon quando:

• Sono coinvolti alluminio fuso, zinco, ottone o altri metalli non ferrosi
• Gli shock termici sono frequenti e intensi (rapidi cicli di immersione e fuoriuscita dal metallo fuso)
• Protezione di termocoppie, riscaldatori ad immersione o applicazioni con tubi di risalita
• Ambienti di lavorazione chimica in cui la resistenza alla corrosione e le temperature moderate rappresentano i carichi principali

Scegliere il carburo di silicio sinterizzato quando:

• Il requisito principale è la massima durezza e resistenza all'usura nei confronti di agenti abrasivi
• Le temperature di esercizio superano i 1.400 °C all'aria
• Il trasferimento di calore attraverso il componente è importante (scambiatori di calore, componenti di forni)
• È richiesta resistenza chimica ad acidi, basi o sali fusi ad alta temperatura
• Sono necessari componenti di grandi dimensioni (guarnizioni meccaniche, ugelli di sabbiatura, ripiani per forni)

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Settori di applicazione per materiale

I tre materiali raramente entrano in concorrenza diretta nella stessa applicazione. In pratica:

• Il nitruro di silicio è il materiale predominante nei sistemi di trasmissione automobilistici (rotori dei turbocompressori, candele di preriscaldamento), nei cuscinetti per macchine utensili e negli utensili da taglio per metalli duri.
• Lo sialon è il materiale dominante nelle attrezzature per la fonderia di metalli non ferrosi: tubi di protezione per termocoppie, tubi per resistenze a immersione, rotori di degassificazione, tubi di alimentazione per la pressofusione dell’alluminio, nonché siviere e crogioli in cui la resistenza al metallo fuso è fondamentale.
• Il carburo di silicio sinterizzato è il materiale prevalente nelle tenute meccaniche, nelle giranti delle pompe, negli ugelli di sabbiatura, nei supporti per forni, nei rivestimenti dei forni, negli scambiatori di calore, nelle attrezzature per la lavorazione dei semiconduttori e nei pannelli di protezione balistica.

La zona di sovrapposizione – calore estremo senza altri vincoli dominanti – è quella in cui la scelta dei materiali diventa una vera e propria decisione ingegneristica piuttosto che una scelta ovvia.

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Prova le ceramiche in sialon

Sialon Ceramics produce componenti in sialon e carburo di silicio sinterizzato dal 1986. Che l’applicazione richieda un tubo di protezione per termocoppia Sialon ULTRA™ con resistenza termica fino a 1.400 °C, un tubo per riscaldatore ad immersione garantito per 12 mesi in alluminio fuso o un componente in carburo di silicio sinterizzato XICAR™ con resistenza termica fino a 1.900 °C in atmosfera controllata, l’azienda produce geometrie personalizzate con tolleranze di ±0,02 mm e lunghezze fino a 3.000 mm.

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Fonti

• Wikipedia: Sialon
• Wikipedia: Nitruro di silicio
• AZoM: Proprietà e applicazioni del nitruro di silicio (Si₃N₄)
• AZoM: Proprietà e applicazioni del carburo di silicio (SiC)
• Jack, K.H. (1976). “Sialoni e ceramiche azotate affini”. Journal of Materials Science, 11(6): 1135–1158
• Cao, G.Z.; Metselaar, R. (1991). “Ceramiche α’-sialon: una rassegna.” Chemistry of Materials, 3(2): 242
• Wikipedia: Edward Goodrich Acheson
• Ceramiche in sialon: Tubi riscaldanti Sialon ULTRA™
• Ceramiche in sialon: carburo di silicio sinterizzato XICAR™