Si₃N₄陶磁器で決定的機械力
窒化ケイ素(Si₃N₄)として認知普遍的あるのもっとも機械的ロバストな進んだ陶磁器ある。しかし、セラミックスでは、"strength"は多次元的な性質です。日常的な屈曲力(曲げによる引張破断に対する耐性)圧缩强度(を潰す抵抗)タフネス骨折です(亀裂伝播に対する抵抗性)、および硬度(局所的な塑性変形に対する耐性)。
このうち屈曲力(astm c1161に準拠した3点曲げ試験または4点曲げ試験によって測定)セラミック部品が純粋な圧縮で破損することは稀であるため、最も重要な設計基準です。Si₃N₄陶磁器デモ屈曲強みから300 mpaから1,200 mpa以上-製造ルート、原料粉末純度、添加剤システム、および得られる微細構造によって完全に決定される大規模な変動。
拡張知識:weibullモジュラス(m)
セラミックスは脆く、重大な欠陥(細孔、介在物、マイクロクラック)によって破壊されるため、その強度は統計的であり、絶対的なものではありません。のWeibull係数(m)強度データの散乱を定量化する。低いm(例えば、多孔質rbsnの場合は5-8)高い変動性と予測不可能な破壊を意味します。高いm(例:>プレミアムgpsn / hipの場合は15)は、強度分布が狭く、高い信頼性があることを示します。これは、航空宇宙用ベアリングやevのトラクションモーターなどの動的で安全性が重要な用途に対して安全であることを意味します。設計許容値は、平均強度ではなく、指定された生存確率(通常は99.9%)で計算されます。
屈曲力全国Si₃N₄処理路線
製造方法は、基本的に最終成分の密度、粒の形態、ガラス相の含有量、および欠陥の集団を決定します。以下に比較分析一次Si₃N₄4処理され路線封筒机械を精选しやがって
図1:による屈曲強度範囲Si₃N₄製造工程
RBSN (Reaction-Bonded Si₃N₄)
1400-1450°cでsi粉末の直接窒化によって生成されます。15 ~ 30%の残留空隙率は強度を制限します300 ~ 600メガパスカル。優れた熱衝撃耐性とニアネットシェイプ能力(最小収縮)。適度な強度で十分な窯家具、バーナーノズル、熱電対保護管に使用されます。
SSN (PressurelessのSi₃N₄)
使用Y₂O₃「引き延ばし₂O₃またはliquid-phase焼成用MgO添加剤1750-1850°Cを700-1,000 MPa良好な複雑な形状能力(射出成形、押出)を有する。連動β-grains信頼できる強い体力。工業用摩耗部品、バルブシート、およびポンプシール用の標準グレード。
HPSN (Hot-Pressed Si₃N₄)
焼結中に適用される一軸圧力(20 ~ 30 mpa)は、ほぼ理論密度とをもたらします900-1,200 MPa。高度に洗練された粒度整列構造で、エッジ強度に優れています。シンプルな形状(パック、ブロック、ディスク)に限られます。工具のインサート、装甲部品、精密ゲージブロックの切削に最適です。
GPSN(ガス圧力のSi₃N₄)
高いN₂overpressure(10メガパスカル)Si₃を抑えるN₄分解し、イネーブルびっしりシェーディング(> 99.9% TD)で最小限の添加物1800-1950°Cを> 1,000-1,200 + MPaK私C>、6メガパスカル・m½。ハイブリッドベアリング、evモーター、航空宇宙用ターボ機械、および半導体装置の紛れもないベンチマーク。
強さの微細構造ドライバー&靭性
機械力Si₃N₄はchemistry-itの機能だけでなく新興人工財産微视的。2小学校要素时会妄想Si₃N₄成分が収益率のではないか500メガパスカルまたは1200 MPaで生き残りをかけて:
穀物形:β-Si₃N₄ネットワーク
liquid-phase焼成中equiaxedα-Si₃N₄粒に溶け入るY-Si-Al-O-N、溶けreprecipitate細長いβ-Si₃N₄結晶(アスペクト比5-15:1)via ostwald ripening。これらの粒子は、自己強化され、相互に連動する3 dネットワークを形成し、2つの相乗機構を介してクラックの伝播に積極的に抵抗する。
亀裂たわみ:亀裂は、移動を強制されます周辺湾曲した粒状経路に沿って細長い粒子が、総破壊表面積を増加させ、エネルギーを放散させます。
亀裂ブリッジ:無傷の細長い粒が、前進する先端の後ろの亀裂後流に広がり、加えられた応力強度係数(k)から亀裂先端を保護する機械的閉鎖力を加えますI)。
穀物もままならない:引き抜き時の脱結合粒子の摩擦摺動は、アスペクト比と界面せん断強度に比例した付加的な破壊エネルギーを消費する。
このself-tougheningはGPSN Si₃N₄R-curve上昇:靭性増加平坦なr曲線を持つモノリシックセラミックスとは異なり、クラックの伸びがあります。
porosity & critical flaw size
Griffith&によれば#39;s説壊れ骨折に、実力は反比例の平方根その危機的な大きさ:欠陥σf∝KIC/√(π・c)。セラミックスでは、ほとんどの場合、残留細孔、凝集体、大規模な包接、または研削によって引き起こされるマイクロクラックである。
RBSN:15 ~相互多孔质の大規模なストレス集光器→重要なものを作り出しサイズ~戻れ欠陥μm→低強度(300 ~ 600 MPa)。
SSN:1 ~ 3%残差多孔质→サイズ~ 3 ~ 10μm→欠陥適度な力(700-1000メガパスカル)。
HPSN / GPSN:> 99.9% TD→規模縮小sub-micron米穀境界欠陥(~ 0.5-2μm)→最大理論力(1000 ~ + MPa)。
残存空隙率が1%増加したとしても、曲げ強度は15 ~ 20%低下する可能性があります。この指数的感度こそ、ヒップpost-treatmentは義務付けbearing-grade Si₃N₄。
フルモデルチェンジ(フルモデルチェンジ):フルモデルチェンジ
液相焼結時に形成されるアモルファスy-si-al-o-n粒界膜は両刃の剣です。映画を濡らしうが比較的厚いが2回のシェーディング(高い強度)を低減できる耐高温奴性や脱力、骨折靭性(すわって位相は結晶Si₃N₄)より弱い。高級GPSN成績最小限添加物コンテンツ(5 ~ 7 wt % vs 12 wt割差し引く標準SSN)雇用post-sintering devitrificationどんより段階を電気に変えるannealing結晶てしまってい(Y₂Si₂O₇)room-temperature最適化強さもと高温実績だという。
Si₃N₄vs競争工学陶磁器
アルミナ(Al₂O₃)、炭化シリコン(SiC)とジルコニア(ZrO₂)陶磁器ひろく使われている構造Si₃N₄独特の「子供をを占め甘いspot"資料選択matrix-particularlyで動的搭载、熱ショックで気温が高架共存です
図2多軸機械特性レーダーの比較
| 材料 | 屈曲力 | タフネス骨折です | 硬度(HV) | マックスサービス派遣 | 小学校制限 |
|---|---|---|---|---|---|
| Si₃N₄(GPSN) | 1,000-1,200 + MPa | 6.0-8.0 MPa・m½ | 1500-1700 | 1200-1400°C | 高い製造コストでダイヤモンド必要な加工 |
| ZrO₂(Y-TZP) | 900-1,500 MPa | 8.0-12.0 MPa・m½ | 1200-1400 | 旅団°C | 相不安定性&壊滅的な強度損失>800°c |
| SiC(の) | 400-800 MPa | 3.0-4.5 MPa・m½ | 相当 | 1400-1600°C | 極端ない;貧しいインパクト/ショック抵抗 |
| アル₂O₃(99.8%) | 300 ~ 600メガパスカル | 3.0-4.0 MPa・m½ | 1600-1800 | 1000 ~°C | 構造セラミックスの中で最も低い強度&靭性 |
高温力保持
室温の強さは半分しかありませんターボチャージャーローター、ガスタービン部品、高速スピンドル、航空宇宙用ターボポンプのような用途では、コンポーネントは800°c ~ 1,200°cで連続的に動作します。ここで、Si₃N₄著しく竞争相手性能をした。
ジルコニア(Y-TZP)その並外れた室温靭性のために、準安定な正方相に依存しています。600 ~ 800°cを超えると、この相が不安定になり、材料は壊滅的な強度低下を受け、rt強度の50 ~ 70%が失われる。アルミナ融点が低く、三重接合部でのガラスのような不純物のために、高温での粒界の滑りとクリープに苦しんでいます。
GPSN窒化ケイ素しかし、保持する> 1,200°cでの室温曲げ強度の80%。これは穀物境界工学: post-sintering annealingで1400-1600°C devitrifiesアモルファスY-Si-Al-O-N穀境界フィルム高い入れる耐火性結晶てしまってい(例えば、Y₂Si₂O₇melilite)。これにより粒界のガラス転移温度が900°cから1300°cに上昇し、極低温での負荷下での粘性流動やクリープを防止します。前述しアプリケーション持続的な力を要求目的1000°C Si₃N₄はしばしばだけ実行可能なモノリシックセラミックオプション。
用途に応じた材料選択マトリックス
正しいSi₃N₄年生を選択する強さが必要に等化機械製造コストに対する要求幾何学的な複雑と営業環境した。
窯の家具&熱器具
推荐:RBSN
[Why]静的熱荷重には中程度の強度(400 mpa)で十分です。ニアネットシェイプ機能と優れた熱衝撃耐性により、大規模でシンプルな形状でも低コストを維持します。最小収縮は寸法制御を簡素化します。
工業用摩耗部品&バルブ
推荐:SSN
[Why]強度(800 mpa)と靭性のバランスが良い。焼結前に射出成形または押出成形により、複雑な形状(バルブシート、ポンプシール、ノズル)に成形することができます。非安全性が重要なアプリケーションに費用対効果が高い。
金属切削工具用インサート
推荐:HPSN
[Why]最大の密度と洗練された整列した粒度構造により、鋳鉄およびニッケル超合金の高速加工に必要なエッジ強度と耐摩耗性を提供します。シンプルなインサート形状は、単軸プレスに適しています。
evベアリング&アンプ;航空宇宙ローター
推荐:GPSN(+ヒップ)
[Why]極端な動的負荷には、1,000 mpaの強度、高いweibull弾性率(>15)、最大転がり疲労寿命が必要です。gpsn + hipのみが、安全性が重要なアプリケーションで要求される欠陥のない微細構造と統計的信頼性を提供します。
半導体や装備
推荐:GPSN(高純度)
[Why]超高純度(>99.99%)、プラズマ浸食耐性、低粒子発生。cf cooh / oの作用が強く、1200°cの炉サイクルでも金属汚染を受けない。5 ~ 10×より長い寿命vs石英やアル₂O₃。
High-Temp構造(> 1000°C)
推荐:GPSN (Devitrified GB)
[Why]1200°cで80%のrt強度。zroゾイドは800°c以上では溶解しない。アル₂O₃が沸い上記1000°Cたガスタービンのホットdivコンポーネントと極超音速前縁に不可欠。
エンジニアリングよくある質問
q1:ガス圧焼結(gpsn)窒化ケイ素の機械的強度が最も高いのはなぜですか?
GPSNを実力と(> 1000 MPa)た最高の機械高い窒素ゆえoverpressure(最高1000 MPa) Si₃を抑えるN₄热分解させて上記1800°C、焼成温度でます。これにより、びっしりシェーディング(> 99.9% TD)最小限の焼成添加物,生んで縮小すわって穀物境界位相が作る最適化連動のネットワークが細長いβ-Si₃N₄粒。ほぼゼロの空隙率(致命的な欠陥部位を排除)と亀裂架橋微細構造の組み合わせは、曲げ強度と破壊靭性の両方を同時に最大化します。
Q2: Si₃はどうやってN₄骨折と靭性を比較しアルミナ、ジルコニア?炭化ケイ素
室温で:y-tzpジルコニアは、最も高い靭性を有する(8-12 mpa・m½)は、変換靭性を介して、しかし、800°cを超えると深刻に劣化します。GPSN Si₃N₄提供6 ~ 8メガパスカル・m½細長いβのひび割れブリッジたわみによって-grains、强靭オープンにし>に1200°Cの歴史がある。焼結sicは3-4.5 mpa・mしかありません½(粒が均等化され、靭性機構がない)。アルミナ(99.8%)は3-4 mpa・mである½。Si₃N₄强靭バランスが最も良いの高と高温安定の動的構造応用です。
Q3:重要性があまり知られていませんWeibull係数エス・アイで₃N力量評価を₄?
セラミックスは、重大な欠陥(細孔、介在物、マイクロクラック)によって破断するため、強度は決定論的な値ではなく統計的な特性になります。のWeibull係数(m)強度データの散乱を定量化する:低いm(多孔質rbsnの場合は5-8)は、ばらつきが大きく、予測不可能な破壊を示す。高m(プレミアムgpsn / hipは>15)は強度分布が狭く、高い信頼性を示します。航空宇宙用ベアリングやevモーター部品などの安全性が重要な用途では、高いweibull弾性率は、ある生存確率(通常99.9%)で設計許容応力を決定するため、平均強度値と同じくらい重要です。
Q4:何温度Si₃Nで機械の力₄始め疑ってる?
高級GPSN Si₃N₄>を保持する;room-temperatureの80%を屈曲約1200°Cなければならない。この温度を超えると、残留アモルファス粒子境界相が軟化するにつれて強度が徐々に低下する。Post-sintering annealing (devitrification热処理1400-1600°C)は、このどんよりフェイズを結晶てしまってい(例えば、Y₂Si₂O₇)、3 ~ 1400°C有用な力保持広がった。一方、y-tzpジルコニアは600-800°c以上ではテトラゴナル-単斜相の不安定性により強度が著しく低下し、アルミナは1000°c以上では結晶粒界が摺動する。
