De la cerámica en polvo a la sólida: los métodos de conformación y sinterización
El polvo de SiC por sí solo no es una cerámica fuerte y densa. Para crear un objeto sólido, se debe moldear el polvo y luego fusionarlo en un proceso llamado sinterización. El desafío clave es que el SiC tiene fuertes enlaces covalentes, lo que hace que sea muy difícil de sinterizar. Por tanto, se requieren técnicas especiales. Los tres métodos principales son:
1. Sinterización (sinterización de estado sólido)
Este es el método más común para fabricar componentes de formas complejas.
# Mezclado: El polvo de SiC se mezcla con un coadyuvante de sinterización, normalmente una pequeña cantidad de Boro (B) y Carbono (C). El carbono ayuda a eliminar la capa de óxido de las partículas de SiC y el boro promueve la difusión atómica.
# Conformación: A la mezcla de polvo se le da forma de "cuerpo verde" (una forma no sinterizada). Esto se puede hacer mediante:
* Prensado en seco: Prensado uniaxial o isostático para formas simples.
* Extrusión: Para formas largas y continuas como tubos o varillas.
* Moldeo por Inyección: Para formas muy complejas e intrincadas.
# Sinterización: El cuerpo verde se calienta en una atmósfera inerte (como argón) a temperaturas de alrededor de 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F). A esta temperatura, las partículas se difunden entre sí en los puntos de contacto, uniéndose para formar una cerámica sólida y densa con una porosidad mínima.
Resultado: Carburo de Silicio Sinterizado (SSiC). Tiene alta pureza, excelente resistencia al desgaste y buena resistencia mecánica.
2. Unión por reacción (o siliconación)
Este método crea una pieza con una forma casi neta y una contracción mínima.
# Conformación: Una mezcla de polvo de SiC y carbono (por ejemplo, grafito) se forma en un cuerpo verde poroso.
# Infiltración: Luego, el cuerpo verde se pone en contacto con metal de silicio (Si) fundido en un horno al vacío.
# Reacción: El silicio fundido es atraído hacia el cuerpo poroso por acción capilar. Luego reacciona con el carbono dentro del cuerpo para formar un nuevo carburo de silicio (Si + C → SiC), que une las partículas de SiC originales.
# Exceso de silicio: todos los espacios que no se llenan con la reacción se llenan con silicio metálico residual.
Resultado: Carburo de silicio unido por reacción (RBSC) o carburo de silicio siliconado. Es más denso que el SSiC pero contiene entre un 5% y un 15% de silicio libre, lo que reduce su resistencia a altas temperaturas y resistencia química en comparación con el SSiC.
3. Prensado en caliente
Este método produce la mayor densidad y resistencia, pero es más caro y se limita a formas simples.
# Proceso: Se coloca polvo de SiC (con auxiliares de sinterización) en una matriz, normalmente hecha de grafito.
# Calor y presión simultáneos: el troquel se calienta a temperaturas de sinterización (~1900 °C - 2000 °C) mientras se aplica simultáneamente una presión uniaxial muy alta (decenas de MPa).
# Beneficio: La combinación de calor y presión impulsa la densificación de manera más efectiva y a una temperatura más baja que la sinterización sin presión.
Resultado: Carburo de Silicio Prensado en Caliente (HPSiC). Tiene propiedades mecánicas superiores, pero normalmente se produce en formas simples, como placas o bloques, que requieren mecanizado posterior con herramientas de diamante.
Paso final: mecanizado
Después de la sinterización, el componente está cerca de su forma final, pero a menudo requiere un mecanizado de precisión. Debido a que el SiC es extremadamente duro (9,5 en la escala de Mohs, cerca del diamante), esto sólo se puede hacer utilizando muelas o herramientas impregnadas de diamante.
En resumen, fabricar cerámica de carburo de silicio es un proceso de varios pasos que implica primero sintetizar el polvo ultraduro y luego utilizar técnicas especializadas de alta temperatura para densificarlo y convertirlo en un material de ingeniería resistente y duradero.
Te puede gustar: Cerámica de circonio, Componente cerámico
