Carburo de Silicio (SiC) PDF

INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS CARBURO DE SILICIO (SiC) 1. INTRODUCCIÓN - El SiC es uno de los cerámicos estructurales más empleados debido a sus propiedades específicas, entre las que destacan...

INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS CARBURO DE SILICIO (SiC) 1. INTRODUCCIÓN - El SiC es uno de los cerámicos estructurales más empleados debido a sus propiedades específicas, entre las que destacan las siguientes: Elevada resistencia específica Elevado módulo de elasticidad Elevada rigidez específica Baja densidad Elevada dureza Gran resistencia a la corrosión y oxidación Buena resistencia a temperaturas elevadas - Posibilidad de obtención de piezas de formas complicadas 2. ESTRUCTURA CRISTALINA - El SiC presenta varias formas cristalinas polimórficas: ß-SiC: o Estable a temperaturas menores o Apilamiento atómico basado en tetraedros de C con un átomo de Si en el centro o Estructura FCC (átomos de C) con 4 átomos adicionales (Si) o Similar al diamante y blenda (ZnS) INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS α-SiC: o Estable a muy altas temperaturas o Estructuras hexagonales y rómbicas derivadas de la estructura ß (por rotación de los tetraedros) 3. OBTENCIÓN DE POLVOS - Existen varios métodos para obtener SiC en polvo Cada uno da lugar a partículas de distinto tamaño, forma y pureza 3.1. REDUCCIÓN CARBOTÉRMICA - Reducción por el carbono de SiO2 de elevada pureza: SiO2 + 3C → SiC + 2CO - En función de la Tra de reducción se obtiene α-SiC o ß-SiC: Tra > 2600 ºC → α-SiC Tra ≈ 1500 – 1600 ºC → ß-SiC - Materias primas: SiO2 de alta pureza: arena de cuarzo C: coque con bajo contenido en S - Aditivos: Serrín: facilita eliminación del CO (mejora la porosidad y circulación de gases) Boro, titanio o zirconio: eliminar riesgos oxidación a 1000 ºC INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS - La mezcla se introduce en horno eléctrico (Proceso Acheson): Tra: 2200-2500 ºC Requiere gran cantidad Tiempo: 24 -48 horas de energía - La reacción presenta gradiente con el espesor: Zona interior: reacción completa, SiC sin impurezas, color verde Zona intermedia: menor pureza, color negro, buenas aplicaciones Zona externa: reacción incompleta, se añade a la siguiente hornada - El producto final ha de ser molido finamente para poder ser sinterizado 3.2. CONVERSIÓN DE POLÍMEROS - Obtención de SiC mediante calentamiento de un polímero organo-silíceo - No se logra la formación completa de ß-SiC: Es necesario un tratamiento térmico y químico posterior de purificación 3.3. SÍNTESIS EN FASE GASEOSA - Obtención de α-SiC: Metano + tetracloruro de silicio Arco de plasma Metano + dimetil diclorosilano Alta temperatura Metano + metil triclorosilano - Obtención de β -SiC: Silano + propano + hidrógeno + cloruro de hidrógeno Tra < 1200 ºC INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 4. CONFORMADO Existen varios métodos para conformar los polvos de SiC: - Prensado en matriz: Para obtención de formas simples: chapas, discos o anillos Es el método más barato - Compactación isostática en frío: Formas más complicadas: mayor tamaño, cilindros macizos y huecos - Slip Casting Formas complicadas de paredes delgadas - Extrusión: Para la obtención de tubos INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS - Moldeo por Inyección (MIM) Relleno de un molde mediante inyección de una mezcla de polvos de SiC con ligantes, lubricantes y plastificantes Estos se deben eliminar antes del sinterizado - Compactación isostática en caliente (HIP): Aplicación conjunta de presión y calor Es costoso 5. SINTERIZADO - No es posible sin la adición de elementos que la favorecen Elevada relación entre la energía de borde de grano y la energía superficial Impide que se desarrollen los procesos de difusión - Los elementos activadores más empleados son: C: eleva energía superficial B: disminuye la energía de borde de grano Al: genera fase líquida - Diversas formas de realizar la sinterización: Sinterizado reactivo (RBSiC) Compresión en caliente (HPSiC) Sinterización sin presión (SSiC) INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 5.1. SINTERIZADO REACTIVO (RBSiC) - Impregnar con Si fundido un compacto poroso obtenido a partir de SiC y grafito Formación de SiC por reacción del grafito con el Si fundido Los nuevos granos de SiC formado sirven de unión a los ya existentes - Además de grafito, pueden usarse polímeros como fuentes de carbono - Proceso: Mezcla: Polvos de α-SiC + Fuente de C (grafito o/y polímero) + Ligantes poliméricos Conformado: Obtención de compacto poroso Tratamiento térmico (Pirólisis): Eliminar el ligante Obtener carbono recubriendo granos de α-SiC Infiltración con Si fundido (1500ºC y atmósfera inerte): o Formación de β-SiC Precipitación en el fundido Crecimiento en superficie polvos de α-SiC o Crecimiento de granos de β -SiC rodeando a los de α-SiC - Productos finales: SiC puro y relativamente poroso Matriz de SiC con disperso de Si libre ocupando porosidad residual INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS - Aplicaciones del SiC obtenido por sinterización reactiva: Camisas de combustible de reactores nucleares Elementos sometidos a fricción: juntas y cojinetes Bajo coeficiente de fricción Buena resistencia al desgaste Elementos sometidos a elevadas temperaturas: o Intercambiadores de calor o Forros de hornos y muflas o Piezas de motores de automóvil y turbinas de gas INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 5.2. COMPRESIÓN EN CALIENTE (HPSiC) - A temperaturas superiores a 2000ºC - Se emplea Al como adición: Aparición de fase líquida: Reacción de Al2O3 con la capa de SiO2 que recubre las partículas del SiC Produce la densificación del compacto - Poco uso debido a sus inconvenientes: Sólo puede aplicarse a formas muy simples (cilíndricas y planas) Mecanizaciones difíciles y costosas para obtener formas complicadas Es muy difícil obtener productos homogéneos Mezclado perfecto es poco probable Propiedades mecánicas, comportamiento al desgaste y a la corrosión descienden considerablemente al elevar la temperatura Debido a la presencia de aluminio 5.3. SINTERIZACIÓN SIN PRESIÓN (SSiC) - Dificultad de obtener SiC denso por este proceso Enlace covalente impide mecanismos de difusión - Solución: Partir de partículas submicroscópicas de β -SiC Adicionar pequeñas cantidades de B y C Sinterizar en vacío a elevadas Tras (1900-2000 ºC) - Productos finales: Baratos Buena resistencia mecánica a altas temperaturas Excelente resistencia a la corrosión en medios ácidos y alcalinos INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS - Variables del proceso: Tamaño inicial de las partículas: mejor < 0,5 µm Tipo de activador de la sinterización: mezclas de B y C Variación dimensional al sinterizar: o Contracción 15% mínimo o Función de la densidad del compacto en verde Tendencia a recristalización y excesivo crecimiento de grano o Caída notable de la resistencia o Solución: Recocido del compacto en verde (1650-1850 ºC, 0,5 – 1 hora) Redistribución homogénea del activador Microestructuras de grano fino 6. PROPIEDADES MECÁNICAS 6.1. RESISTENCIA - Resistencia a la flexión Variable según el método seguido para obtener el SiC Varía de 350 a 550 MPa Módulo de Weibull (una medida de la dispersión de la resistencia) entre 6 y 15 - Resistencia a la tracción Valores medios de 337 MPa Módulo de Weibull de 11 aproximadamente - Particularidad α-SiC (a Tra ambiente): mayor resistencia a mayor tamaño de grano Contrario que en los metales y aleaciones No ocurre con el SiC obtenido por sinterización reactiva - La resistencia mecánica del SiC permanece intacta hasta 1500ºC INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 6.2. TENACIDAD DE FRACTURA - Para el SiC obtenido por compresión en caliente varía entre 3 y 5 MPa m1/2 - Ligeramente superior la del SiC obtenido por sinterización reactiva - Permanece constante con la temperatura sea cual fuere el tipo de SiC obtenido - El logro de elevadas tenacidades de fractura es uno de los principales campos de investigación, en el momento actual, dentro de los cerámicos estructurales donde el objetivo es el logro de productos tenaces a bajo costo y manteniendo sus propiedades a elevadas temperaturas INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 6.3. DUREZA - Se determina mediante el método Vickers y Knoop 2500 a 2800 Kg/mm2 (Knoop) Varía con la porosidad 7. COMPORTAMIENTO ANTE LA CORROSIÓN - El SiC obtenido por sinterización reactiva y con estructura de grano fino: Es atacado por ácidos y bases o Debido a la presencia de Si libre Se produce deterioro superficial con pérdida de dureza y resistencia - El SiC obtenido por sinterización reactiva: Experimenta fenómenos de corrosión electroquímica en medios con 50% de hidróxido de sodio (NaOH) - El SiC obtenido por compresión en caliente Es atacado por sulfato de sodio (SO4Na2) fundido al destruirse la capa protectora de sílice superficial formando silicatos Este ataque origina una pérdida de resistencia a temperatura ambiente de hasta el 50% 8. COMPORTAMIENTO ANTE LA OXIDACIÓN - El SiC se encuentra a la cabeza de los cerámicos no oxídicos en el comportamiento ante la oxidación - En monocristales de SiC: Pérdidas de peso a temperaturas inferiores a 900 ºC A temperaturas superiores: o Protección con una capa de SiO2 o Inhibición frente a posteriores oxidaciones INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS - La velocidad de oxidación es diferente según la naturaleza y procedimiento de obtención del SiC El α-SiC sinterizado se oxida más lentamente que el obtenido por compresión en caliente - El efecto de la oxidación sobre la resistencia depende de las impurezas presentes: Al2O3 y WC: disminuyen resistencia hasta un 50% B y C: aumentan resistencia hasta un 40% 9. OTRAS PROPIEDADES - Elevada conductividad térmica y resistividad Primeras aplicaciones del SiC, como elementos calefactores de hornos - Resistencia a compresión muy superior a la de tracción Compresión: 3680 MPa Tracción: 420 MPa - Sensibilidad al bombardeo con neutrones rápidos Pérdidas de resistencia y conductividad térmica INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 10. APLICACIONES - La aplicación más notable del SiC es en motores térmicos, estando dirigidos los principales esfuerzos hacia las turbinas de gas Rotores del turbo Componentes inmóviles de la turbina de gas Piezas de válvulas y pistones - SiC para la industria abrasiva - SiC para la industria refractaria - SiC para la industria metalúrgica Desoxidación Recarburación - SiC para la industria eléctrica Autoválvulas Resistencias INGENIERÍA DE MATERIALES MATERIALES CERÁMICOS 11. PERSPECTIVAS DE FUTURO - Aumento de la tenacidad Desventajas del SiC: o Enorme fragilidad o Poca deformación antes del fallo catastrófico o Poca reproducibilidad Investigación: o Incorporación de nuevas fases partículas, whiskers y fibras - Mejoras en los procesos de obtención y tratamiento de materias primas - Conocimiento a fondo de los fenómenos que se producen durante la sinterización - Determinar los mecanismos de deformación a alta temperatura Influencia de los activadores empleados en la sinterización - Correlación del comportamiento ante el desgaste y la erosión con las propiedades fundamentales (dureza, tenacidad y condiciones superficiales) - Interacción de los fenómenos de corrosión con los de erosión y desgaste - Solución al problema que presenta la unión del SiC con otros cerámicos y otros metales Debido a su elevado módulo de elasticidad y baja tenacidad - Establecimiento de ensayos no destructivos eficaces para ser aplicados sobre piezas fabricadas