窒化ケイ素とは何か、そしてその製造方法
窒化ケイ素 (Si3N4) は、ケイ素と窒素の共有結合化合物です。どちらの元素も豊富に含まれていますが、この化合物は天然には利用可能な形では存在しないため、合成的に製造されます。工業的なルートには、制御された雰囲気中でシリコン粉末を窒化する反応結合や、酸化物焼結助剤を含む窒化シリコン粉末を無加圧焼結、ガス圧焼結、または熱間静水圧プレスによって緻密化する焼結ルートが含まれます。市販グレードは通常、理論密度の約 95% ～ 99% に達し、その密度が以下に説明するすべての特性の開始点となります。
機械的強度と硬度
窒化ケイ素焼結体は機械的強度が高く、硬度も良好です。室温での曲げ強度は、合金鋼と同等の 980 MPa 以上であることが一般的に報告されており、その強度の多くは摂氏約 1200 度まで維持されますが、これはエンジニアリング セラミックとしては異例です。緻密グレードのビッカース硬度は通常 1400 ～ 1700 HV の範囲にあり、緻密な酸化アルミニウム セラミックの硬度に近いです。滑り接触では、この材料は自己潤滑性のセラミックとして機能し、外部潤滑なしでも低摩擦と優れた耐摩耗性を実現します。曲げ強度は通常、室温では ISO 14704、高温では ISO 17565 に準拠して検証され、代替として ASTM C1161 が認められますが、硬度は ISO 14705 に従います。
熱特性と耐熱衝撃性
窒化ケイ素は、有用な熱伝導率とともに、3.0 ～ 3.3 x 10 の乗から 6 ケルビンあたりの低い熱膨張係数を備えているため、急激な温度変化による亀裂に耐性があります。一般的な条件は、室温から摂氏 1000 度の帯域まで焼き入れを行っても、目に見える亀裂が形成されないことです。低膨張、高強度、適度な導電率により、熱サイクルが連続する溶接位置ピン、熱電対保護チューブ、溶融金属接触部品にこの材料が選ばれる理由が説明されています。
耐薬品性
この材料は安定した化学的性質を持っています。フッ化水素酸を例外としてほぼすべての無機酸に耐性があり、約 30% 濃度以下の水酸化ナトリウム溶液にも耐性があります。多くの有機メディアはそれにほとんど影響を与えません。溶融した非鉄金属には耐性がなく、特に溶融したアルミニウムは表面を濡らし、表面を攻撃するため、アルミニウム溶融物に直接浸漬するにはバリアコーティングまたは別の材料が必要です。窒化ケイ素は、機械的特性を大きく損なうことなく、強い放射線曝露にも耐えます。
密度、電気的およびその他の物理的特性
密度は通常 1 立方センチメートルあたり 3.1 ～ 3.3 グラムで、鋼鉄の約 5 分の 2 であり、高速回転部品にかかる遠心負荷が軽減されます。この材料は優れた電気絶縁体であり、室温で体積抵抗率が 10 の 12 乗から 10 の 14 乗までの範囲にあり、電気機器のコンポーネントの絶縁に適した絶縁耐力を備えています。密度と見掛け気孔率は通常、ISO 18754 に従ってチェックされます。
典型的な産業形態と用途
ボールとローラー電気絶縁性と高速性能が必要なフルセラミックおよびハイブリッドベアリングに最適です。
シールリングとメカニカルシール面研磨スラリーや化学的に攻撃的な液体を扱うポンプ用。
ガイドブッシュ、溶接ピン、ロケーションピン自動車および抵抗溶接工具に使用されます。
ノズルとウェアライナー研磨性および浸食性のフロー制御に。
熱電対保護チューブおよびライザーチューブアルミニウムやその他の非鉄溶解工場で、溶解ラインより上で使用されます。
基板および絶縁部品パワーエレクトロニクスおよび高温電気機器に使用されます。
選択メモと品質管理
| 財産 | 緻密焼結グレードの代表値 | テストリファレンス |
|---|---|---|
| 曲げ強度、20℃ | 980MPa以上 | ISO 14704 / ASTM C1161 |
| 曲げ強度、高温 | 約1200℃まで保持 | ISO17565 |
| ビッカース硬さ | 1400～1700HV | ISO14705 |
| 密度 | 3.1～3.3グラム/立方センチメートル | ISO18754 |
| 熱膨張係数 | 3.0 ～ 3.3 x 10 乗マイナス 6 ケルビンあたり | 膨張測定 |
| 熱衝撃 | 約1000℃までの焼入れ後も割れなし | 水焼入れ試験 |
| 耐酸性 | ほとんどの無機酸、フッ化水素酸を除く | 浸漬試験 |
| 耐アルカリ性 | 水酸化ナトリウム濃度約30%以下 | 浸漬試験 |
よくある質問
Q: 窒化ケイ素は自然界に存在しますか?
いいえ、シリコンと窒素は一般的な元素ですが、天然の窒化ケイ素は利用可能な鉱床には存在しないため、すべての工業用材料は通常、ケイ素を窒化するか窒化ケイ素粉末を焼結することによって合成されます。
Q: なぜこの材料は熱衝撃に非常に優れているのですか?
熱膨張が低いため、温度勾配によって発生するひずみが制限され、強度と熱伝導率により、部品は室温から摂氏約 1000 度までの焼入れに耐えることができます。
Q: 窒化ケイ素を攻撃する化学物質はどれですか?
フッ化水素酸が表面を攻撃し、高温の濃水酸化ナトリウムが表面を攻撃し、溶融した非鉄金属が表面を濡らし、最も攻撃的な一般的なケースは溶融アルミニウムです。
Q: 窒化ケイ素は溶融アルミニウムの中で使用できますか?
直接接触していない。溶融アルミニウムは表面を湿らせて溶解するため、溶融ラインより上で使用されるチューブは良好に機能しますが、溶融状態で使用されるコンポーネントには保護コーティングまたは別のセラミックが必要です。
Q: 密度は鋼と比べてどうですか?
一般的な密度は 1 立方センチメートルあたり 3.1 ～ 3.3 グラムで、鋼鉄の約 5 分の 2 であり、高速回転する部品にかかる遠心応力が軽減されます。
Q: 窒化ケイ素コンポーネントにはどの規格が適用されますか?
曲げ強度については ISO 14704 および ISO 17565、硬度については ISO 14705、密度および気孔率については ISO 18754、および許容される室温強度方法として ASTM C1161。
