Втулки из α-сиалона

Втулки из α-сиалона (альфа-SiAlON) — керамические детали из твёрдого раствора на основе нитрида кремния, в котором часть атомов кремния замещена алюминием, а часть азота — кислородом. α-сиалон твёрже β-сиалона и хорошо сопротивляется износу. Втулки из него работают там, где сталь быстро изнашивается или её нельзя применять: в абразивных потоках, в кипящих кислотах и щелочах, в расплавах алюминия, в оснастке контактной сварки, где деталь должна быть электроизолятором.

Что такое сиалон

Сиалоны (SiAlON — по символам кремния, алюминия, кислорода и азота) — керамические «сплавы» на основе нитрида кремния Si₃N₄. Их разработали в начале 1970-х годов, чтобы обойти главный недостаток чистого нитрида кремния — его трудно спечь до плотного состояния. Британский изготовитель International Syalons объясняет это так: сиалон относится к нитриду кремния, как латунь к меди, — замещение части атомов даёт материал, который по ряду свойств лучше исходного.

Основа структуры нитрида кремния — тетраэдры SiN₄, соединённые вершинами в жёсткий трёхмерный каркас с короткими и очень прочными связями Si–N. В сиалоне часть связей Si–N заменена связями Al–O близкой длины. Сиалоны существуют в трёх основных формах: β-сиалон (построен как β-Si₃N₄), α-сиалон (как α-Si₃N₄) и O-сиалон (как оксинитрид кремния Si₂N₂O).

Подробнее об исходном материале — на странице «Нитрид кремния».

Чем α-сиалон отличается от β-сиалона

В решётке α-Si₃N₄ сквозные «каналы» перекрыты через определённые промежутки, и в каждой элементарной ячейке Si₁₂N₁₆ есть две пустоты. В α-сиалоне в этих пустотах размещаются катионы-модификаторы — иттрий, кальций, литий, неодим и другие. Они уравновешивают заряд, который меняется при замене кремния алюминием. Общая формула α-сиалона:

Me_xSi_12−(m+n)Al_m+nO_nN_16−n, где x < 2, а Me — катион-модификатор.

Формула β-сиалона проще: Si_6−zAl_zO_zN_8−z, где z меняется от 0 до 4,2; модифицирующих катионов в решётке нет.

Разница в строении даёт разницу в свойствах:

• зёрна α-сиалона мелкие и равноосные, поэтому он твёрже β-сиалона, но уступает ему в прочности и трещиностойкости;
• β-сиалон растёт вытянутыми шестигранными зёрнами, которые тормозят трещину, — отсюда его прочность и вязкость;
• при спекании α-сиалона катион-модификатор уходит из жидкой оксинитридной фазы в кристаллы, и стекла на границах зёрен остаётся мало. Поэтому материал сохраняет свойства при высоких температурах.

Изменяя исходный состав и режим спекания, получают смешанную α/β-керамику, в которой твёрдость α-фазы сочетается с прочностью β-фазы. Такова, например, британская керамика Syalon 050, которую изготовитель выпускает для деталей, работающих на износ.

История α-сиалона

Чистые α-сиалоновые фазы в системах с литием, кальцием и иттрием получили и описали С. Хэмпшир, Х. К. Пак, Д. П. Томпсон и К. Х. Джек из Ньюкаслского университета — статья «α′-Sialon ceramics» опубликована в журнале Nature в 1978 году. В 1990-х годах научились выращивать в α-сиалоне вытянутые зёрна, как у β-формы, и тем самым повышать его трещиностойкость.

Свойства α-сиалона

Ориентиры по свойствам — паспорт промышленной смешанной α/β-сиалоновой керамики Syalon 050 (International Syalons, Великобритания) и данные научных публикаций по α-сиалону:

Показатель	Значение
Плотность	3,23 г/см³ (Syalon 050); 3,1–3,2 г/см³ у α-сиалонов по литературе
Пористость	0 %
Прочность при изгибе (3 точки) при 20 °C	800 МПа
То же при 1000 °C / 1400 °C	750 / 450 МПа
Твёрдость по Виккерсу HV50	19,8 ГПа (2020 кгс/мм²)
Твёрдость по Роквеллу HRA	94
Трещиностойкость K1C	6,5 МПа·м1/2
Модуль Юнга	306 ГПа
Коэффициент Пуассона	0,27
Коэффициент линейного расширения (0–1200 °C)	3,2·10−6 1/К
Теплопроводность	20 Вт/(м·К)
Термостойкость (закалка в воду)	ΔT = 600 °C
Максимальная температура применения	1450 °C
Удельное электросопротивление	1012 Ом·см

По научным работам твёрдость α-сиалонов лежит в пределах 17–21 ГПа, трещиностойкость — 4–7 МПа·м^1/2: материал с равноосными зёрнами твёрже, с вытянутыми — прочнее. Например, иттриевый α-сиалон Y_0,667Si_8,5Al_3,5O_1,5N_14,5, спечённый без давления при 1850 °C, показал трещиностойкость 6,2 МПа·м^1/2 и твёрдость 17,6 ГПа.

Для сравнения: трещиностойкость обычной оксидной керамики (корунда) — 3–4 МПа·м^1/2, поэтому α-сиалон менее чувствителен к сколам и трещинам.

Химическая стойкость

Испытания Syalon 050 (100 часов при кипении):

Среда	Концентрация	Результат
Соляная кислота	33 %	без изменений
Серная кислота	98 %	без изменений
Гидроксид натрия	50 %	без изменений
Азотная кислота	69 %	слабое взаимодействие
Плавиковая кислота	100 %	сильное взаимодействие

В расплавах металлов: алюминий при 950 °C в течение 1000 часов, латунь при 950 °C (50 часов) и олово при 300 °C (100 часов) материал не разрушают; расплав меди при 1150 °C взаимодействует с ним сильно. Отсюда простое правило: α-сиалон — для алюминия, олова, латуни и большинства кислот и щелочей, но не для плавиковой кислоты и не для медных расплавов.

Где применяют втулки из α-сиалона

• Износостойкие узлы: направляющие втулки, втулки дозирующих клапанов, уплотнения для абразивных и агрессивных сред, где металл быстро «съедается».
• Оснастка контактной сварки: центрирующие втулки и штифты для приварки гаек и шпилек. Стальной штифт проводит ток, и между ним и деталью возникает дуга; сиалон с удельным сопротивлением 10¹² Ом·см — изолятор, дуги нет, а высокая твёрдость защищает штифт от износа.
• Литьё алюминия: втулки, чехлы термопар и питающие трубки, работающие в расплаве, — α-сиалон не разрушается в нём даже за 1000 часов испытаний.
• Химическое оборудование: втулки и уплотнения в кислотах и щелочах при высокой температуре.
• Высокотемпературная оснастка: изолирующие и направляющие втулки для работы при резкой смене температуры (термостойкость ΔT = 600 °C).

Как изготавливают втулки

Порошок нитрида кремния смешивают с оксидом алюминия, нитридом алюминия и добавкой-модификатором (обычно оксидом иттрия или редкоземельного металла), формуют заготовку и спекают при температуре выше 1700 °C, обычно в атмосфере азота. После спекания материал настолько твёрд, что окончательные размеры, посадочные поверхности и фаски получают только алмазным шлифованием и доводкой. Поэтому цена втулки сильно зависит от точности и шероховатости: поверхности, которым не нужен допуск, лучше оставлять «после спекания».

Что учесть при проектировании узла

• Коэффициент линейного расширения α-сиалона (3,2·10⁻⁶ 1/К) примерно в четыре раза меньше, чем у стали. При нагреве стальной корпус расширяется сильнее втулки: натяг посадки уменьшается, и втулка может провернуться. При охлаждении, наоборот, корпус сжимает керамику. Посадку рассчитывают на весь диапазон рабочих температур; применяют также клеевую посадку или установку с упругим элементом.
• Керамика не любит ударов по кромкам и точечных нагрузок: на входных кромках нужны фаски или радиусы.

Частые вопросы о втулках из α-сиалона

Что лучше для втулки — α- или β-сиалон?

Если главное — износ и твёрдость, выбирают α-сиалон или смешанную α/β-керамику. Если деталь испытывает удары и изгиб, надёжнее β-сиалон с более высокой прочностью и трещиностойкостью.

Проводит ли сиалон электрический ток?

Нет. Удельное сопротивление около 10¹² Ом·см — это изолятор, поэтому сиалоновые втулки и штифты применяют в оснастке контактной сварки.

Можно ли доработать готовую втулку на месте?

Обычным металлорежущим инструментом — нет. Сиалон обрабатывают только алмазным шлифованием, поэтому все размеры и допуски нужно заложить в чертёж заранее.

Заказ втулок из α-сиалона

Втулки изготавливаются по чертежу заказчика. В заявке укажите:

• чертёж или эскиз с размерами, допусками и шероховатостью;
• условия работы: среда, температура, нагрузка, контртело (с чем трётся втулка);
• требуемое количество.

Другие виды технической керамики и порошков для её производства — в разделе «Керамические порошки и др.»