Transformation mechanism from sepolite to Silicon Nitride ($S_3N_4$)

Abstract

Powder metallurgy production of Si3N4 materials has been used in different fields of production such as ceramic cutting tools, turbine components, automotive valves and ball-bearing components. This study was undertaken to determine the transformation mechanisms of sepiolite type magnesium hydrosilicate clay mineral to Si3N4 by carbothermal reduction and nitridation (CTRN). A sepiolite and carbon black powders mixture with a C/SiO2 molar ratio of 3 was used for the CTRN process. The CTRN process was conducted in a graphite sample holder in an atmosphere-controlled tube furnace under nitrogen flow of 4.5 cm3/min, and 1300, 1400°C for 2 and 4 hours exposure. Cristobalite and tridimite structures inside sepiolite were reduced to SiO by carbon black and nitridated by environmental nitrogen gas flow. As a result of the transformation, white fibre-like micromorphologies were formed at the edges inside the sample holder and ceramic tube. This product was identified as pure $\alpha$-Si3N4 by XRD and SEM-EDX analysis and occurred during the gas phase reaction. The second tranformation mechanism occurred between the solid sepiolite and nitrogen gas in the sample holder. Analysis showed that this product was $\beta$-Si3N4.

Özet

Toz haldeki Si3N4 malzemelerden toz metalürji üretim tekniği ile elde edilen seramik kesici uçlar, türbin kanatları, otomotiv valfleri ve bilyalı rulmanlar çeşitli alanlarda başarıyla kullanılmaktadır. Bu çalışmada bir magnezyum hidroksilikat kil minerali olan sepiyolitten karbo-termal indirgeme ve nitrürleme (KTIN) yoluyla Si3N4 tozunun üretiminde meydana gelen dönüşüm mekanizmaları incelenmiştir. KTİN işlemi için C/SİO2 molar oran 3 olacak şekilde sepiyolit ve karbon karasından karışım numuneler hazırlanmıştır. Bu numuneler grafit kayıklar içinde atmosfer kontrollü tüp fırında 4.5 cm3/dakikalık azot gazı (N2) akışı altında 1300 ve 1400 °C'de olmak üzere 2 ve 4 saat süreyle KTİN işlemine tabi tutulmuşlardır. KTİN esnasında sepiyolit içinde yer alan kristobalit ve tiridimit yapı (SİO2) karbon karası tarafından öncelikle SiO'e indirgenerek ortamdan geçen azot gazı ile nitrürlenmektedir. Dönüşüm sonrası ortaya çıkan ürün kayıklar iç kenarlarında ve seramik tüpün iç yüzeylerinde beyaz renkte ve elyaf yapılı morfolojide görülmüştür. Bu dönüşüm gaz fazı reaksiyonu olup, XRD ve SEM-EDX analiz sonuçlarına göre ürün saf $\alpha$-Si3N4'dür. İkinci bir dönüşüm mekanizması ise aynı anda grafit kayıklar içindeki katı haldeki sepiyolit ile azot gazı arasında katı ile gazın reaksiyonu şeklinde meydana gelmektedir. Bu yapı ise analiz sonuçlarına göre gri renkli $\beta$-Si3N4'dür.