CS197717B1

CS197717B1 - Způsob výroby keramiky na bázi oxynitridů hlinito-křemičitých

Info

Publication number: CS197717B1
Application number: CS795677A
Authority: CS
Inventors: Boris Kurtev
Original assignee: Boris Kurtev
Priority date: 1977-12-01
Filing date: 1977-12-01
Publication date: 1980-05-30

Description

Vynález se týká způsobu výroby keramiky na bázi oxynitridů hlinito-křemičitých obecného vzorce (Sió-xAlxNs-xOx) kde x je větší než O a menší než 6 reakčním slinováním.

Keramické materiály na bázi oxynitridů hlinito-křemičitých v sobe slučují některé specifické výhody kysličníkových keramických materiálů, jako je slinovatelnost za normálního tlaku a korozní odolnost proti taveninám obecných kovů s přednostmi keramických materiálů nekyslíkatých (kupř. nitrid křemíku (SÍ3N4), nitrid hliníku (A1N), spočívající především v jejichrznamenité odolnosti proti náhlým změnám teploty a vysoké mechanické pevnosti i při teplotách značně převyšujících 1000 °C. Oxynitridy hlinito-křemičité jsou tuhé roztoky kysličníku hlinitého (AI2O3) a nitridu hliníku (A1N) v mřížce beta-modifikace nitridu křemíku (SÍ3N4). Tyto roztoky tvoří souvislou řadu, jejíž složení je definováno obecným vzorcem

Síď-xAIxNí-xOx , O < x < 6 (1)

Materiály na bázi nitridů hlinitých obsahují vedle podstatného množství krystalické fáze podle vzorce (lj zpravidla ještě další krystalické fáze a skelnou fázi, jejichž složení leží v soustavě Si-Al-N-O, případně mohou být modifikovány dalšími kysličníky kovů, např., kysličníkem hořečnatým (MgO), liťhným (LisO), yttritým (Y2O3J, titaničitým (TIO2) a dalšími, přičemž tyto podrobnosti týkající se složení materiálů na bázi oxynitridů hlinitých, nemají z hlediska způsobů výroby podle vynálezu podstatný význam. Dosud jsou známy dva hlavní způsoby výroby keramiky na bázi oxynitridů hlinito-křemičitých.

První z nich je založen na redukční nitridaci směsi kysličníků křemičitého a hlinitého, nebo křemičltanů hlinitých, jakými jsou jílové materiály, nebo směsi nitridu křemíku (S13N4) a kysličníku hlinitého' (AI2O3) působením elementárního uhlíku a plynného dusíku za vysokých teplot. Problémy této metody spočívají především ve vedlejších reakcích, které vedou ke vzniku karbidů a oxykarbidů a v přítomnosti zbytkového uhlíku při závěrečných stádiích slinování, která bývá příčinou značné pórovltosti.

Druhý způsob spočívá v přímé synthese oxynitridů ze složek nitridu křemíku (SI3N4) a kysličníku hlinitého (AI2O3) a nitridu hliníku (A1N) nebo, do hodnoty x = 4, nitridu křemíku (S13N4) a kysličníku křémíčitého f S1O2) a nitridu hliníku (AlNj, která probíhá zároveň se slinováním. Prakticky se postupuje tak, že se některým ze známých způsobů připraví práškový nitrid hliníku (A1N) a práškový nitrid křemíku (S13N4). a tyto složky se v potřebném poměru smíchají s kysličníkem hlinitým (AI2O3J popřípadě s kysličníkem křemičitým (SÍO2). Takto získaná směs se bud za studená zhutní a vytvaruje některým z postupů obvyklých v keramické technologii a vlastní reakční slinování pák proběhne při 1650 až 1850 °C v intertní nebo dusíkaté atmosféře, nebo mechanické zhutňování, tvarování a slinování proběhne současně při žárovém lisování. Nevýhodou tohoto postupu je především poměrně nízká reaktivita směsí, připravených smícháním ' shora uvedených složek. Proto je nutné reakční slinování provádět při poměrně vysokých teplotách, při kterých se již výraznou měrou uplatňují rozkladné reakce, při nichž vznikají plynné reakční produkty. Dochází k úbytku hmotnosti, posunu složení a nedosahuje se potřebné hutností. Tento problém je možno z části překonat zvýšením parciálního tlaku dusíku a kyslíku v pecní atmosféře až ná hodnoty celkového tlaku několik MPa. To však vyžaduje speciální technologické zařízení, dimensované na potřebné hodnoty a tlaky. Použitím žárového lisování při tlacích několik desítek MPa sice dojde k výraznému snížení slinovací teploty, avšak proces žárového lisování je spolu, s nezbytnými dokončovacími operacemi velice nákladný a při jeho použití se neuplatní podstatná část předností, které mají materiály na bázi oxynitridů hlinito-křemičitých ve srovnání s nitridem křemíku (SÍ3N4). Zejména jejích schopnosti slinování za normálního tlaku. Určitého zvýšení reaktivity lze sice dosáhnout přípravou výchozích směsí technikou koprecípitace, která je však omezena v podstatě na kysličníkové soustavy.

Nedostatky současného stavu techniky jsou odstraněny vynálezem, jehož podstatou jé, že 10 až 75 hmotnostních % křemíku (Si), 10 až 75 hmotnostních °/o kysličníku hlinitého (AI2O3) a 1 až 40 hmotnostních % hliníku (Al) a/nebó nitridu hliníku (A1N) se za sucha umele za velikost částic pod 10 fim, směs se za studená vylisuje a výlisky se opracují a vypálí v dusíkové atmosféře · při teplotě 1200 až 1800 °C a tlaku 0,05 až 5 MPa. Výhody předloženého vynálezu vyplývají z toho, že nitridace hliníku je doprovázena objemovou změnou + 25,4 °/o a nitridace křemíku objemovou změnou + 20,4 %. Jestliže reakce těchto složek s dusíkem probíhá v přítomnosti ostatních složek,· přičemž výchozí složky Jsou zhutněny vě výlisku, ukládá se tento objemový přírůstek do pórů výlisku. Tím se zvyšuje hutnost a snižuje pórovitost; což usnadňuje vzájemnou reakci složek a umožňuje značné snížení vypalovací teploty a omezení rozkladných reakcí. Další výhoda vynálezu spočívá v tom, že odpadá nutnost samostatné přípravy ňitridu křemíku a nitridu hliníku. .

Způsob výroby podle vynálezu bude blíže vysvětlen na následujících dvou příkladech možného provedení:

V příkladu konkrétního provedení vynálezu byla 48hodinovým suchým mletím připravena směs těchto výchozích látek:

683 g kysličník hlinitý, měrný povrch 5.103 m2/kg,

184 g hliník, měrný povrch 6.103 m²/kg,

1133 g křemík, měrný povrch 2.103 m²/kg.

Směs byla hydrostatickým lisováním při 200 MPa zpracována na pevné výlisky. Výlisky byly opracovány do žádaného tvaru a tepelně zpracovány podle následující tabulky:

Teplota	Doba	Tlak plynu	Složení plynu
20—550 °C	1 hod.	0,105 MPa '	N26O, Ar30, H210 % obj. . , H2O 0,015, O2 0,001 %
550 °C	24 hod.	0,105 MPa	N26O, Ar30, H210 % obj. H2O 0,015, O2 0,001 %
550—1200 °C	10 hod.	0,105 MPa	N26O, Ar30, H210 % obj. H2O 0,015, O2 0,001 %
1200—1350 °C	6 hod.	0,105 MPa	N290, H2IO, H2O 0,015 O2 0,0001 % obj.
1350 °C	10 hod.	. 0,14 MPa	N290, H2IO, H2O 0,015 O2 0,0001 % obj.
1350—1750 °C	5 hod.	0,14 MPa	N₂90, H2IO, H2O 0,015 O2 0,0001 % obj.
1750 °C	1 hod.	0,14 MPa	N₂90, H2IO, H2O 0,015 O₂ 0,0001 % obj.

Výrobky měly smrštění pálením 8, % objemovou hmotnost 3,05.10³ kg/m³nasákavost ve vodě 0 % hmot.

Rentgenová analýza ukázala jako dominantní fázi tuhý roztok podle vzorce (1).

V druhém příkladu konkrétního provedení, podle vynálezu byla 48hodinovým . suchým mletím připravena směs těchto výchozích látek:

683 g kysličník hlinitý, měrný povrch 5.10³ m²/kg,

280 g nitrid hliníku, měrný povrch 1.10³ m²/kg,

1133 g křemík, měrný povrch 2.10³ m²/kg. _;

Takto připravená směs byla zpracována hydrostatickým lisováním při 200 MPa ná pevné výlisky, které byly dále opracovány do potřebného tvaru soustružením a tepelně zpracovány stejně jako v příkladu 1. Výrobky měly smrštění pálením 8,5 %, objemovou hmotnost 3, 05.10³ kg/m³ nasákavost ve vodě 0 % hmot.

Rentgenová analýza ukázalá jako dominantní fázi tuhý roztok podle vzorce (1).

Claims

JL. Způsob výroby keramiky na bázi oxýnitiridů hlinito-křemičitých (Sió-xAlxNs-xOx), kde x je větší než O a menší než 6 reakčním slinováním, vyznačený tím, že 10 až 75 hmotnostních % křemíku (Sl), 10 až 75 hmotnostních % kysličníku hlinitého (AI2O3) a 1 až 40 hmotnostních % hliníku (Al) a/nebo nitridu hliníku (AIN) se za sucha umele na velikost částic pod 10 μια, směs se za studená vylisuje a výlisky se opracují a vypálí v dusíkové atmosféře při teplotě 1200 až 1800 °C a tlaku 0,05 až 5 MPa.
2. Způsob výroby keramiky podle bodu 1, vyznačený tím, že dusíková atmosféra obsahuje nejméně 50 objemových % dusíku a nejvýše 0,1 objemových % kyslíku, 0,5 objemových % vodní páry a 0,5 objemových % kysličníku uhličitého, přičemž dusíková atmosféra může obsahovat až 50 objemových % vodíku a/nebo

- argonu.