DE1240458B - Hochfeuerfeste Formkoerper und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Hochfeuerfeste Formkoerper und Verfahren zu deren Herstellung

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DE1240458B
DE1240458B DEN17950A DEN0017950A DE1240458B DE 1240458 B DE1240458 B DE 1240458B DE N17950 A DEN17950 A DE N17950A DE N0017950 A DEN0017950 A DE N0017950A DE 1240458 B DE1240458 B DE 1240458B
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George Frank Martin
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Description

  • Hochfeuerfeste Formkörper und Verfahren zu deren Herstellung Die Fortschritte in der Gasturbinen- und Raketentechnik erfordern Stoffe, die bei Temperaturen über 1000° C noch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Temperatur von 1000° C wird dabei gewöhnlich als die maximale Arbeitstemperatur für warmfeste Legierungen angesehen. Mit Legierungen auf Molybdän- oder Niobbasis lassen sich vielleicht noch Stoffe herstellen, die selbst oder auch mit Hilfe eines besonderen Überzuges eine entsprechende Zunderfestigkeit bei guter Warmfestigkeit aufweisen. Es wurde auch versucht, Cermets -herzustellen, um die Feuerfestigkeit der einen Komponente mit der Dehnbarkeit der anderen zu kombinieren und so ein duktiles Material mit guten mechanischen Eigenschaften einschließlich Zunderfestigkeit für hohe Arbeitstemperaturen zu erhalten.
  • Es ist bereits ein Verfahren bekannt zur Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Siliciumcarbid mit einem geringen Gehalt an Siliciumnitrid. Es wird ein grobkörniges Ausgangsmaterial verwendet. Man erhält ziemlich poröse Körper. Die Produkte besitzen nicht die Hochtemperatureigenschaften von Siliciumnitrid und auch nicht eine besondere Dichte, was aus der hohen Porosität leicht zu ersehen ist. Zur Sinterung ist im allgemeinen ein Katalysator erforderlich. Es ist auch bereits ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Siliciumnitrid ohne Katalysator bekannt, jedoch handelt es sich hierbei um Körper aus reinem Siliciumnitrid.
  • Bisher waren jedoch keine Werkstoffe bekannt, die in den erwähnten Temperaturbereichen zufriedenstellende Eigenschaften zeigen. Stoffe mit guter Stabilität, Festigkeit und Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen eine unzureichende Temperaturwechselbeständigkeit, d. h., sie sind gegenüber Abschrecken oder plötzlichem Erhitzen auf sehr hohe Temperatur sehr empfindlich. Es wurde daher versucht, Werkstoffe zu finden, die sämtliche erforderlichen Eigenschaften z. B. für die Verwendung als Leitschaufeln für Düsen von Gasturbinen mit Arbeitstemperaturen in der Größenordnung von 1200° C aufweisen.
  • Es wurden deshalb eine Anzahl von Verbindungen und Cermets hergestellt, die aber bei guter Zunderfestigkeit bei 1200° C stets bei Raumtemperatur spröde und - mit Ausnahme von Siliciumnitrid -gegenüber Temperaturwechsel sehr empfindlich waren. Dabei wurde zunächst die Sprödigkeit des Siliciumnitrids bei Raumtemperatur in Kauf genommen. Es wurde festgestellt, daß Siliciumnitrid ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und folglich auch eine gute Temperaturwechselbeständigkeit zeigt. Dies ist aus den von der British Ceramic Research Association veröffentlichten Aufsätzen von B. Vassiliou, T. A. Ingles, P. Popp er und S. N. Rudd-1 e s den zu ersehen.
  • Es wurden im folgenden zunächst Versuche durchgeführt, um die Beständigkeit gegenüber Thermoschock von Siliciumnitrid festzustellen, wobei die Proben wiederholt auf 1000° C erhitzt und anschließend in kaltes Wasser getaucht wurden. Dabei zeigten sich die Proben als erheblich stabil. Es wurde weiter versucht, Proben von der höchstmöglichen Dichte unter optimalen physikalischen Bedingungen herzustellen und ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften dann zu bestimmen. Dabei zeigte sich, daß die Kriechfestigkeit von reinem Siliciumnitrid bei 1200° C ungenügend war; es wurden Versuche angestellt, diese zu verbessern, jedoch nicht auf Kosten der anderen ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften. Dabei wurde nun festgestellt, daß dispergiertes Siliciumcarbid enthaltendes Siliciumnitrid gegenüber Thermoschock bei hoher Temperatur unerwartet beständig ist und zusätzlich eine ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit mit guter Kriechbeständigkeit aufweist. Ausgezeichnete Eigenschaften beobachtet man vor allem mit Siliciumnitrid, enthaltend 5- bis 10o/oiges Siliciumcarbid in sehr feiner Dispersion, die während des Sinterns gebildet wird. Silicium wird im Gemisch mit der erforderlichen Menge an Siliciumcarbid durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre >1200° C nitriert. Wird körniges Silicium als Ausgangsprodukt verwendet, ist die Reaktion nur auf die Oberfläche beschränkt, und es bildet sich nur eine dünne Nitridschicht. Diese Schicht besteht aus zwei definierten Phasen, die frei wachsende hexagonale Modifikationen zeigen. Diese beiden Phasen sind wahrscheilich x- und ß-hexagonales Siliciumnitrid, deren Gitterkonstanten sich nur wenig unterscheiden. Die a-Phase wird wahrscheinlich durch Nitrieren zwischen 1200 und 1400° C gebildet, die ß-Phase >1450° C. Eine Umwandlung der x- in die ß-Phase findet beim Erhitzen der x-Phase über 1550° C statt; offensichtlich findet diese Umwandlung jedoch in Gegenwart von ungebundenem Silicium unter 1450° C nicht leicht statt.
  • Wird ein verdichtetes Pulver als Ausgangsmaterial verwendet, erhöht die erheblich größere spezifische Oberfläche die Geschwindigkeit der Nitrierung, wobei eine Gewichtszunahme stattfindet, die einer Bildung eines Produktes der Formel Si3N4 sehr nahe kommt. Der Nitrierprozeß scheint mit der Diffusion von Stickstoff in das Siliciumpulver verbunden zu sein. Temperaturen > 1200° C führen zur Ausbildung eines füllenden Gerüstes von Si3N4 aus den benachbarten Siliciumteilchen. Damit werden die Poren des Pulverpreßlings gefüllt, wodurch die mechanische Festigkeit verbessert wird. Da das Material mikroporös ist, gestattet es eine kontinuierliche Diffusion des Stickstoffs in das Innere. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist temperaturabhängig.
  • Der Nitrierprozeß ist bei einer Temperatur von 1450° C in verhältnismäßig kurzer Zeit beendet, bei tieferer Temperatur werden mehrere Stunden benötigt. Da die höchsten dieser Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Siliciums (1420° C) liegen, ist ein vorhergehendes Reaktionssintern bei Temperaturen zwischen 1250 und 1350° C nötig, so daß ein Zusammenfallen des Pulvers zu einer Schmelze vermieden wird. Dadurch bildet sich ein starres Netzwerk, das das ungebundene Silicium zurückhält und somit eine Gas-Fest-Flüssig-Reaktion bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Siliciums ermöglicht. Der Stickstoff wird von dem sich verbindenden Siliciumnitridgerüst in das Innere des Preßlings geleitet. Die mäßig schnelle Reaktion bei 1450° C führt zur Umwandlung des restlichen Siliciums in eine dichtere Form von Siliciumnitrid mit wesentlich größerer Härte und Dichte als ein Nitrid eines Gerüstes, das durch Festkörperreaktion bei niedriger Temperatur gebildet wurde. Die relative Härte des Siliciumnitridgerüstes, des verdichteten Siliciumnitrids und des nicht gebundenen Siliciums läßt sich durch Mikrohärteprüfung feststellen.
  • Das Nitrieren des Siliciums kann als Reaktionssinterverfahren bezeichnet werden. Durch ein längeres Reaktionssintern bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Siliciums wird ein Skelett von verdichtetem Siliciumnitrid gebildet. Durch Anwendung verschiedener Reaktionssinterzeiten bei Temperaturen unterhalb und oberhalb des Schmelzpunktes des Siliciums werden verschiedenartige innere Strukturen des gebildeten Siliciumnitrids erhalten; bei sehr langem Reaktionssintern < 1440° C wird ein äußerst dichtes Gerüst und schließlich ein hartes Skelett von Siliciumnitridkristallen gebildet. Andererseits erhält man in einem kurzen zweistufigen Reaktionssinterprozeß bei 1350 und 1450° C eine weichere Matrix aus Siliciumnitrid, in der Inseln eines harten, verfestigten Siliciumnitrids dispergiert sind. Die Dichte des völlig gesinterten Materials ist in jedem Fall dieselbe.
  • Diese langen Reaktionssinterzeiten zur völligen Nitrierung des Siliciumpulvers bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Siliciums sind für großtechnische Herstellung nicht tragbar. Es wurde deshalb folgendes Programm der Sinterreaktion zur Untersuchung der Eigenschaften von Siliciumnitrid durchgeführt: 1. Das dichte Pulver wird zunächst unterhalb des Schmelzpunktes des Siliciums bei einer Temperatur von l.250° C bis zu 16 Stunden lang nitriert; dabei bildet sich ein miteinander in Verbindung stehendes Siliciumnitrid-Netzwerk. Die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt sich, je dichter das Siliciumnitrid-Netzwerk wird.
  • 2. Dann wird bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Siliciums (etwa 1450° C) 3 bis 4 Stunden nitriert, um das restliche Silicium in Nitrid umzuwandeln.
  • Die Oberfläche des nietrierten Siliciumpulvers ist gleichmäßig mit einer weißen, wollähnlichen Substanz bedeckt, die einkristalline Whiskers aus Siliciumnitrid sind. Es scheint, daß das Netzwerk zwischen den Siliciumteilchen des teilweise reagierten Pulvers innerhalb des Formkörpers eine durchdringende Masse dieser Einkristalle darstellt, die unter Umständen bei verlängertem Nitrieren bei Temperaturen über l300° C zusammenschmelzen.
  • An der Schnittfläche ist das Siliciumnitrid gesprenkelt grau. Falls Sauerstoff während des Nitrierens vorliegt, ist noch eine weitere Phase, die möglicherweise ein weißes Siliciumoxynitrid darstellt, vorhanden. Nicht reagiertes Silicium erkennt man an kleinen glitzernden Teilchen auf der Bruchfläche oder als helle Inseln in Mikroschliffen.
  • Das verwendete Silicium enthielt etwa 2% Verunreinigungen, die in der Hauptsache aus Eisen und Sauerstoff bestanden. Die Analysenwerte des aus diesem Siliciumpulver erhaltenen Siliciumnitrids waren folgende (ohne Berücksichtigung des Gehalts an Siliciumcarbid): Gesamtsilicium ........ 59,350/0 Stickstoff ............. 39,2% Eisen ................ 0,9% Aluminium ........... 0,05% Sauerstoff ............ 0,41% Die Werte zeigen, daß, abgesehen von einer geringen Menge an Eisenoxyd, das Siliciumnitrid ziemlich rein war. Si3N4 enthält theoretisch 60,24% Si und 39,76 0/0 N.
  • Bei den ersten Versuchen wurde technischer Stickstoff verwendet, wobei der eventuell als Verunreinigung vorliegende Sauerstoff durch Leiten über eine auf 600° C erhitzte Kupfergaze entfernt wurde. Der Stickstoff wird erst in einem Calciumchloridturm und schließlich über Phosphorpentoxyd getrocknet. In späteren Versuchen wurde reinerer Stickstoff verwendet, wobei das Gas zum Entfernen der letzten Feuchtigkeitsspuren nur mehr über Phosphorpentoxyd geleitet wurde. Als Vorrichtung zur Herstellung des Siliciumnitrids wurde ein nicht poröses feuerfestes Reaktionsrohr aus rekristaliisierter Tonerde oder Mullit verwendet, das an einem Ende verschlossen und in die Mitte einer Anzahl von Widerstands-Heizelementen, die den zentralen Teil des Reaktionsrohres auf 1500° C zu erhitzen vermochten, angeordnet war. Ein Temperaturregelsystem wird so angeordnet, daß eine heiße Zone von etwa 12,5 cm Länge während langer Zeit auf einer bestimmten Temperatur mit einer Genauigkeit ±5° C gehalten werden kann. Das offene Ende des Reaktionsrohres (7,5 cm Durchmesser) wird mit einer wassergekühlten O-Ring-Vakuumendkappe verschlossen, welche Öffnungen für Thermoelement und für den Gaseintritt und -austritt besitzt. Ein Wärmeschild aus rostfreiem Stahl zwischen der heißen Zone und der Endkappe war vorgesehen.
  • Der Ofen wurde vor dem Einführen des Stickstoffs auf einen Druck von etwa 150 mm Hg evakuiert. Das Pulvergemisch von Silicium und Siliciumcarbid befand sich in einem Tonerdeschiffchen oder als Preßlinge auf Tonerderinnen oder Siliciumnitridplatten. Ein Heiz- und Kühlungskreislauf wurde eingebaut, um eine Beschädigung des Ofens auf ein Minimum zu beschränken.
  • Um das Siliciumnitrid als Werkstoff anwendbar zu machen, muß es in entsprechender Form und unter bestmöglichen physikalischen und mechanischen Bedingungen hergestellt werden. DurchNitrieren eines lockeren Siliciumpulvers in einem feuerfesten Schiffchen ist zwar ein Produkt mit einiger mechanischer Festigkeit zu erhalten, jedoch ist es sehr porös und muß sorgfältig behandelt werden.
  • Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, war es notwendig, das Pulver vor dem Nitrieren durch Pressen zu verdichten. Das Pulver läßt sich jedoch nur bis zu einem bestimmten optimalen Grad verdichten, darüber hinaus wird ein gleichmäßiges Reaktionssintern erschwert, verlängert, und es kommt noch zu anderen Schwierigkeiten.
  • Die Verdichtung des Siliciumpulvers zu einer geeigneten Form geschieht üblicherweise durch Kaltpressen in einer Form. Einfache zylindrische oder rechteckige Preßformen geben die am leichtesten kontrollierbaren Möglichkeiten, eine gleichmäßige Packung zu erreichen. Die Kantig- und Eckigkeit der harten, nicht duktilen, feinen Siliciumpulverteilchen ist die Ursache des Widerstandes gegen ein Fließen unter Druck, so daß tiefe und komplizierte Formen unvorteilhaft sind. Die Anwendung von geeigneten Schmiermitteln, die vor dem Pressen dem Pulver zugefügt werden, ist vorteilhaft. Diese Schmierung erhöht auch die Grünfestigkeit des Preßlings. Es ist ebenfalls von Vorteil, das Pulver in der zusammengesetzten Preßform durch leichtes Rütteln vor der Druckanwendung gleichmäßig zu verteilen und teilweise etwas zu verdichten. Dadurch wird eingeschlossene Luft entfernt und eine gleichmäßige Dichte vor dem Anlegen des Drucks ermöglicht. Die Preßformen sollen so gebaut sein, daß die grünen Preßlinge leicht ausgeformt werden können, was zumeist sehr schwierig ist, da diese sehr sorgfältig gehandhabt werden müssen. Wenn möglich, soll der grüne Preßling direkt auf eine Brennunterlage stranggepreßt werden, so daß er dann ohne weiterer Handhabung in die Reaktionskammer gebracht werden kann.
  • Es wurde zunächst 10% Cetylalkohol in denaturiertem Alkohol als Bindemittel und Schmiermittel zum Anmachen verwendet. Zufriedenstellende Ergebnisse ließen sich durch Verwendung von 2 bis 3 ml dieser Lösung auf 10g Siliciumpulver mit einer Korngröße von etwa <74 u erreichen. Der Cetylalkohol wurde in den ersten Phasen des Nitrierens ausgetrieben, wobei noch etwas freier Kohlenstoff in dem Reaktionsrohr zurückblieb. Soll sehr reines Siliciumnitrid erhalten werden, ist die Verwendung dieses Schmiermittels nicht gewünscht.
  • Preßlinge ohne Bindemittel sind sehr weich und deshalb schwierig zu behandeln. Es wurde aber festgestellt, daß Feuchtigkeit sowohl als Bindemittel wie auch als Schmiermittel bei der Herstellung von zufriedenstellenden grünen Preßlingen dienen kann; diese Preßlinge können von der Preßform auf die Brennunterlage gebracht werden. Die Feuchtigkeit wird langsam durch Luft oder durch Trocknen entfernt. Die optimale Wassermenge hängt von der Teilchengröße des Siliciumpulvers ab; etwa 3 ml aus 10 g Pulver < 74 Ni führten zu zufriedenstellenden Ergebnissen.
  • Da Siliciumpulver nicht duktil ist, ist der maximale Preßdruck beschränkt, da sonst Risse entlang den Ebenen maximaler Scherbelastung auftreten. Derartige Risse, die offensichtlich bei zu großen Drucken unvermeidbar sind, verschwinden auch während des gesamten Reaktionssinterverfahrens nicht und sind auch im Endprodukt als kleine Spalte vorhanden, deren Oberflächen mit einer weißen Schicht bedeckt sind. Diese weiße Schicht ist möglicherweise Siliciumoxynitrid, das durch eingeschlossenen Sauerstoff, der entlang der Bruchstelle während der ersten Phase des Nitrierens entweichen konnte, gebildet wurde. Der jeweils anzuwendende Maximaldruck unter Vermeidung von Innenrissen muß vorher an einem Versuchspreßling durch Prüfung der Oberflächen und eventueller Risse festgestellt werden. Das Ausformen der Preßlinge muß sehr vorsichtig geschehen, um örtliche Beschädigungen und Brüche zu vermeiden. Bei Verwendung von Wasser als Binde- und Schmiermittel ist es möglich, bruchfreie Preßlinge herzustellen, und zwar für ein Siliciumpulver < 74 #t bei einem Preßdruck von 608 kg/cm2 und bei einem Pulver < 37 u von 304 kg/cm2 in einer einfachen rechteckigen Preßform. Wird das Siliciumpulver ohne Schmiermittel in derselben Preßform gepreßt, so genügt schon eine Belastung von 152 kg/cm2 für die Bildung von Rissen. Es wurde festgestellt, daß sich Preßlinge in jeder verhältnismäßig einfachen geometrischen Form erhalten lassen.
  • Reaktionsgesintertes Siliciumnitrid ist sehr schwer zu bearbeiten. Es ist so hart, daß es an gewöhnlichen spanenden Werkzeugen zu hohem Verschleiß führt; sie lassen sich nur mit Diamantschleifscheiben bearbeiten. Eine vorteilhafte Methode zur Herstellung von komplizierten Formen besteht darin, vorerst einen Rohling aus Siliciumpulver herzustellen, ihn in einer Stickstoffatmosphäre bei 1200° C etwa 1 Stunde oder so lange zu sintern, daß ein leicht gesintertes Produkt in der Art weicher Kreide entsteht. Das Ausmaß des Reaktionssinterns in dieser Phase ist ein Kompromiß zwischen der benötigten mechanischen Festigkeit, damit es sich spanend bearbeiten läßt, und einer zu großen Härte, die einen zu hohen Verschleiß der Werkzeuge bewirken würde. Nachdem das locker gesinterte Material auf die Endabmaße bearbeitet worden war, wird es in eine Reaktionskammer gebracht und in der üblichen Weise fertig nitriert. Nach dem Reaktionssintern ist das Produkt nur etwa 0,01% geschrumpft, was für die meisten praktischen Zwecke unerheblich ist. Auf diese Weise lassen sich komplizierte Formen mit geringen Toleranzen herstellen.
  • Die Standfestigkeit und Kriechfestigkeit von Siliciumnitrid wurde an einem Stab bei 1200° C und Auflage an vier Punkten untersucht. Die Prüfstäbe hatten im Durchschnitt eine Dichte von 2,1 g/cm3 und wurden bis zu 4 Stunden mit 230 kg/cm2 belastet. Die Ergebnisse zeigten, daß die Kriechfestigkeit besonders bei einem Material mit durchschnittlicher Dichte enttäuschend war. Deshalb wurde die Wirkung einer feinen Dispersion von harten, stabilen Verbindungen, die während der Sinterreaktion eingelagert werden können, untersucht; es wurde Tonerde, Kieselerde, Molybdändisilicid, Siliciumcarbid und Kohle einzeln verwendet. Die größte Verbesserung der Kriechfestigkeit wurde bei einem 5%igen Zusatz an Siliciumcarbid erhalten. Es wurde noch festgestellt, daß die Feinheit der Dispersion wesentlich ist. Die besten Resultate sind mit einer 5- bis 10%igen Zugabe feinverteilten Siliciumcarbidpulvers, Korngröße < 37 [,, erhalten worden. Einige der besten Ergebnisse zeigen, daß eine Dispersion von Siliciumcarbid in Siliciumnitrid das erste Kriechen herabsetzt und eine geringe zweite Kriechgeschwindigkeit bewirkt, so daß nach 300 Stunden die gesamte Deformation nur ein Viertel der des reinen Siliciumnitrids derselben Dichte ist. Es ist bisher nicht bekannt, ob diese Versteifung und Vergrößerung der Dauerfestigkeit einer genau festgelegten Menge der Siliciumcarbiddispersion in den Siliciumnitridkristallen oder einem gewissen Ausmaß einer Härtung durch eine feste Lösung oder einem physikalischen Einfluß der Siliciumcarbidteilchen während des Nitrierprozesses zuzuschreiben ist. Es liegen Anzeichen dafür vor, daß die Verbesserung der Kriechfestigkeit mit der Feinheit der Teilchen des Siliciumcarbids in Verbindung steht. Um die Teilchengröße des Siliciumcarbids noch weiter zu verringern, wurde Siliciumpulver mit kolloidalem Graphit gut vermischt, bevor nitriert wurde. Standversuche an Siliciumnitrid, das aus Siliciumpulverpreßlingen mit ursprünglich 5 bis 10% Kohlenstoff gebildet wurde, zeigten, daß zwar einige Verbesserungen erzielt wurden, diese jedoch kleiner sind, als man sie durch Zusatz von feinem Siliciumcarbid erhalten kann. Wie zu erwarten, ist die Dichte ein wesentlicher Faktor für die Kriechfestigkeit des Siliciumnitrids. Die Kriechfestigkeit von Siliciumnitridkörpern aus hydrostatisch gepreßtem Pulver ist etwa die gleiche wie die eines Materials mit einer geringeren Dichte, die jedoch eine Dispersion von Siliciumcarbid enthält.
  • Die Porosität von Siliciumnitrid mit oder ohne Zusätze von Siliciumcarbid kann ein wesentlicher Nachteil bei bestimmten Anwendungen sein. Die Möglichkeiten, eine Glasur zu entwickeln, die dicht haftet und die die Oberflächenporen wirkungsvoll verschließt, wurde deshalb untersucht. Dabei ist verständlich, daß ein derartiger Überzug einen Wärmedehnungskoeffizienten besitzen muß, der dem des Grundmaterials ähnlich ist und der auch, wenn möglich, bei einer örtlichen Verletzung selbst heilend ist. Siliciumdioxyd (Kieselerde) schien hierfür günstig, jedoch erwies sich die Bildung eines Überzugs lediglich durch Aufstäuben von feinem Pulver und Erhitzen als erfolglos. Es wurde jedoch festgestellt, daß eine fein bearbeitete Oberfläche von Siliciumnitrid dazu neigt, selbst zu verglasen, wenn an Luft und in Gegenwart von Tonerde länger auf 1200° C erhitzt wird. Das Phasendiagramm für A1203 und Si02 zeigt ein nieder schmelzendes Eutektikum bei 5% A1202. Der Schmelzpunkt dieses Eutektikums wird noch weiter durch Eisenoxyd herabgesetzt. Die besten Ergebnisse wurden bei >1500° C auf Tonerdeziegeln erhalten, und zwar mit Siliciumnitrid, das Eisen als Verunreinigung enthielt. Wie schon erwähnt, ist Siliciumnitrid nach Austragen aus dem Sinterofen mit einem weißen, feinen, wollartigen Produkt bedeckt. Es ist wesentlich, diesen ersten feinen Belag abzubürsten oder abzuschleifen, bevor ein gleichmäßiger, haftender Überzug oder Glasur aufgebracht wird. Die Glasierung wird deshalb am zweckmäßigsten in der Weise durchgeführt, daß man die Oberfläche des entsprechenden Materials erst säubert und danach eine dünne Schicht eines Gemisches von 5% A1203, 93% SiO2 und 2% Fe2O3, gebunden mit Cetylalkohol, aufträgt. Die Temperatur soll dann langsam auf 1300 bis 1500° C in Sauerstoffatmosphäre innerhalb 3 bis 4 Stunden gesteigert werden und kann dann langsam auf Raumtemperatur sinken. Ein Schnitt der auf diese Weise glasierten Oberfläche des Siliciumnitrids zeigt eine sehr gute Verbindung des Eutektikums mit der Oberfläche und ein teilweises Eindringen in die Vertiefungen der Oberfläche. Wird Oxynitrid infolge der Anwesenheit von Sauerstoff als Verunreinigung gebildet, läßt sich dieses unter dem Mikroskop als eine mattweiße Verbindung identifizieren. Dieses Oxynitrid bildet sich an der Oberfläche von Innenrissen, die bereits während des Pressens gebildet worden sind, durch Oxydation während des Nitrierens. Es wurde beobachtet, daß mit Oxynitrid bedeckte Risse sich auch während des Nitrierens nicht verschließen. Sie sind auch durch Aufbringen eines Überzugs oder einer Glasur nicht zu beseitigen.
  • Die Eigenschaften des siliciumcarbidhaltigen Siliciumnitrids sind so günstig, daß seine Anwendung für spezielle Zwecke gerechtfertigt ist, z. B. in Gasturbinen, Brennkammern und Ausströmleitungen bei Raketendüsen.
  • Siliciumnitrid mit einem bestimmten Gehalt an Siliciumcarbid wurde z. B. als Werkstoff für Statorflügel in heißgehenden, wassergekühlten Gasturbinen verwendet. Die maximale Arbeitstemperatur der mit Dieselöl arbeitenden Turbine war 750° C. Obwohl diese Temperatur weit unter der für Siliciumnitrid zulässigen liegt, läßt sich so doch eine spezielle Anwendungstechnik für die neuen Werkstoffe entwikkeln. Es war nötig, einen entsprechenden Spielraum während des Zusammenbaus im kalten Zustand zu lassen, da ein beträchtlicher Unterschied zwischen dem Wärmedehnungskoeffizienten der Statorflügel aus Siliciumnitrid und dem warmfesten Stahlmantel der Flügel besteht. Die Leitflügel für diese Versuche hatten Ansätze, die leicht in Schlitzen der Mantelringe paßten. Die Toleranz wurde so gewählt, daß die unter Druck stehenden Flügel sich in ihrer genauen Lage befinden. Bei ununterbrochenem Betrieb über 200 Arbeitsstunden wurden die Laufräder ausgebaut und die Flügel geprüft. Sie waren in einem tadellosen Zustand und nur mit einer dünnen Schicht von Verbrennungsrückständen bedeckt. Vergleichsversuche an plattenförmigen Prüfkörpern wurden in besonderen Brennkammern bei etwa 1200° C bis 200 Stunden durchgeführt. Die Teile dieser Prüfkörper waren so angeordnet, daß eine gewisse Biegung durch Kriechen möglich war; jedoch war kein Anzeichen irgendwelcher Oberflächenbeschädigung zu sehen, die durch eine Reaktion mit den Brennstoffrückständen oder einer Erosion durch das Gas hoher Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen sein könnte. In keinem dieser Versuche waren Anzeichen von Rißbildungen infolge von Thermoschock zu beobachten. Siliciumnitrid zeigt also als Werkstoff für Gasturbinenteile zufriedenstellende Eigenschaften unter der Voraussetzung, daß es wegen seiner Sprödigkeit bei Raumtemperatur während des Zusammenbaues vorsichtig behandelt wird. Die Auslegung der Körper soll nicht nach üblichen Verfahren für Metalle oder Legierungen erfolgen, sondern es ist der geringe Dehnungskoeffizient dieses neuen Werkstoffes zu berücksichtigen. Örtliche Überbelastungen, die durch eine plötzliche Querschnittsänderung der Teile zustande kommen oder auf lokalem Überdruck beim Befestigen der Teile beruhen, sind zu vermeiden.
  • Auf Grund der hervorragenden Temperaturwechselbeständigkeit und des hohen elektrischen Widerstandes ist das erfindungsgemäße Produkt für elektrische Isolatoren, die plötzliche Temperaturveränderungen aushalten, z. B. Raketenabschußrampen, sehr geeignet.
  • In der Industrie werden immer häufiger feuerfeste Tiegel, Schutzrohre für Thermoelemente, Unterlagen und Träger für eine Wärmebehandlung und Behälter für besondere Reinigungs- und Diffusionsverfahren, wie z. B. in der Halbleitertechnik, benötigt. Feuerfeste Baustoffe auf der Basis von Siliciumnitrid sind auf Grund dessen außerordentlicher Temperaturwechselbeständigkeit und seiner erheblichen Beständigkeit gegenüber Metallschmelzen ein idealer Werkstoff für diese Zwecke.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Hochfeuerfester und mechanisch fester Formkörper guter Temperaturwechselbeständigkeit aus Siliciumnitrid und -carbid, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus Siliciumnitrid besteht, welches 5 bis 10,1/o feines Siliciumcarbid dispergiert enthält.
  2. 2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Überzug aus 5% feiner Tonerde, 9311/o Kieselerdepulver und 2% Eisenoxyd versehen ist.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von 90 bis 95% feinem Siliciumpulver und 5 bis 10% Siliciumcarbid unter Druck formt und den Formling dann in einer Stickstoffatmosphäre bis zur völligen Nitrierung des Siliciums auf hohe Temperaturen erhitzt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formling zunächst in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur unter 1420°C, vorzugsweise bei etwa 1000°C, hält und dann die Nitrierung des Siliciums durch weiteres Erhitzen in Stickstoff bei über 1420° C zu Ende führt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formling nach dem Erhitzen auf 1000° C mechanisch bearbeitet und/oder die vollständige Nitrierung des Siliciums zunächst bei Temperaturen unter 1420° C und schließlich über 1420° C fortsetzt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der vollständigen Nitrierung des Siliciums den Formkörper sorgfältig reinigt, ihn mit einer dünnen Schicht eines feinen Pulvergemisches aus 5 % Tonerde, 93 0/0 Kieselerde und 211/o Eisenoxyd, angeteigt mit Cetylalkohol, überzieht, dann in einer Sauerstoffatmosphäre langsam innerhalb von 3 bis 4 Stunden auf 1300 bis 1500° C erhitzt und schließlich langsam auf Raumtemperatur abkühlt. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 726 812, 717 555.
DEN17950A 1959-02-27 1960-02-27 Hochfeuerfeste Formkoerper und Verfahren zu deren Herstellung Pending DE1240458B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2754460A1 (de) * 1976-12-09 1978-06-15 Gen Electric Ueberzogene keramische verbundstoffe auf siliciumbasis und verfahren zu deren herstellung

Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB717555A (en) * 1952-08-07 1954-10-27 Arthur Abbey Improvements in or relating to shaped silicon nitride bodies and their manufacture
GB726812A (en) * 1952-11-11 1955-03-23 Arthur Abbey Improvements in or relating to silicon nitride materials

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