DE1571592C

DE1571592C - Verfahren zur Sinterung von Bornitrid unter Preßformung

Info

Publication number: DE1571592C
Authority: DE
Inventors: Akinori Hayakawa Yukio Tokio Manaka Makoto Hitachi Muta, (Japan)
Original assignee: Hitachi Kasei Kogyo Kabushiki Kai sha, Kabushiki Kaisha Hitachi Seisaku sho, Tokio
Publication date: 1971-08-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Preßformung von Bornitrid (im folgenden BN genannt) und insbesondere auf ein neuartiges Verfahren zur Sinterung von BN unter Preßformung.

BN wird innerhalb eines weiten Anwendungsfeldes benutzt, da es in einzigartiger Weise sehr vorteilhafte Eigenschaften, wie hohe elektrische Isolationsfähigkeit, gute Schmiereigenschaft, Wärmebeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und chemische Beständigkeit, vereinigt. Da jedoch BN nach allen bislang benutzten Herstellungsverfahren in Form eines feinen Pulvers mit einer Teilchengröße im Mikronbereich oder weniger anfällt, wird dieses feine BN-Pulver in herkömmlicher Weise in manchen Fällen durch Sinterung unter Preßformung benutzt.

Allgemein werden geformte BN-Teile durch Preßformung und Wärmesinterung hergestellt, wobei die Formungsverfahren in die folgenden beiden Hauptgruppen eingeteilt werden können:

1. Heißpreß verfahren: wonach die Wärmesinterung (bei 1700 bis 2200° C) gleichzeitig¹ mit dem Preßformgang durchgeführt wird.

2. Kaltpreßverfahren, wonach zunächst die Preßformung erfolgt und danach die Wärmesinterung durchgeführt wird.

Eine Ausführungsform eines Heißpreßverfahrens ist in der deutschen Auslegeschrift 1018 348 beschrieben. Sinterstoffe wie Al₂Oj, SiO₂, WC, SiC zeigen bei der Sinterung eine Schwindung, weil an d,en Korngrenzen des Stoffes eine Aufschmelzung erfolgt. Man wendet daher während der Aufheizung und der" Sinterung einen Preßdruck auf den Sinterstoff an. Hierzu ist eine umfangreiche und aufwendige Einrichtung erforderlich, weil die Preßeinrichtung bei hoher Temperatur arbeiten muß. Für eine Massenfertigung ergeben sich zahlreiche Nachteile, insbesondere eine geringe Ausbeute. .

Da in dem zuletzt genannten Verfahren die Wärmebehandlungsstufe nach der Preßformung durchgeführt wird, ist es infolge der Wärmeausdehnung schwierig, Teile hoher Dichte zu erzeugen, und insbesondere werden die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Fertigteile nachteilig beeinflußt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei der Preßformung ein inneres Spannungsfeld entsteht, da das BN-Pulver aus anisotropen schichtförmigen Kristallen mit dünner Schichtgestalt besteht. Dieses Spannungsfeld gleicht sich durch die Erhitzung bei der nachfolgenden Sinterung aus, und diese Ausdehnung infolge des Spannungsausgleichs bleibt auch nach Abkühlung des Teiles auf Zimmertemperatur bestehen. Der auf diese Ausdehnung zurückzuführende Verformungskoeffizient beträgt etwa 2°/o bei einer Aufheiztemperatur von 1000° C und steigt auf 4,5% bis 5% bei einer Aufheiztemperatur von 1500 bis 2100⁰C an.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines wirtschaftlich durchführbaren Verfahrens zur Sinterung von Bornitrid, das die Herstellung von Sinterteilen hoher Dichte erlaubt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Formstück in einer Sinterform wärmegesintert wird, wobei die freie Ausdehnung des Formstück?; durch die Sinterform unterbunden isl.

Die Anwendung von Formen ist'bercits für Hlühverfahren bekannt. Die deutsche Patentschrift 814 Hf)5 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Blähton. Die deutsche Auslegeschrift 1127 270 beschreibt die Herstellung von Formkörpern aus Alkalisilikat, wo eine Wärmebehandlung zum Zwecke der Blähung in einer Form erfolgt. Diese Wärmebehandlung erfolgt jedoch in einer nicht gasdicht verschließbaren Form, so daß die Form lediglich zur Abstützung und Festlegung der Gestalt des Formkörpers dient, jedoch keinen Druck aufnehmen kann. Das bekannte Heißpreßverfahren nach der deutsehen Auslegeschrift 1018348 könnte es allenfalls nahelegen, die beim Sintern von Bornitrid auftretende Dehnung durch eine Presse aufzufangen oder zu verringern. Damit würde man ebenfalls eine sehr aufwendige Einrichtung erhalten. Die Anwendung einer festen Druckform läßt sich aus dem Stand der Technik nicht entnehmen. Es ist überraschend, daß die beim Sintern auftretenden Drücke in einer festen Druckform ohne sonstige Hilfsmittel aufgenommen werden können. Die Druckform hält das Volumen des Sinterkörpers gleich. Dagegen müßte man bei der Anwendung einer Presse eine Volumenänderung in Kauf nehmen: Die Erfindung weist somit einen Weg zur Herstellung von Bornitrid-Sinterkörpern nach einem Verfahren der Massenfertigung, indem lediglieh eine druckfeste Form benutzt wird.

Da der von der Ausdehnung des BN herrührende Verformungskoeffizient bei 2100⁰C etwa 5% beträgt, wird bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Spiel zwischen der Graphitform, die als Sinterform benutzt wird, und dem Teil beispielsweise zu 5% oder wehiger als eine Abmessung des Formteils gewählt, vorzugsweise wählt man ein verschwindendes Spiel.

Für die Kaltpreßformung des Teils vor der Sinterung kann man zu verschiedenen Verfahren greifen.

Beispielsweise kann man von einem normalen KaIt-

. preßverfahren unter Verwendung einer Metallform oder von einem Strangpreßverfahren Gebrauch machen. Um jedoch die Kaltpreßformung unter hohem Druck auszuführen und um einen Formteil ν gleichmäßiger Dicke zu erzeugen, greift man vorzugsweise zu einer Formung mittels einer hydrostatischen Presse. ' ^v

Um Wesen unid Brauchbarkeit der vorliegenden Erfindung deutlicher aufzuzeigen, werden die folgenden Ausführungsbeispiele zum Vergleich zwischen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteilen und nach bekannten Verfahren hergestellten Formteilen beschrieben.

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Ausführungsbeispiel 1

23 g BN-Pulver werden vorbereitet und mittels einer hydrostatischen Presse unter einem Druck von 2000 bis 3000 kg/cin² jeweils in zwei Formteile für jeden Druckwert verformt. Jeder Formteil wurde zu einem 25 mm dicken und 40 mm langen Zylinder verarbeitet. Je zwei bei Druckwerten von 2000 bzw. 3000 kg/cm² geformte, weiterverarbeitete Formteile wurden ausgewählt und jeweils in Graphitformen eingesetzt. Jede Graphitform bestand aus einer zylindrischen Kappe mit einer 6 mm dicken Zylinderwandung und einer 20 mm dicken Bodenwandung. Jede Form wurde mittels einer Verschlußschraube mit einem 15 mm dicken Endflansch und einem 10 mm langen Gewindefuß abgeschlossen, die in ein entsprechendes, in das offene Stirnende der Form eingelassenes Gewinde eingeschraubt wurde.

Die beiden, die zurecht geschnittenen Teile ent-

ι ο/i oyz

haltenden Formen wurden sodann in einem Tanmannofen auf 1500° C erhitzt. In jedem Fall wurde das Spiel zwischen dem geformten BN-Teil und der Graphitform vor der Erhitzung auf 2 mm oder weniger eingestellt.

Andererseits wurden die restlichen BN-Preßteile bei 1500⁰C nach dem herkömmlichen Verfahren ohne Verwendung einer Form gesintert.

Die Meßwerte für spezifisches Gewicht und Biegefestigkeit der gesinterten BN-Formteile gemäß den beiden genannten Verfahrensweisen sind in Tabelle 1 angegeben, wo die Formteile Nr. 1 und 2 nach dem 5 oben beschriebenen beispielsweisen Verfahren nach der Erfindung und die Formteile Nr. 3 und 4 nach dem beschriebenen herkömmlichen Verfahren hergestellt sind.

	Formdruck (1000 kg/cm²)	Tabelle 1	Spezifisches Gewicht des Gesamtsinterteils	Biegefestigkeit - des Sinterteils (kg/cm⁵)
Formteil Nr.	2 3 . 2 3	Spezifisches Gewicht des Gesamtpreßteils	. 1,417 1,491 1,346 1,370	181,8 231,8 141,2 180,0
1 2 l<	1,546 1,618 1,543 1,596

Ausführungsbeispiel 2

Dieses Ausführungsbeispiel erläutert den bereits genannten Fall, wo vor dem Kaltpressen dem BN-Pulver ein Bindemittel beigemischt wird.

23 g BN-Pulver wird ein Bindemittel aus 0,58 g in Azeton gelöstem Polythylenglykol beigemischt und in einer Kugelmühle gleichmäßig gemischt. Nach Trocknung mittels Infrarotstrahlung zwecks Verdampfung des Azetons wurde die entstehende Pulvermischung unter einem Druck von 2000 bzw. 3000 kg/cm², verpreßt und zu 24 mm im Durchmesser und 40 mm in der Länge messenden Teilen verarbeitet, genau wie bei Ausführungsbeispiel 1. Die Sinterung dieser Teile sowie die Vergleichsmessungen wurden ebenso wie im Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt.

as . Die Vergleichsergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 eingetragen, wo die nach dem erfindungsgemäßen . Verfahren hergestellten Proben mit den Nr. 5 und 6 und die nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Proben mit den Nr. 7 und 8 bezeichnet sind.

	Formdruck ■ (1000 kg/cm¹)	Tabelle 2	Spezifisches Gewicht des Gesamtsinterteils	Biegefestigkeit des Sinterteils (kg/cm¹)
Formteil Nr.	2 3 . .. 2 3	Spezifisches Gewicht des Gesamtpreßteils	1,495 1,521 1,410 1,431	223,5 I 281,3 181,3 226,0
5 6 7 8	1,662 1,705 1,668 1,710

Wie man an Hand der vorstehenden Ausführungsbeispiele und Meßergebnisse erkennt, haben die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterteile überraschende Eigenschaften und zeigen einen Anstieg von 6 bjs 9% des spezifischen Gesamtgewichts sowie einen Anstieg der Biegefestigkeit von 15 bis 23% gegenüber entsprechenden, nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Teilen.

Wie oben beschrieben, kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Minderung des spezifischen Gewichts des Sinterteils ausschließen, was sich bislang nicht vermeiden ließ. Ferner kann man die Biegefestigkeit des Fertigteils wesentlich steigern.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie die Herstellung großer BN-Sinterformteile in vergleichsweise einfacher Weise ermöglicht, ohne daß teuere Einrichtungen wie bei dem Heißpreß verfahren benutzt werden müssen. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil für eine Massenproduktion geeignet, wodurch die Herstellungskosten ebenfalls gesenkt werden können.

Dadurch erleichtert die vorliegende Erfindung in großem Maße die Herstellung von Teilen in einem weiten Prpduktionsbereich, einschließlich hochtemperaturfesten Stoffen, Schmelztiegeln und Schiflclienformen zur Reinigung von Stoffen höchster Reinheit, Probenhaltern für das Schwimmzonenschmelzen, Hochfrequenzisolatoreii und Hochtemperaturlagern. ,,-.'■

Wenn auch die Erfindung in Zusammenhang mit bevorzugten Verfahrensbeispielen beschrieben wurde, so soll sie doch nicht beschränkt sein, da im Rahmen des Erfindungsgedankens Abänderungen und Abwandlungen möglich sind.,

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Sinterung von Bornitrid unter Preßformung von Bornitridpulver in ein Formstück, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Formstück in einer Sinterform wärmegesintert wird, wobei die freie Ausdehnung des Formstücks durch die Sinterform unterbunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bornitrid zur Bildung des Formstücks ein Bindemittel gleichmäßig, beigemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Formstücks vor Einsetzen in die Sinterform auf einen Unterschied von weniger als 5%, vorzugsweise so gering als möglich, gegenüber entsprechenden Abmessungen der Sinterform eingestellt werden.