DE1646666C - Process for the production of silicon nitndformkorpern - Google Patents

Process for the production of silicon nitndformkorpern

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DE1646666C
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DE
Germany
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powder
silicon nitride
silicon
temperature
magnesium
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German (de)
Inventor
Roger Frank Birmingham Coe (Großbritannien)
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ZF International UK Ltd
Original Assignee
Joseph Lucas Industries Ltd
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Description

Aus der britischen Patentschrift 1054 631 ist ein Arbeitstemperaturen herrschen, anwendbar. Sie lassenFrom British patent specification 1054 631, working temperatures prevail can be used. You let

Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridform- 55 sich bei reibender oder gleitender Beanspruchung bisProcess for the production of silicon nitride molds with rubbing or sliding loads up to

körpern bekannt, wobei man entweder von Silicium· zu Temperaturen von über 600 C, anderenfalls bisbodies known, either from silicon · to temperatures of over 600 C, otherwise up to

nitridpulver Undefinierter Modifikation ausgeht, dieses zu 135O°C anwenden. Das besondere wirtschaftlichenitride powder of undefined modification, use this at 135O ° C. The special economical one

mit Hilfe eines temporären und hydraulischen Binde- Interesse dieser Produkte liegt also auf dem Gebietewith the help of a temporary and hydraulic binding interest of these products lies in the field

mittels zu dem gewünschten Formkörper formt und der Gasturbinen, in Rootes-Pumpen, Brennstoffpum-by means of the desired shaped body and the gas turbines, in Rootes pumps, fuel pumps

dann einem Keramikbrand unterwirft. Bei diesem wird 6° pen und Servomotoren, darüber hinaus als Turbinen-then subjected to a ceramic fire. This uses 6 ° p en and servo motors, as well as turbine

das hydraulische Bindemittel, welches in erster Linie schaufeln, Leitflügel u. dgl. für extrem heißgehendethe hydraulic binding agent, which is primarily used for shoveling, guide vanes and the like for extremely hot conditions

Äthylsilicat oder Magnesiumoxychlorid bzw. -oxy- Maschinen.Ethyl silicate or magnesium oxychloride or oxy machines.

sulfat ist, zu dem feuerfesten Oxid zersetzt. In dem Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfeuerfesten Formkörper soll dann der Anteil dieses fahrens bevorzugt man Magnesiumoxid. Man kann feuerfesten Oxids zumindest 2 Gewichtsprozent, vor- 65 aber auch Magnesiumcarbonat anwenden, welches zugsweise 5 bis 15 Gewichtsprozent, betragen. Eine bei der Temperatur des Heißpressens zum Oxid Abwandlung dieses bekannten Verfahrens besteht zersetzt wird. Unter Berücksichtigung dieser Zer-' darin, daß man von Siliciumpulver ausgeht und dieses setzung ist die erforderliche Menge an Magnesium-sulfate, decomposes to the refractory oxide. In the For the implementation of the fire-proofing according to the invention Molded body should then drive the proportion of this, preferably magnesium oxide. One can refractory oxide at least 2 percent by weight, but also 65 use magnesium carbonate, which preferably 5 to 15 percent by weight. One at the temperature of hot pressing to the oxide A modification of this known process consists of decomposition. Taking into account this in the fact that one starts out from silicon powder and this setting is the required amount of magnesium

carbonat zu berechnen. Die Freisetzung von Kohlendioxid beeinträchtigt nicht die Herstellung der Formkörper. Bei der Auswahl der Magnesiumverbindungen ist lediglich darauf zu achten, daß keine solche angewandt wird, die ein Gas, welches auf das angestrebte Produkt nachteilig einwirkt, zu bilden vermag.to calculate carbonate. The release of carbon dioxide does not affect the production of the molded bodies. When selecting the magnesium compounds, it is only necessary to ensure that none are used which is able to form a gas which has an adverse effect on the desired product.

Das Heißpressen des Pulvergemisches von Siliciumnitrid und Magnesiumoxid geschieht in Graphitformen. Es wird bevorzugt, die Oberflächen der Form, die mit dem Pulvergemisch in Berührung kommen, mit Bornitrid oder einer anderen Substanz zu überziehen, die eine Reaktion zwischen dem Siliciumnitrid und dem Graphit verhindert.The hot pressing of the powder mixture of silicon nitride and magnesium oxide takes place in graphite molds. It is preferred that the surfaces of the mold that come into contact with the powder mixture to be coated with boron nitride or some other substance that causes a reaction between the silicon nitride and the graphite prevented.

Die Erfindung wird an Hand folgenden Beispiels näher erläutert: T5The invention is explained in more detail using the following example: T 5

Beispielexample

Handelsübliches Siliciumpulver (98%ig) wurde in einer Ofenatmosphäre, enthaltend 90 Volumprozent Stickstoff und 10 Volumprozent Wasserstoff, auf 1280° C erhitzt. Das Aufheizen geschah in 72 Stunden. Die kristallographische Untersuchung des erhaltenen Siliciumnitridpulvers ergab, daß nur die a-Modifikation vorlag.Commercially available silicon powder (98%) was in a furnace atmosphere containing 90 percent by volume Nitrogen and 10 percent by volume hydrogen, heated to 1280 ° C. The heating took place in 72 hours. The crystallographic examination of the silicon nitride powder obtained revealed that only the α-modification Template.

Das Siliciumnitridpulver wurde dann mit nicht mehr als 1 Gewichtsprozent Magnesiumoxid gemischt, und zwar durch Naßmahlen während 72 Stunden in Butanol oder bis auf eine Korngröße 95% < 2 μΐη. Das Pulvergemisch wurde nun in einer Graphitform mit einer Bornitrid-Schutzschicht bei einer Temperatur nicht über 1650° C unter einem Preßdruck von 280 bar geformt. Die kristallographische Untersuchung ergab, daß eine Umwandlung der α-Modifikation in die ^-Modifikation erfolgt.The silicon nitride powder was then mixed with no more than 1 weight percent magnesium oxide, namely by wet grinding for 72 hours in butanol or down to a grain size of 95% <2 μΐη. The powder mixture was now in a graphite mold with a boron nitride protective layer at a temperature not exceeding 1650 ° C under a pressing pressure formed by 280 bar. The crystallographic examination showed that a conversion of the α-modification into the ^ modification.

Der erhaltene Formkörper aus Siliciumnitrid hat eine außerordentlich geringe Porosität bis gegen 0 und eine Bruchfestigkeit von 74 kg/mm2.The molded body made of silicon nitride has an extremely low porosity down to about 0 and a breaking strength of 74 kg / mm 2 .

VergleichsversucheComparative experiments

Um die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Produkten gegenüber den Produkten der britischen Patentschrift 970 639 zu zeigen, wurden im Sinne obiger Verfahrensmaßnahmen Prüfkörper hergestellt und die Eigenschaften bestimmt. Diese sind in folgender Tabelle zusammengestellt.To the superiority of the products according to the invention over the products of the British To show patent specification 970 639, test specimens were produced in the sense of the above procedural measures and the properties determined. These are compiled in the following table.

2525th

ErfindungsgemäßesAccording to the invention Bekanntes VerfahrenKnown procedure Verfahrenproceedings hü. Si-Pulverhü. Si powder Si-Pulver 3 [imSi powder 3 [im Ofenoven atmosphärethe atmosphere N2 + 10% H2 N 2 + 10% H 2 N2 N 2 Nitrieren Nitriding 1280° C,1280 ° C, 1360° C,1360 ° C, 72 Stunden72 hours 48 Stunden48 hours Pressen . ...Pressing. ... 280 bar,280 bar, 210 bar,210 bar, 10 Minuten10 mins 10 Minuten10 mins bei 165O0Cat 165O 0 C bei 18500Cat 1850 0 C Bruchmodul
bei 20°C ...
Modulus of rupture
at 20 ° C ...
84 kg/mm2 84 kg / mm 2 63 kg/mm2 63 kg / mm 2
1200°C1200 ° C 47 kg/mm2 47 kg / mm 2 30 kg/mm2 30 kg / mm 2 MgO MgO 1%1% 5%5% Porosität porosity 00 < 0,5%<0.5% Thermoschock-Thermal shock faktor*)factor*) bei 20°C ...at 20 ° C ... 52,552.5 28,728.7 bei 12000Cat 1200 0 C 30,230.2 20,820.8

35 *) Thermoschockfaklor R =35 *) Thermal shock factor R =

/. Wärmeleitfähigkeit./. Thermal conductivity.

B Bruchmodul. B modulus of rupture.

E Elastizitätsmodul. E modulus of elasticity.

η Wärmedehnungskoeffizient.η coefficient of thermal expansion.

EnEn

Claims (1)

in situ in Stickstoffatmosphäre zum Siliciumnitridin situ in a nitrogen atmosphere to form silicon nitride γ, t t u umwandelt oder aber von Siliciumcarbid ausgeht undγ, tt u converts or starts from silicon carbide and Patentanspruch: Tses mU Hufe eines Metallpulvers mit einem Stick-Claim: Tses mU hooves of a metal powder with a stick Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid- stoffüberträger in «^^^Jgjj^^ formkörpern aus Siliciumpulver durch Erhitzen 5 Bindemittels zum Sil.ciummtndAUaminiumcarb^ in stickstoffhaltiger Atmosphäre in Gegenwart Siliciumdioxid und verschiedenen Zwischenverbinvon Magnesiumoxid und anschließendem Heiß- düngen umsetzt. ,, ·, . R , .. ,
pressen, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß Nachteilig bei diesem Verfahren st,^aO, "nberuckman in einer Stickstoff!tmosphäre mit 5 bis 25 Vo- sichtigt bleibt, in we eher Kristallmodifikation das lumprozent Wasserstoff Siliciumpulver auf eine .o Siliciumnitridpulver fur die Herstellung; des kerarm-Temperatur nicht über 1300°C erhitzt, das so sehen Körpers vorliegt. Die Brennbedingungen lassen gebildete a-Siliciumnitridpulver mit MgO oder erkennen, daß das beim Streinbrand vorliegende einer in der Hitze Magnesiumoxid liefernden Ver- Siliciumnitrid ein Gemisch der α- und /?-Phase sem bindung in einer solchen Menge mischt, daß muß. , ,
Magnesiumoxid in einer Menge von 0,25 bis .5 Es konnte jedoch festgestellt werden, daß die !Gewichtsprozent, bezogen auf Siliciumnitrid im mechanischen Eigenschaften eines Phasengem .schs Formkörper, vorliegt, und das Pulvergemisch bei «- + ^-Siliciumnitrid schlechter sind als die von Baueiner Temperatur nicht über 16500C preßt. stoffen, die hergestellt worden sind ausschließlich aus
Process for the production of silicon nitride carriers in molded bodies made of silicon powder by heating 5 binding agent to form silicon oxide aminium carb in a nitrogen-containing atmosphere in the presence of silicon dioxide and various intermediate compounds of magnesium oxide and subsequent hot fertilization. ,, ·,. R , ..,
pressing, due to the fact that the disadvantage of this process is that one should be careful in a nitrogen atmosphere with 5 to 25, in which crystal modification the lum percent hydrogen silicon powder is converted to a silicon nitride powder the production; the kerarm temperature is not heated above 1300 ° C., the body is seen in this way. The firing conditions indicate that the α-silicon nitride powder formed with MgO or that the silicon nitride that is present during the rock fire is a mixture of the α - and /? - phase sem bond mixes in such an amount that must.,,
Magnesium oxide in an amount of 0.25 to .5 It was found, however, that the percent by weight, based on silicon nitride, is present in the mechanical properties of a phase mixture, and that the powder mixture is worse than that for silicon nitride from building a temperature not above 1650 0 C presses. substances that have been manufactured exclusively from
einem Siliciumnitridpulver der α-Phase.an α-phase silicon nitride powder. 20 Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridformkörpern aus Silicium-The invention thus relates to a method for production of silicon nitride molded bodies made of silicon pulver durch Erhitzen in stickstoffhaltiger Atmosphärepowder by heating in a nitrogenous atmosphere in Gegenwart von Magnesiumoxid und anschließendes Heißpressen und ist dadurch gekennzeichnet, daßin the presence of magnesium oxide and subsequent hot pressing and is characterized in that 25 man das Siliciumpulver in einer 5 bis 25 Volumprozent25 one the silicon powder in a 5 to 25 volume percent Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Wasserstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre auf von Siliciumnitridformkörpern aus Siliciumpulver eine Temperatur von nicht über 1300 C erhitzt, das durch Erhitzen "in stickstoffhaltiger Atmosphäre in so gebildete n-Siliciumnitndpulver mit Magnesium-Gegenwart von Magnesiumoxid und anschließendem oxid oder einer unter den Preßbedingungen Magne-Heißpressen. Als Ausgangsmaterial wendet man ein 30 siumoxid liefernden Verbindung in einer solchen Siliciumpulver an, welches einen möglichst hohen Menge mischt, daß ein Formkörper 0,25 bis 1 GeAnteil an α-Modifikation besitzt. * wichtsprozent Magnesiumoxid, bezogen auf Sihcium-Aus der britischen Patentschrift 970 639 ist ein nitrid, vorliegt, und das Pulvergemischt bei einer Verfahren zur Herstellung von dichten Siliciumnitrid- Temperatur nicht über 16500C preßt,
formkörpern durch Heißpressen eines Pulvergemisches 35 Ein wesentlicher Gesichtspunkt des erfindungsaus Siliciumnitrid und einem »Flußmittel« bekannt. gemäßen Verfahrens liegt darin, daß das Siliciumpulver Das Siliciumnitridpulver wird hergestellt durch Um- nicht über 13000C erhitzt wird. Bei einer Temperatur setzen von Siliciumpulver in einer stickstoffhaltigen unter 1300° C erhält man n-Siliciumnitrid, über 1300° C Atmosphäre zu Siliciumnitrid, wobei diese Reaktion würde man ein Gemisch von α- und /?-Phase erhalten, zwischen 1300 und 1650° C stattfindet. Dem so er- 40 Es zeigte sich, daß man bessere, insbesondere dichtere haltenen Siliciumnitrid werden dann verschiedene Produkte erhält, wenn in dem Siliciumnitridpulver Zusätze, wie Oxide von Eisen, Aluminium, Calcium keine /i-Phase vorliegt. Wird nun nach dem erfin- oder Magnesium oder Magnesiumnitrid, in Mengen dungsgemäßen Verfahren n-Siliciumnitrid im Gemisch von etwa 5% einverleibt und das Pulvergemisch dann mit Magnesiumoxid bei 1650°C gepreßt, so erhält bei möglichst hoher Temperatur gepreßt. Nach dem 45 man Formkörper mit einer Bruchfestigkeit von etwa bekannten Verfahren sind die Eigenschaften der 74 kg/mm2.
The invention relates to a process for the production of a nitrogen atmosphere containing hydrogen on silicon nitride moldings from silicon powder heated to a temperature of not more than 1300 C, which by heating "in a nitrogen-containing atmosphere in n-silicon nitride powder thus formed with magnesium presence of magnesium oxide and subsequent oxide or one of the Pressing conditions Magne hot pressing. As a starting material, a silicon oxide-producing compound is used in such a silicon powder, which mixes as high an amount as possible that a molding has 0.25 to 1 Ge proportion of α-modification. * Weight percent magnesium oxide, based on silicon From British patent specification 970 639 a nitride is present and the mixed powder in a process for the production of dense silicon nitride does not press above 1650 0 C,
molded bodies by hot-pressing a powder mixture 35 An essential aspect of the invention is known from silicon nitride and a "flux". method according lies in that the silicon powder The silicon nitride powder is not produced by transesterification is heated over 1300 0 C. If silicon powder is placed in a nitrogen-containing temperature below 1300 ° C, n-silicon nitride is obtained, over 1300 ° C atmosphere to silicon nitride, this reaction would result in a mixture of α- and /? - phase between 1300 and 1650 ° C takes place. It was found that better, in particular denser silicon nitride, various products are obtained when additives such as oxides of iron, aluminum, calcium are not present in the silicon nitride powder. If n-silicon nitride in a mixture of about 5% is incorporated according to the invention or magnesium or magnesium nitride, in amounts according to the method, and the powder mixture is then pressed with magnesium oxide at 1650 ° C., it is pressed at the highest possible temperature. According to the 45 man molded body with a breaking strength of roughly known processes, the properties are 74 kg / mm 2 .
Fertigprodukte um so besser, je höher die Preßtempe- Es zeigte sich, daß die erfindungsgemäß hergestelltenThe higher the press temperature, the better the finished products. It was found that the products produced according to the invention ratur ist. Die besten Eigenschaften haben magnesium- Produkte denen nach dem Verfahren der oben ab-rature is. Magnesium products have the best properties which are nitridhaltige Körper, jedoch ist der Unterschied im · gehandelten britischen Patentschrift überlegen sind,nitride-containing bodies, but the difference in the traded British patent is superior, Bruchmodul bei 20° C und in der Hitze, also etwa 50 und zwar gilt dies hinsichtlich der WarmfestigkeitRupture modulus at 20 ° C and in the heat, i.e. around 50, and this applies to the high-temperature strength 12000C, sehr groß. Die Porosität ist bemerkenswert und Temperaturwechselbeständigkeit,1200 0 C, very large. The porosity is remarkable and thermal shock resistance, und damit auch die Temperaturwechselbeständigkeit Die erfindungsgemäßen Formkörper sind für dieand thus also the resistance to temperature changes. The moldings according to the invention are for noch nicht voll zufriedenstellend. · verschiedensten Anwendungsgebiete, bei denen hohenot yet fully satisfactory. · A wide variety of fields of application where high

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