DE1949587B2

DE1949587B2 - Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern

Info

Publication number: DE1949587B2
Application number: DE19691949587
Authority: DE
Inventors: Edwin Richard Wells Poole Dorset May (Grossbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1968-10-01
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1974-02-21
Also published as: CH535183A; GB1266506A; FR2019571A1; DE1949587C3; DE1949587A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern durch Vermischen von Silicium-Pulver und einem organischen Bindemittel zu einem teigartigen Material, Formen dieses Materials, Entfernen des Bindemittels und Nitrierung des Formkörpers.

Aus der britischen Patentschrift 951681 ist ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern bekannt, bei dem Silicium-Pulver mit einem Gemisch aus Zucker und Wasser zu einem teigartigen Material verarbeitet wird, das nach dem Formen zu Siliciumnitrid nitriert wird.

Nach diesem Verfahren ist es jedoch schwierig, die erhaltene teigartige Masse zu dünnen, biegsamen Platten oder Folien zu verarbeiten und aus diesen ³^ Platten wieder andere komplizierter geformte Formkörper herzustellen. Außerdem behält der vorgeformte Körper, sobald er durch Verdampfen des Wassers hart geworden ist, seine Form bei und kann nicht mehr leicht weiterverarbeitet werden.

F.s war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe auf einfache Art auch kompliziert geformte Formkörper aus Siliciumnitrid hergestellt werden können, ohne daß die obenerwähnten Nachteile auftreten.

Die?e Aufgaeb wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern durch Vermischen von Silicium-Pulver und einem organischen Bindemittel zu einem teigartigen Material, Formen dieses Materials, Entfernen des Bindemittels und Nitrierung des Formkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als organisches Bindemittel Butylmethacrylat in Trichloräthylen verwendet.

Bei Verwendung von Polybutylmethacrylat und Trichloräthylen als Bindemittel ist es leicht möglich, dünne biegsame Platten herzustellen, die durch plastische Verformung leicht zu anderen Formen verarbeitet werden können. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehende teigarlige Masse stellt ein thermoplastisches Material dar, das durch entsprechende Änderung der Temperatur leicht in den gewünschten Festigkeitszustand gebracht und dadurch besonders gut geformt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können Platten von kompaktem Siliciumpulver mit einer Dicke zwischen 0,127 und 4,762 mm (0,005 bis Vieinch) auf diese Weise hergestellt werden, und diese können biegsam gemacht werden, so daß man sie in einzelne Teile formen kann. Solche Platten können auch in Form von Streifen über Formen gewickelt werden, um eine gewünschte Form zu erhalten.

Formstücke, die hergestellt worden sind, um die Herstellung von Siliciumnitrid-Teilen gemäß der Erfindung zu erläutern, sind z. B.: gerippte Streifen für Wärmeaustauschermatrizen, aus Platten gerollte Röhren, gewölbte Formen und spiralförmig aufgerollte Streifen.

Das Verfahren kann zur Herstellung von festen Siliciumnitrid-Körpern mit Dichten von über 2,2 g pro cm³ verwendet werden, ohne daß hohe Drücke oder isostatisches Pressen erforderlich sind. Bei einem Probeblock von 0,5 · 0,5 · 5,1 cm (0,2 -0,2-2 inch) wurde eine Durchbiegefestigkeit von mehr als 1195 kg pro cm² (17000 psi) erhalten.

Zwischen den einzelnen Streifen können Verbindungen hergestellt werden, indem man die einzelnen Teile zusammenpreßt oder durch Verwendung von weiterem Siliciumpulver, mit oder ohne ein geeignetes Bindemittel, je nach der erforderlichen Festigkeit der Bindung. Gemäß der Erfindung können Verbindungen zwischen einzelnen Teilen dadurch erreicht werden, daß eine sehr kleine Menge von Trichloräthylen oder Aceton auf die entsprechenden Oberflächen aufgetragen wird. Ein leichter Druck wird günstigerweise bis zum Verdampfen des Lösungsmittels angewendet. Das Material kann auch verwendet werden, um teilweise nitrierte Siliciumpulverblöcke und solche, die durch Flammenversprühen von Siliciumpulver entstanden sind, miteinander zu verbinden.

Das teigartige Siliciumpulvermaterial kann durch Strangpressen oder im Spritzgußverfahren geformt werden. Dichten der nitrierten Probestücke von bis zu 2,4 g pro cm³ wurden auf diese Weise erhalten.

Eine Verstärkung der Komponenten kann durch Anwendung eines sandwichartigen Aufbaues erreicht werden, bei dem Schichten von siliciumhaltiger Folie und Verstärkungsmaterial abwechseln. Derartige Platten können dann geformt und nitriert werden.

Einzelne Stufen bei der Herstellung von bestimmten Siliciumnitrid Komponenten werden gemäß der vorliegenden Erfindung an Hand eines Beispiels im folgenden beschrieben.

Herstellung von biegbaren Platten

Erforderliche Materialien:

Siliciumpulver, das durch ein Sieb mit einer lichten Weite von 0,037 mm (400 mesh B. S.) hindurchgeht, in der erforderlichen Reinheit.
Bindemittel 35 bis 40%> Butyl-methacrylat, 60 bis 65¹Vo Trichloräthylen.

Das Siliciumpulver und das Bindemittel werden im Verhältnis von 65 °/< > Pulver zu 35 °/o Bindemittel miteinander vermischt, daß ein steifer Teig entsteht; in einer Tiefe von ungefähr 0,635 cm (¹A inch) in Schalen (trays) ausgebreitet und bei Zimmertemperatur stehengelassen, bis ungefähr 20 Gewichtsprozent des Trichloräthylcns, das in dem Bindemittel vorhanden ist, verdampft sind.

Der wie oben hergestellte halbgetrocknete Kuchen wird dann wiederholt in einem Walzwerk bei einer Walzentcmperatur von 45 bis 50⁰C warmgewalzt, bis eine verdichtete Platte von der erwünschten Dicke er-

3 4

halten wird. So hergestellte Platten sind bei einer von 15° C pro Stunde von Zimmertemperatur bis

Temperatur von 50° C gut biegsam, während sie in auf 130^c C erhöht.

der Kälte ziemlich steif sind. Der Druck in dem Gefäß wird auf 508 mm

(20 inch) Hg gehalten.

Herstellung der Teile 5 Nach dieser Vorbehandlung sind die Komponenten

hart, trocken, leicht ohne Schaden zu handhaben und

Die biegsame Platte wird in Streifen oder andere verformen sich während der folgenden Nitrierung

geeignete Formen geschnitten und in die gewünsch- nicht.

ien Teile geformt wobei man auf 45 bis 50° C er- Nitrierungsverfahren wärmte Formwerkzeuge verwendet. Em Beispiel ist io

die Verwendung von gezahnten Walzen zur Herstel- Stufe 1

iunsz von gerippten Streifen und die Verwendung von _ , , „. , ... , , _xri. -

Formen zur Herstellung von gewölbten oder ka'sten- Entfernung des Bindemittels vor der Nitrierung

artigen Formkörpern. Die Ofentemperatur wird mit einer Geschwindig-

Spiralen oder ähnliche Formen können leicht mit 15 keit von 50⁰C pro Stunde auf 1000⁰C erhöht. Ein der Hand hergestellt werden, indem man Streifen der kontinuierlicher Stickstoffstrom wird während dieser biegbaren Platte um erwärmte Formen wickelt. P.ohre Zeit durchgeblasen, um sicherzustellen, daß die Zerkönuen aus rechteckigen Platten hergestellt werden, Setzungsprodukte aus dem Ofen entfernt werden, wobei die Verbindung an der Nahtstelle dadurch erreicht wird, daß die Platte so weit aufgerollt wird, ao Stufe 2

bis die Verbindungslinie überdeckt ist. „,. .

Nitrierung

Behandlung vor der Nitrierung Ein statischer Stickstoffdruck von 0,07 kg pro qm²

(I psi) wird während des Nitrierungsprozesses im

Die wie allgemein im vorigen Abschnitt beschrie- 35 Ofen aufrechterhalten. Die Nitrierungszeiten werden ben hergestellten Komponenten werden dann sorg- von der Querschnittfläche der zu nitrierenden Komf äl tig von restlichem Lösungsmittel befreit. Eine ge- ponenten bestimmt. Ein typisches Beispiel ist folgeneignete Methode besteht darin, die geformten Korn- des:

ponenten in ein geeignetes Gefäß zu geben und unter _Dicke des Teils 0,51 cm (0,2 inch)

vermindertem Druck zu erhitzen. Die erforderliche 30 Zeit bei 1350⁰C 20 Stunden

Zeit für diese Behandlung hängt von der Querschnitts- _{Zeit bei} , ₄₅₀o _c ;;;;;;;; _{10 Stunden}

fläche der Teile ab, und Versuche haben gezeigt, daß

Zeiten zwischen 2 Stunden bei 13O⁰C für Teile mit Einige Eigenschaften des gemäß der Erfindung

einer Dicke von 0,051 cm (0,02 inch) bis zu 40 Stun- hergestellten Siliciumnitrids wurden gemessen und

den bei 130° C für Teile mit einer Dicke von 0,51 cm 35 ergaben folgendes:

(0,2 inch) erforderlich sind. ... ... _ _c. _{n C1} . „„

Große empfindliche Gegenstände können eine Große des Formstucks ... 0,51-0 51 o,08cm

Unterstützung erfordern, um ein Zusammenfallen zu ^,f, ^? J⁸""⁰ ⁽°'²' °'²' ^{2 mCh)}

Anfang des Trocknungsprozesses zu vermeiden. έ u-.„ r ul J ·♦ · a 1 ο« ™νι

Eine zu schnelle Temperaturerhöhung in der 40 Schuttdichte (nitnert) .... 1,25 g pro cm

Apparatur führt zur Bildung von Blasen an der Schuttdichte (nitnert) .... 2,24 g pro cm»

Oberfläche der Teile, und eine günstige Form der Die Durchbiegefestigkeit bei Zimmertemperatur

Behandlung vor der Nitrierung ist die folgende: beträgt 1195 kg pro cm² (17 500 psi) bei Dreipunkt-

Die Temperatur wird mit einer Geschwindigkeit belastung.

Claims

949 587 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern durch Vermischen von SiIicium-Pulver und einem organischen Bindemittel zu einem teigartigen Material, Formen dieses Materials, Entfernen des Bindemittels und Nitrierung des Formkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß man als organisches Bindemittel Bu- tylmethacrylat in Trichloräthylen verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Silicium-Pulver und das Bindemittel im Verhältnis von 65:35 verwendet.