DE19839081A1 - Siliciumnitridsinterkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Siliciumnitridsinterkörper mit hervorragenden Eigenschaften, wie Zähigkeit und Festigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Siliciumnitrid­ sinterkörper, der als Teil für Kraftfahrzeuge verwendet wird, z. B. als Kolbenbolzen, Motorventil, Gasturbinenteil, An­ triebswelle für eine Pumpenwelle einer Kraftstoffeinspritz­ pumpe, Kolben, Unterlagscheibe, Behälter für eine Pulverisierungsvorrichtung, Auskleidungsmaterial oder Kommunikationsmedium.

Es ist bekannt, daß ein Siliciumnitridsinterkörper hervor­ ragende Eigenschaften aufweist, z. B. hinsichtlich der Wärme­ beständigkeit, der Wärmeschockbeständigkeit und der Oxidationsbeständigkeit. Dazu wurden auf dem Gebiet bei­ spielsweise der technischen Keramiken, die in Wärmekraft­ maschinen, wie einem Turborotor, eingesetzt werden, Untersu­ chungen durchgeführt.

Als ein solcher Siliciumnitridsinterkörper ist ein ternärer Sinterkörper bekannt, der aus Si₃N₄-Seltenerdmetalloxid-SiO₂ besteht. In diesem Sinterkörper sind verschiedene Kristall­ phasen, die hervorragende Hochtemperatureigenschaften aufweisen, in der Korngrenze abgeschieden. Dementsprechend hat dieser Sinterkörper bei hoher Temperatur sowohl eine ausgezeichnete Festigkeit als auch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Jedoch ist es zur Herstellung dieses ternären Sinterkörpers nötig, das Ausgangsmaterial bei einer hohen Temperatur von mindestens 1900°C zu brennen und gleichzeitig die Zersetzung des Si₃N₄ zu unterdrücken. Ferner ist es erforderlich, einen speziellen und damit kostenintensiven Brennofen zu verwenden. Im Ergebnis hat der Sinterkörper den Nachteil, daß seine Herstellungskosten sehr hoch sind.

Um die Sinterbarkeit zu verbessern, ist es auch bekannt, Siliciumnitridpulver mit Seltenerdmetalloxiden, wie Y₂O₃, oder mit Oxiden, wie Al₂O₃ und MgO, zu versetzen und dieses gemischte Pulver zu brennen. Insbesondere kann dann, wenn ein Seltenerdmetalloxid und Al₂O₃ verwendet werden, da sie bei einer niedrigen Temperatur und unter Normaldruck gebrannt werden können, der Sinterkörper mit niedrigen Kosten herge­ stellt werden. Bei Verwendung von Al₂O₃ wird aber an der Korngrenze der Siliciumnitridkristalle leicht eine niedrig­ schmelzende Verbindung gebildet. Dementsprechend ergibt sich der Nachteil, daß der erhaltene Siliciumnitridsinterkörper bei hoher Temperatur eine geringe Festigkeit aufweist.

Obwohl der Siliciumnitridsinterkörper bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit aufweist, hat er nur eine niedrige Zähigkeit von 5 MPa.m^1/2. Das heißt, es ist erwünscht, daß die Zähigkeit erhöht wird. Für diesen Zweck wurde vorgeschlagen, während der Zeit des Brennens die Atmosphäre oder die Temperatur zu steuern, um eine säulenförmige Kristallform des Silicium­ nitrids einzustellen. Es wurde auch vorgeschlagen, Teilchen oder ein Faserprodukt aus Siliciumcarbid mit dem Ausgangs­ pulver zu mischen, um einen Sinterkörper mit einer komplexen Struktur zu erhalten. Da aber beim Einstellen der Form der Siliciumnitridkristalle durch die Brennatmosphäre oder die Brenntemperatur sich die Brennbedingungen entsprechend den Eigenschaften des Ausgangsmaterials ändern, ist es schwierig, in gleichbleibender Weise einen Sinterkörper mit festen Eigenschaften herzustellen, was ein Problem für die Massen­ produktion bedeutet. Auch das Verfahren unter Einsatz einer Siliciumcarbidverbindung ermöglicht eine Erhöhung der Zähig­ keit bis zu einem gewissen Grad, jedoch werden dabei die hervorragenden Eigenschaften des Siliciumnitridsinterkörpers verschlechtert. Hinzu kommt, daß sich die Sinterbarkeit ver­ schlechtert und es deshalb nötig ist, diese Eigenschaft zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Silicium­ nitridsinterkörper zur Verfügung zu stellen, der bei Raum­ temperatur und bei hoher Temperatur eine gute Festigkeit hat sowie eine hohe Zähigkeit aufweist. Darüber hinaus soll er mit niedrigen Kosten herstellbar sein.

Als Ergebnis wiederholter Untersuchungen an Siliciumnitrid­ sinterkörpern wurde nun gefunden, daß ein Siliciumnitrid­ sinterkörper, dessen Festigkeit bei hoher Temperatur und dessen Zähigkeit verbessert sind, dadurch erhalten werden kann, daß ein Oxid eines Seltenerdmetalls, wie des Yttriums (Y), und Al₂O₃ mit Siliciumnitridpulver gemischt und dieses Gemisch gebrannt wird, und dadurch, daß in der Struktur des Sinterkörpers elementares Silicium (Si) ausgefällt wird.

Die Erfindung betrifft einen Sinterkörper, der als Haupt­ kristallphase eine β-Siliciumnitrid-Kristallphase aufweist sowie eine Seltenerdmetallkomponente und eine Aluminium­ komponente in der Korngrenze enthält, wobei in einer spektro­ chemischen Raman-Analysenmethode das Intensitätsverhältnis X₂/X₁ eines Si-Maximums X₂ bei 521 cm^-1 zu einem Silicium­ nitrid-Maximum X₁ bei 206 cm^-1 von 0,2-3 gefunden wird.

Die beigefügte Zeichnung zeigt ein Ramanspektrum eines erfindungsgemäßen Siliciumnitridsinterkörpers (Probe Nr. 8), der gemäß einem unten angegebenen Ausführungsbeispiel her­ gestellt worden ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es sehr wichtig, daß in der Struktur des Siliciumnitridsinterkörpers eine sehr kleine Menge Si (elementares Silicium) ausgefällt ist. Das Si kann durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM) nicht festgestellt werden, und die Si-Menge ist so gering, daß sie auch nicht mittels eines Röntgenbeugungsverfahrens gefunden werden kann. Das Si ist nur in einer sehr kleinen Menge vorhanden und kann lediglich durch eine spektrochemische Raman-Analysenmethode festgestellt werden.

Insbesondere gilt unter Bezugnahme auf das in der beigefügten Zeichnung angegebene Ramanspektrum eines erfindungsgemäßen Siliciumnitridsinterkörpers, daß das Intensitätsverhältnis X₂/X₁ des Si-Maximums X₂ bei 521 cm^-1 zum Maximum X₁ des Siliciumnitrids (β-Si₃N₄) bei 206 cm^-1 0,2-3, insbesondere 1-2, beträgt. Durch Ausfällen einer derart kleinen Menge an Si weist der erfindungsgemäße Sinterkörper bei Raumtemperatur eine Festigkeit von mindestens 1000 MPa auf und seine Festigkeit bei 1000°C beträgt mindestens 800 MPa. Ferner hat er einen hervorragenden Bruchzähigkeitswert (K1c) von mindestens 6 MPa.m^1/2. Das Si-Maximum bei 521 cm^-1 in der spektrochemischen Raman-Analyse zeigt die Anwesenheit einer Si-Si-Bindung. Es wird angenommen, daß sie in Form einer Metallphase vorliegt. Da bei dieser Erfindung die oben genannte kleine Si-Menge nicht durch ein Elektronenmikroskop festgestellt werden kann, wurde der Grund, warum die Festigkeit oder die Zähigkeit des Sinterkörpers durch die vorgenannte kleine Si-Menge erhöht wird, nicht klar herausgefunden. Jedoch wird aus der Tatsache, daß die Festigkeit oder die Zähigkeit des Sinterkörpers erhöht wird, entnommen, daß das Si mindestens in der Korngrenze verteilt ist, und es wird vermutet, daß dort das Si die Bildung von Rissen hemmt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, daß die Menge des ausgefällten Si sehr gering ist. Falls das Intensitäts­ verhältnis X₂/X₁ der Maxima größer als der oben angegebene Bereich ist, beispielsweise wenn das Si in einer Menge vorliegt, die durch ein Röntgenbeugungsverfahren gefunden wird, wird das Si zu einer Quelle der Zerstörung und die Festigkeit des Sinterkörpers wird vermindert. Wenn dieses Intensitätsverhältnis kleiner als der oben angegebene Bereich ist, ergibt sich nur eine geringe Steigerung der Festigkeit oder die Zähigkeit ist gering. Die gewünschten Eigenschaften können dann nicht erhalten werden.

Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Hauptkristallphase aus β-Siliciumnitrid. Diese Kristallphase liegt in Form von säurenartigen Kristallen mit einem durchschnittlichen Aspekt­ verhältnis von mindestens 3 und einem Durchmesser der kleinen Achse von 0,5-2 µm vor.

In der Korngrenze der vorgenannten Kristallphase liegen die Seltenerdmetallkomponente und die Aluminiumkomponente als eine Verbindung, z. B. als ein Oxid oder ein Oxynitrid, vor. Die Seltenerdmetallkomponente und die Aluminiumkomponente sind abgeleitet von Seltenerdmetalloxiden und Al₂O₃, eingesetzt als Sinterhilfsmittel. Sie sind als Komponenten zur Bildung einer Glasphase oder einer Kristallphase vorhanden. Beispielsweise reagieren die Seltenerdmetalle mit Al₂O₃, das vom Sinterhilfsmittel herrührt, mit SiO₂ oder Si₃N₄, die in der Korngrenze gelöst sind, und können als Kristallphase des Typs Seltenerdmetalloxide-Si₃N₄-SiO₂ (Apatit, Wollastonit; YAM, z. B. 4 Y₂O₃.SiO₂.Si₃N₄), als Kristallphasen (Disilicat, Monosilicat) des Typs Seltenerdmetalloxide-SiO₂ und als Kristallphase (YAG, YAP = Yttriumaluminiumperowskit) des Typs Seltenerdmetalloxide- Al₂O₃ vorliegen. Ein Teil des Aluminiums kann in einer β- Siliciumnitrid-Kristallphase vorliegen und bildet SIALON (feste Lösung von Si-Al-O-N). Als Seltenerdmetalle kommen beispielsweise Y, Er, Yb, Lu und Sm in Betracht. Y ist bevorzugt, weil es in einem Mineral vorkommt.

In dem erfindungsgemäßen Sinterkörper können die Seltenerd­ metalle in einer Menge von 2-8 Mol%, insbesondere 3-7 Mol%, berechnet als Oxid, vorhanden sein. Das Aluminium liegt vorzugsweise in einer Menge von 1-5 Mol%, insbesondere von 2-4 Mol%, berechnete als Oxid, vor. Wenn die Selten­ erdelemente und das vom Sinterhilfsmittel stammende Aluminium in kleineren Mengen als den vorgenannten Bereichen anwesend sind, ist in der Brennstufe die Flüssigphase unzureichend und es ist unmöglich, einen dichten Sinterkörper zu erhalten; ferner ist dessen Festigkeit vermindert. Wenn die Mengen dieser Elemente über den vorgenannten Bereichen liegen, bilden sich in der Brennstufe übermäßige Mengen an flüssigen Phasen. Dann ergibt sich ein anormales Kornwachstum des Siliciumnitrids und die anormal gewachsenen Körner werden zu einer Quelle der Zerstörung und setzen die Festigkeit des Sinterkörpers herab. Außerdem wird das Siliciumnitrid an der Oberflächenschicht des zu sinternden Formkörpers stark zersetzt, was zur Verringerung der Festigkeit des Sinter­ körpers führt.

Es ist bevorzugt, daß in dem erfindungsgemäßen Sinterkörper der überschüssige Sauerstoffgehalt, berechnet als SiO₂, 2-8 Mol%, insbesondere 3-7 Mol%, beträgt. Der überschüssige Sauerstoffgehalt entspricht der Menge, die erhalten wird, wenn von der Gesamtmenge an Sauerstoff in dem Sinterkörper die Sauerstoffmenge, welche in den Oxiden der Seltenerd­ metalle und im Al₂O₃ enthalten ist, abgezogen wird. Die Sauerstoffmenge setzt sich zusammen aus dem Sauerstoff, der in dem als Ausgangsmaterial eingesetzten Siliciumnitridpulver als unvermeidbare Verunreinigung existiert, und dem Sauer­ stoff aus dem SiO₂-Pulver, das nach Bedarf zugegeben worden ist. Durch den Einsatz von SiO₂ als Füllstoff, so daß der überschüssige Sauerstoffgehalt innerhalb des oben genannten Bereichs liegt, können Eigenschaften, wie die Festigkeit, weiter verbessert werden. Wenn beispielsweise der überschüssige Sauerstoffgehalt in höherem Maße vorliegt, als es dem vorgenannten Bereich entspricht, wird die Menge der flüssigen Phase in der Brennstufe unzureichend und, wie oben erwähnt, die Festigkeit des Sinterkörpers wird geringer.

Durch Einarbeiten von 8 Gew.-% oder weniger mindestens eines der Elemente Mg, W, Mo, Cu und Fe zusätzlich zu dem Selten­ erdelement oder dem Aluminium, und zwar in Form eines Oxids, eines Nitrids, eines Oxynitrids oder Silicids, pro 100 Gewichtsteile des Siliciumnitrids, des Seltenerdmetalloxids, des Aluminiumoxids und des überschüssigen Sauerstoffs (berechnet als Siliciumoxid) in den erfindungsgemäßen Siliciumnitridsinterkörper) wird die Sinterbarkeit verbessert und die Verdichtung unter weiterer Verbesserung der Eigen­ schaften gefördert. Wenn diese Verbindungen zugesetzt werden, wird die überschüssige Menge des Sauerstoffs durch zusätz­ liches Abziehen der in diesen Verbindungen enthaltenen Sauer­ stoffmenge von der gesamten Sauerstoffmenge erhalten.

Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Siliciumnitridsinter­ körpers werden die Seltenerdmetalloxide und das Al₂O₃-Pulver als Sinterhilfsmittel mit Siliciumnitridpulver gemischt. Nach Bedarf wird SiO₂-Pulver als Füllstoff eingemischt. Das erhaltene Pulver wird als Ausgangspulver eingesetzt. Nach Bedarf wird mindestens eines der Elemente Mg, W, Mo, Cu und Fe in Form eines Oxids, Nitrids, Oxynitrids oder Silicids mit dem genannten Ausgangspulver gemischt.

Das Siliciumnitridpulver kann irgendein Siliciumnitridpulver sein, z. B. α-Si₃N₄ oder β-Si₃N₄. Zur Verbesserung der Sinterbarkeit beträgt das α-Umwandlungsverhältnis dieses Siliciumnitridpulvers vorzugsweise mindestens 90%. Durch das Brennen erfolgt eine Phasenumwandlung des ganzen α-Si₃N₄ in β-Si₃N₄. Das Siliciumnitridpulver weist einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,4-1,2 µm auf. Die Menge des als Verunreinigung vorhandenen Sauerstoffs liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5-1,5 Gew.-%.

Jedes mit dem Siliciumnitrid zu mischende Oxidpulver soll derart ausgewählt werden, daß die Seltenerdmetalle, die Aluminiumkomponente und der überschüssige Sauerstoffgehalt innerhalb der oben genannten Bereiche liegen.

Das auf die genannte Weise erhaltene gemischte Pulver wird mit einem organischen Bindemittel versetzt. Dann wird das Gemisch mittels eines bekannten Formungsverfahrens, z. B. durch Preßformen, Gießformen, Extrusionsformen, Spritzgießen oder Kaltformen unter hydrostatischem Druck, in die gewünschte Form gebracht.

Bei der Erfindung ist es sehr wichtig, daß das vorgenannte geformte Produkt in einer Stickstoffatmosphäre, die SiO ent­ hält, unter normalem Druck bei 1700-1800°C, insbesondere bei 1730-1780°C, während etwa 1 bis 8 Stunden, gebrannt wird. Durch Brennen unter diesen Bedingungen wird das Siliciumnitrid zersetzt und es wird eine kleinere Menge Si (elementares Silicium) in dem Sinterkörper ausgefällt. So ist es möglich, einen Sinterkörper mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeit zu erhalten. In diesem Fall verflüchtigt sich gasförmiger Stickstoff, der durch Zersetzung gebildet wird, in die Atmosphäre. Wenn das Brennen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die kein SiO enthält, oder wenn das Brennen bei einer Temperatur über 1800°C erfolgt, tritt eine heftige Zersetzung des Siliciumnitrids ein, das heißt, es kann nicht nur eine kleine Menge hiervon zersetzt werden. Das Ergebnis ist dann, daß das Maximumintensitätsverhältnis, das sich bei der spektrochemischen Raman-Analyse ergibt, den vorgegebenen Bereich wesentlich übersteigt und die Festigkeit des Sinterkörpers sehr stark herabgesetzt ist. Ferner ist es schwierig, den geformten Gegenstand wirksam zu sintern, wenn das Brennen bei einer Temperatur von unter 1700°C geschieht. Dann wird die gewünschte Ausfällung von elementarem Si nicht erreicht und es ist unmöglich, einen Sinterkörper mit einer erhöhten Festigkeit und Zähigkeit herzustellen.

Eine Atmosphäre, die SiO enthält, kann durch Brennen des geformten Produkts, das in einem Brennbehälter angeordnet ist, zusammen mit einem Pulvergemisch aus SiO₂ und Si (Molverhältnis SiO₂:Si = 1 : 1) oder aus SiO₂ und Si₃N₄ (Molverhältnis SiO₂:Si₃N₄ = 3 : 1) gebildet werden. Die Konzen­ tration des SiO in dieser Atmosphäre ist ein wichtiger Faktor zur Bestimmung der auszufällenden Si-Menge. Insbesondere werden vorzugsweise pro Liter des Fassungsvermögens des Brennbehälters, in dem der geformte Gegenstand angeordnet ist, 1-10 g, insbesondere 3-8 g, des pulverförmigen Gemisches aus SiO₂ und Si oder 1,3-13 g, insbesondere 4-10 g, des pulverförmigen Gemisches aus SiO₂ und Si₃N₄ einge­ setzt. Wenn die Mengen dieser Pulver unter den vorgenannten Bereichen liegen, schreitet die Fällung des Si plötzlich voran und es ist schwierig, die Si-Menge auf das oben genannte Niveau einzustellen. Wenn die Menge des Si über dem oben genannten Bereich liegt, wird das Sintern behindert. Die Menge des ausgefällten Si kann durch Einstellen der Atmosphäre und gleichzeitig der Brennzeit eingestellt werden.

Gemäß der Erfindung kann nach dem oben genannten Brennen bei Normaldruck ein Brennen unter isostatischem Warmpressen erfolgen, um einen Sinterkörper zu erhalten, der weiter ver­ dichtet ist. Dieses Brennen mit isostatischem Warmpressen kann in einer inerten Gasatmosphäre, z. B. in Stickstoff- oder Argongas, bei einem Druck von 980-1960 bar (1000-2000 at) geschehen. Jedoch ist die Brenntemperatur niedriger als beim vorhergehenden Brennen unter normalem Druck und liegt beispielsweise bei 1600-1800°C, so daß die Menge des ausgefällten Si nicht variiert.

Wie oben aufgezeigt wurde, ist es möglich, einen Silicium­ nitridsinterkörper mit hervorragenden Eigenschaften, bei­ spielsweise einer Festigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 1000 MPa, einer Festigkeit bei 1000°C von mindestens 800 MPa und einem Bruchzähigkeitswert (K1c) von mindestens 6 MPa.m^1/2, zu erhalten.

Beispiel 1

Siliciumnitridpulver (mit einer spezifischen Oberfläche BET von 9 m²/g, einem α-Verhältnis von 98% und einer Sauer­ stoffmenge von 1,2 Gew.-%), ein Pulver aus verschiedenen Seltenerdmetalloxiden, ein Pulver aus verschiedenen Alu­ miniumoxiden und Siliciumoxidpulver wurden derart gemischt, daß die in der nachfolgenden Tabelle E angegebenen Zusammen­ setzungen gebildet wurden. Das erhaltene Gemisch wurde jeweils in einer Form einem Druck von 9806 N/cm² (1 t/cm²) ausgesetzt.

Sobald der hergestellte Formkörper in einem aus Silicium­ carbid hergestellten Brennbehälter angeordnet worden war, wurde darin ein gemischtes Pulver aus SiO₂ und Si (Mol­ verhältnis 1 : 1) eingebracht, das 5%, bezogen auf das Gewicht des Formkörpers (eine Menge von 5 g pro Liter des Fassungs­ vermögens des Brennbehälters) entsprach. Das Brennen wurde gemäß den in der Tabelle I angegebenen Bedingungen während 5 Stunden unter normalem Druck durchgeführt.

Für die erhaltenen Sinterkörper wurde das Verhältnis der Si- Maximumintensität X₂ bei 521 cm^-1 zur Si₃N₄-Maximumintensität X₁ bei 206 cm^-1 mittels der spektrochemischen Raman- Analysenmethode berechnet. Für die Probe Nr. 8 wird das spektrochemische Raman-Analysendiagramm in Fig. 1 gezeigt.

Der Sinterkörper wurde poliert und auf eine Größe von 3 mm × 4 mm × 40 mm gebracht. Mit dieser Probe wurde gemäß JIS-R1601 ein Vierpunkt-Biegefestigkeitstest bei Raumtemperatur und bei 1000°C durchgeführt. Ferner wurde gemäß der JIS-R1601 durch ein SEPB der Biegezähigkeitswert bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I angegeben.

Gemäß den Ergebnissen in der Tabelle I zeigten die Proben Nr. 6, 14, 17 und 21, bei denen in der spektrochemischen Raman- Analyse ein Intensitätsverhältnis von weniger als 0,2 vorlag, eine unzureichende Wirkung bezüglich der Verbesserung der Festigkeit und der Zähigkeit. Bei diesen Proben waren diese Eigenschaften nur in geringem Maße ausgebildet. Ferner lag bei den Proben 1, 4 10 und 11 aufgrund der Zusammensetzung und der Brennbedingungen ein Intensitätsverhältnis vor, das über 3 lag. Diese Proben hatten eine geringe Festigkeit und Zähigkeit.

Im Gegensatz zu diesen Vergleichsbeispielen wiesen die erfin­ dungsgemäßen Proben mit einem Intensitätsverhältnis von 0,2-3 hervorragende Eigenschaften auf, nämlich eine Festigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 1000 MPa, eine Festigkeit bei 1000°C von mindestens 800 MPa und eine Zähigkeit von mindestens 6 MPa.m^1/2. Die Proben mit einem Wert von 1-2 für das genannte Verhältnis zeigten eine Festigkeit bei Raum­ temperatur von mindestens 1090 MPa, eine Festigkeit bei 1000°C von mindestens 890 MPa und eine Zähigkeit von mindestens 6,7 MPa.m^1/2.

Beispiel 2

Durch Mischen des Siliciumnitridpulvers, des Y₂O₃-Pulvers, des Al₂O₃-Pulvers und des SiO₂-Pulvers, die gemäß Beispiel 1 verwendet wurden, ergab sich ein Gemisch, das 90 Mol% Si₃N₄, 3 Mol% Y₂O₃, 4 Mol% SiO₂ und 3 Mol% Al₂O₃ enthielt. In 100 Gewichtsteile des Gemisches wurden MgO, WO₃, WSi₂₇ MoO₃, CuO oder FeO in Pulverform in den in der nachfolgenden Tabelle 11 angegebenen Verhältnissen eingemischt. Das erhaltene Gemisch wurde in einer Form einem Druck von 9806 N/cm² (1 t/cm²) ausgesetzt.

Der erhaltene geformte Gegenstand wurde in einem Brenn­ behälter aus Siliciumcarbid angeordnet. Ferner wurden pro Liter des Fassungsvermögens des Breiinbehälters 5 g eines Pulvers aus Si und SiO₂ (Molverhältnis Si : SiO₂ = 1 : 1) in den Behälter eingebracht. Das Brennen erfolgte in einer Atmosphäre mit einem Stickstoffdruck von 0,98 bar (1 at) während 5 Stunden.

Der erhaltene Sinterkörper wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Aus den Ergebnissen der Tabelle II ist klar ersichtlich, daß die gleichen hervorragenden Eigenschaften erhalten werden können, wenn geeignete Mengen an MgO, WO₃, WSi₂, MoO₃, CuO oder FeO eingesetzt werden.

Beispiel 3

Durch Mischen des Siliciumnitridpulvers, des Y₂O₃-Pulvers, des Al₂O₃-Pulvers und des SiO₂-Pulvers, die gemäß Beispiel l eingesetzt worden sind, wurde ein Gemisch erhalten, das 90 Mol% Si₃N₄, 3 Mol% Y₂O₃, 4 Mol% SiO₂ und 3 Mol% AI₂O₃ ent­ hielt. Das Gemisch wurde in einer Form einem Druck von 9806 N/cm² (1 t/cm²) ausgesetzt.

Der hergestellte geformte Gegenstand wurde in einem Brenn­ behälter aus Siliciumcarbid angeordnet, und pro Liter des Fassungsvermögens des Brennbehälters wurden 0-12 g eines gemischten Pulvers aus Si und SiO₂ (Molverhältnis Si : SiO₂ = 1 : 1) in den Behälter eingebracht. Das Brennen erfolgte bei 1750°C und einem Stickstoffdruck von 0,98 bar (1 at) während 5 Stunden.

Der erhaltene Sinterkörper wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Aus den Ergebnissen der Tabelle III ist ersichtlich, daß beim Fehlen des Pulvers aus Si und SiO₂ die Menge an Si, die unter den Brennbedingungen von 1750°C und 0,98 bar (1 at) ausgefällt worden ist, nicht auf eine kleine Menge eingestellt werden konnte. Wenn die eingebrachte Menge dieses Gemisches über 10 g/l lag, war die Sinterbarkeit nicht ausreichend und deshalb waren die Eigenschaften des gebrannten Körpers verschlechtert. Somit wird deutlich, daß im Rahmen der Erfindung die eingebrachte Menge aus Si und SiO₂ vorzugsweise bei 1-10 g/l lag.

Claims (5)

1. Siliciumnitridsinterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine β-Siliciumnitridkristallphase als Hauptkristallphase sowie mindestens eine Seltenerdmetallkomponente und eine Aluminiumkomponente in der Korngrenzenphase enthält, wobei das Intensitätsverhältnis X₂/X₁ des Si-Maximums X₂ bei 521 cm^-1 zum Siliciumnitrid-Maximum X₁ bei 206 cm^-1, bestimmt durch eine spektrochemische Raman-Analysenmethode, 0,2-3 beträgt.

2. Siliciumnitridsinterkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Festigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 1000 MPa, eine Festigkeit bei 1000°C von mindestens 800 MPa und einen Bruchzähigkeitswert (K1c) von mindestens 6 MPa.m^1/2.

3. Siliciumnitridsinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 2-8 Mol% eines Seltenerdmetalls, berechnet als Oxid, und 1-5 Mol% Aluminium, berechnet als Oxid, enthält.

4. Siliciumnitridsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssige Menge an Sauerstoff, die sich durch Subtrahieren der Sauerstoff­ menge, die in den Seltenerdmetalloxiden und im Al₂O₃ enthalten ist, von der Gesamtmenge des Sauerstoffs ergibt, 2-8 Mol%, berechnete als SiO₂, beträgt.

5. Siliciumnitridsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich 8 Gewichts­ teile oder weniger mindestens eines der Elemente Mg, W, Mo, Cu und Fe in Form eines Oxids, eines Nitrids, eines Oxynitrids oder eines Silicids pro 100 Gewichtsteile des Siliciumnitrids, des Seltenerdmetailoxids, des Aluminium­ oxids und des überschüssigen Sauerstoffs, berechnet als Siliciumdioxid, in dem Siliciumnitridsinterkörper enthält.