DE2324193A1

DE2324193A1 - PROCESS FOR MANUFACTURING HOT-PRESSED PRODUCTS

Info

Publication number: DE2324193A1
Application number: DE2324193A
Authority: DE
Inventors: Roland John Lumby; Dexter William Smith
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1972-05-16
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: AU5541973A; IT988184B; GB1425166A; FR2190765A1; FR2190765B1; CA1006341A; BE799603A; ATA430273A; NL7306704A; JPS4941407A; US3857157A

Description

Düsseldorf, den 11. 5. 1973 PL/Ja Reg.-Nr. 2348Düsseldorf, May 11, 1973 PL / Ja Reg. 2348

JOSEPH LUCAS (INDUSTRIES) LIMITED
Great King Street, Birmingham /ENGLANDJOSEPH LUCAS (INDUSTRIES) LIMITED
Great King Street, Birmingham / ENGLAND

Verfahren zur Herstellung heißgepresster ErzeugnisseProcess for the manufacture of hot-pressed products

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung heißgepresster Erzeugnisse, wobei das in einem Formhohlraum befindliche, heißzupressende Material durch ein Paar im Formhohlraum angeordnete Formteile bei erhöhter Temperatur mit Druck derart beaufschlagt wird, daß das Erzeugnis aus dem Material heißgepresst wird.The invention relates to a method for producing hot-pressed products, this being done in a mold cavity located material to be hot-pressed through a pair of mold parts arranged in the mold cavity at an elevated temperature is pressurized such that the product from the material is hot-pressed.

Bei diesem Verfahren besteht die Erfindung darin, daß wenigstens eines der Formteile durch die nachfolgenden Maßnahmen hergestellt wird:In this method, the invention consists in that at least one of the molded parts by the following measures will be produced:

a. Bornitrid in Pulverform wird mit einem feuerfesten, nicht sinternden, anderen Pulver gemischt und mit einer organischen Trägerflüssigkeit zu einer Aufschlämmung verarbeitet;a. Boron nitride in powder form is mixed with a refractory, non-sintering, other powder and with processing an organic carrier liquid into a slurry;

b. diese Aufschlämmung wird zur Form des einen Formteils gegossen;b. this slurry becomes the shape of one molding poured;

c. aus der Aufschlämmung wird die organische Träger-c. from the slurry the organic carrier

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flüssigkeit derart entfernt, daß der dadurch entstehende Pulverpressling in Gestalt des einen Formteils beim Heißpressen zusammendrückbar ist und eine im wesentlichen gleichmäßige Dichte aufweist.liquid removed in such a way that the resulting compact powder in the form of a molded part is compressible upon hot pressing and has a substantially uniform density.

Zweckmäßig ist das Dichte verhältnis des einen Formteils vor der Heißpressung zum Dichteverhältnis des genannten Formteils nach der Heißpressung etwa dem Verhältnis der Dichte des heißzupressenden Materials zur endgültigen Dichte des heißgepressten Gegenstandes gleich.The density ratio of the one molded part before the hot pressing to the density ratio of the aforementioned is expedient Molded part after hot pressing roughly the ratio of The density of the material to be hot-pressed is equal to the final density of the hot-pressed object.

Vorzugsweise liegt die Korngröße des Bornitridpulvers nicht unter 50 micron, wobei auch das feuerfeste Pulver zweckmässig nicht unter 50 micron groß "ist.The grain size of the boron nitride powder is preferably not less than 50 microns, the refractory powder also being expedient is not less than 50 microns in size ".

Bei einem ersten erfindungsgamäßen Ausführungsbeispiel-wurde Isopropylalkohol mit 57 Gewichtsteilen Siliziumcarbid-Pulver und 43 Gewichtsteilen Bornitridpulver zu einer Aufschlämmung mit 6¹I Gewichtsprozenten Feststoffen verarbeitet. Das SiIiziumcarbidpulver, mit welchem die Aufschlämmung hergestellt wurde, hatte eine zwischen 150 und 200 micron liegende Korngröße. Das Bornitridpulver besaß eine Korngröße zwischen 50 und 150 micron. Die Aufschlämmung wurde in eine Form- gegos- % sen, wodurch die Gestalt des heißzupressenden Formteils erzielt wurde, wobei ein Vibrator verwendet wurde und eine Trocknung erfolgte, um einen zusammenpressbaren Pulverpressling in der Gestalt des erforderten Formteils von im wesentlichen' gleicher Dichte herzustellen.In a first exemplary embodiment according to the invention, isopropyl alcohol was processed with 57 parts by weight of silicon carbide powder and 43 parts by weight of boron nitride powder to form a slurry with 6 ¹ % by weight of solids. The silicon carbide powder with which the slurry was made had a grain size between 150 and 200 microns. The boron nitride powder had a grain size between 50 and 150 microns. The slurry was poured into a mold, thereby obtaining the shape of the molded article to be hot-pressed, using a vibrator and drying, to produce a compressible powder compact in the shape of the required molded article of substantially the same density.

Mit einer Anzahl von Pulverpresslingen wurden wegen der Zu-With a number of powder compacts, due to the

9 sammendrückbarkeit Versuche mit einem Druck von 2,4kg/mm durchgeführt, wobei die Presslinge Temperaturen zwischen 25 °C und 127O°C besaßen. In jedem Falle war das Verhältnis der Dichte des Presslings vor der Heißpressung zur Dichte des Presslings nach vollständiger Verdichtung 2,0 : 1, und zwar9 compressibility tests with a pressure of 2.4 kg / mm carried out, the pellets temperatures between 25 ° C and 1270 ° C. In any case, the ratio was the density of the compact before hot pressing to the density of the compact after complete compaction 2.0: 1, namely

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unabhängig von der Temperatur des Pressvorganges. Die nach der beschriebenen Methode hergestellten Pulverpresslinge erwiesen sich insbesondere als Formteile für das Heißpressen keramischer Werkstoffe, wie Siliziumnitrid, von Vorteil. So wurden in einem praktischen Ausführungsfall ein Paar Formteile wie beschrieben hergestellt und mit Erfolg bei der Heißpressung kompaktierten Siliziumnitrid-Pulvers bei einer Temperatur von 1700⁰C und einem Druck von 2,4 kg/ mm verwendet; das hierbei entstehende Siliziumnitrid-Erzeugnis besaß seine vollständige theoretische Dichte von 3,2 g/cm . Das kompaktierte Siliziumnitridpulver wurde vorzugsweise mit einer Ausgangsdichte von 1,6 g/cm verwendet, was zu einem Verhältnis der Dichte des kompaktierten.Siliziumnitrides zur Dichte des heißgepressten Teiles führte, daß gleich demjenigen des Druckverhältnisses jeder der zusammendrückbaren Formteile war. Auf diese Weise war es möglich, zu gewährleisten, daß der Raum zwischen den Formteilen, der der Aufnahme des zu kompaktierenden Siliziumnitrides diente, genau der Gestalt des Siliziumnitrides während der Heißpressung entsprach. Jedoch ergab es sich als zweckmäßig, wenn die Formteile gemäß dem vorigen Beispiel für das Heißpressen von Siliziumnitrid verwendet wurden, zwischen dem Siliziumnitrid und dem Formteil ein Material vorzusehen, um bei der Heißpresstemperatur eine im wesentlichen unporöse Schutzschicht auf oder in Nähe der Oberfläche des Siliziumnitrides zu bilden, um eine Reaktion zwischen dem Siliziumnitrid und dem Siliziumcarbid in den Formteilen zu verhindern. Als geeignetes Material erwies sich hierfür Tonerde; die Heißpresstemperatur bildete an der Oberfläche des Siliziumnitrides eine Schutzschicht, die vermutlich aus Silizium-Tonerde-Oxynitrid bestand. Nach dem Heißpressen wurde die Silizium-Tonerde-Oxynitrid-Schutzschicht entweder entfernt oder noch zweckmäßiger an Ort und Stelle belassen, da es sich herausstellte, daß die Hochtemperatureigenschaften des erzeugten heißgepressten Siliziumteiles hierdurch verbessert wurden.regardless of the temperature of the pressing process. The powder compacts produced according to the method described have proven particularly advantageous as molded parts for hot pressing ceramic materials such as silicon nitride. Thus, in a practical embodiment, a pair of molded parts were produced as described and used with success in the hot pressing of compacted silicon nitride powder at a temperature of 1700 ^° C. and a pressure of 2.4 kg / mm; the resulting silicon nitride product had its full theoretical density of 3.2 g / cm. The compacted silicon nitride powder was preferably used with an initial density of 1.6 g / cm, which resulted in a ratio of the density of the compacted silicon nitride to the density of the hot-pressed part that was equal to that of the pressure ratio of each of the compressible molded parts. In this way it was possible to ensure that the space between the molded parts, which was used to receive the silicon nitride to be compacted, corresponded exactly to the shape of the silicon nitride during the hot pressing. However, if the molded parts according to the previous example were used for the hot pressing of silicon nitride, it was found to be useful to provide a material between the silicon nitride and the molded part in order to create an essentially non-porous protective layer on or in the vicinity of the surface of the silicon nitride at the hot-pressing temperature form to prevent a reaction between the silicon nitride and the silicon carbide in the molded parts. Alumina proved to be a suitable material for this; The hot pressing temperature formed a protective layer on the surface of the silicon nitride, which presumably consisted of silicon-alumina-oxynitride. After the hot-pressing, the protective silicon-alumina-oxynitride layer was either removed or, more conveniently, left in place, since it was found that this improved the high temperature properties of the hot-pressed silicon part produced.

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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wurden 4 9 Gewichtsteile des beim vorherigen Beispiel benutzten Siliziumcarbidpulvers und 51 Cewichtsteile Bornitrid dienes Versuches miteinander mit Iso-Propylalkohol gemischt, wobei eine Aufschlämmung mit 6 6 Gewichtsprozent Feststoffen entstand. Wie vorher wurde die Aufschlämmung sodann zu den gewünschten Formteil vergossen, welches ein Druckverhältnis von 2,2 5 :1 bei einem Druck von 2,4 kg/mm b«saß; das Druckverhältnis blieb zwischen 25 C und 1720 Γ konstant. V'iederum erwies sich das hergestellte Formteil von Vorteil für die Heißpressung keramischer Werkstoffe, wenngleich dann, wenn, wie beim vorigen Beispiel Siliziumnitridpulver heißgepresst werden mußte, eine Schutzschicht zwischen dem Siliziumnitrid und den Formt^ilen bei der Heißpresstemperatur erforderlich war.In a second embodiment, 49 parts by weight of the silicon carbide powder used in the previous example and 51 parts by weight of boron nitride for the test were mixed with isopropyl alcohol to form a slurry with 6-6 weight percent solids. As before, the slurry was then cast into the desired molded part, which had a pressure ratio of 2.2 5: 1 at a pressure of 2.4 kg / mm b «; the pressure ratio remained constant between 25 C and 1720 Γ. The molded part produced proved to be advantageous for the hot pressing of ceramic materials, even if, as in the previous example, silicon nitride powder had to be hot-pressed, a protective layer was required between the silicon nitride and the molded parts at the hot-pressing temperature.

,Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wurde Iso-Propylalkohol mit 56 Gewichtsteilen Siliziumcarbidpulver und 44 Gewichtsteilen Bornitridpulver zu einer Aufschlämmung mit 72 Gewichtsprozenten Feststoffen verarbeitet. Bei diesem Beispiel besaß das Siliziumcarbidpulver eine Korngröße zwischen 5 0 und 7 5 micron, wohingegen die Korngröße des Bornitridpulvers zwischen 100 und 200 micron lag. Ein aus dieser Aufschlämmung hergestelltes Formteil besaß ein Druckverhältnis von 2,0 : 1 bei einem Druck von 2,4 kg/mm ; das Druckverhältnis erwies sich zwischen 25°C und 172O°C als konstant. Das Formteil verhielt sich in der gleichen Weise wie die gemäß den vorherigen"Beispielen hergestellten Formteile, wenn es bei der Heißpressung keramischen Materials Verwendung fand.In a third embodiment, iso-propyl alcohol with 56 parts by weight of silicon carbide powder and 44 parts by weight of boron nitride powder to form a slurry with 72 weight percent solids processed. With this one For example, the silicon carbide powder had a grain size between 50 and 75 microns, whereas the grain size of the Boron nitride powder was between 100 and 200 microns. A molded article made from this slurry had a pressure ratio from 2.0: 1 at a pressure of 2.4 kg / mm; the pressure ratio was found to be between 25 ° C and 172O ° C constant. The molded part behaved in the same way as the molded parts produced according to the previous "examples, when it was used in hot pressing ceramic material.

Bei einem vierton Ausführungsbeispiel wurden 54 Gewichtsteile Magnesiumoxydpulver und 46 Gewichtsteile Bornitridpulver mit Isopropylalkohol zu einer Aufschlämmung mit 70 Gewichtsprozenten Feststoffen verarbeitet. Das Bornitridpulver stimmte mit demjenigen dor vorherigen Ausführungs-In a fourth-tone embodiment, 54 parts by weight of magnesium oxide powder and 46 parts by weight of boron nitride powder were used processed with isopropyl alcohol to a slurry with 70 weight percent solids. The boron nitride powder agreed with the one from the previous

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BAD ORKSINM.BAD ORKSINM.

beispiele überein, während das Magnesiumoxydpulver eine Korngröße zwischen 75 und 150 micron hatte. Wie vorher, wurde ein Formteil aus dieser Aufstellung hergestellt, wobei das Druckverhältnis des Formteiles in der gleichen Weise wie vorher gemessen wurde. Das Druckverhältnis betrug hierbei 2,C : 1 über einen großen Temperaturbereich, so daß sich gleichfalls das Formte-1 für die Heißpressung keramischer Erzeugnisse eignete. Bei der Heißpressung vom Siliziumnitrid wurden erfolgreiche Ergebnisse,ohne eine Schutzschicht zwischen dem Siliziumnitrid und dem Formteil bei der Heißpresstemperatur vorzusehen,erzielt.examples matched, while the magnesium oxide powder had a grain size between 75 and 150 microns. As previously, a molded part was produced from this list, the pressure ratio of the molded part being the same Way as was measured before. The pressure ratio was 2. C: 1 over a wide temperature range, so that the Formte-1 was also suitable for the hot pressing of ceramic products. During the hot pressing from Silicon nitride have had successful results without one Providing a protective layer between the silicon nitride and the molded part at the hot-pressing temperature is achieved.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel wurde eine Aufschlämmung durch Mischung von Isopropylalkohol mit 64 Gewichtsteilen Magnesiumoxydpulver und 36 Gewichtsteilen Bornitridpulver hergestelLt, wobei beide Pulver denen des vierten Ausführungsbexspiels entsprachen. Die so hergestellte Aufschlämmung enthielt 72 Gewichtsprozent Feststoffe; ein aus dieser Aufstellung hergestelltes Formteil hatte ein Druck-In a fifth embodiment, a slurry was prepared by mixing isopropyl alcohol with 64 parts by weight Magnesium oxide powder and 36 parts by weight of boron nitride powder, both powders being those of the fourth Executionbex game corresponded. The slurry so produced contained 72 weight percent solids; on off The molded part produced in this list had a pressure

2 verhältnis von 1,78 : 1 bei einem Druck von, 2,4 kg/mm .2 ratio of 1.78: 1 at a pressure of 2.4 kg / mm.

Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel wurde ein Schlamm mit 60 Gewichtsprozenten Feststoffen durch Mischung von 49 Gewichtsteilen Tonerdepulver und 51 Gewichtsteilen Bornitridpulver mit Isopropylalkohol hergestellt. Das Bornitridpulver entsprach demjenigen des dritten bis fünften Ausführungsbeispieles, wohingegen das Aluminiumoxydpulver eine Korngröße im Bereich um 230 micron hatte. Wiederum wurde ein Formteil aus dieser Aufschlämmung mit einem Druck-In a sixth embodiment, a 60 weight percent solids slurry was obtained by mixing 49 parts by weight of alumina powder and 51 parts by weight of boron nitride powder made with isopropyl alcohol. The boron nitride powder corresponded to those of the third through fifth Embodiment, whereas the aluminum oxide powder had a grain size in the range of 230 microns. Again, a molding was made from this slurry with a pressure

verhältnis von 2,0 : 1 bei einem Druck von 2,4 kg/mm hergestellt, welches sich für die Heißpressung von Siliziumnitrid ohne die Verwendung einer Schutzschicht eignete.ratio of 2.0: 1 produced at a pressure of 2.4 kg / mm, which is suitable for the hot pressing of silicon nitride without the use of a protective layer.

Beim Gebrauch der nach jedem der vorherigen Beispiele erzeugten Formteile zum Heißpressen keramischen Materials erwies es sich als zweckmäßig, daß gepulverte keramischeWhen using the molded parts produced according to each of the previous examples for hot pressing ceramic material It was found to be useful that powdered ceramic

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Material vorher zu einem Formling zu kompaktieren und dann die Aufschlämmung des speziellen Beispielsfalls um den Formling herum im Heißpresshohlraum aufzubringen, so daß nach der Entfernung des Jsopropylalkohols das Formteil für die Heißpressung entstand.To compact the material beforehand into a molding and then to apply the slurry of the specific example around the molding in the hot press cavity so that after the removal of the isopropyl alcohol resulted in the molding for the hot pressing.

Auch war es angebracht, zu gewährleisten, daß die Korngröße des Bornitridpulvers und diejenige des feuerfesten, nicht sinternden Pulvers nicht unter 5 0 micron lag. Die obere Grenze der Korngröße dieser Pulver wurde durch die Oberflächenungenauigkeiten festgelegt, die man bei den Formteilen, die hieraus hergestellt wurden, zulassen konnte.It was also appropriate to ensure that the grain size of the boron nitride powder and that of the refractory, do not sintering powder was not less than 50 microns. The upper limit of the grain size of these powders was determined by the surface inaccuracies which one could allow for the molded parts that were made from it.

Wenngleich Isopropylalkohol als organische Trägerflüssigkeit bei allen Beispielen Verwendung gefunden hat, eigneten sich auch andere organische Flüssigkeiten erfolgreich zur Herstellung a.ls Trägermedium. Geeignete Trägermittel waren die sogenannten trockenen Flüssigkeiten mit weniger als 0,05 % Wasser, die bei Erhitzung vollständig verdampften, ohne zu zerfallen,und ohne Kohlenstoffrückstände zurückzulassen. Das Trägermittel nuß selbstverständlich bezüglich des Bornitridpulvers und des speziellen feuerfest«} nicht sinternden Pulver- welches zusammen mit dem Bornitridpulver verwendet wurde, inert sein und sich grundsätzlich für die Herstellung einer Aufschlämmung der erforderlichen.Beschaffenheit zum Gießen des Formteils eignen. Vorzugsweise fanden organische Flüssigkeiten mit hinreichend hohen Siedepunkten hierfür Verwendung, wie man hierdurch mehr Vorbebe/ Even if isopropyl alcohol is used as the organic carrier liquid has found use in all examples, other organic liquids have also been successfully used Production as a carrier medium. Suitable vehicles were the so-called dry liquids with less than 0.05% water that when heated completely evaporated without disintegrating and leaving no carbon residue. Of course, the carrier medium does not need to be used with regard to the boron nitride powder and the special refractory properties sintering powder- which was used together with the boron nitride powder, be inert and fundamentally suitable for the Preparation of a slurry of the required quality suitable for casting the molded part. Organic liquids with sufficiently high boiling points were preferred use for this, how to get more pre-shaking /

reitungszeit und Gießzeit zur Verfügung hatte, vor die Aufschlämmung der Verdampfung unterzogen wurde. Somit werden als andere, geeignete organische Trägerflüssigkeiten Aceton, Äthylalkohol und Buty!alkohol benannt.preparation time and pouring time were available before the slurry was subjected to evaporation. Thus, acetone, Named ethyl alcohol and buty alcohol.

Weiterhin wurde fallweise das feuerfeste, nicht sinternde Pulver bei jedem Beispiel angesichts seiner reologischenFurthermore, the refractory, non-sintering powder was occasionally used in each example in view of its rheological

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Eigenschaften gewählt, die so sein mußten, daß eine hiermit hergestellte Aufschlämmung zu dem gewünschten Formteil gegossen werden konnte. In jedem Falle wurde auch beachtet, daß die Korngröße feuerfesten, nicht sinternden PuIv-vs ähnlich der Korngröße des verwendeten Bornitridpulvers war. Zweckmäßigerweise wurden für jede Aufschlämmung der erforderliche Flüssigkeitsgehalt und die entsprechenden Verhältnisse des Bornitridpulvers und dos feuerfesten, nicht sinternden Pulvers in der Aufschläminung mit der Maßgabe gewählt, daß nach dem Gießen keine nennenswerte Schrumpfung der Aufschlämmung eintrat, wenn.das Trägermittel entfernt wurde. Eine nennenswerte Schrumpfung der Aufschlämmung bei Entfernung der Trägerflüssigkeit führte zu einer Formänderung des aus der Aufschlämmung hergestellten Formteils. Mit Rücksicht darauf, daß eine im wesentlichen nicht schrumpfende Aufschlämmung erforderlich war, ergab sich, daß für Pulver gegebener Korngrößen die relativen Anteile des Pulvers in der Aufschlämmung nur in einem bestimmten Bereich verändert werden konnte, wodurch der mögliche Druckverhältniswert der aus den Pulvern hergestellten Formteile begrenzt wurde.Properties selected which had to be such that a slurry produced with it could be poured into the desired molded part. In each case it was also ensured that the grain size of refractory, non-sintering PuIv -vs was similar to the grain size of the boron nitride powder used. Appropriately, the required liquid content and the corresponding proportions of the boron nitride powder and the refractory, non-sintering powder in the slurry were selected for each slurry with the proviso that after casting no significant shrinkage of the slurry occurred when the carrier was removed. A significant shrinkage of the slurry on removal of the carrier liquid led to a change in shape of the molded part produced from the slurry. In view of the fact that a substantially non-shrinking slurry was required, it was found that for powders of given grain sizes the relative proportions of powder in the slurry could only be varied within a certain range, thereby limiting the possible pressure ratio of the molded parts made from the powders became.

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Claims

PATENT CLAIMS:

Process for the production of hot-pressed products, wherein the material to be hot-pressed, located in a mold cavity, is pressurized by a pair of molded parts arranged in the mold cavity at elevated temperature in such a way that the product is hot-pressed from the material, characterized in that at least one of the molded parts is established by the following measures:

a. Boron nitride in powder form is mixed with a refractory, non-sintering, other powder and made into a slurry with an organic carrier liquid;

b. this slurry is poured into the shape of one molding;

c. the slurry becomes the organic one Carrier liquid removed so that the the resulting compact powder in the form of a molded part during hot pressing is compressible and has a substantially uniform density.

Method according to Claim 1, characterized in that the ratio of the density of the one molded part before the hot pressing to its density after the hot pressing essentially corresponds to the ratio of the density of the material to be hot pressed to the final density of the hot pressed part.

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3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the grain size of the boron nitride powder is not less than 5o micron.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the refractory, non-sintering powder is silicon carbide, magnesium oxide or aluminum oxide.

5. The method according to claim U, characterized in that the refractory material is silicon carbide, and that the material to be hot-pressed is silicon nitride, further material being provided between the molded part and the silicon nitride, which at the high hot-pressing temperature is a substantially non-porous continuous protective layer forms on or in the vicinity of the surface of the silicon nitride and prevents a reaction between the silicon nitride and the one molded part.

6. Process according to claims 1 to 5, characterized in that the material to be hot-pressed is used as a molding and the slurry is applied around the molding in the mold cavity in such a way that during the removal of the organic carrier liquid, the molded parts with the hot-pressed part enclosed in them Material arise.

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