DE2351161C3

DE2351161C3 - Verfahren zur Herstellung eines Formkorpers aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid mit einem Anteil an Siliziumkarbid

Info

Publication number: DE2351161C3
Application number: DE19732351161
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr.-Ing. 8633 Roedental Fickel
Original assignee: Annawerk Keramische Betriebe 8633 Roedental GmbH
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1973-10-11
Filing date: 1973-10-11
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DE2351161A1; DE2351161B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur μ Herstellung eines Formkörpers aus Siiiziumniirid und/oder Siliziumoxinitrid mit einem Anteil an Siliziumkarbid.

Es ist bekannt, daß Formkörper aus Siliziumnitrid in seiner porösen, reaktionsgesinterten Form oder in seiner dichten, festen heißgepreßten Form gute Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen.

Man hat sie deshalb zunehmend als Konstruktionswerkstoffe für stark beanspruchte Konstruktionsele- mente im Maschinenbau eingesetzt beispielsweise bei der Entwicklung von Gasturbinen, wo die hochtemperaturbsaufschlagten Stellen, wie Rotoren und Statoren, mit den dazugehörigen Schaufelblättern aus Siliziumnitrid gefertigt werden. Dabei muß man häufig, um den auftretenden Beanspruchungen gerecht werden zu können, auf aus heißgepreßtem Siliziumnitrid hergestellte Formkörper übergehen.

Es ist dem Fachmann aber bekannt, daß sich Siliziumnitrid nicht ohne Zugabe eines entsprechenden Heißpreßhilfsmittels verdichten läßt Diese Heißpreßhilfsmittel sind im allgemeinen Oxide oder Gemische aus verschiedenen Oxiden, die unter der Einwirkung von Druck und Temperatur während des Heißpreßvorganges zu einer die Verdichtung unterstützenden Glasphase reagieren. Gläser oder glashaltige Werkstoffe sind jedoch im allgemeinen nicht in der Lage, hohen Temperaturbeanspruchungen standzuhalten. So hat es sich beispielsweise gezeigt, daß Körper aus heißgepreßtem Siliziumnitrid, die bei Zimmertemperatur Festigkeiten aufweisen, die um das acht- bis zehnfache höher liegen als diejenigen bei Körpern aus reaktionsgesintertem S'liziumnitrid, bei Hochtemperaturbeanspruchungen rascher zum Kriechen neigen als Körper aus reaktionsgesintertem Material. Dies ist zurückzuführen auf die in den Körpern aus heißgepreßtem Siliziumnitrid vorhandene Glasphase, welche die Materialqualität des dichten Sa₁ZV₄ erheblich herabsetzt.

Zum Stande der Technik gehört es ferner, Körpern aus Siliziumnitrid sowohl in der reaktionsgesinterten als auch in der heißgepreßten Form Siliziumkarbide zuzusetzen, um dadurch zu einer Verbesserung der Kriecheigenschaften bei hohen Temperaturen zu kommen. Diese Maßnahme ist beispielsweise aus der DT-PS 12 40 458 bekannt. Nach diesem Verfahren wird dem Rohstoff des Formkörpers Siliziumkarbid in Körnungen zwischen 10 und 37 μπι und Mengen zwischen 5 und 45% zugefügt. Es läßt sich dann zeigen, daß die Verbesserung des Hochtemperaturverhaltens der Siliziumnitridkörper deutlich von der zugefügten Siliziumkarbidmenge abhängig ist. Auch eine Zunahme des verbessernden Effektes mit abnehmender Korngröße des zugegebenen Siliziumkarbids kann beobachtet werden. Allerdings sind der Erzielung einer besonderen Feinkörnigkeit zur Erreichung bestimmter Hochtemperatureigenschaften gewisse Grenzen nach unten gesetzt

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich ist, zu möglichst feinkörnigen Siliziumkarbidanteilen in möglichst homogener Verteilung in einem Formkörper aus heißgepreßtem Siliziumnitrid zu kommen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst daß ein Gemisch aus Siliziumpulver und Ruß in sauerstofffreier Stickstoff-Atmosphäre gebrannt und nach einer anschließenden Feinmahlung und unter Zugabe eines Heißpreßhilfsmittels zum Formkörper heißgepreßt wird.

Vorzugsweise erfolgt der Brand bei Temperaturen zwischen 1100 und 1450° C.

Es ist also nicht erforderlich, Siliziumkarbid dem Siliziumnitrid-Grundstoff beizumengen, sondern es ist möglich, von Siliziumpulver und fein verteiltem Kohlenstoff, vorzugsweise also in Rußform, auszugehen und das derart gebildete Gemisch in einer sauerstofffreien Stickstoffatmosphäre bei entsprechenden Temperaturen zu brennen, wobei der sehr reaktionsfähige, weil in Form amorphen Rußes vorliegende Kohlenstoff bei dieser Temperatur mit einem Teil des vorhandenen Siliziums zu Siliziumkarbid reagiert. Dieses in situ gebildete Siliziumkarbid liegt in einer Korngröße zwischen 0,1 und 5 μπι in extrem homogener Verteilung im Siliziumnitridpulver vor. Der so gewonnene Rohstoff wird gemahlen und zu einem Pulver mit einer Korngröße zwischen 0 und 60μΐη aufbereitet Nach Zumischen eines geeigneten z. B. oxidischen Heißpreßhilfsmittels erfolgt bei Temperaturen zwischen 1400 und 1800° C und Preßdrücken zwischen 50 und 500 kp/cm² die gewünschte Verdichtung mittels Heißpressens.

Beispiel

Erfindungsgemäß wurde aus einem stöchiometrisch eingestellten Gemisch aus Silizium und Ruß bei 1200° C in Stickstoffatmosphäre innerhalb 28 Stunden ein Rohstoffgemisch aus Siliziumnitrid und in situ gebildetem Siliziumkarbid erbrannt. Der S'C-Anteil in dem Pulver betrug 10%. Die Korngröße der beim Pulverbrand entstandenen SIC-Partikel betrug zwischen 0 und 5 μπι, wobei die .Hauptmenge eine Korngröße von etwa 2 μπι besaß. Nach Zumischen von 5% MgO wurde das Material in einer Grafitmatrize bei 1750° C mit 350 kp/cm² Preßdruck verdichtet. Das erzielte Raumgewicht betrug 234 g/cm³. Zum Vergleich wurden zwei Mischungen aus Siliziumnitridpulver und SIC-Pulvern der Korngröße 5 bzw. 9 μπι hergestellt und unter Zuhilfenahme von 5% MgO in der beschriebenen Weise heißgepreßt Die erzielten Raumgewichte betrugen 3,10 bzw. 3,07 g/cm¹. Anschließend wurden die drei heißgepreßten Platten zu Prüfkörpern zersägt, an denen Messungen zur Heißbiegefestigkeit durchgeführt wurden. Die Meßtemperatur betrug 1400° C. Mit 5% MgO heißgepreßtes Siliziumnitrid ohne SIC-Anteil besitzt bei dieser Temperatur eine Biegefestigkeit von etwa 12 kp/mm². Prüfkörper mit einem SIC-Anteil mit 9μηι Korngröße weisen im Mittel 21 kp/mm², die mit dem

5 μΐπ-SIC 25 kp/mm² Heißbiegefestigkeit auf. Die erfindungsgemäO hergestellten Prüfkörper mit dem in situ gebildeten, durchschnittlich nur etwa 2 μπι großen SIC-Korn besitzen dagegen 28 kp/mm² Heißbiegefestigkeit.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid mit einem Anteil von Siliziumkarbid, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Siliziumpulver und Ruß in sauerstofffreier Stickstoffatmosphäre gebrannt und nach einer anschließenden Feinmahlung und unter Zugabe eines Heißpreßhilfsmittels zum Formkörper heißgepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brand bei Temperaturen zwischen 100 und 1450° C durchgeführt wird.

15