DE2351162B2 - Verfahren zur herabsetzung der porositaet von formteilen aus reaktionsgesintertem siliziumnitrid - Google Patents

Verfahren zur herabsetzung der porositaet von formteilen aus reaktionsgesintertem siliziumnitrid

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herabsetzung der Porosität von Formteilen aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid durch Imprägnieren unter gleichzeitiger Verbesserung ihrer Festigkeit auch bei höheren Temperaturen.
Außer dem Reaktionssinterverfahren ist bei der Herstellung von Formkörpern aus Siliziumnitrid auch das sogenannte Heißpreßverfahren bekannt. Das Heißpreßverfahren wird mit Hilfe eines geeigneten Heißpreßhilfsmittels durchgeführt und führt zu porenfreien, hochfesten und sehr harten, jedoch nur schwer bearbeitbaren Formkörpern.
Bei der Reaktionssintertechnik gibt es praktisch uneingeschränkte Möglichkeiten der Formgebung, insbesondere für den vorgebrannten Zustand der Siliziumnitridkörper, wobei Bearbeitungen auf der Drehbank oder Fräsbank oder in ähnlicher Weise möglich sind. Allerdings lassen sich durch Reaktionssintern keine praktisch porenfreien Siliziumnitridkörner herstellen, vielmehr weisen diese immer noch eine Porosität zwischen 10 und etwa 35% auf. Sie sind also wesentlich weniger fest und auch gasdurchlässiger als nach dem Heißpreßverfahren hergestellte Körper. Allerdings lassen sich solche nach dem Heißpreßverfahren hergestellten Körper nicht überall anwenden, sei es aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen. Dies gilt insbesondere für den Anlagen- oder Apparatebau, im Maschinenbau und in der Motoren- und Turbinenfabrik.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren vorzuschlagen, das nach dem Prinzip des Reaktionssinterverfahrens arbeitet, mit dem es aber möglich ist, die Porosität der Formkörper wesentlich herabzusetzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß die fertignitrierten Formkörper mit Lösungen der Acetylacetonate der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel
oder mit Alkoholaten und Estern von Polykieselsäuren, Silizium-Aluminium-Ester, Tetramethylorthosilikat, Tetraäthoxysilan u. dgl.
oder mit Alkoholaten und Estern der Metalle Magnesium, Titan, Zirkonium und Vanadium in Form von beispielsweise Vanadyl-n-propylat, Vanadyl-n-butylat, Magnesium-Äthylat, Magnesiumbutylat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumbutylat, Methyltitanat und Äthyltitanat sowie deren Lösungen
infiltriert, getrocknet und einem Glühbrand unterwor fen werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß nach diesem Verfahren nicht nur die Porosität der Teile und damit ihre Gasdurchlässigkeit wesentlich herabgesetzt wird, sondern gleichzeitig auch die Möglichkeit geschaffen ist, die Fertigkeit solcher Formkörper bei Zimmertemperaturen, aber auch bei höheren Temperaturen wesentlich zu steigern.
Die zur Infiltration benutzten Flüssigkeiten besitzen je nach Art Trocknungs- bzw. Glührückstände zwischen 15 und 50% in Form von z. B. SiO2, ZrO2, TiO2, AI2O3, Mullit, NiO, Fe2O3 u. a. m. Diese Rückstände bilden sich nach dem Trocknungs- und Glühprozeß in den Poren des infiltrierten reaktionsgesinterten Siliziumnitrids.
Je nach Art des Rückstandes können während des Glühprozesses verbindende Reaktionen mit dem Si3N4-Gefüge eintreten.
Die Rückstände verschließen die Poren des Siliziumnitridgegenstandes und vermindern so seine Gaspermeabilität. Gleichzeitig tritt mit der Verringerung des Porenanteiles eine Festigkeitssteigerung ein.
Unter Silizium-Aiuminium-Ester werden im Handel erhältliche Substanzen der chemischen Formel
(C2H5O)3 SiOAl (OC4H9J2
mit einem Festgehalt von 6 — 7% Si, 8 — 9% Al und einer Dichte von 0,95 -1,05 g/cm3 verstanden.
Vorzugsweise erfolgt die Infiltration der reaktionsgesinterten Siliziumnitridkörper unter Vakuum.
Die Trocknung der infiltrierten Formteile wird zweckmäßig bei Temperaturen unter oder wenigstens nicht wesentlich oberhalb der Zersetzungstemperatur der Imprägnierflüssigkeiten vorgenommen.
Im Rahmen der Erfindung kann es zweckmäßig sein, den Infiltrationsvorgang nach der vollständigen Trocknung der Formkörper einmal oder mehrfach zu wiederholen.
Der Glühbrand wird vorteilhaft in Vakuum durchgeführt. Er kann aber auch in sauerstofffreier Schutzgasatmosphäre erfolgen, und es kann mitunter zweckmäßig sein, den Glühbrand sogar an Luft durchzuführen. Abhängig von der Imprägnierflüssigkeit erfolgt der Glühbrand bei Temperaturen zwischen 450 und 14500C.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, nach einem ersten Glühbrand die Infiltration und
Glühbrände an dem verdichtenden Formkörper einmal oder mehrfach zu wiederholen.
1. Beispiel
Aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid mit einer Porosität von 27% wurden Biegeprüfkörper hergestellt und bei Zimmertemperatur unter Vakuum mit Zirkoniumbutylat infiltriert. Zirkoniumbutylat ist eine gelbbraune Flüssigkeit, welche bei 20°C eine Viskosität von etwa 23 cP aufweist.
Die mfiltrierten Biegeprüfkörper wurden getrocknet und dann bei 1410° C gebrannt.
Vergleichsversuche zeigten, daß die Festigkeit des einmal infiltrierten Biegeprüfkörpers um 8,5% höher lag als diejenige eines unbehandelten Biegeprüfkörpers.
Bei weiter durchgeführten Versuchen konnte festgestellt werden, daß eine zweite und dritte weitere
Infiltration die Festigkeit nochmals um jeweils 8,0 bzw. 7,3% steigerte.
2. Beispiel
Biegeprüfkörper aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid mit einer Porosität von 28% wurden bei Zimmertemperatur unter Vakuum mit Methylpolysilikat infiltriert, welches der Methylester verschiedener Poly-Kieselsäuren ist. Es ist eine farblose Flüssigkeit, die bei 20°C eine Viskosität von etwa 7 cP aufweist. Der Gehalt an SiO2 beträgt ca. 50%. Die Prüfkörper wurden nach der Infiltration getrocknet und anschließend in Stickstoff atmosphäre bei 1050° C geglüht. Die Körper zeigten nach dem Glühbrand eine Gewichtszunahme um 5,5%. In ähnlichem Maße nahm ihre Porosität ab. Bei Vergleichen der Kaltbiegefestigkeit konnte eine Steigerung um ca. 9% beachtet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herabsetzung der Porosität von Formteilen aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid durch Imprägnieren unter gleichzeitiger Verbesserung ihrer Festigkeit auch bei höheren Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die fertignitrierten Formkörper mit Lösungen der Acetylacetonale der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel
oder mit Alkoholaten und Estern von Polykieselsäuren, Silizium-Aluminium-Ester, Tetramethylorthosilikat, Tetraäthoxysilan u. dgl.
oder mit Alkoholaten und Estern der Metalle Magnesium, Titan, Zirkonium und Vanadium in Form von beispielsweise Vanadyl-n-propylat, Vanadyl-n-butylat, Magnesium-Äthylat, Magnesium-Metfiyiat, Zirkoniumpropyfat, ZirkoniumbutyJat, Methyltitanat und Äthyltitanat sowie deren Lösungen infiltriert, getrocknet und einem Glühbrand unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung der infiltrierten Formteile bei Temperaturen unter oder wenigstens nicht wesentlich oberhalb der Zersetzungstemperatur der Imprägnierflüssigkeiten vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Infiltrationsvorgang nach der vollständigen Trocknung der Formkörper einmal oder mehrfach wiederholt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die infiltrierten und getrockneten Körper einem Glühbrand von 4500C bis 145O0C je nach der verwendeten Imprägnierflüssigkeit unterworfen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem ersten Glühbrand die Infiltrationen und Glühbrände einmal oder mehrfach wiederholt werden.
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