DE2353093B2 - Verfahren zur herstellung gesinterter formkoerper auf siliziumnitridbasis - Google Patents

Verfahren zur herstellung gesinterter formkoerper auf siliziumnitridbasis

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DE2353093B2 DE19732353093 DE2353093A DE2353093B2 DE 2353093 B2 DE2353093 B2 DE 2353093B2 DE 19732353093 DE19732353093 DE 19732353093 DE 2353093 A DE2353093 A DE 2353093A DE 2353093 B2 DE2353093 B2 DE 2353093B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem Pulvergemisch aus 60 bis 92 Mol-% Siliciumnitrid (SijN4) und 8 bis 40 Mol-% Metalloxid durch Sintern des Gemisches bei Temperaturen zwischen 1600 und 18000C.
Keramik aus im wesentlichen Siliciumnitrid weist hohe Temperaturbeständigkeit, Beständigkeit gegen rasche Temperaturänderungen, hohe Festigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenem Nichteisenmetall auf. Bislang kann geringe Porosität und hohe Festigkeit an gesintertem Siliciumnitrid im wesentlichen nur durch Heißpressen erhalten werden. Das Heißpressen kann lediglich auf gesinterte Körper mit relativ einfachem Profil angewandt werden.
Ein derartiges Heißpreßverfahren zur Herstellung gesinterter Keramik aus Siliciumnitrid ist beispielsweise aus der GB-PS 9 70 639 bekannt Danach wird pulverförmiges Siliciumnitrid mit 0,1 bis 25 Gew.-% Flußmittel, nämlich mit Magnesiumoxid, Magnesiumnitrid, Calciumoxid, Aluminiumoxid oder Eisen(III)oxid vermischt und das erhaltene Pulvergemisch unter Druck bei Temperaturen von 1500 bis 19000C verdichtet Die erhaltenen Sinterkörper wiesen eine offene Porosität von lediglich 0,2% auf.
Neben dem Heißpressen ist noch die Reaktionssinterung und das »übliche« Sinterverfahren zur Herstellung von gesinterten Formkörpern aus Siliciumnitrid bekannt Unter der üblichen Sinterung wird verstanden, daß aus dem Sinterpulver zuerst ohne wesentliche Erwärmung ein Preßkörper erzeugt und dieser Preßkörper später ohne wesentliche Druckanwendung auf Sintertemperaturen erhitzt wird. Setzt man bei der üblichen Sinterung Preßhilfsmittel wie etwa Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (AI2O3) oder Siliciumoxid zu, so können gesinterte Formkörper mit einer Porosität von nur 0,2% erhalten werden; die Biegefestigkeit beträgt jedoch max. 20 kg/mm2.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Sinterung von Siliciumnitrid anzugeben, das nach dem üblichen Sinterverfahren arbeitet und zu gesinterten Formkörpern führt, die im wesentlichen die gleiche hohe Festigkeit und geringe Porosität aufweisen, wie Siliciumnitrid-Keramik, die nach dem Heißpreßverfahren erhalten wurde.
Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem Pulvergemisch aus 60 bis 92 Mol-% Siliciumnitrid (Si3N4) und 8 bis 40 Mol-% Metalloxid durch Sintern des Gemisches bei Temperaturen zwischen 1600 und 18000C, ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalloxidgemisch eingesetzt wird, das zu 10 bis 90 Mol-% aus den Oxiden der zweiwertigen Metalle Magnesium (Mg), Zink (Zn) und/oder Nickel (Ni) und zu 90 bis 10 Mol-% aus den Oxiden der drei- oder vierwertigen Metalle Aluminium (Al), Chrom (Cr), Yttrium (Y), Titan (Ti) und/oder Zinn (Sn) besteht, und daß das Pulvergemisch aus Siliciumnitrid und Metalloxiden zu einem ungebrannten Preßling geformt und dieser Preßling gesintert wird.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die ausgewählten Komponenten des Metalloxid-Gemisches durch Erhit-
zung zu einem Spinell umgesetzt werden, der erhaltene Spinell pulverisiert und dieses Pulver mit dem pulverförmigen Siliciumnitrid vermischt werden.
Vorzugsweise wird der ungebrannte Preßling 2 bis 3 Stunden lang auf Sintertemperatur erhitzt
Ein besonderer Vorteil des erfindung« gemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Preßkörper unterhalb der Sintertemperatur geformt werden können. Ohne besonderen Aufwand in bezug auf hochtemperaturbeständige Formen und Matrizen können somit Preßkörper von komplizierter Gestalt hergestellt werden, die anschließend gesintert werden, ohne daß sich ihre Abmessungen dabei nennenswert ändern. Somit kann Keramik mit komplizierten Profilen aus Siliciumnitrid leicht bei geringen Kosten erhalten werden, indem das gemischte Sinterpulver der vorstehend angegebenen Zusammensetzung nach üblichen Verfahren zu einem Preßkörper verformt und dann das geformte Ausgangsmaterial gesintert wird.
Der erfindungsgemäß erhaltene gesinterte Formkörper enthält eine feste Lösung aus Spinell, der aus den Metalloxiden gebildet wurde; im Ergebnis beruht darauf die geringe Porosität und hohe Festigkeit dieser Formkörper.
Die Spinelle (RO · R2O3) gehören zum kubischen Kristallsystem und bestehen im einfachster Fall aus
1 Mol Oxid eines zweiwertigen Metalls und 1 Mol Oxid eines dreiwertigen Metalls. Weiterhin sind Spinelle aus dem Oxid eines zweiwertigen Metalls und idem Oxid eines vierwertigen Metalls wie Titan (Ti), Zinm (Sn) und dergleichen bekannt Derartige Spinelle bestehen aus
2 Mol Oxid des zweiwertigen Metalls und 1 Mol Oxid des vierwertigen Metalls. Die erfindungsgemäß angestrebten, gesinterten Formkörper mit geringer Porosi-
tat und hoher Festigkeit können nicht aus Siliciumnitrid und sämtlichen Metalloxiden erhalten werden, die zur Spinellbildung fähig sind.
Im Rahmen dieser Erfindung wurde erkannt, daß zur Bildung von Spinell in Gegenwart von Siliciumnitridpul- s ver die nachfolgenden Oxide zweiwertiger Metalle, nämlich Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO) und Nickeloxid (NiO); die Oxide dreiwertiger Metalle, nämlich Aluminiumoxid (Al2O3), Chromoxid (O2O3) und Yttriumoxid (Y2O3); und die Oxide vierwertiger Metalle. nämlich Titandioxid (TiO2) und Zinndioxid (SnO2). geeignet sind. Außer den genannten Metalloxiden kann eine geringe Menge Calciumoxid (CaO) oder Kobaltoxid (CoO) in der gesinterten Siliciumnitridkeramik enthalten sein, ohne daß deren Festigkeit vermindert wird.
Andere Metalloxide können dagegen die Festigkeit der gesinterten Siliciumnitridkeramik verringern. Wenn beispielsweise Siliciumdioxid im pulverförmigen Ausgangsmaterial enthalten ist, kann dieses bei relativ niedriger Temperatur gesintert werden; die Festigkeit des erhaltenen gesinterten Siliciumnitrid-Formkörpers ist jedoch verringert
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden 10 bis 90 MoI-0Zb Magnesiumoxid, Zinkoxid und/oder Nickeloxid mit 90 bis to Mol-% Aluminiumoxid. Chromoxid, Yttriumoxid, Titandioxid und/oder Zinndioxid als Rest zusammengefügt, um im wesentlichen eine Art von Spinell zu bilden; hierbei muß es sich nicht exakt um einen reinen Spinell handeln, sondern es kann eine Art fester Lösung mit spinellariiger Struktur vorliegen. Auch dieser Spinell kann genauso wie der reine Spinell gesintertem Siliciumnitrid die erwähnten verbesserten Eigenschaften vermitteln.
Beträgt der Anteil an Siliciumnitrid weniger als 60 Mol-% (d.h. der Anteil der Oxide ist größer als 40 Mol-%), so wird die angestrebte Festigkeit nicht erreicht, was auf die Anwesenheit der Metalloxide mit relativ geringer Festigkeit zurückzuführen ist; im Ergebnis ist die Festigkeit der Gegenstände beträchtlich verringert Beträgt der Anteil an Siliciumnitrid mehr als 92 Mol-% (d. h. der Anteil der Oxide ist geringer als 8 Mol-%), so wird das Sintern des Materials schwierig, und es ist nicht leicht, einen Gegenstand niedriger Porosität zu erhalten, was wiederum die Festigkeit beachtlich verringert
Der Grund, warum unter den erfindungsgemäß vorgesehenen Bedingungen auch bei üblicher Sinterung gesinterte Gegenstände mit geringer Porosität und hoher Festigkeit erhalten werden, wobei die genannten Metalloxide einen Spinell bilden, wird noch nicht im einzelnen verstanden. Es wird jedoch angenommen, daß Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid in fester Lösung im Siliciumnitrid vorliegen und dabei Atome des reinen Siliciummitrids durch Atome des Oxids substituieren; hierbei bilden die positiven Ionen der Metalloxide (Magnesiumionen, Aluminiumionen) eine tetraedrische Struktur. Im ursprünglichen Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid liegen die positiven Ionen in hexaedrischer Anordnung vor, so daß zur Bildung der tetraedriischen Struktur, wie sie als feste Lösung im Siliciumnitrid vorliegt, eine Struktururnwandlung erforderlich ist, was hohe Aktivierungsenergie erfordert. Im Gegensatz dazu liegen die meisten Ionen von Spinellen in tetraedrischer Anordnung vor, die derjenigen gleicht, die in der festen Lösung in Siliciumnitrid auftritt, so daß die Aklivierungsenergie für die Bildung der festen Lösung gering ist und der Sintervorgang leicht erfolgt Aus diesem Grund kann das erfindungsgemäße Verfahren verbessert werden, wenn aus den ausgewählten Metalloxiden zuerst ein Spinell gebildet wird und dieser nach entsprechender Zerkleinerung mit dem pulverförmigen Siliciumnitrid vermischt und aus dem erhaltenen Sinterpulver die gesinterte Keramik hergestellt wird.
Werden die ursprünglichen Metalloxide mit Siliciumnitrid erhitzt, so wird angenommen, daß zuerst während des Sintervorganges die Metalloxide zu Spinellen zusammentreten werden und anschließend die Spinelle in Siliciumnitrid festgelöst werden, um die Sinterung von Siliciumnitrid zu unterstützen.
Bei der weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Gruppe Metalloxide mit der zweiten Gruppe Metalloxide entsprechend den angegebenen Mengenverhältnissen vermischt und das Gemisch gesintert Anschließend wird das erhaltene Erzeugnis pulverisiert, dieses Pulver im angegebenen Mengenverhältnis mit Siliciumnitridpulver, nämlich mit 60 bis 92 Mol-% Siliciumnitrid, vermischt und dieses Sinterpulver dann gesintert
Nach diesem Verfahren werden gesinterte Formkörper mit noch geringerer Porosität und noch höherer Festigkeit erhalten als bei Anwendung des ersteren Verfahrens. Es wird angenommen, daß die bereits vorgebildeten Spinelle leichter eine feste Lösung mit Siliciumnitrid bilden und dadurch die Sinterung unterstützen, so daß eine gesinterte Keramik mit hoher Dichte und hoher Festigkeit erhalten wird.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beispiel 1
60 bis 92 Mol-% pulverförmiges Siliciumnitrid (Teilchengröße unter 50 μηι, kommerzielle Reinheit von 98%), 4 bis 36 Mol-% Magnesiumoxid (Teilchengröße unter 50 μΐη, hochreines Präparat) und 4 bis 36 Mol-% pulverförmiges Aluminiumoxid (Teilchengröße unter 50μιτι, hochreines Präparat) wurden ausreichend miteinander vermischt und unter einem Druck von 500 kg/cm2 in eine Form gepreßt und 2 bis 3 Stunden lang bei 1600 bis 18000C unter Argon oder Stickstoff gesintert, hierbei wurden 40 mm χ 20 mm χ 6 mm große Proben 1 bis 9 erhalten, deren spezifisches Gewicht, Porosität, Biegefestigkeit Oxidationsbeständigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt wurden. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt Zusätzlich sind in Tabelle 1 die entsprechenden Eigenschaften von gesinterten Vergleichsproben A und B aufgeführt, die durch Sinterung von Siliciumnitrid mit Aluminiumoxid bzw. durch Sinterung von Siliciumnitrid mit Magnesiumoxid erhalten wurden. Die Porosität wurde aus dem gemessenen spezifischen Gewicht errechnet, wobei das spezifische Gewicht von gesintertem Siliciumnitrid bei der Porosität von 0% zu 3,19 angenommen wurde. D>e Biegefestigkeit wurde mittels Dreipunktlagerung bestimmt, wobei der Abstand zwischen diesen Punkten 30 mm betrug. Zur Prüfung der Oxidationsbeständigkeit wurde die Gewichtszunahme nach 48 Stunden langer Erhitzung an Luft bei 12000C gemessen; die Oxidationsbeständigkeit wui-de in Form der Gewichtszunahme pro Flächeninhalt in mg/cm2 angegeben. Zur Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten wurde der Formkörper von 20 siuf 4000C erwärmt und der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 4000C gemessen.
1 S13N4 AI2O3 ς Sinter
temperatur
23 53 093 ' Biege
festigkeit
6 Wärme
ausdehnungs-
koeffizient
Tabelle (Mol-%) (MoMb (9C) (kg/mm2) (20-400° C)
(χ 10-6/-C)
Probe 92 4 MgO 1750 Spez.
Gewicht
Porosität 31,0 Oxidations»
beständig-
keit
2,5
70 4 ) (Mol-%) 1750 (g/cm3) W 24,0 (mg/cm2) 2,4
1 60 4 4 1750 3,01 7 24,8 2.8 2,4
2 90 5 26 1750 2,70 15 40,0 5,2 2,4
3 79 6 36 1780 2,75 14 38,5 6,3 2,4
4 79 6 5 1600 3,05 4 23.0 1,5 2,4
5 65 15 15 1750 3.03 5 32.5 1,8 2,4
6 76 20 15 1750 2,70 15 29,2 10,6 2,4
7 60 36 20 1750 3,00 6 30,6 2,0 2,4
8 85 15 4 1780 2,86 10 16,0 3,6 2.4
9 75 0 4 1780 2,90 9 15,5 2,8 2,4
A 0 2,53 20 10,0
B 25 2,40 25 15.0
Der Tabelle 1 kann ohne weiteres entnommen werden, daß bei den erfindungsgemäßen Proben 1 bis 9 die Porosität im Bereich von 4 bis 15%, die Biegefestigkeit im Bereich von 23 bis 40 kg/mm2 und die Oxidationsbeständigkeit, im Bereich von 1,8 bis 10,6 mg/cm2 liegt Diese Werte sind sehr viel besser ais diejenigen der Vergleichsproben, deren Porosität 20 bis 25%. deren Biegefestigkeit 15 bis 16 kg/mm2 und deren Oxidationsbeständigkeit 10 bis 15 mg/cm2 beträgt. Speziell bei der Probe 4 beträgt die Porosität 4%, die Biegefestigkeit 40,0 kg/mm2 und die Oxidationsbeständigkeit 13 mg/cm2. Diese Werte stimmen angenähert mit den entsprechenden Werten gesinterter Gegenstände aus Siliciumnitrid überein, die mittels Heißpressen hergestellt werden.
Bei einer Sintertemperatur unter 16000C war ein Formkörper geringer Porosität kaum zu erhalten. Bei einer Sintertemperatur über 18000C wurde eine Gewichtsabnahme beobachtet, was gegebenenfalls auf Zersetzung oder Sublimation von Siliciumnitrid zurückzuführen war. Bei einer Sinterdauer unter 2 h war die Sinterung nicht ausreichend. Bei einer Sinterdauer von mehr als 3 h wurde das Wachstum von Siliciumnitrid-Kriställchen beobachtet. Die Verwendung von Argon oder Stickstoff als Schutzgas erbrachte keine bemerkenswerten Unterschiede. Deshalb wird die Sinterung bevorzugt bei 1600 bis 18000C für 2 bis 3 h durchgeführt.
Beispiel 2
Es wurden Siliciumnitridpulver, Aluminiumoxidpulver und Magnesiumoxidpulver analog zu Beispiel 1 verwendet. Abweichend davon wurde das Pulvergemisch aus 10 bis 90 Mol-% Aluminiumoxidpulver und 90 bis 10 Mol-% Magnesiumoxidpulver zunächst 3 bis 10 Stunden lang auf 1600 bis 18000C erhitzt, um Spinelle zu bilden. Anschließend wurden diese Spinelle sehr fein pulverisiert (Teilchengröße unter 50μπι), und dieses Pulver wurde mit dem Siliciumnitridpulver vermischt. Die Herstellung der Preßkörper und deren Sinterung erfolgten analog zu Beispiel 1. Die Eigenschaften dieser Proben 10 bis 14 sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Probe S13N4 AhOi MgO Sinter Spez. Porosität Biege Oxidations Wärme
temperatur Gewicht festigkeit beständig
keit
ausdehnungs
koeffizient
(Mol-%) (Mol-%) (Mol-%) (°C) (g/cm3) (%) (kg mm-) (mg/cm2) (20-400° C)
(x 10-6/°C)
10 60 4(10) 36(90) 1780 3,06 4,0 41.8 0,9 238
11 90 5(50) 5(50) 1780 3.13 1.8 65,0 0,5 2,40
12 79 6(29) 15(71) 1780 3.13 1,8 58,0 0,6 2,38
13 79 6(29) 15(71) 1600 3,00 2,6 32,0 1,2 238
14 60 30(75) 10(25) 1780 3,05 4,5 40,6 0,9 2.38
Wie aus Tabelle 2 ohne weiteres ersichtlich, beträgt bei diesen gesinterten Formkörpern die Porosität 1,8 bis 4,5%, die Biegefestigkeit 32 bis 65 kg/mm2 und die Oxidationsbeständigkeit 0,6 bis 1,2 mg/cm2. Diese Werte sind sehr viel besser als jene der Vergleichsproben A und B nach Tabelle 1. Speziell bei der Probe 11 beträgt die Porosität 1,8%, die Biegefestigkeit 65,0 kg/mm2 und die Oxidationsbeständigkeit 0,5 mg/ cm2. Diese Eigenschaften entsprechen angenähert denjenigen gesinterter Siliciumnitrid-Formkörpern, die mittels Heißoressen erhalten wurden.
Beispiel 3
Ein Tiegel von 50 mm Höhe, 40 mm Innendurchmesser und 3 mm Dicke wurde aus dem Sinterpulver gemäß Probe 11 aus einem entsprechenden Brei geformt und 3 h lang bei 175O°C unter Stickstoff gesintert Dieser Tiegel wurde zum Schmelzen von Aluminium verwendet. Selbst bei einer Erhitzung des Aluminiums auf UOO0C wurde der Tiegel nicht zerstört, seine Oberfläche war nicht oxidiert, und es drang auch kein Aluminium in den Tiegel ein. Demgegenüber wurde ein
53 093
Tiegel aus gesintertem Siliciumnitrid, der nach der üblichen Reaktionssinterung hergestellt worden war, zerstört und an seiner Oberfläche oxidiert, wenn Aluminium erhitzt und bei 900°C geschmolzen wurde.
Beispiel 4
Ein Pulvergemisch aus Oxiden zweiwertiger Metalle (MgO, ZnO und NiO) und Oxiden dreiwertiger Metalle (Cr2O3, AhOj, Y2O3) (jeweils gleiche Molmengen) sowie ein Pulvergemisch aus 2 Mol zweiwertiges Metalloxid (MgO) und 1 Mol vierwertiges Metalloxid (TiO2, SnO2)
Tabelle 3
(Teilchengröße unter 50 μίτι) wurden analog zu Beispiel
2 hergestellt. Die Pulvergemische wurden anschließend
3 bis 10 h lang auf 1300 bis 16000C erhitzt, um die jeweiligen Spinelle (MgCr2O4, ZnAbO4, NiAI2O*, MgY2O4, 2 MgO · TiO2, 2 MgO ■ SnO) zu bilden. Anschließend wurden die Spinelle sehr fein pulverisiert (Teilchengröße unter 50 μΐη) und diese Pulver mit Siliciumnitridpulver gemischt, um Sinterpulver zu erhalten. Analog zu Beispiel 1 wurden aus diesen Sinterpulvern Preßkörper hergestellt und diese gesintert. Die Eigenschaften der dabei erhaltenen Proben 15 bis 20 sind in der nachfolgenden Tabelle 3 aufgeführt.
Probe S13N4
Spinell
RO
(Mol-%)
R"O? (Mol-%)
Sinterlemperaiur
ro Spez. Porosität Biege-Gewicht festigkeit
Oxidationsbeständig keit
(g/cm1) (%) (kg/mm-') (mg/cm3)
Wärmeausdehnungs- koeffizient
(20-40O0C) (x 10-"/0C)
90
90
90
90
90
90
MrO/5
ZnO/5
NiO/5
MgO/5
CnO3/5 AI2O3/5 AI2O3/5 Y2O3/5
MgO/6,7 TiOj/33 MgO/6,7 SnO2/3,3
1780 1780 1780 1780 1780 1780 3,14
3,02
3.08
3,17
3.09
2,97
0,5
50,2
40.1
42,3
45,0
46,7
36.5
0.87
2,9
2.8
0,8
1,6
5.2
2,8 2,6
2.b 2,6 2,6 2,6
Wie der Tabelle 3 ohne weiteres zu entnehmen ist, weisen diese Proben eine bessere Biegefestigkeit von 36,5 bis 50.2 kg/mm2, eine geringere Porosität von 0,5 bis 8% und eine bessere Oxidationsbeständigkeit von 0,8? bis 2,9 mg/cm2 als die Vcrgleichsproben A und B unc Tabelle 1 auf.
109 53t

Claims (3)

  1. Patentansprüche:
    *■■'!. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem Pulvergemisch aus 60 bis 92 Mol-% S Siliciumnitrid (Si3N4) und 8 bis 40 Mol-% Metalloxid durch Sintern des Gemisches bei Temperaturen zwischen 1600 und 18000C, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalloxid-Gemisch eingesetzt wird, das zu 10 bis 90 Mol-% aus den Oxiden ι ο der zweiwertigen Metalle Magnesium (Mg), Zink (Zn) und/oder Nickel (Ni) und zu 90 bis 10 Mol-% aus den Oxiden der drei- oder vierwertigen Metalle Aluminium (Al), Chrom (CrX Yttrium (Y), Titan (Ti) und/oder Zinn (Sn) besteht, und daß das Pulvergemisch aus Siliciumnitrid und Metalloxiden zu einem ungebrannten Preßling geformt und dieser Preßling gesintert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Komponenten des Metalloxid-Gemisches durch Erhitzung zu einem Spinell umgesetzt werden, der erhaltene Spinell pulverisiert und dieses Pulver mit dem pulverförmigen Siliciumnitrid vermischt wird.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ungebrannte Preßling 2 bis 3 Stunden lang auf Sintertemperatur erwärmt wird.
DE2353093A 1972-10-24 1973-10-23 Verfahren zur Herstellung gesinterter Formkörper auf Siliziumnitridbasis Expired DE2353093C3 (de)

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