DE2406601C3

DE2406601C3 - Process for the production of metal-impregnated ceramic workpieces from nitrides

Info

Publication number: DE2406601C3
Application number: DE19742406601
Authority: DE
Inventors: Katsumi; Noda Fumiyoshi; Toyota; Uchida Kunihiko Okazaki; Tsuzuki Joshihiro Toyota; Aichi Kondo (Japan)
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1973-02-13
Filing date: 1974-02-12
Publication date: 1977-03-31

Description

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- hergesteUten, mit Metall imprägnierten Nitrid-Werkzeichnet, daß Werkstücke aus Titannitrid, Bor- Stückes.6. The method according to claim 1, characterized in that the metal-impregnated nitride work is marked, that workpieces made of titanium nitride, boron pieces.

nitrid, Siliciumnitrid, Vanadiumnitrid, Sih'cium- 35 Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der fol-nitride, silicon nitride, vanadium nitride, Sih'cium- 35 The inventive method can in the following

oxynitrid, Niobnitrid, Tantalnitrid, Berylliumnitrid genden Weise durchgeführt werden:oxynitride, niobium nitride, tantalum nitride, beryllium nitride in the following ways:

oder Zirkoniumnitrid verwendet werden. Ein poröser Körper aus einem keramischen Nitrid-or zirconium nitride can be used. A porous body made of a ceramic nitride

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- material wird in eine Lösung einer chemischen Verzeichnet, daß als geschmolzenes Metall Eisen, bindung, die einen OH-Rest aufweist, eingetaucht Aluminium, Silber, Magnesium, Kupfer, Zink 40 und in der Lösung stehengelassen oder darin gekocht, oder deren Legierungen verwendet werden. bis die Lösung die Poren des Körpers ausgefüllt hat.7. The method according to claim 1, characterized in that material is recorded in a solution of a chemical that as a molten metal, iron bond, which has an OH radical, is immersed Aluminum, silver, magnesium, copper, zinc 40 and left standing in the solution or boiled in it, or their alloys are used. until the solution has filled the pores of the body.

Dann wird der poröse Körper getrocknet und mit einem geschmolzenen MetaU imprägniert.Then the porous body is dried and impregnated with a molten MetaU.

Gemäß einer anderen Ausfühningsform der Erfin-According to another embodiment of the invention

45 dung wird ein Pulver aus einem keramischen Nitridmaterial in eine Lösung einer chemi chen Verbindung mit einem OH-Rest eingetaucht und in der LösungA powder of a ceramic nitride material is mixed in a solution of a chemical compound with an OH residue and immersed in the solution

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stehengelassen oder gekocht, bis die Lösung in das von mit Metall imprägnierten keramischen Werk- Pulver eingedrungen ist. Das erhaltene schlammige stücken aus Nitriden mit hoher Bruchfestigkeit, bei 50 Material wird getrocknet und auf eine geeignete Teildem die Imprägnierung mittels geschmolzenem Metall chengröße zerkleinert oder gesiebt. Das erhaltene und unter Druck erfolgt. keramische Nitridpulver wird dann zu einem porösenThe invention relates to a method of preparation left to stand or cooked until the solution is in the penetrated by ceramic powder impregnated with metal. The obtained muddy Pieces of nitrides with high breaking strength, at 50 material is dried and placed on a suitable part the impregnation is crushed or sieved by means of molten metal. The received and done under pressure. ceramic nitride powder then turns into a porous one

Bei dem üblichen Verfahren zur Imprägnierung Körper mit der gewünschten Form verformt, der aneines keramischen Körpers mit MetaU wird wegen schließend mit einem geschmolzenen Metall impräder schlechten Benetzbarkeit von keramischem Mate- 55 gniert wird.In the usual method of impregnation body is deformed with the desired shape, attached to one Ceramic body with MetaU is due to being closed with a molten metal poor wettability of ceramic material.

rial durch MetaU ein hoher Imprägnierungsdruck Vorzugsweise nimmt man als Nitridwerkstückerial due to MetaU a high impregnation pressure is preferably used as nitride workpieces

angewendet. Selbst bei der Imprägnierung eines kera- oder -pulver Titannitrid, Bornitrid, SiUciumnitrid, mischen Materials mit Metall in dieser Weise besitzt Vanadiumnitrid, Siliciumoxynitrid, Niobnitrid, Tander so erhaltene mit Metall imprägnierte Körper talnitrid, BerylHumnitrid oder Zirkoniumnitrid,
jedoch eine geringe Festigkeit, und es treten im all- 60 Als zum Imprägnieren eingesetzte geschmolzene gemeinen starke Variationen in seiner Festigkeit auf. MetaUe kommen vorzugsweise Eisen, Aluminium, Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, tin Silber, Magnesium, Kupfer, Zink oder deren Legie-Verfahren zur Herstellung von mit Metall imprägnier- rungen in Frage.applied. Even with the impregnation of a ceramic or powder titanium nitride, boron nitride, silicon nitride, mixing material with metal in this way has vanadium nitride, silicon oxynitride, niobium nitride, tander so obtained with metal impregnated body talnitride, berylumum nitride or zirconium nitride,
however, it is low in strength, and there are generally large variations in its strength in the molten material used for impregnation. Metals are preferably iron, aluminum. The invention has the object of using silver, magnesium, copper, zinc or their alloy processes for producing metal impregnations.

ten keramischen Werkstücken aus Nitriden mit hoher Wird ein Pulver aus einem keramischen Nitrid-ten ceramic workpieces made of nitrides with high If a powder made of a ceramic nitride

Bruchfestigkeit zu schaffen, bei dessen Durchführung 65 material verwendet, so gehen dessen Teilchen vorzugsdie Benetzbarkeit des zu imprägnierenden porösen weise durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite Körpers mit dem Metall verbessert wird, so daß die von 0,05 mm hindurch.
Imprägnierung mit dem MetaU erleichtert: wird. Als chemische Verbindungen mit einem OH-RestTo create breaking strength, in the implementation of which 65 material is used, the particles of which are preferentially the wettability of the porous to be impregnated is improved by a sieve with a clear mesh size body with the metal, so that the 0.05 mm through.
Impregnation with the MetaU facilitated: is. As chemical compounds with an OH residue

Table I.

Lösungsolution

werden vorzugsweise Wasser, Methanol, Äthanol, Essigsäure, Ammoniumhydroxyd oder Butanol verwendet. water, methanol, ethanol, acetic acid, ammonium hydroxide or butanol are preferably used.

Offensichtlich durch eine teilweise Zersetzung des keramischen Nitridmaterials bei der Behandlung mit einer Lösung einer chemischen Verbindung, die einen OH-Rest aufweist, wird seine Oberfläche aktiviert und damit die Benetzbarkeit durch geschmolzenes Metall verbessert und die Imprägnierung erleichtert.Obviously due to a partial decomposition of the ceramic nitride material during treatment with a solution of a chemical compound that has an OH residue activates its surface and thus the wettability by molten metal improves and the impregnation is facilitated.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.The following examples illustrate the invention.

example 1

Metallisches Silicium mit einer solchen Größe, daß die Teilchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,05 mm hindurchgehen, wrrd unter einem Druck von 1000 kg/cm* geschmolzen und in einer Stickstoffatmosphäre gesintert. Das auf diese Weise erhaltene gesinterte Siliciumnitrid (Porosität 25%) wird in Wasser eingetaucht und 30 Minuten gekocht. Der erhaltene Sinterkörper wird 2 Stunden in einem Trockenofen bei 100⁰C getrocknet und anschließend mit einer Aluminiumlegierung (JIS-AC 8 A) mit einem Gehalt von 0,8 bis 3% Kupfer, 11,0 bis 13,0% Silicium, 0,7 bis 1,3% Magnesium, weniger als 0,1% Zink, weniger als 0,89 % Eisen, weniger als 0,1 % Mangan, 1,0 bis 2,5% Nickel, weniger als 0,2% Ii, wobei sich dci Rest aus Aluminium zusammensetzt, bei 750⁰C in einem Autoklav bei 25 Atmosphären imprägniert. Metallic silicon with a size such that the particles pass through a sieve with a mesh size of 0.05 mm is melted under a pressure of 1000 kg / cm * and sintered in a nitrogen atmosphere. The sintered silicon nitride (porosity 25%) obtained in this way is immersed in water and boiled for 30 minutes. The sintered body obtained is dried for 2 hours in a drying oven at 100 ⁰ C and then with an aluminum alloy (JIS-AC 8 A) with a content of 0.8 to 3% copper, 11.0 to 13.0% silicon, 0, 7 to 1.3% magnesium, less than 0.1% zinc, less than 0.89% iron, less than 0.1% manganese, 1.0 to 2.5% nickel, less than 0.2% Ii, being composed dci balance aluminum, impregnated at 750 ⁰ C in an autoclave at 25 atmospheres.

Die Bruchfestigkeit des auf diese Weise erhaltenen metallimprägnierten Körpers beträgt 39 kg/mm*. Dieser Wert wird als Größe der Last ermittelt, unter welcher ein Prüfkörper mit einer Größe von 10 χ 35 χ 6 mm, eingespannt mit einer Spannweite von 30 mm und belastet in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/min zerbricht.The breaking strength of the metal impregnated body obtained in this way is 39 kg / mm *. This Value is determined as the size of the load under which a test specimen with a size of 10 χ 35 χ 6 mm, clamped with a span of 30 mm and loaded in the middle with a speed of 0.2 mm / min breaks.

Die photographische Darstellung zeigt in 400facher Vergrößerung die Struktur des hergestellten, mit Metall imprägnierten keramischen Nitridmaterials.The photographic representation shows the structure of the fabricated with 400 times enlargement Metal impregnated ceramic nitride material.

Vergleichsbeispiel 1Comparative example 1

Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Weise erhaltenes gesintertes Siliciumnitrid (Porosität 25%) wird, ohne zuerst in Wasser eingetaucht zu werden, in einem Autoklav in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 behandelt. Das Siliciumnitrid läßt sich nicht unter einem Druck von 25 Atmosphären imprägnieren, vielmehr sind 45 Atmosphären erforderlich. Die Bruchfestigkeit des Produkts beträgt 34 kg/mm^a.Sintered silicon nitride (porosity 25%) obtained in the manner described in Example 1 is treated in an autoclave in the same manner as in Example 1 without first being immersed in water. The silicon nitride cannot be impregnated under a pressure of 25 atmospheres, but 45 atmospheres are required. The breaking strength of the product is 34 kg / mm ^a .

Example 2

Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Methode erhaltene Proben aus gesintertem Siliciumnitrid (Porosität 25 %) werden in eine 50 %ige Lösung von Methanol, Äthanol, Essigsäure, Ammoniumhydroxyd oder Butanol eingetaucht und 30 Minuten gekocht, 6o £_ssj_gsä_ure 3 Stunden bei 100°C getrocknet und dann nach der im Beispiel 1 beschriebenen Weise in einem Autoklav, behandelt. Die Bruchfestigkeit eines jeden der mit Metall imprägnierten Körper ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:Samples obtained by the method described in Example 1 Method of sintered silicon nitride (porosity 25%) are immersed in a 50% solution of methanol, ethanol, acetic acid, ammonium hydroxide or butanol and boiled for 30 minutes 6o £ _ss j _gs ä _acid for 3 hours at 100 ° C. and then treated in the manner described in Example 1 in an autoclave. The breaking strength of each of the metal impregnated bodies is summarized in the following table:

Bruchfestigkeit kg/nun*Breaking strength kg / now *

MethanolMethanol BB. 45,245.2 ÄthanolEthanol 46,146.1 Essigsäureacetic acid 43,343.3 AmmoniumhydroxydAmmonium hydroxide 46,546.5 ButanolButanol 45,645.6 ei s piel 3ice game 3

200 g Siliciumnitridpulver, dessen Teilchen durch ein Sieb mit einer üchten Maschenweite von 0,075 mm hindurchgehen, und 100 g Wasser werden vermählen und in einer Kugelmühle behandelt. Nach 5 Stunden wird der Inhalt der Mühle herausgenommen, 3 Stunden bei 150⁰C getrocknet und durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,15 mm gesiebt.200 g of silicon nitride powder, the particles of which pass through a sieve with a mesh size of 0.075 mm, and 100 g of water are ground and treated in a ball mill. After 5 hours, the contents of the mill are removed, ^{dried for 3 hours at 150 °} C. and sieved through a sieve with a mesh size of 0.15 mm.

ao Das erhaltene Pulver wird in einer Metallform unter einem Druck von 100 kg/cm² ausgeformt (Dichte des Produktes 1,8 g/cm³).ao The powder obtained is molded in a metal mold under a pressure of 100 kg / cm ² (density of the product 1.8 g / cm ³ ).

Das geformte Produkt wird unter einem Druck von 200 kg/cm² zu 5 Teilen mit einer Dichte von 2,0 g/cm³ verpreßt. Die Teile werden mit einer Aluminiumlegierung (JIS-AC 7B) mit einem Gehalt an Kupfer von weniger als 0,1%, weniger als 0,3% Silicium, 9,5 bis 11,0% Magnesium, weniger als 0,1% Zink, weniger als 0,4% Eisen, weniger als 0,2% Titan, weniger als 0,1% Mangan, wobei sich der Rest aus Aluminium zusammensetzt, bei 750° C in einem Autoklav bei einem Druck von 30 Atmosphären imprägniert. Die Bruchfestigkeiten der erhaltenen Teile betragen 39,6, 40,3, 42,2, 39,8 bzw. 43,6 kg/mm².The molded product is pressed under a pressure of 200 kg / cm ² into 5 parts with a density of 2.0 g / cm ³ . The parts are made with an aluminum alloy (JIS-AC 7B) containing less than 0.1% copper, less than 0.3% silicon, 9.5 to 11.0% magnesium, less than 0.1% zinc , less than 0.4% iron, less than 0.2% titanium, less than 0.1% manganese, the remainder being composed of aluminum, impregnated at 750 ° C in an autoclave at a pressure of 30 atmospheres. The breaking strengths of the parts obtained are 39.6, 40.3, 42.2, 39.8 and 43.6 kg / mm ² , respectively.

Vergleichsbeispiel 2Comparative example 2

Mit Metall imprägnierte Teile werden in der gleichen Weise wie im Beispiel 3 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 90%iges η-Hexan an Stelle von Wasser verwendet wird. Die Bruchfestigkeitswerte betragen 21,6, 29,3, 25,8, 33,6 bzw. 34,5 kg/mm². Diese Werte sind niedriger als die vom Beispiel 3 und zeigen eine breitere Streuung.Parts impregnated with metal are produced in the same manner as in Example 3, with the exception that 90% η-hexane is used in place of water. The breaking strength values are 21.6, 29.3, 25.8, 33.6 and 34.5 kg / mm ² , respectively. These values are lower than those of Example 3 and show a wider spread.

Example 4

Gesinterte Teile aus Be₃N₂, BN, AlN, ZrN, TaN, NbN und VN werden in eine wäßrige, 50%ige Lösung von Methanol, Äthanol, Essigsäure, Ammoniumhydroxyd oder Butanol eingetaucht und unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 2 behandelt.Sintered parts made of Be ₃ N ₂ , BN, AlN, ZrN, TaN, NbN and VN are immersed in an aqueous 50% solution of methanol, ethanol, acetic acid, ammonium hydroxide or butanol and treated under the same conditions as in Example 2.

Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.The results are given in Table II below.

Tabelle IITable II Bruchfestigkeit (kg/mm^a)Breaking strength (kg / mm ^a ) BNBN AlNAlN ZrNZrN TaNTaN NbNNbN VNVN 5555 Lösungsolution Be₃N,Be ₃ N, 2525th 3737 4343 2929 3333 3131 3232 2626th 3434 3939 3737 3636 3535 MethanolMethanol 2929 2727 3232 3838 2727 2828 3434 ÄthanolEthanol 3434 2424 3333 4141 3636 3838 4040 6060 Essigsäureacetic acid 3838 Ammoniumammonium 2929 3535 3333 3131 3333 2929 hydroxydhydroxide 2828 1313th 2020th 2525th 2424 1818th 1717th ButanolButanol 1919th 6565 Vergleichcomparison

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

This object is achieved in a method of the type described above in that the workpieces prior to impregnation with a

1. Process for the production of treated with a metal solution which impregnated a chemical compound ceramic workpieces made of nitriding 5 containing an OH-Kest

the one with high breaking strength, in which the Im- In US-PS 27 33 Ul wd em Verfanren for

Impregnation by means of molten metal and production of a metaU impregnated ceramic, color print takes place! A porous body is treated with a solution before the impregnation of the molten metal with a solution containing a chemical compound, which is a metal salt is impregnated, whereupon ^ MetaUsalz has an OH residue ' ^m ^{an Oxvd transferred} ™ ^Γα · ^The ^em * Ste Metal-

2. The method according to claim 1, characterized in that it improves the wettability of the porous body draws that a porous ceramic body through the MetaU. However, it is necessary to of nitride material immersed in the solution, 15 the metal salt first in a before impregnation dried and then covered with a molten oxide, for example by heating, Metal is impregnated. where furthermore the disadvantage has to be accepted,

3. The method according to claim 1, characterized in that often undesired metals in the ceramic body draws that a ceramic nitride powder are introduced in the form of oxides. This Solution immersed, dried and become a 20 disadvantage when performing the inventive Body is deformed, whereupon the method according to the invention is avoided.

porous body with molten metal in the- By the inventive treatment of the work

is impregnated. pieces before impregnation with a solution that

4. The method according to claim 3, characterized in that contains a chemical compound which has a draws that a ceramic powder used has 35 OH radical, the wettability is the nitride, whose particles are increased through a sieve with a work piece by metals, so that the pass through a mesh size of 0.05 mm. Impregnation with MetaU is facilitated. This is

5. The method according to claim 1, characterized in that there is no high pressure for metal impregnation draws that as a chemical bond with one is required. The obtained metal-impregnated OH residue water, methanol, ethanol, acetic acid, 30 workpieces are very solid.

Ammonium hydroxide or butanol used The photographic representation shows the micro-

will. structure of a according to the inventive method