DE2458682A1

DE2458682A1 - Verfahren zum herstellen eines formkoerpers aus siliziumnitrid

Info

Publication number: DE2458682A1
Application number: DE19742458682
Authority: DE
Inventors: Andre Ezis
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1975-07-03
Also published as: AU7618274A; GB1481818A; SE7415053L; SE395267B; JPS5431486B2; DE2458682C2; FR2255133A1; IT1023460B; JPS5095305A; FR2255133B1; CA1028130A

Description

Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Siliziumnitrid,

Es wird vorliegend als bekannt vorausgesetzt, daß Siliziumnitrid aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften ein sehr breit gestreutes Anwendungsgebiet hat. Um nur einige mögliche Anwendungsbeispiele hier zu benennen, sei vermerkt, daß sich solches Siliziumnitrid für Schutzröhrchen für Thermoelemente ebenso eignet wie für in Gießereien verwendete Schmelztiegel oder elektronische Bauelemente sowie für den Läufer von Gasturbinen für Kraftfahrzeuge. Es ist weiterhin bekannt, daß solches Siliziumnitrid mittels verschiedener Verarfoeitungstechniken gewonnen werden kann, die sich generell in der für das Endprodukt erreichbaren Dichte unter-

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scheiden und deren Anwendung weiterhin abhängig ist von der Formgebung, die das fertige Produkt aufweist.

Unter den verschiedenen Verarbeitungsteohniken ist besonders das Spritzgießen zu benennen, mittels welchem komplexe Formgebungen beherrscht werden können und Verdichtungsgrade in der Größenordnung von etwa 70 bis 75$ der theoretischen Dichte erreichbar sind. Bei diesem Spritzgießen wird ein aus Siliziummetallteilchen und einem Thermoplasten gebildetes Gemisch verarbeitet, und der erhaltene Gießling wird einer Wärmebeaufschlagung unterworfen, um den Thermoplasten auszubrennen, und anschließend einer Nitrierung, um so das aus Siliziumnitrid bestehende Produkt zu erhalten. Das Fertigprodukt hat gewöhnlich eine Festigkeit in der Größe von etwa 12oo kg/om , und es liegt bezüglich dieser Festigkeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Zweckvorstellung vor, Maßnahmen zu treffen, die eine wenigstens örtliche Erhöhung dieser Festigkeit

auf Werte in der Größenordnung von etwa 1.400 kg/om ergeben. Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Formkörpers aus Siliziumnitrid, der mit Bereichen unterschiedlicher Festigkeit ausgestattet sein soll, also wenigstens in einem Teilbereioh seiner Oberfläche eine größere Härte hat als Im übrigen Teil.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die Gesamtheit der Merkmale erfaßt, die im Patentanspruch 1 aufgeführt sind. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen aufgezählt. Erfindungsgemäß wird damit ein Herstellungsverfahren für Formkörper aus Siliziumnitrid vorgeschlagen, mit dem es also möglich ist, jedes spritzgegossene oder sonstwie geformte Formteil durch die Erzeugung eines Oberflächenüberzuges mit einer höheren Festigkeit zu versehen, und zwar um Werte von etwa 200 kg/cm und mehr, wie dies bei praktischen Versuchen festgestellt werden konnte.

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Im folgenden werden die einzelnen Verfahrenssohritte für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei wird der erste Verfahrensschritt, mit welchem die generelle Formgebung des Formkörpers erzeugt wird, als ein Spritzgießen durchgeführt, wobei gleichzeitig zu bemerken wäre, daß stattdessen dieser Formgebungsprozeß auch durch ein isostatisches oder ein direktes Verpressen von Siliziummetallteilchen erfolgen kann, wenn weniger komplexe Formgebungen des Fertigproduktes zur Diskussion stehen.

Zur Durchführung des Spritzgießens wird ein Gemisch aus pulvrigem Siliziummetall und einem thermoplastischen Bindemittel vorbereitet. In diesem Gemisch sollten die Siliziummetallteilchen einen Anteil von etwa 60 bis 66 Vol.-# haben bei einer maximalen Teilchengröße zwischen etwa kO und 62 Mikrons und einer mittleren Teilchengröße zwisbhen etwa 10 und 15 Mikrons. Dieses Gemisch wird dann in den Zylinder einer Spritzgußmaschine eingebracht und dort auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten liegt, so daß durch eine nachfolgende Druckbeaufschlagung des Zylinders ein Ausspritzen in eine kalte Gießform erfolgen kann, in welcher dann der Thermoplast erstarrt und dabei gleichzeitig die von ihm mitgetragenen Siliziummetallteilchen in eine Anordnung bringt, welche der erwünschten Formgebung des Fertigprodukts entspricht. Der erhaltene Gießling wird dann allmählich in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 550°C erwärmt, wobei dieser Erwärmungsprozeß bis zu 3 Tagen in Anspruch nehmen kann, um mit Sicherheit die Bildung von Wärmespannungen zu verhindern. Bei dieser Erwärmung wird der Thermoplast ausgebrannt, so daß ein poröser Körper zurückbleibt, der zumindest weitgehend aus Siliziummet allteilchen besteht. Da dieser Kö rper noch keine so große Festigkeit hat, daß er gehandhabt werden könnte, wird er anschließend gesintert, und zwar vorzugsweise in einer zumindest überwiegend aus Argon gebildeten inerten Schutzgasatmosphäre, wobei das Sintern bei einer Temperatur zwischen etwa 98O⁰C und

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118O°C über eine Zeitdauer zwischen etwa 5 Minuten und 12 Stunden durchgeführt werden sollte, um eine ausreichende Festigkeit zu erhalten. Je massiver das Ausgangsprodukt ist, desto länger sollte dieses Sintern durchgeführt werden, um maximale Festigkeiten zu erhalten.

Der erhaltene Sinterkörper wird dann dem zweiten Verfahrensschritt unterworfen, bei dem erfindungsgemaß wenigstens ein Teil der Oberfläche mit einem aus Siliziummetall bestehenden Schlicker überzogen wird, um an dieser Stelle eine festere Haut zu erhalten. Es wird dabei mit einem Schlicker gearbeitet, der aus in einem Lösungsmittel suspendierten Siliziummetallteilchen besteht, wobei die Überzugsdicke praktisch durch die aufgebrachte Schlickermenge und weiterhin durch die Zeitdauer gesteuert werden kann, über welche der poröse Körper mit dem Schlicker in Berührung steht. Der Schlicker wird zweckmäßig unter Verwendung einer porösen Gießform auf den porösen Körper aufgegossen, um dadurch zu erreichen., daß das Lösungsmittel durch die Poren der Form abgezogen wird, so daß die Siliziummetallteilchen in der gewünschten Sohichtstärke auf dem porösen Körper zurückbleiben. Diesem Aufgießen des Schlikkers folgt dann eine Nitrierung, um darüber eine Umwandlung des Siliziummetalls in Siliziumnitrid zu erreichen. Die Nitrierung wird zweckmäßig in einem Ofen vorgenommen, um dadurch bei einer zu bevorzugenden Schictitstärke des Schlickers zwischen etwa 0,5 und 0,75 mm eine fertige Diohte zwischen etwa 2,1 und 3,18 g/em^ zu erhalten. Der fertige Formkörper hat dann an der mit dem Schlicker überzogenen Stelle elneBruchfestigkeit

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von etwa 1400 bis 1500 kg/cm , während er im Kernbereich nur

ο eine mittlere Bruchfestigkeit von etwa 1200 kg/cm hat.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Siliziumnitrid, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein im wesentlichen der fertigen Form entsprechender poröser Grundkörper aus Siliziummetallteilchen gepreßt wird, der anschließend für eine Erhöhung seiner Festigkeit in einer inerten und nicht mit den Siliziummetallteilchen reagierenden Schutzgasatmosphäre gesintert und dann in wenigstens einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einem aus in einem Lösungsmittel suspendierten Siliziummetallteilchen bestehenden Schlicker überzogen wird, und daß der mit diesem Überzug versehene Sinterkörper schließlich in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unter einer dessen Reaktion mit dem Silizium fördernden Temperatur nitriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Grundkörper durch ein Spritzgießen der dabei mit einem Bindemittel versetzten Siliziummetallteilchen gefertigt und daß vor dem folgenden Sintern das Bindemittel durch Erwärmen des Grundkörpers ausgebrannt wird,

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker im Vakuum auf den Grundkörper aufgegossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis J5* dadurch gekennzeichnet, daß die beim Sintern aufrechterhaltene Schutzgasatmosphäre im wesentlichen aus Argon besteht, und daß das Sintern über eine Zeitdauer zwischen etwa 5 Minuten und 12 Stunden bei einer Temperatur zwischen etwa 98O⁰C und ll8o°C vorgenommen wird;

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der mit dem Schlicker überzogene Teilbereich eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 0,75 hat.

6. Verfahren mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß för das Spritzgießen ein Gemisch aus pulvrigem Siliziummetall und einem thermoplastischen Bindemittel verwendet wird, wobei das Siliziummetall einen Anteil von etwa 60 bis 66 Vol.-% hat und eine maximale Teilchengröße zwischen etwa 40 und 62 Mikrons sowie eine mittlere Teilchengröße zwischen etwa 10 und 13 Mikrons.

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