DE2544437B2 - Verfahren zur Herstellung von siliziumnitridhaltigen mit einer Selbstglasur überzogenen Gegenständen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von siliziumnitridhaltigen mit einer Selbstglasur überzogenen GegenständenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oxidationsbeständigen siliziumnitridhaltigen Gegenständen
mit einer durch Selbstglasur entstehenden gasdichten Oberflächenschicht, bei dem eine Mischung
aus pulverförmigem Silizium und einem zur Bildung der Oberflächenschicht bestimmten pulverförmigen Zusatzstoff
verformt, nitridiert und gesintert wird und die entstehenden Formkörper zur Ausbildung der Oberflächenschicht
in sauerstoffhaltiger Atmosphäre behandelt werden.
Gasdichte und oxidationsbeständige Siliziumnitridwerkstoffe werden im Maschinen- und Anlagenbau für
Rekuperatoren, Rohrleitungen, Behälter etc. bei hohen Anwendungstemperaturen benötigt. Insbesondere besteht
ein großes Interesse an der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von Siliziumnitridwerkstoffen,
und zwar für Bereiche, bei denen es nicht unbedingt auf die absolute Gasdichtigkeit ankommt wie z. B. Brennkammern,
Turbinenschaufeln und Leitapparate.
Für diese und ähnliche Anwendungsbereiche gasdichtes Siliziumnitrid herzustellen bzw. dessen Porosität
herabzusetzen sind verschiedene Verfahren bereits bekanntgeworden. In der Zeitschrift »Powder Metallurgy
International« Vol. 6 (1974), Seiten 17 bis 19, wird insbesondere das Heißpressen mit Zusätzen beschrieben.
Dabei wird eine relativ hohe Dichte erreicht, aber dieses Verfahren ist wegen der hohen Kosten, der
Begrenzung der Formkörpergröße und Gestalt nur für spezielle Anwendungen interessant.
Eine andere Möglichkeit besteht im Infiltrieren bzw. Tränken von reaktionsgesintertem Siliziumnitrid mit
Metallsalzlösungen oder Säuren, die durch TemperaturbehandJungen innerhalb der Poren in Oxide oder
Metalle umgewandelt werden, wie bereits in der DE-OS 23 60 434 und der DE-OS 23 51 162 vorgeschlagen wird.
Dabei erhält man aber ein Material mit wesentlich schlechterer Temperaturwechselbeständigkeit verglichen
mit dem reinen Siliziumnitrid. Außerdem ist dieses Verfahren sehr arbeitsaufwendig, da mehrfache Infiltrations-
und Abscheidungszyklen erforderlich sind, um die gewünschte Gasdichtigkeit zu erreichen.
Es ist auch schon versucht worden, das Abdichten der Oberfläche von porösem Siliziumnitrid durch Aufbringen
von Glasuren oder Beschichtungen vorzunehmen, wie aus der DE-OS 2041 587, DE-OS 16 46 796 und
GB-PS 1151475 hervorgeht. Die Schutzüberzüge
bekommen aber bei Temperaturwechselbahandlungen leicht Risse, da der thermische Ausdehnungskoeffizient
der beiden Werkstoffe erheblich voneinander abweicht Außerdem ist es technisch äußerst schwierig, kompliziert
geformte Siliziumnitridteile, wie z. B. Rekuperatorblöcke mit sehr engen, langen Kanälen, an ihrer
gesamten Oberfläche gleichmäßig zu glasieren oder zu beschichten. Insbesondere bei der DE-OS 21 52 066
wird versucht, ein eventuelles Auftreten von Rißbildung in der Schutzschicht durch Erzeugung eines borhaltigen
Glases mit einem Ausdehnungskoeffizienten kleiner 3 χ 10~6/°C zu verhindern. Des weiteren werden
Materialien wie Fe, Mg, Al, Al2O3, MgO, CaO, ZnO oder
ZrO2 dem Siliziumnitrid oder vorzugsweise dem Silizium vor dem Nitridieren in einer Menge bis zu 10
Gew.-% zugegeben, um die Verflüchtigung von B2O3 zu
unterdrücken. Der Glasbildungsprozeß geht so vor sich daß Si3N4 an der Oberfläche zu SiO2 oxidiert und das
B2O3 aus der Atmosphäre unter Bildung eines Glases
absorbiert wird, das unter Bildung einer kontinuierlichen gasundurchlässigen Schicht schmilzt Das Bot
kann auch dem Werkstoff vor der Nitridierungsstufe beigegeben werden. Bei Hersteüungstemperaturer
höher 1350° C ist B2O3 ziemlich flüchtig, so daO
Änderungen in der Glaszusammensetzung auftreten was zu einer verstärkten Alterung und schlechter
Haftung durch die Veränderung des Ausdehnungskoeffizienten im Glas führt. Durch das Auftreten vor
inneren Spannungen in der Glasstruktur ist die Schutzschicht auch nicht so beständig gegen aggressive
Medien. Für Daueranwendungen ist somit diese; Verfahren noch keine optimale Lösung.
Ferner wird in der DE-OS 21 32 623 ein Verfahrer zur Verbesserung der Festigkeit von Siliziumnitrid
körpern durch eine geregelte Oxidation beschrieben Gemäß der US-PS 34 55 729 ist auch die Verbesserung
der Temperaturwechselbeständigkeit von Silizium nitridkörpern durch Behandlung mit Lithiumdämpfer
bereits versucht worden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wire darin gesehen, ein einfaches und wirtschaftliche;
Verfahren zur Herstellung von siliziumnitridhaltiger
Gegenständen mit einer gasdichten Oberfläche unc verbesserter Oxidationsbeständigkeit durch Zusätze füi
Langzeitanwendungen im Maschinen- und Anlagenbat zu finden.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst daß die Formkörper aus einer Mischung von pulver
förmigem Silizium mit 3 — 25 Gew.-% eines pulver förmigen, silikathakigen, die Bildung von Cordieril
Eukryptit bzw. Spodumen in der Oberflächenschich bewirkenden Zusatzstoffes hergestellt und bei Tempe
raturen zwischen 1000 und 15000C in sauerstoffhaltige
Atmosphäre behandelt werden. Die auf diese Weisi hergestellten Selbstglasuroberflächen sind techniscl
insofern interessant, als die genannten Magnesium-/Lithiun-k-AIuminium-SiIikate,
die einzeln oder in Kombination in der Glasur vorliegen können, in der Glasurschicht einen Ausdehnungskoeffizienten bewirken,
der dem des Siliziumnitrids ähnlich ist, wodurch eine schutzbildende und feste Oberfläche auf dem
Werkstoff erzielt wird. Dabei können die silikathaltigen Rohstoffe mit geringen Mengen an Flußmitteln
vorgebrannt oder vorgeschmolzen werden. Anschließend werden sie auf eine Korngröße kleiner 20 μπι
vermählen. Durch die Variation der Zusammensetzung der silikathaltigen Zusatzstoffe kann der Ausdehnungskoeffizient
der Glasur dem jeweiligen siliziumnitridhaltigen
Gegenstand optimal angepaßt werden. Vorzugsweise liegt bei einer Cordieritglasur die zugesetzte
Menge zwischen 10 und 15 Gew.-°/o und bei einer Lithiumglasur zwischen 5 und 10 Gew.-%. Überraschenderweise
trat nach der Nitridierung eines nach der Erfindung zusammengesetzten Formkörpers selbst bei
Temperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes der Zusätze keine Glasphase auf. Es ist auch sicher, daß
beim Nitridierungsvorgang keine Schmelze aus dem Körper ausgeflossen ist. Daher wird angenommen, daß
die Bestandteile des Magnesiumsaluminiumsilikats bzw. Lithiumaluminiumsilikats sich mit dem Siliziumnitrid zu
festen Lösungen oder Mischnitriden verbunden haben. Erst durch die Temperaturbehandlung in sauerstoffhaltiger
Atmosphäre bildet sich auf dem erfindungsgemäß hergestellten Formkörper eine dünne Glasurschicht.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Formkörper mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von 1000C pro Minute auf die Behandlungstemperatur
zur Ausbildung der Oberflächenschicht gebracht werden. Es wird dadurch erreicht, daß bei einer entsprechenden
Entstehungstemperatur der Glasurschicht zwischen 1000 und 15000C nicht alle Glasuranteile
aufgeschmolzen werden. Insbesondere soll ein langsames Aufheizen auf diese Entstehungstemperatur der
Glasurschicht unbedingt vermieden werden, da sonst der noch nicht von der Glasur geschützte Werkstoff
oberflächlich zu Cristobalit oxidiert.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch darin zu sehen, daß die
Formkörper nach dem Nitridier- und Sintervorgang zur Ausbildung der Oberflächenschicht kurz mit Luft bzw. in
sauerstoffhaltiger Atmosphäre behandelt werden. Dieses sogenannte Oxidationsverfahren kann erfindungsgemäß
auf folgende Weise durchgeführt werden:
1. Durch Einschieben nitridierter Gegenstände in einen vorgeheizten Ofen mit sauerstoffhaltiger
Atmosphäre. Dabei können nur relativ dünnwandige Teile eingesetzt werden, da ansonsten die
Gefahr einer Rißbildung besteht.
2. Durch Überleiten von Luft oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre nach dem Nitridierungs- und Sinterungsvorgang
in der Abkühlphase. Letztgenannter technologischer Schritt ist sehr einfach zu handhaben
und außerdem energie- und kostensparend.
Weiterhin wird die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
90 Gewichtsteile Siliziumpulver und 10 Gewichtsteile gemahlene Cordieritglattscherben werden in einer
Kugelmühle mit Isopropanol fünf Stunden miteinander vermischt. Nach dem Entfernen des Isopropanols durch
Trocknen wird das Pulver unter Zusatz von Polyäthylenglykol, Ammoniumalginat und Methylzellulose zu
einem Trockenpreßgranulat verarbeitet Aus diesem Granulat wurden Stäbe der Abmessung
r) 35 χ 4,5 χ 4,5 mm gepreßt. Anschließend wurden die
Bindemittel durch Temperaturbehandlung entfernt und die Stäbe in bekannter Weise nitridiert, wobei eine
Endtemperatur von 15500C erreicht wurde. Diese Stäbe hatten eine hellgraue Farbe und unterscheiden sich
ι» äußerlich nicht von der in gleicher Weise hergestellten Stäbe aus reinem Siliziumpulver. Ein Teil der Stäbe
wurde in einem Rohrofen in Argon-Atmosphäre auf 14500C erhitzt, und 10 Minuten lang wurde Luft durch
das Rohr geleitet Die Stäbe waren nach dieser Behandlung von einer dünnen, zusammenhängenden
Glasur überzogen, wobei das Innere der Stäbe nicht glasiert war. Es wurde dabei festgestellt, wie aus der
Tabelle hervorgeht daß nach achtstündiger Oxidationsbehandlung der glasierten Stäbe eine Abnahme der
Festigkeit nicht festgestellt werden konnte, während bei in gleicher Weise oxidierten Stäben aus reinem
Siliziumnitrid sich Cristobalit bildete und die Festigkeit sich erniedrigte.
r> Tabelle
Biegefestigkeitsänderung von glasierten und unglasierten Siliziumnitridkörpern durch eine Oxidationsbehandlung.
j» vor der Oxidation | unglasiert | 42,83 N/mm2 |
vor der Oxidation | glasiert | 43,05 N/mm? |
nach | ||
achtstündiger Oxidation | unglasiert | 39,40 N/mm2 |
nach | ||
η achtstündiger Oxidation | glasiert | 43,65 N/mm* |
CV
Eine Mischung aus 85 Gew.-% Silizium und 15 Gew.-°/o Cordieritglattscherben wird wie im Beispiel 1
hergestellt und mit organischen Plastifikatoren versehen. Durch Strangpressen werden Rundstäbe mit
10 mm 0 gezogen und nach dem Ausbrennen der Bindemittel 144 Stunden bei einer Temperatur von
1450°C nitridiert Ein Teil der Stäbe wird anschließend
mit einer Selbstglasuroberfläche versehen, indem sie bei 14500C einem Oxidationsvorgang ausgesetzt werden.
Anschließend werden diese Stäbe für 10 Minuten in einen Ofen bei einer Temperatur von 13000C geschoben,
wieder herausgenommen und mit Druckluft abgekühlt. Diese Prüfung wird zehnmal wiederholt.
Dabei konnte festgestellt werden, daß keine Risse in der Glasur zu erkennen waren. Vielmehr nahm die
Festigkeit dieser Stäbe um ca. 10% gegenüber den unbehandelten, nichtglasierten Körpern zu.
Mit einer Zusammensetzung, wie sie im Beispiel 1
eo genannt ist, wird eine Gießmasse hergestellt. Mit dem
»Foliengieß-Verfahren« wurden Folien mit einer Dicke von 0,8 mm gezogen. Nach dem Ausbrennen der
Bindemittel wird bei einer Brenntemperatur von 15500C nitridiert. Die so hergestellten Siliziumnitrid-
b5 folien weisen keinerlei Glasphase auf. Danach wurde ein
Teil dieser Folien 20 Minuten lang bei einer Temperatur von 143O0C der Luftatmosphäre ausgesetzt, wodurch
die Folien mit einer gleichmäßigen dünnen Schicht
wurde. Zum Vergleich wurde die Luftdurchvon unglasierten und glasierten Folien
Während der Wert bei einer unglasierten 0,65 cmVcm2 ■ s betrug, lag er nach dem
gang bei 0,014 cmVcm2 · s, was ungefähr der es verwendeten Meßgerätes entspricht.
der Erfindung erzielten Vorteile bestehen :re darin, daß eine gleichmäßig dichte und
ie Glasur auf allen Oberflächenteilen des ers erzeugt wird. Sogar im inneren Teil von
igen Durchführungen, die einen Querschnitt er 1 mm2 haben können. Solche inneren,
Überflächen sind durch bekannte Verfahren wie Tauchen, Streichen oder Spritzen mit üblichen
Glasurschlickern nicht zn erhalten. Es ist vor allem auch bei Langzeitanwendungen die relativ hohe Anwendungstemperatur
dieser Glasurschicht bei ca.
ri 1350° C zu nennen. Dies ist auf die erhöhte Herstellungstemperatur von über 1400°C zurückzuführen. Vor allem
kann die Selbstglasuroberfläche ohne große zusätzliche Verfahrensschritte erhalten werden, indem man den
siliziumnitridhaltigen Körper in sauerstoffhaltiger
ι» Atmosphäre bei relativ hoher Temperatur kurzfristig behandelt Außerdem können beschädigte Teile durch
eine einfache Wärmebehandlung an Luft wieder nachglasiert werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung von oxidationsbeständigen
siliziumnitndhalttgen Gegenständen mit einer durch Selbstglasur entstehenden gasdichten
Oberflächenschicht, bei dem eine Mischung aus pulverförmigem Silizium und einem zur Bildung
der Oberflächenschicht bestimmten pulverförmigen Zusatzstoff verformt, nitridiert und gesintert wird
und die entstehenden Formkörper zur Ausbildung der Oberflächenschicht in sauerstoffhaltiger Atmosphäre
behandelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formkörper aus einer Mischung von pulverförmigem Silizium mit 3-25 Gew.-% eines pulverförmigen, silikathaltigen, die
Bildung von Cordierit, Eukryptit bzw. Spodumen in der Oberflächenschicht bewirkenden Zusatzstoffes
hergestellt und bei Temperaturen zwischen 1000 und 150O0C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre behandelt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von 100° C pro Minute auf die Behandlungstemperatur zur Ausbildung der Oberflächenschicht
gebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper nach dem Nitridier-
und Sintervorgang zur Ausbildung der Oberflächenschicht kurz mit Luft bzw. in sauerstoffhaltigei
Atmosphäre behandet werden.
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