DE2829167A1 - METHOD OF MANUFACTURING OBJECTS FROM DENSE BETA SILICON NITRIDE - Google Patents
METHOD OF MANUFACTURING OBJECTS FROM DENSE BETA SILICON NITRIDEInfo
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Description
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1A-50 9561A-50 956
ρ ·ρ
· η· Η
6767
PatentanmeldungPatent application
Anmelder: NORTON COMPANYApplicant: NORTON COMPANY
Worcester, Massachusetts OI6O6, USAWorcester, Massachusetts OI6O6, USA
Titel: Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus dichtem ß-SiliciumnitridTitle: Process for the manufacture of objects from dense β-silicon nitride
81928192
809883/0933809883/0933
J)K. INC. K WUKKTIIOKFJ) K. INC. K WUKKTIIOKF
I)H-K. ν. IMiCHMA-NJf I)H. INC. I). .1JHlI H UN'SI) H-K. ν. IMiCHMA-NJf I) H. INC. I). .1JHlI H UN'S
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1Α-50 9561-50 956
Anmelder: Norton Comp,Applicant: Norton Comp,
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus vollständig verdichtetem Siliciumnitrid, in dem «^Siliciumnitrid in eine Form gegeben und bis zur Umwandlung in ß-Siliciumnitrid erhitzt wird unter einem geringen, jedoch ausreichenden Druck für die Verdichtung, worauf schließlich Temperatur und Druck zur vollständigen Verdichtung des gebildeten ß-Siliciumnitrids erhöht werden.The invention relates to a method for producing Objects made of fully compressed silicon nitride, in which silicon nitride is placed in a mold and up to Conversion into ß-silicon nitride is heated under a low but sufficient pressure for densification, whereupon temperature and pressure for complete densification of the formed β-silicon nitride can be increased.
Als Stand der Technik wird hier von den US-PS 3 468 992, 3 54g 402, 3 819 786, 3 830 652, 3 835 211 und 3 839 540 ausgegangen. US Patents 3,468,992, 3,54g,402, 3,819,786, 3,830,652, 3,835,211 and 3,839,540 are assumed as prior art.
Während nach der Erfindung ein neues Heißpreßverfahren von besonderer Bedeutung ist, sind auch andere übliche Verfahren, wie Sintern und Reaktionsbinden möglich, und zwar beruht deren Anwendbarkeit auf der Tatsache, daß sie zum Vorformen eines Produktes herangezogen werden können, welches anschließend dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wird, insbesondere, wenn die Konfiguration des angestrebten Körpers relativ einfach ist.While according to the invention a new hot pressing process of particular Is important, other common methods such as sintering and reaction bonding are also possible, based on their applicability on the fact that they can be used to preform a product which is subsequently to the is subjected to the method according to the invention, especially when the configuration of the target body is relatively simple.
Aus dem Stand der Technik ist ein Sinterverfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid bekannt, wobei feines Siliciumnitrid zusammen mit bis zu 25 % eines Bindemittels in Form von Borsäure, Boroxid oder Borphosphat gemischt, das Gemisch in einer Form bei Raumtemperatur und bei einem Druck von 500 bis 5000 kg/cmA sintering process for the production of silicon nitride is known from the prior art, in which fine silicon nitride is mixed together with up to 25 % of a binder in the form of boric acid, boron oxide or boron phosphate, the mixture in a form at room temperature and at a pressure of 500 to 5000 kg / cm
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verdichtet und dieser Preßling dann in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 850 und 12500C zu im wesentlichen Oc-Siliciumnitrid gesintert wird.compressed and this compact is then sintered in a nitrogen atmosphere at a temperature between 850 and 1250 0 C to essentially Oc silicon nitride.
Bei einem bekannten Verfahren zum Reaktionsbinden oder Reaktionssintern wird ein Gemisch von Siliciumpulver, 37 /um, und bis zu 35 % temporäres organisches Bindemittel, z. B. Butyl-methacrylat und Trichloräthylenj gemischt, ein Teil des Lösungsmittels entfernt, so daß eine steife, klebrige Masse bei Raumtemperatur erhalten wird, die bei 500C biegsam und zäh ist. Dieser vorgeformte Gegenstand wird bei Raumtemperatur geformt und dann auf 1300C erwärmt, um restliches Lösungsmittel zu entfernen. Der Formkörper wird schließlich mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 50°/h auf 10000C im Stickstoffstrom gebracht, wodurch das temporäre Bindemittel zersetzt und entfernt wird. Die im wesentlichen nur aus Silicium hergestellte Vorform wird unter statischem Stickstoff druck von 0,07 kg/cm auf eine maximale Temperatur von 145O°C gebracht. Man erhält auf diese Weise reaktionsgebundenes <X-Siliciumnitrid mit einer Dichte von 2,24 g/cm .One known method of reaction bonding or reaction sintering uses a mixture of silicon powder, 37 µm, and up to 35 % temporary organic binder, e.g. B. butyl methacrylate and Trichloräthylenj mixed, a portion of the solvent removed, so that a stiff, sticky mass is obtained at room temperature, which is flexible at 50 0 C and tough. This preformed object is molded at room temperature and then heated to 130 ° C. in order to remove residual solvent. The molded body is finally brought to an A ufheizgeschwindigkeit of 50 ° / h to 1000 0 C in a nitrogen stream, thereby decomposed and the temporary binder is removed. The preform, made essentially only of silicon, is brought to a maximum temperature of 1450 ° C. under a static nitrogen pressure of 0.07 kg / cm. In this way, reaction-bonded <X silicon nitride with a density of 2.24 g / cm is obtained.
Aus obigem Stand der Technik isc auch ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen durch Heißpressen von Siliciumnitrid bekannt. Der Unterschied gegenüber obigem Verfahren besteht in der dem Siliciumnitridpulver vor dem Heißpressen zugesetzten Verbindung. Bei einem Verfahren werden 1 bis 3,5 Gew.-% einer Yttriumverbindung und bei dem anderen eine Lithiumverbindung angewandt. Das Heißpressen erfolgt in einer Graphitform bei 1550 bis 18000C unter einem Druck von 420 bis 490 kg/cm bzw. bei einer Temperatur zwischen 1395 und 19000C bei einem Druck von nur 140 kg/cm .A method for producing silicon nitride objects by hot pressing silicon nitride is also known from the above prior art. The difference from the above method is the compound added to the silicon nitride powder before hot pressing. One method employs 1 to 3.5 weight percent of an yttrium compound and the other employs a lithium compound. The hot pressing takes place in a graphite mold at 1550 to 1800 0 C under a pressure of 420 to 490 kg / cm or at a temperature between 1395 and 1900 0 C at a pressure of only 140 kg / cm.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird zuerst durch Reaktionssintern ein Vorkörper gebildet und anschließend heißgepreßt. Ein derartiges zweistufiges Verfahren kann auch nach der Erfindung zur Anwendung gelangen. Nach diesem Stand der Technik wird Siliciumpulver, 3 /um, mit Magnesiumoxid als Flußmittel und einem temporären organischen Bindemittel gemischt, das Gemisch zur Entfernung des Binders erhitzt, anschließend wird auf die gewünschte Form verdichtet, jedoch mit geringen Übergrößen. DasAnother known method is first by reaction sintering a preform is formed and then hot-pressed. Such a two-stage process can also be carried out according to the invention come into use. According to this prior art, silicon powder, 3 μm, with magnesium oxide as a flux and mixed with a temporary organic binder, the mixture is heated to remove the binder, then is applied to the desired shape compacted, but with small oversize. That
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Silicium wird dann bei maximal 130O0C in einer 90 %-igen Stickstoffatmosphäre zu einem Körper aus porösem of-Siliciumnitrid mit einer Dichte von 1,7 bis 2,7 g/cnr nitriert. Anschließend wird dieser Körper in eine Graphitform gebracht und unter einem Druck von 280 kg/cm und bei einer Temperatur von 1750°C auf Körper der Enddimension und-dichte heißverpreßt. Bei einer anderen Ausführungsform erfolgt die Nitrierung in modifizierter Form,und zwar zuerst bei 1250°C, woraufhin die Temperatur dann auf 14OO°C gesteigert wird und schließlich bei 1550oC die Reaktion des Silicium zu in der Hauptsache ß-Phase Siliciumnitrid erfolgt. Der poröse Körper geringer Dichte wird dann mit einem Trennmittel überzogen, in die Graphitform gegeben und bei 280 kg/cm und 175O°C heißgepreßt zu dem angestrebten Gegenstand mit einer Dichte von 2,2 bis 2,7 g/cnr .Silicon is then nitrided at a maximum of 130o C 0 in a 90% nitrogen atmosphere to a body of porous silicon nitride having a density of-1.7 to 2.7 g / cnr. This body is then placed in a graphite mold and hot-pressed under a pressure of 280 kg / cm and at a temperature of 1750 ° C. onto the body of the final dimension and density. In another embodiment, the nitration is carried out in a modified form, first at 1250 ° C, whereupon the temperature is then increased to 14OO ° C and finally beta-phase silicon nitride is carried out at 1550 o C, the reaction of the silicon to be in the main. The porous body of low density is then coated with a release agent, placed in the graphite mold and hot-pressed at 280 kg / cm and 175O ° C to the desired object with a density of 2.2 to 2.7 g / cm.
Schließlich ist auch ein Verfahren zum Heißpressen von Siliumnitrid bei gleichzeitiger Umwandlung der «-Modifikation in die ß-Modifikation bekannt. Dazu wird iX-Silicumnitridpulver, enthaltend 2 % MgO, in eine Graphitform entsprechender Form gebracht und dann auf die angestrebte Dichte heißgepreßt. Dazu benötigt man Ί500 bis 18500C und einen Druck von 70 bis 350 kg/Finally, a method for hot pressing of silicon nitride with simultaneous conversion of the modification into the β modification is known. For this purpose, iX silicon nitride powder containing 2 % MgO is brought into a graphite mold of the appropriate shape and then hot-pressed to the desired density. For this you need Ί500 to 1850 0 C and a pressure of 70 to 350 kg /
cm . Sobald Temperatur und Druck erreicht sind, werden diese Verfahrensbedingungen zumindest noch 10 min für die Modifikationsänderung beibehalten. Man kann aber auch Siliciumnitridpulver zuerst auf die entsprechende Dichte heißpressen und dann noch erhitzen für die Modifikationsänderung, wofür dann kein Druck mehr erforderlich ist.cm. As soon as the temperature and pressure are reached, these process conditions are at least another 10 minutes for the modification change maintained. But you can also first hot-press silicon nitride powder to the appropriate density and then still heat for the modification change, which then no longer requires pressure.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Heißpreßverfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Siliciumnitrid hoher Dichte, wobei Siliciumnitrid aus der Λ-Modifikation in die ß-Modifikation während des Heißpressens übergeht. In der Hauptsache ix-Siliciumnitridpulver, gegebenenfalls im Gemisch mit üblichen Sinterhilfsmitteln oder Flußmitteln, wird in eine Heißpreßform aus Graphit eingebracht und langsam auf 15000C unter einem Druck, unter dem vollständige Verdichtung des Siliciumnitrids statt-The invention now relates to a hot-pressing process for the production of objects from high-density silicon nitride, silicon nitride changing from the Λ-modification to the ß-modification during hot pressing. In the main-silicon nitride powder ix, optionally in admixture with conventional sintering aids or fluxes is introduced into a hot press mold made of graphite and slowly to 1500 0 C under a pressure below the full densification of the silicon nitride Instead
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findet, ζ. B. zwischen Atmosphärendruck und 100 kg/cm^, vorzugsweise jedoch bei etwa 35 kg/cm . Diese Temperatur und der geringe Druck werden ausreichend lang aufrechterhalten, daß praktisch eine vollständige Umwandlung der Oi-Modifikation in die ß-Modifikation stattfinden kann. Dann wird die Temperatur bis auf 18500C und der Druck auf zumindest 140 kg/cm erhöht, wodurch man eine vollständige Verdichtung des ß-Siliciumnitrids erhält.finds, ζ. B. between atmospheric pressure and 100 kg / cm ^, but preferably at about 35 kg / cm. This temperature and the low pressure are maintained for a sufficiently long time that practically a complete conversion of the Oi -modification into the β-modification can take place. The temperature is then increased to 1850 ° C. and the pressure to at least 140 kg / cm, as a result of which the β-silicon nitride is completely densified.
Erfindungswesentlich ist, daß «-Siliciumnitrid zuerst in die ß-Modifikation umgewandelt wird ohne vollständige Verdichtung, woran sich dann erst die Verdichtung anschließt. Dies erreicht man durch eine Variation von Temperatur und Druck. Die Modifikationsänderung erreicht man ohne nennenswerter Verdichtung bis zu einem Druck von maximal 100 kg/cm bei 14OO°C bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur bis 1850°C bzw. entsprechenden Temperatur-Druck-Kombinationen. Die Verdichtung des ß-Siliciumnitrids erfolgt dann bei 1500 bis 1800°C bei einem DruckIt is essential to the invention that "silicon nitride first in the ß-modification is converted without complete compression, which is only followed by compression. Achieved this one by varying the temperature and pressure. The modification change is achieved without any significant compression up to a pressure of a maximum of 100 kg / cm at 14OO ° C at atmospheric pressure at a temperature of up to 1850 ° C or corresponding temperature-pressure combinations. The densification of the ß-silicon nitride then takes place at 1500 to 1800 ° C at one pressure
von zumindest 140 kg/cm .of at least 140 kg / cm.
Im Gegensatz zu dem oben abgehandelten Stand der Technik, wo zuerst die Verdichtung des Ausgangsmaterials und dann erst die Modifikationsänderung unter Druck stattfindet, wird erfindungsgemäß umgekehrt vorgegangen, nämlich ohne nennenwerter Verdichtung die Modifikationsänderung vorgenommen und erst anschließend in gewünschter Weise verdichtet. Das Hauptproblem bei diesem Stand der Technik ist, daß während der Modifkationsänderung unter Druck die kostspieligen Graphitformen häufig zu Bruch gehen, möglicherweise durch Volumenänderung des Siliciumnitrids durch die Phasenumwandlung.In contrast to the prior art discussed above, where first the compression of the starting material and only then the Modification change takes place under pressure, the procedure according to the invention is reversed, namely without any significant compression made the modification change and only then compressed in the desired manner. The main problem with this The prior art is that during the modification change under pressure, the expensive graphite molds often break go, possibly due to the change in volume of the silicon nitride due to the phase change.
Nicht notwendigerweise, jedoch vorzugsweise, soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Korngröße des angewandten Pulvers maximal etwa 3 /um betragen. Bekanntlich werden Produkte maximaler Festigkeit erreicht, wenn man von einem Pulver mit maximal 3 /um Korngröße ausgeht. Das Ausgangsmaterial sollte zu zu-Not necessarily, but preferably, should be in the inventive Process, the grain size of the powder used should be a maximum of about 3 μm. It is well known that products become more maximal Strength is achieved if you start from a powder with a maximum grain size of 3 / µm. The source material should be
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mindest 50 % ausd-Siliciumnitrid bestehen.consist of at least 50 % d-silicon nitride.
Für optimale Verfahrensweise nach der Erfindung sollte die Phasenumwandlung zwischen 1400 und 1750 0C /einem Druck von 0 bis 70 kg/cm2 in 30 bis 180 min stattfinden. Für die Verdichtung wird die Temperatur dann auf 1600 bis 1850 G und der Druck auf zumindest 140 kg/cm erhöht und die Gegenstände 10 bis 60 min unter diesen Bedingungen gehalten. Diese Verfahrensbedingungen können beträchtlich in beiden Richtungen variiert werden in Abhängigkeit von der Anwesenheit anderer Stoffe, wie Sinterhilfsmittel, der Dicke und der Form der herzustellenden Gegenstände,des Mengenanteils von tf-Modifkation gegenüber ß-Modifikation im Ausgangsmaterial und dergleichen.For an optimal procedure according to the invention, the phase change should take place between 1400 and 1750 0 C / a pressure of 0 to 70 kg / cm 2 in 30 to 180 minutes. For compaction, the temperature is then increased to 1600 to 1850 G and the pressure to at least 140 kg / cm, and the objects are kept under these conditions for 10 to 60 minutes. These process conditions can be varied considerably in both directions depending on the presence of other substances such as sintering aids, the thickness and shape of the articles to be produced, the proportion of tf-modification versus β-modification in the starting material and the like.
Die Erfindung wird an folgendem Beispiel weiter erläutert. Beispiel The invention is further illustrated by the following example. example
4 kg ^'-Siliciumnitrid und 120 g Magnesiumcarbonat wurden gemischt und das Gemisch in eine mit Wolframcarbid ausgekleidete Kugelmühle unter Verwendung von Wolframcarbidkugeln,8,5 bis 12,7 mm Durchmesser, eingebracht und mit 9 1 Isopropanol 16 h gemahlen, dann über ein 500 Maschensieb gesiebt und bei 900C getrocknet. Der erhaltene Kuchen wurde in einer Trommel mit Kautschukkugeln in 2 h zerkleinert.4 kg ^ '- silicon nitride and 120 g magnesium carbonate were mixed and the mixture was placed in a ball mill lined with tungsten carbide using tungsten carbide balls, 8.5 to 12.7 mm in diameter, and ground with 9 1 isopropanol for 16 hours, then over a 500 mesh screen sieved and dried at 90 0 C. The obtained cake was crushed in a drum with rubber balls in 2 hours.
2,254 kg dieses Gemisches wurden nun in eine Graphitform eingebracht, deren Formfläche mit Bornitrid ausgekleidet war. Die Form gestattete die Herstellung eines Formkörpers von 158,75 "x 158,75 mm. Die Form wurde vollständig zusammengebaut und der Inhalt dann nach folgendem Programm heißgepreßt:2.254 kg of this mixture were now placed in a graphite mold, whose mold surface was lined with boron nitride. The mold allowed a 158.75 "x to be made 158.75 mm. The mold was fully assembled and the Contents then hot-pressed according to the following program:
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a) Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 15000C innerhalb von 100 min unter einem Druck von 35 kg/cm ;a) temperature rise from room temperature to 1500 ° C. within 100 min under a pressure of 35 kg / cm;
b) Druck und Temperatur wurden 90 min aufrechterhalten;b) pressure and temperature were maintained for 90 minutes;
c) der Druck wurde alle 10 min um 17,5 kg/cm bis auf
210 kg/cm bei einer Temperatur von 15000C gesteigert;c) the pressure increased every 10 minutes by 17.5 kg / cm
210 kg / cm increased at a temperature of 1500 0 C;
d) der Druck von 210 kg/cm wird beibehalten und die Temperatur innerhalb von 40 min von 1500 auf 17400C erhöht;d) the pressure of 210 kg / cm is maintained and the temperature is increased from 1500 to 1740 ° C. within 40 minutes;
e) diese Bedingungen wurden etwa 25 min aufrechterhalten;e) these conditions were maintained for about 25 minutes;
f) Abkühlen und Entlasten der Form.f) cooling and relieving the mold.
Der erhaltene Formkörper obiger Dimension hat eine Dichte von 3,22 g/cnr , eine Querbiegefestigkeit von 9 103,5 kg/cm unter 4-Punkt-Belastung und bestand im wesentlichen vollständig aus ß-Siliciumnitrid.The molded body of the above dimensions obtained has a density of 3.22 g / cm3 and a transverse flexural strength of 9,103.5 kg / cm under 4-point loading and passed essentially completely made of ß-silicon nitride.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |