DE2854208B1

DE2854208B1 - Verfahren zum Nitrieren von Siliziumkoerpern

Info

Publication number: DE2854208B1
Application number: DE19782854208
Authority: DE
Inventors: Gerhard Andrees
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1980-01-24
Also published as: FR2444087A1; GB2038299A; DE2854208C2; JPS5585409A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nitrieren von Siliziumkörpern unter Zufuhr von Stickstoff zu diesen bei Temperaturen zwischen einer unteren Grenztemperatur von 1100° C und einer oberen Grenztemperatur von vorzugsweise 1450° C.

Bei der Herstellung von reaktionsgebundenen SijN₄-Teilen werden gemäß einem bekannten Verfahren von der vorstehend beschriebenen Gattung »Grünlinge« aus Silizium in einer N2-H2-Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 1100 und 1450°C nitriert. In den meisten Fällen soll dabei eine möglichst hohe Enddichte des Siliziumnitrids erreicht werden. Da im Verlauf des Nitrierprozesses infolge der Stickstoffaufnahme die Dichte der Siliziumkörper steigt, ohne daß sich dabei die äußeren Abmessungen verändern, »wächst« das Material in die vorhandenen Poren hinein. Bei zu hoher Rohdichte werden die Poren teilweise oder auch vollständig geschlossen, und der weitere Stickstoffzutritt wird stark erschwert oder vollkommen unmöglich. Die bei dem bekannten Nitrierverfahren maximal erreichbaren Dichte der Nitridteile liegt bei etwa 2,7 g/'cm^J. Dieser Wert liegt also beträchtlich niedriger als die theoretische Dichte des Siliziumnitrids von 3,18 g/cm³. Dementsprechend haben nach dem bekannten Verfahren nitrierte Siliziumkörper noch nicht zufriedenstellende Materialeigenschaften, wie Biegebruch- und Zugfestigkeit.

Ferner kann man mittels des bekannten Nitrierverfahrens wegen der abnehmenden Stickstoffdiffusion bei in vernünftigen Grenzen liegenden Nitrierzeiten nur Wandstärken bis maximal 10 bis 12 mm nitrieren. Im übrigen ist die zum Nitrieren einer bestimmten Wandstärke erforderliche Nitrierdauer bei dem bekannten Verfahren relativ lang.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Verfahren der hier zur Rede stehenden Gattung zum Nitrieren von Siliziumkörpern zu schaffen, welches die Nachteile des bekannten Nitrierverfahrens vermeidet und insbesondere eine höhere erzielbare Siliziumnitriddichte und entsprechend verbesserte Materialeigenschaften der nitrierten Siliziumkörper ergibt und bei welchem auch größere Wandstärken in vergleichsweise kurzen Nitrierzeiten vollständig nitrierbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den zu nitrierenden Siliziumkörper derart mit einem Temperaturgradienten beaufschlagt, daß zunächst nur eine dünne Schicht an einer Oberfläche des Siliziumkörpers die untere Grenztemperatur erreicht, und daß man die die untere Grenztemperatur aufweisende Schicht langsam in Richtung auf die entgegengesetzte Oberfläche des Siliziumkörpers wandern läßt, wobei man ständig Stickstoff von der noch nicht nitrierten kalten Seite des Siliziumkörpers aus zuführt.

Die Erfindung macht sich auf besonders vorteilhafte Weise die Tatsache zunutze, daß die Reaktion von Silizium mit Stickstoff zu Siliziumnitrid erst bei etwa 1100°C in Gang kommt. Wird nun erfindungsgemäß der zu nitrierende Siliziumkörper derart mit einem Temperaturgradienten beaufschlagt, daß zunächst nur eine dünne Schicht an einer Körperoberfläche diese Grenztemperatur erreicht, so wird zunächst nur diese Schicht nitriert. Läßt man danach kontinuierlich die heiße Zone langsam durch den SiliziumkörpeY wandern und sorgt zugleich für eine ständige Stickstoffzufuhr von der kalten Seite her, so können auch Teile mit hohen Rohdichten noch vollständig nitriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit immer praktisch ein Erreichen der theoretischen Dichte des Siliziumnitrids. Erfindungsgemäß nitrierte Siliziumkörper weisen daher optimale Materialeigenschaften, wie Biegebruch- und Zugfestigkeit, auf. Ferner werden durch die Erfindung die Nitrierzeiten, vor allem für dickwandige Siliziumkörper, stark reduziert, und die nitrierbaren maximalen Wanddicken werden merklich erhöht.

Die verfahrenstechnische Durchführung des erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens läßt sich gut der Form der zu nitrierenden Siliziumkörper anpassen. Dies ergibt sich aus den nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anwendung bei verschiedenen Siliziumkörper- Formen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche sich insbesondere zum Nitrieren flacher Siliziumkörper eignet, lagert man den flachen Siliziumkörper in einem Nitrierofen mit entsprechender Leistung auf einem

ORIGINAL INSPECTED

Kühlgitter derart, daß die dem Kühlgitter entgegengesetzte Oberfläche des Siliziumkörpers eine Temperatur von höchstens 1250°C erreicht, und die Kühlung durch das Kühlgitter wird mit fortschreitender Nitrierdauer zunehmend gedrosselt und schließlich abgeschaltet. Bei 5 dieser Verfahrensausführung erreicht man das erfindungsgemäße Wandern der erhitzten Nitrierzone innerhalb des zu nitrierenden Siliziumkörpers mit besonders einfachen Mitteln, nämlich lediglich dem Drosseln der Kühlung durch das Kühlgitter.

Bei einer anderen ebenfalls besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens, welche sich insbesondere zum Nitrieren langer Siliziumkörper eignet, erhitzt man den langen Siliziumkörper an einem Ende beginnend örtlich durch Induktion auf Nitriertemperatur, und man verschiebt unter Zufuhr von Stickstoff von der kalten Seite aus zur erhitzten Zone diese durch Verschieben der Induktionsspule parallel zur Längsachse in Richtung auf das andere Ende. Mit Hilfe dieser Verfahrensausbildung lassen sich auf wirtschaftliche Weise Siliziumkörper auch größter Längen nitrieren, für weiche die Anwendung von entsprechend großen Nitrieröfen unrentabel wäre.

Bei einer insbesondere zum Nitrieren von Silizium-Hohlkörpern, wie Rohren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens ordnet man den Silizium-Hohlkörper in einem Nitrierofen mit entsprechender Leistung an, und man kühlt den Silizium-Hohlkörper von dessen innerer Oberfläche aus mitteis den Hohlraum durchströmenden Stickstoffs. Bei dieser Verfahrensausführung ergibt sich der besondere Vorteil, daß der zum Nitrieren verwendete Stickstoff gleichzeitig die zum Erreichen des Temperaturgradienten erforderliche Kühlung des Silizium-Körpers bewirkt.

Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß grundsätzlich auch für andere, vorstehend nicht im Einzelnen aufgeführte Siliziumkörper-Formen diesen jeweils angepaßte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens denkbar sind. Selbstverständlich fallen auch diese Verfahrensvarianten in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.

Generell sei noch erwähnt, daß die Auswahl der jeweils günstigsten Verfahrensbedingungen, insbesondere hinsichtlich des Aufbringens des Temperaturgradienten, der Höhe des Temperaturgefälles und der Verschiebungsgeschwindigkeit der erhitzten Nitrierzone immer von der jeweiligen Siliziumkörper-Form und den vorliegenden Abmessungen des betreffenden Silizium-Körpers abhängt. Diese Verfahrensbedingungen lassen sich jedoch vom Fachmann für die einzelnen Anwendungsfälle jeweils in kurzen Vorversuchen leicht ermitteln.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nitrieren von Siliziumkörpern unter Zufuhr von Stickstoff zu diesen bei Temperaturen zwischen einer unteren Grenztemperatur von 1100° C und einer oberen Grenztemperatur von vorzugsweise 1450°C, dadurch gekennzeichnet, daß man den zu nitrierenden Siliziumkörper derart mit einem Temperaturgradienten beaufschlagt, daß zunächst nur eine dünne Schicht an einer Oberfläche des Siliziumkörpers die untere Grenztemperatur erreicht, und daß man die die untere Grenztemperatur aufweisende Schicht langsam in Richtung auf die entgegengesetzte Oberfläche des Siliziumkörpers wandern läßt, wobei man ständig Stickstoff von der noch nicht nitrierten kalten Seite des Siliziumkörpers aus zuführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Nitrieren flacher Siliziumkörper, dadurch gekennzeichnet, daß man den flachen Siliziumkörper in einem Nitrierofen mit entsprechender Leistung auf einem Kühlgitter lagert derart, daß die dem Kühlgitter entgegengesetzte Oberfläche des Siliziumkörpers eine Temperatur von höchstens 1250° C erreicht, und mit fortschreitender Nitrierdauer die Kühlung durch das Kühlgitter zunehmend gedrosselt und schließlich abgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Nitrieren langer Siliziumkörper, dadurch gekennzeichnet, daß man den langen Siliziumkörper an einem Ende beginnend örtlich durch Induktion auf Nitriertemperatur erhitzt und unter Zufuhr von Stickstoff von der kalten Seite aus zur erhitzten Zone diese durch Verschieben der Induktionsspule parallel zur Längsachse in Richtung auf das andere Ende verschiebt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Nitrieren von Silizium-Hohlkörpern, wie Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß man den Silizium-Hohlkörper in einem Nitrierofen mit entsprechender Leistung anordnet und den Silizium-Hohlkörper von dessen innerer Oberfläche aus mittels den Hohlraum durchströmenden Stickstoffs kühlt.