DE2855859C2 - Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Siliciumnitrid-Gegenstands - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Siliciumnitrid-GegenstandsInfo
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Description
55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Siliciumnitrid-Gegenstandes.
Siliciumnitrid wird derzeit unter keramischen Materialien als dasjenige mit den interessantesten Eigenschäften
zur Verwendung bei der Herstellung von Konstruktionskomponenten von Wärmekraftmaschinen,
d. h. Gasturbinen und dergleichen, angesehen. Das Heißpressen von Siliciumnitrid ergibt zwar ein Material
mit hohen mechanischen Eigenschaften, doch werden durch diese Methode Gegenstände mit komplexen
Gestalten nicht ohne weiteres erhalten. Weiterhin hat diese Methode nur eine begrenzte Produktionskapazität
Es sind daher schon verschiedene Untersuchungen über den Sinterungsprozeß von Siliciumnitrid begonnen
worden, um Siliciumnitrid mit hoher Festigkeit und hoher Dichte mit komplexen Formen auf kostengünstiger
Basis herzustellen.
Es ist bekannt, daß Siliciumnitrid eine Verbindung ist, die sehr schwierig zu sintern ist, was sowohl auf die
kovalente Natur ihrer Bindung als auch ihre thermische Instabilität bei Temperaturen oberhalb von 1500°C
zurückzuführen ist Um den Verdichtungsprozeß zu aktivieren, ist es notwendig, die Verbindung bei
Temperaturen von mehr als 1500°C zu behandeln, wodurch das Gleichgewicht:
Si3N4 <=>
3 Si + 2N2
(1)
in Richtung auf die Bildung der Elemente verschoben wird.
Bei 1700° C kann in Gegenwart von Stickstoff und bei
Atmosphärendruck der Gewichtsverlust des Si3N4-PuI-vers
in der Gegend von 20% pro h liegen.
Es sind mehrere Untersuchungen hinsichtlich der .Möglichkeit, diese Zersetzung einzuschränken, durchgeführt
worden. Positive Ergebnisse sind jedoch bis jetzt nur dann erhalten worden, wenn man in einer
Stickstoffatmosphäre und bei einem solchen Druck (100 at) arbeitet, daß sich das Gleichgewicht der
Reaktion (1) nach links verschieben kann (vgl. DE-OS 26 21 523).
Die Verdichtung kann auch in der Weise gefördert werden, daß man die Gründichte der zu sinternden
verdichteten Körper erhöht, indem man ein Pulver mit kleinerer Teilchengröße verwendet oder indem man
Sinteradditive einsetzt. Da Siliciumnitrid in reinem Zustand nicht ohne weiteres sinterbar ist, sind Additive
eingesetzt worden, um das Sintern zu fördern, welches gewöhnlich durch Bildung einer flüssigen Phase
geschieht. In dieser Hinsicht wird auf die Arbeit von G. E. Gazza »Sintered Silicon Nitride, Ceramics for
High Performance Applications-ll«, Proceeding of the
Fifth Army Materials Technology Conference, Newport, 21. bis 25. März 1977, Herausgeber ]. ]. Burke, E. N.
Lenoe und R. N. Katz, veröffentlicht in Zusammenarbeit mit dem Metals and Ceramics Information Center,
Columbus, Ohio, verwiesen. Herkömmliche Sinteradditive werden gewöhnlich aus Oxiden, wie MgO, Y2O3,
CeO2 BeO und Z2O2, Additiven auf der Grundlage von
Seltenen Erden, Spinel- und Nicht-Oxidadditiven, wie Mg3N2, AlN und Mg2Si, ausgewählt,
wie es in der obigen Arbeit gezeigt wird.
Genauso wie die Zersetzung des Si3N4 während der
Sinterungsbehandlung zu hemmen, ist es somit notwendig, die mögliche Entfernung oder Wiederverteilung der
Sinteradditive innerhalb des Si3N4 zu kontrollieren.
Letztere bilden im allgemeinen flüssige Phasen bei der Behandlungstemperatur, welche einerseits teilweise
aufgrund des Dampfdruckes entfernt werden können und welche auf der anderen Seite sich mit dem freien
Silicium, das durch Zersetzung des Si3N4 erzeugt wird,
umsetzen können und sich in nicht-homogener Weise in dem Material wiederverteilen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sinterprozeß zur Verfügung zu stellen, bei dem die thermische Zersetzung
des Si3N4 bei der Sinterungstemperatur begrenzt
ist, ohne daß es notwendig ist, einen höheren Druck als Atmosphärendruck anzuwenden, und bei dem Bedingungen
vorliegen, die es gestatten, daß Sinterprodukte mit hoher Dichte und Strukturhomogenität erhalten
werden können.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Siliciumnitrid-Gegenstands,
wobei man einen reaktionsgebundenen verdichteten Siliciumnitrid-Körper in einer Stickstoffgasatmosphäre
bei im wesentlichen Atmosphärendruck sintert, 1 während der verdichtete Körper in ein Schutzpulver
eingebettet ist, welches Siliciumnitrid, Bornitrid oder ein
Gemisch aus Siliciumnitrid und Bornitrid und ein oder mehrere Sinteradditive für Siliciumnitrid enthält, wobei
die Additive in dem Schutzpulver in einer Menge von 3 bis 20 Gew.-% vorhanden sind.
Ein Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, den reaktionsgebundenen
verdichteten Si3N4-Körper, der gesintert werdei. soll, in
einem Schutzpulver eines speziellen Typs und mit geeigneter Zusammensetzung einzubetten. Obgleich
hierdurch keine Bindung an eine Theorie hinsichtlich des Reaktionsmechanismus erfolgen soll, kann doch
angenommen werden, daß sich das Pulver während der Verdichtungsbehandlung teilweise zersetzt und verdampft,
wodurch eine ^-Atmosphäre um den verdichteten Körper herum gebildet wird und Dampf- oder
Flüssigphasen gebildet werden, die in den verdichteten Körper hineindiffundieren oder die verhindern, daß
ähnliche Phasen, die in dem verdichteten Körper vorhanden sind, in Richtung auf die Oberfläche
diffundieren, indem die Poren gefüllt werden oder indem Konzentrationsgradienten kompensiert werden,
die durch Verdampfung oder chemische Reaktionen bedingt sind.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Verwendung des Schutzpulvers, bestehend aus Siliciumnitrid und/oder
Bornitrid, die Kontrolle der thermischen Dissoziationsreaktion des S13N4 während der Behandlung im
Temperaturbereich von 1600 bis 20000C möglich macht.
Die so erhaltenen Materialien haben jedoch eine geringe Gleichförmigkeit des Aussehens und sie haben
strukturelle und/oder chemische Diskontinuitäten zwischen dem Kern und der Außenoberfläche.
Eine erfinderische Maßnahme liegt darin, daß als Schutzpulver S13N4 oder BN oder ein Gemisch aus S13N4
und BN verwendet wird, welches ein oder mehrere herkömmliche Sinteradditive enthält, die zum Aktivieren
des Verdichtungsprozesses verwendet werden. Hierdurch wird die thermische Zersetzung des Si3N4
begrenzt und in manchen Fällen praktisch vernachlässigbar gemacht. Es werden gesinterte Materialien
erhalten, die strukturell und chemisch homogen sind.
Alle beliebigen herkömmlichen Sinteradditive können für diesen Zweck verwendet werden. Bevorzugte
Additive sind MgO, Y2O3. CeO2, ZrO2, BeO, Mg3N2 und
AlN. Weitere Beispiele für geeignete Additive sind Mg2Si, Spinele, wie MgAl2O-I, und Additive auf der
Grundlage von Seltenen Erden, wie z. B. La2O3.
Obgleich dieses Element nicht unter die herkömmlichen Sinteradditive eingeordnet wird, kann auch mit Vorteil
Fe als Additiv bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, und zwar im Gemisch mit herkömmlichen Additiven,
wie MgO, Y2O3 und CeO2, verwendet werden.
Das Schutzpulver kann auch Trennmittel, ausgewählt aus feuerbeständigen Materialien, enthalten. Da BN als
Trennmittel wirkt, besteht das Pulver vorzugsweise aus Si3N4, BN und Additiven, obgleich auch ein Pulver mit
Vorteil verwendet werden kann, das im wesentlichen aus S13N4 und Additiven besteht.
Die Menge der Additive in dem Schutzpulver beträgt normalerweise 3 bis 20 Gew.-%, wobei bevorzugte
Werte im allgemeinen 5 bis 15 Gew.-% betragen. Beste Ergebnisse werden im allgemeinen mit Werten in der
Gegend von 5 bis 10% erhalten, wobei die geeignetsten Werte auch von der Natur des zu sinternden
Siliciumnitrids abhängen. Weiterhin werden die besten Ergebnisse im allgemeinen dann erhalten, wenn man
MgO als Additiv entweder für sich oder im Gemisch mit anderen Additiven, wie Y2O3, verwendet
Der verdichtete Siliciumnitrid-Körper kann in das
Pulver eingebettet werden, indem man den verdichteten Körper auf eine Schicht eines Pulvers auflegt, die in den
Behälter (im allgemeinen ein Graphit-, S13N4- oder SiC-Tiegel) eingebracht worden ist, und indem man
diesen sodann vollständig mit dem Pulver bedeckt Das Pulver sollte vorzugsweise eine homogene Dichte und
eine gleichförmige Zusammensetzung um den verdichteten Körper herum haben.
Der Behälter, der mit einem Deckel verschlossen ist,
wird sodann im allgemeinen mit Stickstoff gespült, um die Gase zu entfernen, die in dem Schutzpulver und in
der Grenzfläche zwischen diesem und dem verdichteten Körper eingefangen sind, bevor die Sinterungsbehandlung
durchgeführt wird. Die Entgasungsbehandlung kann bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Es
ist auch möglich, die Entgasung in der Weise durchzuführen, daß man einen Unterdruck (z. B.
0,133 Pa) anwendet und sodann mit Stickstoff spült, während man den Druck allmählich auf Atmosphärendruck
bringt Die Entgasung kann in herkömmlicher Weise durchgeführt werden, während man allmählich
den verdichteten Körper auf die Sinterungstemperatur bringt Gewünschtenfalls kann eine Reihe von Vakuum-
und Spülbehandlungen durchgeführt werden.
Die Sinterungsbehandlung wird in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, wobei der Druck im wesentlichen
Atmosphärendruck ist. Die anderen Sinterungsbedingungen weichen nicht wesentlich von denjenigen ab,
die herkömmlicherweise angewendet werden. Die Sinterungstemperatur geht im allgemeinen nicht über
2000° C hinaus und beträgt vorzugsweise 1600 bis 19000C. Beste Ergebnisse werden im allgemeinen bei
Temperaturen in der Gegend von 18000C erhalten. Die Sinterungszeit liegt im allgemeinen in der Gegend von
0,5 bis 6 h.
Der zu sinternde reaktionsgebundene Siliciumnitrid-Körper
kann ein oder mehrere Sinteradditive, ausgewählt aus der Gruppe herkömmlich verwendeter Mittel,
wie z. B. MgO, Y2O3. CeO2, ZrO2, BeO, Mg3N2, Mg2Si,
AIN, MgAI2O4, BeiN2 und La2O3, enthalten. Wie im Falle
der äußeren Additive, die in dem Schutzpulver vorhanden sind, ist es möglich. Gemische von Fe mit
herkömmlichen Additiven zu verwenden. Beste Ergebnisse werden im allgemeinen erhalten, wenn man ein
Gemisch aus MgO und Y2O3 verwendet.
Diese inneren Additive werden im allgemeinen in Mengen verwendet, die nicht über 20 Gew.-%, bezogen auf den verdichteten Körper, hinausgehen. Im allgemeinen werden Mengen von 1 bis 12Gew.-°/o verwendet, wobei beste Ergebnisse im allgemeinen mit Mengen von 5 bis 10Gew.-% erhalten werden. Die am besten geeigneten Mengen hängen auch von der Menge des äußeren Additivs ab, die in dem Schutzpulver enthalten ist. Wenn daher das äußere Additiv in niedrigen Mengen verwendet wird, dann wird es im allgemeinen bevorzugt, etwas höhere Mengen der inneren Additive zu verwenden. Wenn das innere Additiv in niedrigen Mengen verwendet wird oder wenn es in dem verdichteten Körper fehlt, dann ist es im allgemeinen vorzuziehen, etwas höhere Mengen der äußeren
Diese inneren Additive werden im allgemeinen in Mengen verwendet, die nicht über 20 Gew.-%, bezogen auf den verdichteten Körper, hinausgehen. Im allgemeinen werden Mengen von 1 bis 12Gew.-°/o verwendet, wobei beste Ergebnisse im allgemeinen mit Mengen von 5 bis 10Gew.-% erhalten werden. Die am besten geeigneten Mengen hängen auch von der Menge des äußeren Additivs ab, die in dem Schutzpulver enthalten ist. Wenn daher das äußere Additiv in niedrigen Mengen verwendet wird, dann wird es im allgemeinen bevorzugt, etwas höhere Mengen der inneren Additive zu verwenden. Wenn das innere Additiv in niedrigen Mengen verwendet wird oder wenn es in dem verdichteten Körper fehlt, dann ist es im allgemeinen vorzuziehen, etwas höhere Mengen der äußeren
■ Additive zu verwenden. Die inneren Additive können mit den äußeren Additiven identisch sein oder davon
verschieden sein. Es wird jedoch im allgemeinen bevorzugt, identische Additive zu verwenden oder ein
Gemisch einzusetzen, das mindestens eines derjenigen Additive enthält, die in dem Schuizpulver verwendet
werden.
Das zu sinternde Material besteht aus einem reaktionsgebundenen Siliciumnitrid. Bekanntlich wird
reaktionsgebundenes Siliciumnitrid im allgemeinen >n der Weise hergestellt, daß man Siliciumpulver zu einem
verdichteten Körper mit der gewünschten Gestalt und Dichte (im allgemeinen von mindestens 1,3 g/cm3 und
vorzugsweise mindestens 1,5 g/cm3) verformt. Der verdichtete Körper wird sodann im allgemeinen bei
1350 bis 14500C nitridiert, wodurch eine entsprechende
Erhöhung der Dichte ohne wesentliche Dimensionsveränderung erfolgt Auf diese Weise wird ein reaktionsgebundenes
Material erhalten, das im allgemeinen eine Dichte von mindestens 2,2 g/cm3 und typischerweise in
der Größenordnung von 2,5 bis 2,6 g/cm3 hat. Dichten* von mehr als 2,7 g/cm3 sind ungeachtet der Ausgangsdichte
des verdichteten Silieiumkörpers und den Nitridierungsbedingungen schwierig zu erhalten. Dieses
reaktionsgebundene Material kann mit Vortei1 dem erfindungsgemäßen Sinterungsprozeß unterworfen
werden, wodurch ein Material mit verbesserter Festigkeit und Dichte erhalten wird, wobei die
Enddichte nahe an dem theoretischen Wert (3,18 g/cm3) liegt.
Die Verdichtung des Siliciumpulvers und die Nitrierhärtung
kann nach bekannten Methoden durchgeführt werden. In dieser Hinsicht wird auf R. W. Ohnsorg
»Reaction Bonded Si3N4, Preparation and Properties«,
The American Ceramic Society Spring Meeting, Washington, D. C, 9. Mai 1972, und RL. Riley
»Nitridation and Reaction Bonding, Nitrogen Ceramics«, Noordhoff International Publishing, Leyden, The
Netherlands, 1977, verwiesen. Im allgemeinen hat das Siliciumpulver eine Teilchengröße von 0,1 bis 44 μπι,
wobei beste Ergebnisse im allgemeinen bei niedrigen Größen erhalten werden.
Das Siliciumpulver kann geringe Mengen von herkömmlichen Nitrierhärtungskatalysatoren enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden auch ein oder mehrere Sinteradditive, wie vorstehend
beschrieben, zu dem Siliciumpulver gegeben, das in das reaktionsgebundene Material umgewandelt werden soll.
Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile mit
sich bringt:
Es ist möglich, verdichtete Si3N4-Körper zu sintern,
ohne daß eine wesentliche thermische Zersetzung während der Behandlung erfolgt.
Es werden Sinterofen verwendet, die bei Almosphärendruck
arbeiten, ohne daß die Notwendigkeit besteht, Autoklaven zu verwenden.
Sowohl in struktureller Hinsicht als auch in chemischer Hinsicht werden homogene gesinterte
Gegenstände erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf Komponenten mit jeder Gestalt und Größe anwendbar.
Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.
Es wurde ein reaktionsgebundener verdichteter Körper aus Siliciumnitrid (Zylinder mit einer Höhe von
10 cm und einem Durchmesser von 5 cm) mit der folgenden, auf das Gewicht bezogenen Zusammensetzung
verwendet: 91 % Si3N4,8% Y2O3 und 1 % MgO.
Der verdichtete Körper wurde in ein Schutzpulver mit folgender, auf das Gewicht bezogener Zusammen-Setzung
eingebettet: 50% Si3N4, 45% BN, 5% MgO.
Dieses Pulver wurde durch Vermischen bei feuchten Bedingungen und nachfolgendes Trocknen hergestellt
Das Einpacken wurde in der Weise durchgeführt, daß eine erste Schicht des Pulvers in einen Graphittiegel
eingebracht wurde, daß der verdichtete Körper auf diese Schicht aufgebracht wurde und daß er sodann
vollständig mit dem Pulver bedeckt wurde, wobei darauf geachtet wurde, daß das Pulver eine homogene Dichte
und eine gleichförmige Verteilung um den verdichteten Körper herum hatte. Der Behälter, der mit einem
Graphitdeckel verschlossen war, wurde im Vakuum (0,15 Pa) entgast und mit Stickstoff gespült, um die Gase
zu entfernen, die in dem Schutzpulver und in der Grenzfläche zwischen diesem und dem verdichteten
Körper eingefangen waren. Der Druck wurde auf 0,99 · 105 Pa gebracht und die Temperatur wurde unter
Durchleiten von reinem Stickstoff allmählich auf die Sinterungstemperatur gebracht.
Die Sinterungsbehandlung wurde bei 1800° C 4 h lang durchgeführt, wobei der Stickstoffdruck so eingestellt
wurde, daß er konstant beim Anfangswert gehalten wurde.
Der gesinterte verdichtete Körper hatte im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung und die folgenden
Eigenschaften:
Dichte
Gesamtporosität
Röntgenanalyse
Röntgenanalyse
Biegefestigkeit bei 25° C
Oxidation in statischer Luft
nach 100 h bei 13000C
135O0C
nach 100 h bei 13000C
135O0C
3,20 g/cm3
2%
J34
amorph, Spuren von
SiC und FeSi2
981 N/mm*
0,90 mg/cm* 5,20 mg/cm2
Ein Gemisch, bestehend aus 90 Gew.-% Silicium mit einer maximalen Korngröße von 44 μπι und einer
durchschnittlichen Korngröße von 5 μπι, 5 Gew.-% MgO und 5 Gew.-% Y2O3, wurde durch kaltes
isostatisches Pressen in Kautschukbehältern bei einem Druck von 2500 kg/cm2 zu Zylindern (Durchmesser =
30 mm, Höhe = 45 mm. Dichte = 67% der Theorie) verformt.
Diese Proben wurden in einem Graphitwiderstandsofen in strömendem Stickstoff (5 l/min) 100 h lang
nitriergehärtet, wobei die Temperatur allmählich von 1100 auf 1390° C mit Halteperioden bei Zwischentemperaturen
gebracht wurde.
Das so erhaltene Material hatte eine Dichte von 2,55 bis 2,6 g/cm3 (80% der Theorie), wobei das Si3N4
vorwiegend in der «-Form (> 80%) vorlag.
Die Proben wurden einer Sinterungsbehandlung bei 18000C variierende Zeiten von 1 bis 3 h in einem
Graphitbehälter unterworfen, wobei ein Schutzpulver mit folgender, auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung
verwendet wurde: 69% Si3N4, 30% BN, 5%
MgO und 5% Fe. Als die Probe in dem Pulver eingebettet war, wurde ein Vakuum (0,13 Pa) angelegt,
während die TemDeratur auf 11000C gebracht wurde.
Sodann wurde Stickstoff durchgeleitet und der Druck wurde auf 0,66 · 105 Pa gebracht. Die Temperatur
wurde sodann allmählich auf 18000C gebracht, während der Druck auf 0,99-105Pa gebracht wurde. Die
gesinterte Probe wurde in einer Stickstoffatmosphäre abgekühlt.
Die so gesinterten Proben hatten die folgenden Eigenschaften:
Dichte
Röntgenanalyse
Röntgenanalyse
Porosität
Biegefestigkeit bei 25° C
Biegefestigkeit bei 25° C
2,95 bis 3,1 g/cm3
/Si3N4
Spuren von Silicaten
und Oxostickstoff-
verbindungen
539 bis 637 N/mm*.
Proben von reaktionsgebundenem Siliciumnitrid mit der gleichen Dichte, Struktur und Größe wie im
Beispiel 2 wurden wie im Beispiel 2 aus Sihciumpulver, das 5Gew.-°/o MgO und 2Gew.-°/o Fe enthielt,
hergestellt.
Wie im Beispiel 2, wurden die Proben 1 bis 3 h lang bei 1700 bis 1800°C gesintert, wobei ein Schutzpulver
mit folgender, auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50% Si3N4,45% BN und 5%
MgO. Die so erhaltenen gesinterten Proben hatten die folgenden Eigenschaften:
Dichte
Röntgenanalyse
Röntgenanalyse
Porosität
Biegefestigkeit bei 250C
Biegefestigkeit bei 250C
2,85 bis 2,95 g/cm3
/Si3N4
Spuren von Silicaten
und Oxostickstoff-
verbindungen
441 bis 539 N/mm2
Proben von reaktionsgebundenem Siliciumnitrid mit der gleichen Dichte, Struktur und Größe wie im
Beispiel 2 wurden wie im Beispiel 2 aus einem Siliciumpulver, das 5 Gew.-% Y2O3 und 2 Gew.-% Fe
enthielt, hergestellt
Wie im Beispiel 2 wurden die Proben 2 h lang bei 18000C gesintert, wobei ein Schutzpulver mit folgender,
auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50% Si3N4,40% BN, 5% MgO und 5% Y2O3.
Die so hergestellten gesinterten Proben hatten die folgenden Eigenschaften:
Dichte 3,05 g/cm3
Röntgenanalyse /Si3N4
Spuren von Silicaten und Oxostickstoffverbindungen
Porosität <5%
Biegefestigkeit bei 25°C 588 N/mm2
Proben von reaktionsgebundenem Siliciumnitrid mit der gleichen Dichte, Struktur und Größe wie im
Beispiel 2 wurden wie im Beispiel 2 aus Siliciumpulver, das 8 Gew.-% CeO2 und 2 Gew.-% Fe enthielt,
hergestellt.
Wie im Beispiel 2, wurden die Proben 2 h lang bei 18000C gesintert, wobei ein Schutzpulver mit folgender,
auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50% Si3N4,40% BN, 5% MgO und 5% CeO2.
Die gesinterten Proben hatten die folgenden Eigenschaften:
Dichte
Röntgenanalyse
Röntgenanalyse
2,9 g/cm3
/Si3N4
Spuren von Silicaten
und Oxostickstoff-
verbindungen
Porosität
Biegefestigkeit bei 250C
Biegefestigkeit bei 250C
294 N/mm!
Wie im Beispiel 2, wurde ein parallelflächiger Körper (5-5-20 mm) aus reaktionsgebundenem Siliciumnitrid,
das hauptsächlich in «-Form vorlag und eine Dichte von 2,37 g/cm3 hatte, 1 h lang bei 1800° C gesintert,
wobei ein Schutzpulver mit folgender, auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50%
Si3N4, 45% BN und 5% MgO. Das MgO halte eine
spezifische Oberfläcne von etwa 35 m2/g. Die gesinterte Probe hatte die folgenden Eigenschaften:
Dichte
lineare Schrumpfung
Gewichtsabweichung
Röntgenanalyse
Mg-Gehalt
3,01 g/cm3 6,9% + 0,1%
/Si3N4
Spuren von FeSi2,
Si und SiC
0,75%.
Wie im Beispiel 2, wurde ein parallelflächiger Körper (44 ■ 18 · 8 mm) aus handelsüblichen reaktionsgebundenen
Siliciumnitrid mit einer Dichte von 2,47 g/cm3 3 h bei 18000C gesintert, wobei ein Schutzpulver mit
folgender, auf das Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50% Si3N4, 45% BN und 5%
MgO mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 35jn2/g.
Die gesinterte Probe hatte die folgenden Eigenschaften:
Dichte
lineare Schrumpfung
Gewichtsabweichung
Röntgenanalyse
3,05 g/cm3
6%
+0,9%
Spuren von FeSi, Si und SiC
Mg-Gehalt 0,9%.
Ein parallelflächiger Körper (5-5-20 mm) aus
reaktionsgebundenem Si3N4 mit einer Dichte von
230 249/394
2,54 g/cm3 wurde 1 h lang bei 1800°C gemäß Beispiel 2 gesintert, wobei ein Schutzpulver mit folgender, auf das
Gewicht bezogener Zusammensetzung verwendet wurde: 50% Si3N4, 45% BN und 5% Mg3N2 mit einer
spezifischen Oberfläche von 1,4 mVg.
Das gesinterte Material hatte die folgenden Eigenschaften:
Dichte 2,93 g/cm3
lineare Schrumpfung 2,8%
Gewichtsabweichung +0,23%
Mg-Gehalt 0,90%
Der Versuch des Beispiels 8 wurde wiederholt, wobei eine Sinterungsperiode von 5 h angewendet wurde. Das
gesinterte Material hatte die folgenden Eigenschaften:
Dichte | 3,01 g/cm3 |
lineare Schrumpfung | 6,5% |
Gewichtsabweichung | keine |
Mg-Gehalt | 1% |
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Siliciumnitrid-Gegenstandes durch Sinterung eines
mit einem Schutzpulver umgebenen verdichteten Siliciumnitrid-Körpprs in einer Stickstoffatmosphäre,
dadurch gekennzeichnet, daß man einen reaktionsgebundenen verdichteten Siliciumnitrid-Körper
in einer Stickstoffatmosphäre bei im wesentlichen Atmosphärendruck sintert, während
der verdichtete Körper in ein Schutzpulver eingebettet ist, welches Siliciumnitrid, Bornitrid oder ein
Gemisch aus Siliciumnitrid und Bornitrid und ein oder mehrere Sinteradditive für Siliciumnitrid
enthält, wobei die Additive in dem Schutzpulver in einer Menge von 3 bis 20 Gew.-°/o vorhanden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu sinternde reaktionsgebundene
Siliciumnitrid-Körper gleichfalls ein oder mehrere Sinteradditive in einer Menge von höcnstens
20 Gew.-°/o enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Körper eine
Dichte von mindestens 2,2 g/cm3 hat
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinteradditive aus der Gruppe MgO, Y2O3, CeO2, ZrC>2,
BeO, Mg3N2, AlN, Mg2Si, MgAl2O4, La2O3 und Fe
ausgewählt sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß Fe als Sinteradditiv im
Gemisch mit herkömmlichen Additiven, wie MgO, Y2O3 und CeO2, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schutzpulver 5 bis i5 Gew.-% Sinteradditive umfaßt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete
Körper 1 bis 12Gew.-% Sinteradditive enthält.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Sintern bei einer Temperatur, die nichi über 2000°C hinausgeht, durchführt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Sintern bei einer Temperatur von 1600 bis 1900° C durchführt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Schutzpulver vor der Sinterbehandlung entgast.
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