DE2933373C2

DE2933373C2 - Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus Siliziumnitrid durch isostatisches Pressen, wobei der vorgeformte Körper in einer Hülle aus Glas eingeschlossen ist

Info

Publication number: DE2933373C2
Application number: DE2933373A
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. Adlerborn; Hans Dipl.-Ing. Larker; Jan Dipl.-Ing. Robertsfors Nilsson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1978-08-29
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1982-08-12
Also published as: IT7968722A0; FR2434791B1; GB2031466B; US4256688A; SE413400B; GB2031466A; JPS5532797A; JPS6245195B2; DE2933373A1; FR2434791A1; SE7809075L; IT1125950B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus Siliziumnitrid gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Bei der Herstellung von Gegenständen aus Siliziumnitrid durch Zusammensintern von Pulver unter Anwendung isostatischen Pressens ist es zweckmäßig, das Pulver zu einem handhabbaren Pulverkörper vorzuformen. Dies kann dadurch geschehen, daß das Pulver, beispielsweise in einer geschlossenen Kapsel aus nachgiebigem Material, wie z. B. einer Kunststoffkapsel, kompaktiert wird. Die Kontaktierung erfolgt vorzugsweise ohne Bindemittel bei einem Druck von mindestens 100 MPa und Raumtemperatur oder einer anderen Temperatur, die wesentlich unter der Sintertemperatur beim Zusammenpresssen liegt. Danach kann dem Körper durch Werkzeugmaschinenbearbeitung die gewünschte Form gegeben werden. Für die Verformung kann man u. a. auch herkömmliche Techniken zur Herstellung keramischen Guts anwenden. Hierbei wird meistens das Siliziumnitridpulver vor dem Formen mit einem temporören Bindemittel, z. B. Methylzellulose, Zellulosenitrat, einem AkrylatbindemiUel, einem Wachs oder einer Mischung von Wachsen gemischt. Das Bindemittel wird nach dem Vorformen durch Erhitzung entfernt, so daß der vorgeformte Pulverkörper praktisch frei von Bindemittel ist.

Wenn der vorgeformte Pulverkörper bei Sintertemperatur isostatisch gepreßt wird, dann muß er, um ein dichtes, gesintertes Produkt zu erzielen, in eine Hülle eingeschlossen sein, die während des Pressens das dabei verwendete Druckmittel, normalerweise ein Gas, daran hindert, in den Pulverkörper einzudringen. Die Hülle, die genau wie ihr Inhalt während eines Fertigungsvorgangs vor dem Verschließen von unerwünschten Gasen befreit wird, muß beim Pressen auch eine genügend hohe Festigkeit oder Viskosität haben, damit sie nicht selbst in die Poren des Pulverkörpers hineingedrückt wird. Wenn man als Hülle eine vorgeformte Kapsel aus Glas wählt, das hochschmelzend sein muß, um bei der hohen Sintertemperatur nicht wegzurinnen oder in den Pulverkörper einzudringen, so kann man es nicht verhindern, daß sich das Glas, wenn es weich wird, in Taschen und anderen Einbuchtungen des vorgeformten Pulverkörpers ansammelt. Dies führt oft zu Brüchen an hervorstehenden Teilen des fertiggesinterten Gegenstandes beim Abkühlen, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid und Glas verschieden sind. Dieses Verfahren eignet sich daher nur zur Herstellung von Gegenständen sehr einfacher Form, man kann, insbesondere wenn es sich um die Herstellung von Gegenständen komplizierterer Form handelt, so vorgehen, daß die Hülle unmittelbar auf dem Pulverkörper gebildet wird, indem man den vorgeformten Pulverkörper in eine Aufschlämmung von Partikeln aus hochschmelzendem Glas taucht oder den Körper auf andere Weise mit einer Schicht von Partikein aus solchem Glas umgibt und danach den Pulverkörper im Vakuum auf eine solche Temperatur erwärmt, daß die to Partikel eine dichte Hülle um den Körper bilden. Das letztgenannte Verfahren ermöglicht das Aufbringen einer Hülle, die sehr dünn sein kann und sich der Form des Pulverkörpers angpaßt, so daß sich die Neigung zur Ansammlung von Glas auf dem fertiggesinterten Gegenstand verringert und somit die oben genannten Nachteile reduziert werden. Es ist auch bekannt, zwei Schichten aus Glaspartikeln auf den Pulverkörper aufzubringen, wobei die innere Schicht aus hochschmelzendem Glas und die äußere Schicht aus niedrigschmelzendem Glas besteht

Nach dem isostatischen Pressen des Pulverkörpers muß die Glashülle vom Körper entfernt werden. Normalerweise geschieht dies durch Sandstrahlbeblasung. Bei der Sandstrahlbeblasung ist es schwierig, Beschädigungen der Oberfläche des Siliziumnitridkörpers zu vermeiden. Auch können, wie bereits vorstehend erwähnt, Schäden infolge des Vorhandenseins der Glashülle beim Abkühlen des Siliziumnitridkörpers von der Sintertemperatur auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die Beschädigungsgefahr des fertiggesinterten Körpers durch die Verwendung einer Glashülle im wesentlichen beseitigt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale hat.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Glashülle vollständig zu entfernen, oder die Menge an zurückgebliebenem Glas auf dem gepreßten Körper stark zu reduzieren, bevor der Körper abgekühlt wird, wodurch die eingangs genannten Nachteile vermieden werden. Durch den Partialdruck des bei der Dissoziation von Siliziumnitrid gebildeten Stickstoffgases wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Glashülle um den Körper herum aufgeblasen, während das Glas der Hülle noch plastisch verformbar ist. Der Körper wird somit von der Glashülle befreit, bzw. es läßt sich die Glashülle leicht von dem Körper entfernen.

Der Druck beim Sintern des vorgeformten Siliziumnitridkörpers hängt davon ab, ob das Siliziumnitrid mit sinterungsfördernden Zusätzen, wie Magnesiumoxid, versetzt ist. Wenn kein solcher Zusatz verwendet wird, beträgt der Druck mindestens 100 MPa, vorzugsweise 200—300 MPa. Bei der Verwendung eines sinterungsfördernden Zusatzes kann ein niedrigerer Druck angewendet werden, der jedoch zweckmäßig mindestens 20 MPa beträgt. Die Sinterung des vorgeformten Körpers erfolgt bei mindestens 1600⁰C, vorzugsweise bei 1600-1900⁰C.

Als Druckmittel werden Edelgase, z. B. Argon oder Helium, oder Stickstoffgas bevorzugt.
Die Hülle aus Glas kann aus einer vorgeformten Glaskapsel bestehen, oder sie kann unmittelbar auf dem Pulverkörper gebildet werden, indem eine oder mehrere Schichten von Glaspartikeln auf dem Körper aufgebracht werden, die bei der Erhitzung eine dichte Hülle

ν um den Körper bilden.

': Der Stickstoffgaspartialdruck für Siliziumnitrid be-

; : trägt 0,1 MPa bei ca. 1900⁰C. 0,01 MPa bei ca. 1730⁰C <i und 0,001 MPa bei ca. 1550°C Gemäß der Erfindung \ wird der Druck im Druckbehälter nach durchgeführter ^ ?.'■■. Sinterung des Siliziumnitridkörpers auf einen Wert j·; eingestellt, der einen der als Beispiel genannten Werte ν unterschreitet, wenn der Siliziumnitridkörper auf die j angegebene zugehörige Temperatur gebracht worden I ist in

j Anhand eines in der Figur gezeigten A.usführungsbei-

> Spieles eines Pulverkörpers soll die Erfindung näher ·■ erläutert werden. Die Figur zeigt einen vorgeformten j Körper aus Siliziumnitrid, der von einer porösen Schicht (■■. aus hochschmelzendem Glas umgeben ist, die vor dem

isostatischen Pressen in eine für das dabei verwendete '. Druckmittel undurchlässige Hülle überführt wird.

Siliziumnitridpulver mit einer Pulverkorngröße unter

7 μπι und ungefähr 0,5 Gewichtsprozent freiem Silizium

j und ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Magnesiumoxid wird ₍ ^! in eine Kapsel aus Kunststoffe, z. B. weichgemachtes

Polyvinylchlorid, oder Gummi eingefüllt, die ungefähr dieselbe Form hat wie der herzustellende vorgeformte Pulverkörper. Die Kapsel wird dann verschlossen und in eine Preßanordnung eingebracht, wie sie beispielsweise aus den Figuren 1 und 2 der DE-OS 25 48 740 bekannt ist Das Pulver wird 5 Minuten lang bei 600 MPa

; kompaktiert Nach beendeter Kontaktierung wird die

' Kapsel entfernt, und der so geschaffene vorgeformte

Pulverkörper wird durch Bearbeitung mittels Werk-ι. zeugmaschinen in die gewünschte Form gebracht.

Der in der Figur gezeigte vorgeformte Körper 10 ¹ besteht aus einem zylindrischen Teil mit scheibenförmigen Flanschen 11 an seinen Enden. Der Körper 10 wird mit einer porösen Schicht 12 überzogen, indem er in , eine Wasseraufschlämmung eines Glaspulvers getaucht wird, das aus 96,7 Gewichtsprozent SiO₂, 2,9 Gewichtsprozent B2O3 und 0,4 Gewichtsprozent Al₂O₃ besteht. Anschließend wird der Körper getrocknet.

Der so behandelte vorgefonnte Pulverkörper wird danach in einen Hochdruckofen gebracht, der mit einer Leitung versehen ist, durch die Gas zur Entgasung des Pulverkörpers abgeleitet und Gas zur Erzeugung des erforderlichen Druckes für das isostatische Pressen zugeführt werden kann, und der mit Heizeinrichtungen versehen ist. Ein solcher Hochdruckofen ist beispielsweise aus der DE-OS 25 48 740 bekannt.

Der vorgeformte Pulverkörper mit der aufgebrachten porösen Schicht wird zunächst ungefähr 2 Stunden lang bei Raumtemperatur im Hochdruckofen entgast. Danach wird der Ofen mit Stickstoffgas von Atmosphärendruck gefüllt, und gleichzeitig wird die Temperatur des Ofens bei gleichbleibendem Druck auf 1200⁰C erhöht, was ungefähr 2 Stunden dauern kann. Die Temperatur wird danach sukzessiv im Laufe von 3 Stunden von i200°C auf 1650°C erhöht unter gleichzeitiger sukzessiver Zufuhr von Stickstoffgas bis auf einen Druck von 0,7 MPa, wobei der Druck außerhalb der Schicht 12 des vorgeformten Körpers während der ganzen Zeit auf mindestens dem Druck gehalten wird, der in dem in den Poren des vorgeformten Körpers vorhandenen Gas herrscht Wenn die Temperatur 1650⁰C erreicht hat, ist die Schicht 12 in eine für das Stickstoffgas oder Argon oder Helium bis zu einem Druckniveau zugeführt, bei dem das Druckmittel bei der endgültigen Sintertemperatur einen Druck von 250 MPa annimmt. Die Temperatur wird danach auf 175O°C erhöht, und das Siliziumnitrid wird bei dieser Temperatur und dem angegebenen Druck 0,5—6 Stunden lang gesintert. Danach wird der Druck auf 0,001 MPa und die Temperatur auf 1600°C gesenkt, d.h. der Druck im Druckbehälter unterscheidet den Stickstoffpartialdruck innerhalb der Glashülle, die den Siliziumnitridkörper umgibt. Die Glashülle wird dabei aufgeblasen, und der Körper wird frei oder nahezu frei von Glas. Eventuell kann zurückgebliebenes Glas durch Sandstrahlbeblasung entfernt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus Siliziumnitrid durch isostatisches Pressen eines aus Siliziumnitrid vorgeformten Körpers mit einem gasförmigen Druckmittel in einem Druckbehälter bei einer zum Sintern des Siliziumnitrids erforderlichen Temperatur, wobei der vorgeformte Körper in einer Hülle aus Glas eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß Druck und Temperatur im Druckbehälter nach beendetem Pressen so eingestellt werden, daß der Druck im Druckbehälter den Stickstoffgaspartialdruck für Siliziumnitrid bei einer Temperatur unterschreitet, bei der das Glas plastisch verformbar ist