DE3128237A1

DE3128237A1 - Verfahren zur herstellung keramischer bauteile aus siliziumnitrid und siliziumcarbid

Info

Publication number: DE3128237A1
Application number: DE19813128237
Authority: DE
Inventors: Klaus-Udo Dr.-Ing. 6074 Urberach Kittelmann; Karl-Heinz 6450 Hanau Kleinschmidt; Ekkehard 6053 Obertshausen Lange
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1981-07-17
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3128237C2

Description

Verfahren zur Herstellun keramischer Bauteile
aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her-Stellung keramiseher Bauteile aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid mittels Spritzguß durch Versetzen von Siliziumpulver, Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbidpulver mit thermo- oder duroplastischen Kunststoffen, Ausbrennen des Kunststoffes nach der Formgebung des Rohkörpers, , Sintern und gegebenenfalls Umsetzen zu Siliziumnitrid bei höheren Temperaturen.
Bei der Verarbeitung von reinem Siliziumnitrid als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Formkörpern lassen sich die üblichen keramischen Formungsverfahren, bei denen zunächst ein Rohkörper hergestellt und dieser durch Sintern zum Fertigprodukt weiterverarbeitet wird, nicht anwenden, da reines Siliziumnitrid kaum sinterfähig ist.
Zur Herstellung von reaktionsgesintertem Siliziumnitrid-FormkUrpern geht man daher von metallischem Siliziumpulver aus, das unter Verwendung temporärer Bindemittel zum Formkörper verarbeitet wird. Nach Austreiben des Bindemittels durch Erwärmen wird der so hergestellte Rohkörper anschließend in einer sauerstofSHeien Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von etwa 1500°C in praktisch reines Siliziumnitrid überführt.
Die Verarbeitung zu Forikörpern erfolgt vorzugsweise durch Spritzguß. Dazu wird Siliziumpulver einheitlicher Korngröße und ausgewählter Kornverteilung mit geeigneten Thermoplasten oder Duroplasten homogen vermischt, anschließend granuliert und in Spritzgußmaschinen zu Formkörpern verar beitet. Auch Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidpulver läßt sich auf diese Weise in Formkörper umwandeln.
Besondere Bedeutung kommt hierbei dem Gesamtkunststoffgehalt der Spritzgußmasse und der homogenen Verteilung des Kunststoffes innerhalb der Spritzgußmasse zu. Der Gesamtkunststoffgehalt und die homogene Verteilung bestimmen die Fließeigenschaften der Spritzgußmassen sowie die Porenverteilung und in gewissem Umfang die Porengröße und Porengeometrie im fertigen Bauteil.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid mittels Spritzguß zu finden, durch Versetzen von Silizium- pulver, Siliziusnitrid- oder Siliziumkarbidpulver mit thermo- oder duroplastischen Kmiststoffen, Ausbrennen des Kunststoffes nach der Formgebung des Rohkörpers, Sintern und gegebenenfalls Umsetzen zu Siliziumnitrid bei höheren Temperaturen, bei dem eine homogene Kunststoffverteilung innorhalb der Spritz gußmasse erreicht und ein möglichst geringer Eunststoffgehalt benötigt wird.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Pulver vor dem Versetzen mit den Kunststoffen mit siliziumorganischen Verbindungen behandelt wird.
Bewährt haben sich für diesen Zweck Silikonöle, welche aus linearen Polysiloxanen bestehen. Die freien, nicht an Sauerstoff gebundenen Valenzen des Si-Atomes können mit organischen Gruppen oder Wasserstoff besetzt sein. Sie besitzen die Strukturbausteine: wobei R1 und R2unabhängig voneinander Methyl, Äthyl, Phenyl oder Wasserstoff sein kanne sie werden durch endständige Trimethylsilyloxi-Gruppen begrenzt.
Die Größe von x ist in einem weiten Bereich variabel, und zwar von ca. 20 bis 100, Je nach den erforderlichen Arbeitsbedingungen, wie Temperatur, Art des zuge setzten Kunststoffs oder Korngröße des Siliziumpulvers.
Weiterhin haben sich Organosilane der allgemeinen Formel R(4-n) - Si - Xm als Zusatzstoffe bewährt, wobei R für eine aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 c -atomen und X für eine hydrolysierbare, d.h. mit der Silizxumoberfläche reaktionsfähige Gruppe steht, wie beispielsweise eine Alkoxygruppe-mit 1 bis 4 C-atomen, eine Alkoxy-alkoxygruppe mit endständigem Alkyl, enthaltend 1 - 4 C-atome, und inneren Alkylen mit 2 - 4 C-atomen, vorzugsweise Alkylen-Acyloxy (Acetoxy, Propionoxy), Aryloxy (Phenoxy , p-Methylphenoxy), eine Oximgruppe oder ein Halogen.
Außerdem bedeutet n eine ganze Zahl von 0 bis 4, m eine ganze Zahl von o bis 4 und n + m = 4.
Beispiele fdr solche Verbindungen sind Dimethyldichlorsilan und Dimethyldiäthoxisilan.
Auch können Hydrolysate und Kondensate siliziumorganischer Verbindungen Verwendung finden, genauso wie Gemische der genannten Organosilane als Co-Hydrolysate oder Co-Kondensate.
Durch die Vorbehandlung des Siliziumpulvers bzw Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbidpulvers wird die Mischbarkeit mit den für die Formgebung durch Spritzgießen notwendigen Eunststoffen wesentlich verbessert Die siliziumorganischen Verbindungen werden gleichmäßig auf das zu verarbeitende pulver aufgebracht Für eine ausreichende Modifizierung sind 1 bis 10 Gew%, vorzussweise 1,5 bis 2,5 % dieser Verbindungen bezogen auf das Pulvergewicht, notwendig Das so behandelte Pulver wird homogenisiert und anschließend in einem Temperaturbereich von 150 bis 400°C, vorzugsweise 200°C, wärmebehandelt. Danach wird das Pulver in die vorgelegte Kunststoffmenge eingebracht9 vorteilhafterweise durch Einkneten bei Temperaturen zwischen 100 und 250°C, je nach dem verwendeten Kunststofftyp. Die Weiterverarbeitung erfolgt nach der bekannten Spritzgußtechnologie@ Beim Spritzen zeigen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Massen ein sehr gutes Filießverhalten bei ausgezeichneter Formfüllung. Nach dem Ausbrennen, Sintern oder Nitridieren zeichnen sich die fertigen Bauteile durch eine hohe Biegefestig keit bei geringer Streubreite ausO Typische Werte für die Raumtemperatur - Biegefestigkeit solcher Bauteile sind <64 = 300 - 350 N/mm2 bei Standardabweichungen zwischen # 20 - 35 N/mm2.
Weiterhin erreicht man mit den erfindungsgemäß vor behandelten Pulvern eine Senkung des für das Spritzgießen notwendigen Kunststoffgehaltes um 2 - 5 Vol%.
Neben einer ausgezeichneten Bauteilfestigkeit wird dadurch auch das Raumgewicht der Bauteile erhöht.
Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern: Beispiel I: Siliziumpulver der Korngröße # 40 um wird ist einem Mischer homogenisiert. Wärend dieses Prozesses wird in den Mischbehälter Methylhydrogenpolysilowan eingesprüht. Der Methylhydrogenpolysiloxangehalt der sich ergebenden Mischung beträgt 2,5%, bezogen auf die Pulvereinwaage. Nach dem Mischen und Homogenisieren wird das Pulver in einem Luftumwälzofen bei 2000C 2 Stunden wärmebehandelt.
Anschließend wird das modifizierte Pulver mit einem Thermoplasten zur Spritzmasse verarbeitet und danach granuliert.
Beim Spritzen zeigt eine solche Masse eine deutlich verbesserte Fließfähigkeit und Formfüllung.
Die Arbeitsschritte Ausbrennen und Nitridieren werden in der bekannten Weise durchgeführt.
Die fertigen Bauteile zeichnen sich durch hohe Biegefestigkeiten bei stark verringerter Streubreite aus.
Beispiel II: Silizium der Korngröße # 40 um wurde analog Beispiel 1 behandelt, Für die Herstellung der Spritzmasse wurde der Thermoplastanteil um 2 Vol.% reduziert.
Beim Spritzen zeigte diese Masse ebenfalls eine gute Fließfähigkeit und Formfüllung. Die fertigen Bauteile zeichnen sich durch hohe Biegefestigkeiten bei geringer Streubreite und erhöhtes Raumgewicht aus.
Beispiel III: Siliziumpulver# 40 um wurde analog Beispiel I mit 2,5 % Methylpolysiloxan versetzt. Die Spritzmasse aus diesem Pulver hatte eine gute Fließfähigkeit und Formfüllung.
Beispiel IV: Si-Pulver# 40 um wurde analog Beispiel I mit 1,5 2,5 , 5-und 10 O,o/ Phenlylmethylpolysiloxan versetzt, Auch diese Gemische zeigten ein gutes Fließverhalten und einwandfreie Formfüllung.
Beispiel V: Si-Pulver# 40 um wurde analog Beispiel I mit 2,5 % Dimethyldichlorsilan versetzt. Auch dieser Masseansatz zeichnete sich durch gute Fließfähigkeit und einwandfreie Formfüllung aus.

Claims

Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid.

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid mittels Spritz guß durch Versetzen von Siliziumpulver, Silizium nitrid- oder Siliziumcarbidpulver mit thermo- oder duroplastischen Kunststoffen9 Ausbrennen des Kunststoffes nach der Formgebung des Rohkörper Sintern und gegebenenfalls. Umsetzen zu Siliziumnitrid bei höheren Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver vor dem Versetzen mit den Kunststoffen mit siliziumorganischen Verbindungen behandelt wird, 2. Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumorganischen Verbindungen bei 150° bis 400°C zugegeben werden 3. Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Silikonöle aus linearen Polysiloxanen verwendet werden0 4. Verfahren zur Herstellung keramischer Bauteile nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Organosilane der allgemeinen Formel R(4-n) - Si - Xm verwendet werden, mit R = aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 - 8 C-atomen X = hydrolysierbare Gruppe n=O-4 m=O-4 n + m = 4 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß 1 - 10 Gew% siliziumorganische Verbindung verwendet wird, bezogen auf das Pulvergewicht.