DE3630369C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumcarbid-Sinterkörpers unter druckfreien Bedingungen.
Siliziumcarbid-Sinterkörper besitzen eine gute Oxida
tionsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Beständig
keit gegen thermische Schocks und mechanische Festig
keit. Derartige Sinterkörper wurden bereits als Hoch
temperaturbaumaterial für Gasturbinenteile, Hochtempera
turwärmetauscher usw. zum Einsatz gebracht.
Da pulverförmiges Siliziumcarbid ein nur schwierig zu
sinterndes Rohmaterial darstellt, wird es durch Druck
sintern gesintert. Um jedoch Sinterkörper komplexer Form
herstellen und das Herstellungsverfahren vereinfachen
zu können, wurde bereits ein bei Umgegungsdruck durch
führbares und mit einem Sinterhilfsmittel, z. B. Bor,
arbeitendes Sinterverfahren entwickelt (vgl. beispiels
weise JP-A-50-78 609 und 51-1 48 712). Bei dem bei Umgebungs
druck durchführbaren Sinterverfahren lassen sich in hoher
Ausbeute auch Sinterkörper komplexer Form herstellen. Ob
wohl jedoch Bor zur Verdichtung des Sinterkörpers bei
trägt, beeinträchtigt es auch die mechanische Festigkeit
des Sinterkörpers bei hoher Temperatur. Kohlenstoffhaltige
Sauerstoffänger, die zur Entfernung von Sauerstoff in dem
Siliziumcarbidpulver herangezogen werden, spielen eine
wichtige Rolle bei der Verdichtung des Sinterkörpers, sie
verschlechtern jedoch die Oxidationsbeständigkeit des
Sinterkörpers.
Aus diesen Gründen hat es nicht an Versuchen gefehlt,
die Eigenschaften des Siliziumcarbid-Sinterkörpers durch
Verringern der Menge an zugesetztem Bor zu verbessern.
So wird beispielsweise gemäß der JP-A-60-1 86 467 zur
Verminderung der Bormenge ein Borcarbidpulver großer
spezifischer Oberfläche verwendet. Aus der JP-A-60-2 46 263
ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Polyphenylbor als
Bor- und Kohlenstofflieferant verwendet wird.
Aus der US-PS 42 95 890 sind Siliziumcarbidpulver und daraus
hergestellte Formkörper hoher Dichte beschrieben, wobei eine
Sinterbehandlung bei 1850 bis 2150°C in einer Inertgasatmosphäre
vorgenommen wird. Die gesinterten Formkörper selbst enthalten zwar
Bor und freien Kohlenstoff, aber sie sind hinsichtlich ihrer
mechanischen Festigkeit nicht zufriedenstellend.
Dies trifft auch für die aus der DE-OS 24 49 662 bekannten
Sinterkörper zu, die Bor- und Kohlenstoffzusätze enthalten, wobei
aber keine einer Entoxidation dienende Temperaturbehandlung
vorgenommen wird.
Schließlich ist noch aus der DE-PS 32 43 570 ein Verfahren zum
Herstellen eines dichten polykristallinen Formkörpers aus
Siliziumcarbid bekannt, wobei aber auf die Zusammensetzung dieses
Formkörpers nicht näher Bezug genommen ist und auch keine eine
Entoxidation herbeiführende Temperaturbehandlung vorgesehen ist.
Die bekannten, bei Umgebungsdruck durchgeführten Sinter
verfahren zur Herstellung von Siliziumcarbid-Sinterkörpern
lassen immer noch zu wünschen übrig, da die bei ihrer Durch
führung erhaltenen Siliziumcarbid-Sinterkörper bezüglich
ihrer mechanischen Festigkeit bei hoher Temperatur,
ihrer Oxidationsbeständigkeit und ihrer Korrosionsbe
ständigkeit unzureichend sind.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium
carbid-Sinterkörpers guter mechanischer Festigkeit bei
hoher Temperatur- und guter Oxidationsbeständigkeit
anzugeben.
Diese Aufgabe kann überraschenderweise erfindungsgemäß dadurch
gelöst werden, daß man zur Herstellung eines Siliziumcarbid-
Sinterkörpers unter druckfreien Bedingungen
- (a) ein Gemisch aus einem Siliziumcarbidpulver, einer unter Freigabe von Bor zersetzbaren Borverbindung als Sinterhilfsmittel und einer unter Freigabe von Kohlenstoff zersetzbaren Kohlenstoffverbindung als Sauerstoffänger ausformt;
- (b) den Formling nach Zersetzung der Borverbindung und der Kohlenstoffverbindung in einem Vakuum von nicht mehr als 0,13 Pa so lange auf einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur hält, bis das Vakuum nach einer zeitweiligen Verminderung wieder auf den vor der Verminderung vorliegenden Wert zurückgegangen ist.
- (c) den Formling auf Sintertemperatur erwärmt und
- (d) den Formling in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum sintert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist insbesondere auf
den Verfahrensschritt (b) zurückzuführen. Durch die darin
angegebene Behandlung ist es nämlich möglich, durch den
Sauerstoffänger einen das Siliziumcarbidpulver bedeckenden
Oxidfilm weitgehend abzubauen, was zu überraschend hohen
mechanischen Festigkeitswerten bei geringem Kohlenstoff- und
Sauerstoffgehalt der erzeugten Sinterkörper führt.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Silizium
carbid-Sinterkörpers bereitet man zunächst ein Ausgangs
gemisch aus einem Siliziumcarbidpulver, einem borhalti
gen Sinterhilfsmittel und einem kohlenstoffhaltigen
Sauerstoffänger zu. Bei dem verwendeten Siliziumcarbid
pulver kann es sich um ein axonometrisches α-Silizium
carbidpulver und/oder ein isometrisches β-Siliziumcarbid
pulver handeln. Vorzugsweise besitzt das Siliziumcarbid
pulver eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 µm oder
weniger und eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g oder
mehr, insbesondere eine Teilchengröße von 0,5 µm oder
weniger und eine spezifische Oberfläche von 10 m2/g oder
mehr. Werden gröbere Teilchen einer Größe oberhalb der
angegebenen Obergrenze verwendet, erhält der gebildete
Sinterkörper eine Dichte von weniger als 3,10 g/cm3,
d. h. mit einem so grobkörnigen Siliziumcarbidpulver
erhält man keinen Sinterkörper gleichmäßig dichten Ge
füges.
Das pulverförmige Siliziumcarbid wird nach den verschiedensten
Verfahren hergestellt. Unbehandeltes pulverförmiges
Siliziumcarbid enthält Verunreinigungen, z. B. freies
Silizium, freies Siliziumdioxid, freien Kohlenstoff und
die verschiedensten Metallverunreinigungen, die entweder
den Sintervorgang stören oder ohne Schwierigkeiten Fehlstellen
im Sinterkörper entstehen lassen können. Diese
Verunreinigungen werden normalerweise entfernt, beispielsweise
durch Beizen oder Entzundern, wobei der Gehalt
an den einzelnen Metallverunreinigungen in dem pulverförmigen
Siliziumcarbidausgangsmaterial vorzugsweise
0,05 Gew.-% oder weniger beträgt.
Das borhaltige Sinterhilfsmittel setzt bei hoher Temperatur
Bor frei, das freigesetzte Bor wird in die Siliziumcarbidteilchen
diffundiert und verbessert die Sintereigenschaften
des Siliziumcarbids. Als Sinterhilfsmittel
wird vorzugsweise eine Borverbindung verwendet, die sich
beim Erwärmen bis auf Sintertemperatur unter Freigabe
von Bor zersetzt. Da das Ausgangsgemisch vorzugsweise
in einem Lösungsmittel, insbesondere in einem später
noch näher beschriebenen organischen Lösungsmittel,
gründlich durchgemischt wird, bedient man sich als
Sinterhilfsmittel vorzugsweise einer in einem Lösungsmittel,
insbesondere in einem organischen Lösungsmittel,
löslichen Borverbindung. Noch besser eignen sich borhaltige
Sinterhilfsmittel, die keinen Sauerstoff enthalten
oder während ihrer Zersetzung kein sauerstoffhaltiges
Zwischenprodukt liefern. Beispiele für solche
borhaltige Sinterhilfsmittel sind B10H14 (Decaboran),
B10H13J (Joddecaboran), [(C2H5)3NH]2(B10H12),
(CH3)2NH · BH3 und Carboran, wie B10H12C2. Von diesen Verbindungen
eignet sich besonders gut Carboran, beispielsweise
B10H12C2, da es wegen seines hohen Borgehalts nur
in geringer Menge zugesetzt werden muß und sich ohne zu
schmelzen zersetzt und dabei eine gleichmäßige Verteilung
des Bors ermöglicht.
Das borhaltige Sinterhilfsmittel wird vorzugsweise in
einer solchen Menge zugesetzt, daß, bezogen auf das
Gewicht des Siliziumcarbidpulvers, 0,05-1 Gew.-% Bor
bereitgestellt wird. Wenn Bor in einer Menge von weniger
als 0,05 Gew.-% bereitgestellt wird, ist der Zugabeeffekt
unzureichend. Da das Feststoff/Lösungs-Verhältnis von
Bor zu Siliziumcarbid höchstens 0,3 Gew.-% beträgt,
kommt es bei Zugabe von Bor in einer Menge über 1 Gew.-%
zu einem unvollständigen Entweichen überschüssigen Bors
aus den Formling während der Zersetzung der Borverbindung
und zu einer übermäßigen Borausfällung an den
Siliziumcarbidkorngrenzen, was zu einer Verschlechterung
der mechanischen Festigkeit des Sinterkörpers führt.
Es sei darauf hingewiesen, daß von Bornitrid, Bortrioxid,
Borcarbid, elementarem Bor und dergleichen bekannt ist,
daß sie borhaltige Sinterhilfsmittel darstellen. Es bereitet
jedoch Schwierigkeiten, eine geringe Menge dieser
Verbindungen gleichmäßig mit dem pulverförmigen Siliziumcarbid
zu vermischen. Darüber hinaus beginnt Borcarbid
von 1800-1900°C zu sublimieren, wodurch der Restborgehalt
in unerwünschter Weise sinkt und nur eine unzureichende
Sinterhilfswirkung erreicht wird. Wird Bornitrid
verwendet, stören die Stickstoffatome den Sintervorgang.
Bortrioxid bildet leicht eine Flüssigphase/zweite
Phase, wodurch die mechanische Festigkeit des gebildeten
Sinterkörpers beeinträchtigt wird. Werden diese
Verbindungen als Sinterhilfsmittel verwendet, bereitet
es Schwierigkeiten, die zu verwendende Menge an Sinterhilfsmittel
zu verringern und gleichzeitig die erforderlichen
Eigenschaften des Sinterkörpers zu gewährleisten.
Der kohlenstoffhaltige Sauerstoffänger entfernt den in
Oxidform auf der Oberfläche des pulverförmigen Siliziumcarbids
vorhandenen Sauerstoff. Hierbei handelt es sich
um eine bei hoher Temperatur unter Freigabe von freiem
Kohlenstoff zersetzbare Kohlenstoffverbindung. Als
Sauerstoffänger werden bevorzugt Kohlenstoffverbindungen
eingesetzt, die in nicht-oxidierender Atmosphäre während
des Erwärmens bis auf Sintertemperatur unter Freigabe von
Kohlenstoff zersetzt werden. Da - wie bereits erwähnt -
das Ausgangsgemisch in einem Lösungsmittel, insbesondere
einem organischen Lösungsmittel, durchmischt wird, wird
als Sauerstoffänger vorzugsweise eine in einem Lösungsmittel,
insbesondere einem organischen Lösungsmittel,
lösliche Kohlenstoffverbindung zum Einsatz gebracht. Beispiele
für solche Sauerstoffänger sind Kohleteerpech,
Erdölpech, Heizöl, Phenolharze, insbesondere Novolak-
Harze und dergleichen. Besonders gut eignen sich Kohlenstoffverbindungen,
die sich beim Verflüchtigen des
organischen Lösungsmittels bei Temperaturerhöhung verfestigen
und danach ohne zu schmelzen unter Freigabe
und gleichmäßiger Verteilung von Kohlenstoff zersetzen.
Solche Kohlenstoffverbindungen sind Phenolharze, beispielsweise
Novolak-Harze.
Der kohlenstoffhaltige Sauerstoffänger wird in einer
zur praktisch vollständigen Entfernung des im pulverförmigen
Siliziumcarbid enthaltenen Sauerstoffs ausreichenden
Menge zugegeben, wobei jedoch in dem gebildeten
Sinterkörper kein überschüssiger Kohlenstoff
zurückbleiben darf. Vorzugsweise wird der kohlenstoffhaltige
Sauerstoffänger in einer Menge zugesetzt, die
ausreicht, um die 1,0- bis 3,0fache Kohlenstoffmenge,
bezogen auf die Sauerstoffmenge in dem pulverförmigen
Siliziumcarbid, bereitzustellen. Bezogen auf das Restkohlenstoffverhältnis
läßt sich die Zugabemenge an
kohlenstoffhaltigem Sauerstoffänger ohne weiteres errechnen.
Der Sauerstoffgehalt des Siliziumcarbids kann
ohne weiteres bestimmt werden.
Das borhaltige Sinterhilfsmittel und der kohlenstoffhaltige
Sauerstoffänger können aus einer einzigen Verbindung,
beispielsweise einer sowohl Bor als auch
Kohlenstoff enthaltenden Verbindung, bestehen.
Das Siliziumcarbidpulver, das borhaltige Sinterhilfsmittel
und der kohlenstoffhaltige Sauerstoffänger werden
gründlich gemischt und granuliert, und zwar zweckmäßigerweise
in einem Lösungsmittel, insbesondere in einem
organischen Lösungsmittel. Als organisches Lösungsmittel
kommen Paraffinkohlenwasserstoffe von Pentan bis Cetan,
Alkohole, wie Methanol, Ethanol, Butanol, Propanol und
dergleichen, Aceton, Trichlorethylen,
Ethylenglykol und dergleichen in Frage.
Falls für den Formvorgang erforderlich, können mit den
Rohmaterialien zeitweilige Bindemittel, beispielsweise
Stearinsäure, Paraffin, Elektronwachs oder Polyvinylalkohol
gemischt werden.
Nachdem das Ausgangsmaterialgemisch ausreichend durchgemischt
ist, wird das Gemisch durch Sprühtrocknen, Gefriertrocknen
und dergleichen getrocknet und granuliert. Danach
wird das Gemisch in üblicher bekannter Weise, beispielsweise
durch Trockenpressen, einer Druckformung
unterworfen.
Der hierbei erhaltene Siliziumcarbid-Formling wird dann
auf Sintertemperatur erwärmt. Hierbei wird der Formling
zunächst auf etwa 700°C erwärmt. Während des Erwärmens
wird das gegebenenfalls mitverwendete zeitweilige Bindemittel
zersetzt und verflüchtigt. Auch der kohlenstoffhaltige
Sauerstoffänger und das borhaltige Sinterhilfsmittel
werden, nachdem sie fest geworden sind, zersetzt
und liefern dabei freien Kohlenstoff und freies Bor. Die
freigesetzten Elemente werden gleichmäßig auf der Oberfläche
des pulverförmigen Siliziumcarbids dispergiert.
Das Erwärmen des Formlings auf etwa 700°C erfolgt vorzugsweise
so langsam wie möglich. Eine abrupte Temperaturerhöhung
führt zu einer Riß- oder Porenbildung im Formling,
wodurch dieser beschädigt wird. Je nach der Größe
des Formlings wird vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit
von 0,01-1°C/min erwärmt. Um während des Erwärmens
eine Oxidation des pulverförmigen Siliziumcarbids weitestgehend
zu unterdrücken, erfolgt das Erwärmen vorzugsweise
in nicht-oxidierender Atmosphäre, beispielsweise im
Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre, z. B. unter Argongas.
Wird die Temperatur weiter auf 1300-1550°C erhöht,
kommt es zu einer Reduktion eines Oxidfilms und von freiem
Siliziumdioxid auf der Oberfläche des pulverförmigen
Siliziumcarbids durch den Kohlenstoff und zu einem Aufschmelzen
von Silizium und Siliziumdioxid, wobei die betreffenden
Bestandteile in Form von Kohlenmonoxid,
Silizium und Siliziumdioxid verflüchtigt werden. Wird
die Temperatur weiter auf einen Wert erhöht, bei dem
Siliziumcarbidteilchen zur wachsen beginnen, werden, wenn
der Oxidfilm auf der Oberfläche des pulverförmigen
Siliziumcarbids, freies Silizium und freies Siliziumdioxid,
insbesondere der Oxidfilm auf der Oberfläche des
pulverförmigen Siliziumcarbids, vorhanden sind, lokal
eine Verdampfung, Verfestigung und Diffusion dieser
Elemente auf der Oberfläche des pulverförmigen Siliziumcarbids
gefördert oder unterdrückt, was leicht zu einem
unnormalen Teilchenwachstum führt. Aus diesem Grunde wird
die Temperatur unter Vakuumdruck (133 × 10-3 Pa
oder niedriger) mit einer Geschwindigkeit von
1-10°C/min auf etwa 1500°C erhöht und so lange auf
einem Wert insbesondere im Bereich von etwa 1450-1550°C
gehalten, bis der Oxidfilm auf der Oberfläche des
pulverförmigen Siliziumcarbids durch den Sauerstoffänger
praktisch vollständig reduziert ist (Entoxidationsverfahren).
Ob der Oxidfilm praktisch vollständig reduziert
ist oder nicht, läßt sich dadurch feststellen, daß man
die Temperatur unter konstanten Evakuierungsbedingungen
bei einem Druck von 133 × 10-3 Pa oder weniger
in dem angegebenen Bereich hält und auf Druckänderungen
achtet. Wenn die Temperatur aufrechterhalten wird,
entstehen durch den Sauerstoffänger verflüchtigte Substanzen
mit gasförmigen Reduktionsprodukten, beispielsweise
Kohlenmonoxid, des Oxidfilms, wodurch das Vakuum
sinkt. Wenn jedoch die Bildung dieser verflüchtigten
Substanzen aufhört, kehrt das Wachstum wieder auf seinen
Wert vor der Erniedrigung zurück. Folglich sollte die
Temperatur bei vermindertem Druck von 133-10-3 Pa
oder weniger aufrechterhalten bleiben, bis
das Vakuum sinkt und dann wieder zu seinem Ursprungswert
vor dem Vakuumabfall zurückgekehrt ist.
Wenn der das pulverförmige Siliziumcarbid bedeckende
Oxidfilm praktisch vollständig reduziert und entfernt
ist, wird die Temperatur auf Sintertemperatur von etwa
1800-2200°C erhöht. Bei diesem Erwärmen machen sich
von 1600°C ab nach und nach eine Verdampfung, Verfestigung
und Oberflächendiffusion von Siliziumcarbid,
die eine eine Verdichtung verhindernde Gasphasensinterung
bedingen, bemerkbar, wobei die Teilchen des pulverförmigen
Siliziumcarbids gröber zu werden beginnen. Eine
Festphasendiffusion und eine Volumendiffusionssinterung
die zu einer Verdichtung führen, schreiten noch nicht
fort. Da innerhalb eines Temperaturbereichs von 1600-1800°C
eine Gasphasensinterung vorherrscht, übersteigt
die Siliziumcarbidteilchengröße beim Erreichen der
Sintertemperatur von 1800-2200°C etwa 1 µm, wodurch
die Verwendung eines feinteiligen pulverförmigen
Siliziumcarbidpulver-Ausgangsmaterials unnütz gemacht
würde.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß man eine Gasphasensinterung
unterdrücken und eine Vergröberung der
Siliziumcarbidteilchen praktisch vollständig verhindern
kann, wenn man das Erwärmen auf Sintertemperatur in
nicht-oxidierender Atmosphäre (Wasserstoff, Stickstoff
oder Kohlenmonoxid) durchführt. Folglich wird also das
Erwärmen nach Entfernen des auf dem pulverförmigen
Siliziumcarbid befindlichen Oxidfilms auf Sintertemperatur
vorzugsweise in nicht-oxidierender Atmosphäre durchgeführt
(Maßnahme zur Verhinderung einer Teilchenvergröberung).
Auf diese Weise läßt sich das Siliziumcarbid in
feinpulveriger Form sintern.
Nachdem die Temperatur auf Sintertemperatur von etwa
1800-2200°C, bei der eine Festphasendiffusion feststellbar
wird, erhöht ist, wird die Sintertemperatur
aufrechterhalten und das Siliziumcarbid unter druckfreien
Bedingungen gesintert. Das Sintern dauert vorzugsweise
0,5-4 h. Während des Sintervorgangs geht
man zur Aufrechterhaltung der Sintertemperatur vorzugsweise
von nicht-oxidierender Atmosphäre auf ein Vakuum
(133 × 10-3 Pa oder weniger) oder eine
Inertgasatmosphäre (Helium, Neon, Argon und dergl.)
über. Siliziumcarbid zersetzt sich bei hohen Temperaturen
zu einem an Kohlenstoff und Silizium reichen Dampf (Si,
Si2C und dergl.). Da ein Inertgas, beispielsweise Helium,
Neon, Argon und dergl., bis zu einem gewissen Grad eine
Sublimierung und Zersetzung von Siliziumcarbid unterdrücken
kann, erfolgt das Sintern vorzugsweise in einer
Inertgasatmosphäre.
Ein erfindungsgemäß unter vermindertem Druck hergestellter
Sinterkörper enthält allenfalls eine Mindestmenge an
von Siliziumcarbid verschiedenen Bestandteilen und weist
insbesondere eine hohe mechanische Festigkeit bei hoher
Temperatur auf.
Bor ist eine unvermeidliche Komponente bei unter Umgebungsdruck
oder bei vermindertem Druck durchgeführten
Sinterverfahren. 0,03 Gew.-% oder mehr Bor müssen in dem
fertigen Sinterkörper verbleiben. Eine überschüssige
Menge an Bor führt jedoch zu einer Verschlechterung der
mechanischen Festigkeit des Sinterkörpers infolge Fällung
der zweiten Phase und beeinträchtigt auch die Oxidations-
und Korrosionsbeständigkeit des Sinterkörpers. Auch
andere elementare Metalle, wie Aluminium, Eisen, Titan,
Chrom, Calcium, Magnesium, Zirkonium, Vanadium, freies
Silizium und dergleichen beeinträchtigen - wenn in dem
Sinterkörper vorhanden - dessen mechanische Festigkeit
bei hoher Temperatur. Folglich muß der Gehalt an Metallen
einschließlich Bor 0,3 Gew.-% oder weniger betragen. Der
Borgehalt beträgt allgemein weniger als 0,15 Gew.-%,
zweckmäßigerweise weniger als 0,14 Gew.-% und vorzugsweise
weniger als 0,13 Gew.-%.
Wenn der Sinterkörper überschüssigen freien Kohlenstoff
enthält, führt dies zu einer Verschlechterung der Oxidationsbeständigkeit
und mechanischen Festigkeit. Folglich
darf der Gehalt des Sinterkörpers an freiem Kohlenstoff
höchstens 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-% oder weniger,
betragen. Wenn jedoch die Menge an freiem Kohlenstoff zu
gering ist, wird der in dem pulverförmigen Siliziumcarbid
enthaltene Sauerstoff nicht in ausreichendem Maße entfernt,
wodurch die Dichte des Sinterkörpers abnimmt. In
der Praxis sollte somit die Menge an in dem Sinterkörper
verbliebenen freien Kohlenstoff 0,05 Gew.-% oder mehr
betragen.
Andere Nichtmetalle als Kohlenstoff, z. B. Sauerstoff,
Stickstoff und dergleichen, bedingen ebenfalls eine
Verschlechterung der mechanischen Festigkeit des
Sinterkörpers, so daß deren Gesamtmenge vorzugsweise
0,15 Gew.-% oder weniger betragen muß. Da insbesondere
der Sauerstoff die Dichte und die mechanische Festigkeit
des Sinterkörpers senkt, muß der Sauerstoffgehalt
auf 0,1 Gew.-% oder weniger gesenkt werden.
Die Dichte des Sinterkörpers muß 3,10 g/cm3 oder mehr
betragen. Liegt sie unter diesem Wert, bilden sich zu
viele Poren, wodurch die mechanische Festigkeit beeinträchtigt
wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein
Siliziumcarbid-Sinterkörper der genannten Eigenschaften
herstellen. Dies wird durch die folgenden Beispiele
noch näher erläutert.
100 g eines handelsüblichen α-SiC-Pulvers einer spezifischen
Oberfläche von 15 m2/g, eines Gesamtsauerstoffgehalts
von 1,4 Gew.-% und eines Gesamtgehalts an sonstigen
metallischen Verunreinigungen von weniger als
0,05 Gew.-% werden in eine Lösung von Carboran in einer
Menge entsprechend 0,4 g elementares B, eines Novolakharzes
entsprechend 3,0 g elementares Rest-C (Restkohlenstoffverhältnis: 59%)
und 10 ml Ethylenglykol in 100 ml
Aceton eingetragen und eingerührt, worauf das Ganze ge
trocknet und granuliert wird. Jeweils 20 g schwere
Proben werden unter Verwendung einer 4,35 × 3,35 cm2-Form
bei einem Druck von 100 MPa druckgeformt und danach
bei einem Druck von 300 MPa einer Gummipressung
unterworfen. Jeder erhaltene Formling wird in einer
Stickstoffatmosphäre 8 h lang auf 700°C erwärmt, wobei
ein entfetteter Formling erhalten wird. Der jeweils ent
fettete Formling wird in einen doppelten Graphitbehälter
eingeführt, der Graphitbehälter seinerseits wird in
einen elektrischen Ofen gestellt. Nach dem Evakuieren
des Ofeninneren wird die Heizeinrichtung durch manuelles
Steuern der Energiezufuhr auf etwa 1200°C erwärmt. Da
nach erfolgt eine langsame Temperatursteigerung auf
1300-1500°C mit einer Geschwindigkeit von 500°C/h.
Hierbei verringert sich das Vakuum infolge Bildung von
gasförmigem CO aus dem Prüfling. Danach wird die Tempera
tur unter Vakuum etwa 60 min lang auf etwa 1550°C ge
halten (Entoxidation), um eine vollständige Entgasung zu
erreichen. Hierauf wird die Temperatur mit einer Ge
schwindigkeit von 1000°C/h auf 2050°C erhöht. Bei die
ser Temperatur wird der Prüfling 2 h lang unter einem
Argongasstrom gesintert. Hierbei erhält man einen Sinter
körper einer Sinterdichte von 3,15 g/cm3 und einer durch
schnittlichen Korngröße von 4 µm. Eine Analyse der Zu
sammensetzung des Sinterkörpers ergibt folgendes:
0,14% B, 0,03% Al, 0,006% Fe, 4% freier Kohlenstoff,
0,08% Sauerstoff und 0,01% Stickstoff.
Nach der einschlägigen japanischen Industriestandard
norm wird zur Durchführung eines Querfestigkeitstests
ein Prüfling einer Querschnittsfläche von 3 × 4 mm2 einem
Dreipunkt-Biegetest bei einer Stützweite von 30 mm unter
worfen. Die Querfestigkeit beträgt 800 N/mm2 bei Raum
temperatur und 830 N/mm2 bei 1500°C. Die Rißzähigkeit
bei Raumtemperatur beträgt 4 MPa √.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Prüfling einer Entoxida
tion unterworfen, worauf die Temperatur in einem Stick
stoffgasstrom mit einer Geschwindigkeit von 1000°C/h
bis auf 1800°C gesteigert wird. Unter Aufrechterhaltung
dieser Temperatur wird das Ofeninnere evakuiert. Danach
wird die Temperatur weiter auf 2050°C gesteigert und
der Formling 2 h lang in einem Argongasstrom gesintert.
Der erhaltene Sinterkörper besitzt eine Dichte von
3,15 g/cm3 und eine durchschnittliche Korngröße von
1,5 µm. Aufgrund einer Analyse enthält der Sinterkörper
0,13% B, 0,04% Al, 0,4% freien Kohlenstoff, 0,04% Sauerstoff
und 0,04% Stickstoff. Bei dem Festigkeitstest wird
die mechanische Festigkeit mit 810 N/mm2 bei Raumtempera
tur und 840 N/mm2 bei 1500°C ermittelt. Die Rißzähig
keit beträgt 5 MPa √.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Prüfling einer Entoxida
tion unterworfen, worauf die Temperatur in einem Stick
stoffgasstrom bis auf 1900°C gesteigert wird. Danach
wird die Temperatur weiter auf 2050°C gesteigert und
der Formling 2 h lang in einem Argongasstrom gesintert.
Der erhaltene Sinterkörper besitzt eine Dichte von
3,18 g/cm3 und eine durchschnittliche Teilchengröße von
1,1 µm. Die Analyse des erhaltenen Sinterkörpers zeigt,
daß er praktisch dieselbe Zusammensetzung aufweist, wie
der Sinterkörper des Beispiels 2. Bei dem Festigkeitstest
wird die mechanische Festigkeit mit 870 N/mm2 bei Raum
temperatur und 900 N/mm2 bei 1500°C ermittelt. Die Riß
zähigkeit beträgt 6 MPa √.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Prüfling einer Ent
oxidation unterworfen, worauf die Temperatur in einem
Stickstoffgasstrom bis auf 2000°C gesteigert wird.
Nach dem Evakuieren wird der Formling 2 h lang in einem
Argongasstrom bei 2050°C gesintert. Der erhaltene
Sinterkörper besitzt eine Dichte von 3,16 g/cm3 und
eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,9 µm. Eine
Analyse des erhaltenen Sinterkörpers zeigt, daß dieser
praktisch dieselbe Zusammensetzung aufweist wie die
Sinterkörper der Beispiele 2 und 3. Bei dem Festigkeits
test wird die mechanische Festigkeit mit 850 N/mm2
bei Raumtemperatur und mit 870 N/mm2 bei 1500°C er
mittelt. Die Rißzähigkeit beträgt 6 MPa √.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Prüfling einer Ent
oxidation unterworfen, worauf die Temperatur in einem
Stickstoffgasstrom bis auf 2050°C gesteigert wird.
Nach dem Evakuieren und der Zufuhr von gasförmigem Argon
wird der Prüfling 2 h lang gesintert. Der erhaltene Sin
terkörper besitzt eine Dichte von 3,14 g/cm3 und eine
durchschnittliche Korngröße von 2,0 µm. Bei dem Festig
keitstest wird die mechanische Festigkeit mit 820 N/mm2
bei Raumtemperatur und 800 N/mm2 bei 1500°C ermittelt.
Die Rißzähigkeit beträgt 5 MPa √.
Unter den in der folgenden Tabelle I angegebenen unterschiedlichen
Bedingungen werden verschiedene Sinterkörper
hergestellt. Deren Eigenschaften finden sich ebenfalls
in Tabelle I.
Aus Tabelle I geht hervor, daß die erfindungsgemäßen
Prüflinge eine gute mechanische Festigkeit bei hoher
Temperatur aufweisen.
Da der Prüfling Nr. 12 (nur) eine geringe Menge Bor ent
hält, ist seine Dichte gering und seine mechanische Festig
keit schlecht. Da der Prüfling Nr. 13 keiner Entoxidation
unterworfen wurde, bleiben unter Beeinträchtigung seiner
mechanischen Festigkeit darin große Mengen Kohlenstoff
und Sauerstoff zurück. Dem Prüfling Nr. 14 wurde das Bor
in Form von amorphem pulverförmigen Bor zugefügt. Er be
sitzt eine niedrige Dichte und eine schlechte mechanische
Festigkeit. Dem Prüfling Nr. 15 wurde Kohlenstoff in Form
von amorphem pulverförmigen Kohlenstoff zugefügt. Er
besitzt eine geringe Dichte und eine schlechte mechani
sche Festigkeit. Der Prüfling Nr. 16 besitzt einen hohen
Borgehalt und zeigt eine schlechte mechanische Festig
keit.
Wenn bei den erfindungsgemäßen Beispielen der Borgehalt
0,03-0,15 Gew.-%, der Gehalt an freiem Kohlenstoff
1,0 Gew.-% oder weniger und der Gehalt an Sauerstoff
weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, besitzt der erhaltene
Sinterkörper eine gute mechanische Festigkeit bei
hoher Temperatur δ f (1500°C) ≧600 N/mm2.
Die folgende Tabelle II zeigt einen Vergleich der
Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit
zwischen einem erfindungsgemäßen Prüfling und drei
Vergleichsprüflingen.
Die Werte der Tabelle zeigen, daß der erfindungsgemäße
Sinterkörper eine bessere Oxidationsbeständigkeit und
Korrosionsbeständigkeit aufweist als die Vergleichs
prüflinge.
Erfindungsgemäß enthält der Siliciumcarbid-Sinterkörper
als von SiC verschiedene Bestandteile B und C in niedri
gen Mengen. Insbesondere ist auch sein Sauerstoffgehalt
vermindert. Folglich besitzt ein erfindungsgemäßer
Sinterkörper eine hohe mechanische Festigkeit bei hohen
Temperaturen und eine akzeptable Zähigkeit.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumcarbid-Sinter
körpers unter druckfreien Bedingungen, bei dem man
- (a) ein Gemisch aus einem Siliziumcarbidpulver, einer unter Freigabe von Bor zersetzbaren Borverbindung als Sinterhilfsmittel und einer unter Freigabe von Kohlenstoff zersetzbaren Kohlenstoffverbindung als Sauer stoffänger ausformt,
- (b) den Formling nach Zersetzung der Borverbindung und der Kohlenstoffverbindung in einem Vakuum von nicht mehr als 0,13 Pa so lange auf einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur hält, bis das Vakuum nach einer zeitweiligen Verminderung wieder auf den vor der Verminderung vorliegenden Wert zurückgegangen ist,
- (c) der Formling auf Sintertemperatur erwärmt und
- (d) der Formling in einer Inertgasatmosphäre oder in Vakuum sintert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man in Stufe (b) die Temperatur des Formlings
im Bereich von 1300-1500°C hält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man beim Erwärmen in Stufe (c) eine Temperatur
steigerung von 1600°C auf einen Wert unterhalb
Sintertemperatur in nicht-oxidierender Gasatmosphäre
durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man als nicht-oxidierende Gasatmosphäre gas
förmigen Wasserstoff, gasförmigen Stickstoff und/oder
gasförmiges Kohlenmonoxid verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Sinterung in Stufe (d) bei einer
Temperatur von 1800-2200°C durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Sinterhilfsmittel eine lösungsmittel
lösliche
Borverbindung verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß man eine sauerstofffreie Borverbindung verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Borverbindung B10H14, B10H13J,
[(C2H5)3NH]2(B10H12), (CH3)2NH · BH3 oder eine Carboran
verbindung verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Sauerstoffänger eine lösungsmittellös
liche
Kohlenstoffverbindung
verwendet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Sauerstoffänger Kohleteerpech, Erdölpech,
Heizöl und/oder ein Phenolharz verwendet.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Siliziumcarbidpulver einer durchschnitt
lichen Teilchengröße von nicht mehr als 1 µm und
einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als
5 m2/g verwendet.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Siliziumcarbidpulver einer durchschnitt
lichen Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 µm und
einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als
10 m2/g verwendet.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man, bezogen auf das Gewicht des Siliziumcarbid
pulvers, so viel Sinterhilfsmittel einsetzt, daß
letztlich 0,05-1 Gew.-% Bor bereitgestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Gemisch so viel Sauerstoffänger zugesetzt wird, daß die
1,0- bis 3,0fache Gewichtsmenge Kohlenstoff, bezogen
auf die Sauerstoffmenge im Siliziumcarbidpulver,
bereitgestellt wird.
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