DE3877881T2

DE3877881T2 - Sic-a12o3-sinterverbundkoerper und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE3877881T2
Application number: DE8888308959T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Dokushin-Ryo Nakahira; Koichi - - Hashirimizu Niihara
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2008-09-29
Also published as: KR890005006A; DE3877881D1; EP0311289A1; KR900005511B1; JPS6487552A; US4889834A; EP0311289B1; JP2507480B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, und spezieller auf für die Verwendung in Baumaterialien mit hoher Festigkeit und Zähigkeit geeignete SiC-Al&sub2;O&sub3;- Sinterverbundkörper und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Al&sub2;O&sub3; wird weithin als Substrat oder Platte für einen integrierten Schaltkreis, als Chip oder Span für Schneidwerkzeuge oder als refraktäres Material verwendet. Jedoch ist die Festigkeit und Zähigkeit von Al&sub2;O&sub3;, verglichen mit denen eines Siliciumnitrid-Sinterkörpers gering, so daß seine Verwendung als Baumaterial für Motorteile und dgl. eingeschränkt ist.
Um die Festigkeit und Zähigkeit von Al&sub2;O&sub3; zu erhöhen, werden bekanntlich SiC-Teilchen oder SiC-Whisker in Al&sub2;O&sub3; dispergiert. Die Erhöhung der Zähigkeit in dem Al&sub2;O&sub3;- Sinterkörper durch Dispersion von SiC-Whiskern ist zum Beispiel in American Ceramics Society Bulletin, 64 [2], 298-304 (1985) veröffentlicht. Darüber hinaus offenbart das offengelegte Japanische Patent Nr. 59-3.766 die Erhöhung der Zähigkeit in dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper mit einer verflochtenen Mikrostruktur von SiC und Al&sub2;O&sub3; und hoher Festigkeit und Zähigkeit. In der Mikrostruktur dieser Sinterkörper neigt SiC zur Bildung einer kontinuierlichen Phase, so daß, wenn der Sinterkörper in Luft erhitzt wird, die Oxidation von SiC stark ist und die Festigkeit sinkt, und der Sinterkörper nicht für längere Zeit bei hoher Temperatur verwendet werden kann.
Weiterhin ist die Erhöhung der Festigkeit, Zähigkeit und Härte in dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper durch die Dispersion von SiC-Teilchen in dem offengelegten Japanischen Patent Nr. 61-21.964 und Nr. 61-174.165 offenbart. In diesen Sinterkörpern liegen jedoch SiC-Teilchen hauptsächlich in der Korngrenze von Al&sub2;O&sub3;-Teilchen als Matrix vor, so daß die ausreichende Erhöhung der Festigkeit oder Zähigkeit in dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper nicht erreicht werden kann, was Zwischenkornbrüche während Frakturen verursacht.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Nachteile des Standes der Technik zu lösen und SiC-Al&sub2;O&sub3;- Sinterverbundkörper mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung erreicht eine Verbesserung der Dispersion von SiC-Teilchen durch Dispergieren von SiC-Teilchen in Al&sub2;O&sub3;-Teilchen als Matrix, sogar wenn der Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper Zwischenkornbrüche während Frakturen erleidet. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist, SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper, bei denen SiC-Teilchen in der Al&sub2;O&sub3;-Matrix individuell anwesend sind, die Oxidationsbeständigkeit gut ist und die Verwendung bei hoher Temperatur langzeitig möglich ist, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein wie in Anspruch 1 dargelegter SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird, wie in Anspruch 4 dargelegt, ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörpers zur Verfügung gestellt.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Mikrophotographie ist, die eine Teilchenstruktur eines erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörpers zeigt; und
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die in Beispiel 1 eine temperaturabhängige Festigkeitsänderung des erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörpers zeigt.
Der erfindungsgemäße SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper wird weiter unten ausführlich beschrieben.
In Fig. 1 wird ein Beispiel der mit einem Elektronenmikroskop vom Penetrationstyp (penetration type electron microscope) in einem erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper erhaltenen Ergebnisse gezeigt, woraus ersichtlich ist, daß sich der erfindungsgemäße SiC-Al&sub2;O&sub3;- Sinterverbundkörper durch Dispergieren von SiC-Teilchen in Al&sub2;O&sub3;-Teilchen als Matrix zusammensetzt. Die Teilchengrößen von SiC-Teilchen und Al&sub2;O&sub3;-Teilchen werden mit einem Elektronenmikroskop vom Penetrationstyp oder einem Rasterelektronenmikroskop gemessen. Es ist erfindungsgemäß vorzuziehen, daß das zu dispergierende SiC-Teilchen eine Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 um und das α-Al&sub2;O&sub3;- Teilchen als Matrix eine Teilchengröße von nicht mehr als 5 um aufweist. In dem erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper wird das Rißwachstum in den Al&sub2;O&sub3;-Teilchen des Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörpers, das Zwischenkornbrüche während Frakturen verursacht, durch SiC-Teilchen zur Erhöhung der Zähigkeit verhindert.
Darüber hinaus setzt sich der Sinterkörper aus feinen SiCTeilchen und Al&sub2;O&sub3;-Teilchen zusammen, so daß das SiCTeilchen oder das Al&sub2;O&sub3;-Teilchen keine bruchbildende Quelle bildet und der Sinterkörper eine hohe Festigkeit besitzt. Da der Effekt der Verhinderung des Rißwachstums in den Al&sub2;O&sub3;-Teilchen ausreichend durch SiC-Teilchen erreicht wird, weist der Sinterkörper vorzugsweise nicht weniger als 2 Mol-% SiC-Teilchen auf. Vorzuziehen sind weniger als 20 Mol-% SiC-Teilchen.
Weiterhin liegen die SiC-Teilchen in der Al&sub2;O&sub3;-Matrix individuell vor, so daß die SiC-Teilchen schwer oxidierbar sind und die Oxidationsbeständigkeit ausgezeichnet ist. Der Sinterkörper enthält vorzugsweise nicht mehr als 10 Mol-% SiC-Teilchen, insbesondere, um die SiC-Teilchen in der Al&sub2;O&sub3;-Matrix individuell zuhalten. Da der erfindungsgemäße SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweist, kann er in Luft Hitze-vergütet werden, um Oberflächen-Defekte wie schlechtes Formen, Bearbeiten und dgl. zu beseitigen und die Festigkeit weiter zu erhöhen.
Ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren für die Sinterverbundkörper wird weiter unten ausfürlich beschrieben. Die Teilchengrößen von SiC-Teilchen und Al&sub2;O&sub3;-Pulver als Ausgangsmaterial werden mit einem Elektronenmikroskop vom Penetrationstyp gemessen. Die Al&sub2;O&sub3;-Teilchen wachsen in Al&sub2;O&sub3;-Pulver beim Sintern und schließen SiC-Teilchen ein, so daß sie eine ausreichend kleine Teilchengröße als Ausgangspulver haben und während dem Sintern wachsen sollten. Insbesondere beträgt die Teilchengröße von Al&sub2;O&sub3; nicht mehr als 0,5 um. Andererseits werden die SiC-Teilchen in den gewachsenen Al&sub2;O&sub3;-Teilchen während dem Sintern eingeschlossen, so daß sie notwendigerweise fein sein müssen und nicht größer als 0,5 um sein dürfen. Darüber hinaus beträgt die Teilchengröße von SiC-Teilchen vorzugsweise nicht mehr als 0,2 um.
Als Ausgangs-Al&sub2;O&sub3;-Pulver kann gamma-Al&sub2;O&sub3; oder dgl. verwendet werden, wenn es in α-Al&sub2;O&sub3; nach dem Sintern umgewandelt wird. Das SiC-Teilchen kann α-Typ oder β-Typ haben. Das Al&sub2;O&sub3;-Pulver und die SiC-Teilchen sind vorzugsweise von hoher Reinheit, da die Verunreinigung insbesondere die Hochtemperatureigenschaften herabsetzt. Das SiC-Teilchen enthält vorzugsweise Metallverunreinigung von nicht mehr als 1 % und Sauerstoff von nicht mehr als 1 %.
Das obige Al&sub2;O&sub3;-Pulver und SiC-Teilchen werden vermischt, um ein Pulvergemisch für das Formen zu erhalten. Das Mischen erfolgt mit einer Kugelmühle oder dgl. in Trockenoder Naßzustand. Das anfallende Pulvergemisch wird durch Pressen, Spritzgußverfahren oder dgl. in eine gewünschte Form gebracht.
Der aus dem Pulvergemisch aus Al&sub2;O&sub3;-Pulver und SiC-Teilchen hergestellte Formkörper wird durch druckloses Sintern, Heißpresssen, isostatisches Heißpressen (HIP) oder dgl. verdichtet. In diesem Fall ist es notwendig, die Brennbedingungen so zu einzustellen, daß α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen nur wachsen, um SiC-Teilchen einzuschließen, und das Wachstum von α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen nicht zu stark ist. Zu diesem Zweck beträgt die Brenntemperatur 1.400-1.800ºC. Wenn die Brenntemperatur niedriger als 1.400ºC ist, ist die Verdichtung unzureichend und die Teilchen wachsen nicht, während, wenn sie höher als 1.800ºC ist, das Wachstum von Al&sub2;O&sub3;-Teilchen und SiC-Teilchen zu stark ist und der SiC- Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper durch erfindungsgemäßes Dispergieren feiner SiC-Teilchen in feine Al&sub2;O&sub3;-Teilchen nicht erhalten werden kann. Ferner ist zu berücksichtigen, daß das Wachstum von Al&sub2;O&sub3;-Teilchen durch die Zugabe von SiCTeilchen unterdrückt wird.
Die Brennatmosphäre kann eine Inertatmosphäre, wie Stickstoff, Argon oder dgl., oder eine reduzierende Atmosphäre, wie Wasserstoff oder dgl. sein, um die Oxidation von SiC- Teilchen zu verhindern. Als isostatisches Heißpressen kann eine Methode angewandt werden, bei der zuerst ein vorgesinterter Körper mit weniger offenen Poren durch druckloses Verdichten oder Heißpressen hergestellt und dann dem isostatischen Heißpressen unterworfen wird, oder eine Methode, bei der der Formkörper mit einem Metall, Glas oder dgl. luftdicht verschlossen und dann dem isostatischen Heißpressen unterworfen wird.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind nicht als Einschränkungen der Erfindung anzusehen.
α-Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Teilchengröße und einer Reinheit von nicht weniger als 99 % und ß-SiC-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,2 um und einer Reinheit von 98 % wurden in einem wie in Tabelle 1 gezeigten Mischungsverhältnis in einem Polyethylen- Behälter, der Polyethylen-beschichtete Eisenkugeln enthielt, Aceton-feucht 10 h vermischt. Das so erhaltene Pulvergemisch wurde auf eine Größe von 50 mm im Durchmesser und 10 mm Dicke gebracht und unter einem Druck von 200 MPa gepresst. Dann wurde der Formkörper bei einer in Tabelle 1 gezeigten Temperatur unter einem Druck von 30 MPa heißgepresst, um SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper der erfindungsgemäßen Beispiele 1-8 und der Vergleichsbeispiele 9-12 zu erhalten. Alle diese Sinterkörper besaßen eine Porosität von nicht mehr als 1 % und waren dicht. In den Beispielen 1-8 und den Vergleichsbeispielen 9-12 war die Zusammensetzung der Sinterkörper mit der des Pulvergemischs als Ergebnis der Kristallquantifizierung durch chemische Analyse und Röntgenbeugung übereinstimmend. Eine Mikrophotographie des Sinterkörpers mit einem Elektronenmikroskop vom Penetrationstyp in Beispiel 3 ist in Fig. 1 gezeigt. Die Teilchengrößen von Al&sub2;O&sub3;-Teilchen und SiC-Teilchen und die Lage von SiC-Teilchen in den Beispielen 1-8 und Vergleichsbeispielen 9-12 wurden mit einem Elektronenmikroskop vom Penetrationstyp und Rasterelektronenmikroskop gemessen, um die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zu erhalten.
Darüber hinaus wurden in den Beispielen 1-8 und Vergleichsbeispielen 9-12 die Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur nach einer Methode von JIS R1601 und der Bruchzähigkeitswert (KIc) gemäß einer Einkerb-Bruchmethode gemessen, um die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Darüberhinaus zeigt Fig. 2 die Temperaturabhängigkeit der Drei-Punkt-Biegefestigkeit in dem Sinterkörper von Beispiel 3, wenn diese Festigkeit über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1.400ºC gemessen wurde. Auch wurden die Testproben der Beispiele 1-8 in Luft bei 1.200ºC für 100 h erhitzt und es wurde die Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei 1.000ºC gemessen, um die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Tabelle 1 Zusammensetzung des Pulver-Gemischs (Mol-%) Teilchengröße des Sinterkörpers (um) Teilchengröße des Pulvers (um) SiC-Teilchen Brenntemperatur (ºC) Zustandsform der SiC-Teilchen Drei-Punkt-Biegefestigkeit (MPa) Drei-Punkt-Biegefestigkeit nach Oxidation (MPa) Beispiel Vergleichsbeispiel innerhalb Al&sub2;O&sub3; Teilchen Korngrenze von Al&sub2;O&sub3;
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, besitzen die erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper eine Drei-Punkt- Biegefestigkeit von nicht weniger als 850 MPa und eine Zähigkeit von nicht weniger als 5,0 MPam0,5, die beide höher als die der Vergleichsbeispiele sind, und sind ausgezeichnet in Hochtemperatureigenschaften bis 1.000ºC und gut in der Oxidationsbeständigkeit. Darüber hinaus ist es möglich, die Festigkeit durch Beseitigen des Oberflächen-Defekts durch Erhitzen zu erhöhen.
Wie oben erwähnt, besitzen die erfindungsgemäßen SiC-Al&sub2;O&sub3;- Sinterverbundkörper zum Beispiel eine Festigkeit von nicht weniger als 850 MPa und KIC von nicht weniger als 5,0 MPam0,5 durch die Dispersions-Verstärkung von SiC-Teilchen durch Dispersion von SiC-Teilchen in Al&sub2;O&sub3;-Teilchen als Matrix sogar in dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper, der Zwischenkornbrüche während Frakturen erleidet, und sind als Baumaterialien mit hoher Festigkeit und Zähigkeit geeignet. Darüber hinaus sind sie für Hochtemperatur-Baumaterialien wie Maschinen- oder Motorteile oder dgl. verwendbar, da sie ausgezeichnet in den Hochtemperatureigenschaften bis 1.000ºC und gut in der Oxidationsbeständigkeit aufgrund der individuellen Anwesenheit von SiC-Teilchen in der Al&sub2;O&sub3;- Matrix sind und für lange Zeit bei hohen Temperaturen verwendet werden können.

Claims

1. SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß SiC-Teilchen innerhalb Matrix-bildender α-Al&sub2;O&sub3;- Teilchen dispergiert sind und daß der Körper eine Drei- Punkt-Biegefestigkeit von nicht weniger als 820 MPa besitzt.

2. Sinterverbundkörper gemäß Anspruch 1, worin besagte SiC- Teilchen eine Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 um und besagte Al&sub2;O&sub3;-Teilchen eine Teilchengröße von nicht mehr als 5 um besitzen.

3. Sinterverbundkörper gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, wobei besagter Körper 2-10 Mol-% SiC-Teilchen besitzt.

4. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Al&sub2;O&sub3;-Sinterverbundkörpers, das das Formen eines Pulvergemischs mit nicht weniger als 2 Mol-% SiC-Teilchen mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 um und Rest Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 um, und das Sintern des Pulvergemischs bei 1.400-1.800ºC zu einem SiC-Al&sub2;O&sub3;- Verbundkörper mit in Matrix-bildenden α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen einer Teilchengröße von nicht mehr als 5 um dispergierten SiC-Teilchen einer Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 um umfaßt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, worin besagtes Pulvergemisch 2-10 Mol-% SiC-Teilchen enthält.