DE3877911T2 - Gesinterte verbundwerkstoffe aus si3n4-al2o3 und verfahren zu ihrer herstellung. - Google Patents
Gesinterte verbundwerkstoffe aus si3n4-al2o3 und verfahren zu ihrer herstellung.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf gesinterte Verbundwerkstoffe aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; und ein Verfahren zu ihrer Herstellung,und spezieller auf für die Verwendung als Baumaterialien von hoher Festigkeit bei hoher Temperatur geeignete gesinterte Verbundwerkstoffe aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
- Al&sub2;O&sub3; wird weithin als Substrat oder Platte für integrierte Schaltkreise, als Chip oder Span für Schneidwerkzeuge oder als refraktäres Material verwendet. Jedoch ist die Festigkeit von Al&sub2;O&sub3; bei einer Temperatur nicht unter 1.000ºC im Vergleich zu einem Siliziumnitrid-Sinterkörper und einem Siliziumkarbid-Sinterkörper niedrig, so daß es Einschränkungen bei seiner Verwendung als Baumaterial für Maschinen- oder Motorteile und dergleichen gibt.
- Um die Festigkeit und Zähigkeit von Al&sub2;O&sub3; zu erhöhen, wird vorgeschlagen, SiC-Whiskers in Al&sub2;O&sub3; zu dispergieren. Die Erhöhung der Zähigkeit in dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper durch Dispersion von SiC-Whiskers ist zum Beispiel in American Ceramics Society Bulletin, 64[2], 298-304 (1985) offenbart. Wenn jedoch dieser Sinterkörper in Luft erhitzt wird, tritt heftige Oxidation von SiC auf, die die Festigkeit stark herabsetzt, und der Sinterkörper kann nicht längere Zeit bei hoher Temperatur verwendet werden.
- Weiterhin offenbaren JP-A-55-126,574, JP-A-59-78,972 und JP-A-62-187,174, daß, wenn Si&sub3;N&sub4; zu Al&sub2;O&sub3; zugegeben wird, die Festigkeit, Zähigkeit und Härte in dem anfallenden Sinterkörper mit darin dispergierten Si&sub3;N&sub4;-Teilchen oder in dem anfallenden Sinterkörper, in dem Al&sub2;O&sub3;-Teilchen in eine Sialon-Matrix dispergiert sind, erhöht werden. Für diese Sinterkörper werden jedoch die Hochtemperatureigenschaften überhaupt nicht erwähnt, oder die zufriedenstellende Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit kann nicht erreicht werden, oder die Hochtemperaturfestigkeit kann aufgrund der Anwesenheit von Sinterhilfen, wie Spinell oder dgl., nicht erwartet werden.
- Die EP-A-141 366 beschreibt eine aus α-Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; und Sialon bestehende keramische Zusammensetzung, die durch Sintern eines Pulvergemischs, bestehend aus Al&sub2;O&sub3; und Si&sub3;N&sub4;, bei 1775ºC erhalten wird. Das Pulvergemisch kann 20 % Si&sub3;N&sub4; enthalten.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und gesinterte Verbundwerkstoffe aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3;, die eine hohe Festigkeit von Raumtemperatur bis zu höherer Temperatur und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweisen und für die Verwendung als Baumaterialien, wie Maschinen- oder Motorteilen und dgl. geeignet sind, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu liefern.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird, wie in Anspruch 1 dargelegt, ein gesinterter Verbundwerkstoff aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; geliefert.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines wie in Anspruch 2 dargelegten gesinterten Verbundwerkstoffs aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; zur Verfügung gestellt.
- Der erfindungsgemäße gesinterte Verbundwerkstoff aus Si&sub3;N&sub4;- Al&sub2;O&sub3; und das Verfahren zu seiner Herstellung wird weiter unten ausführlich beschrieben werden.
- Als Ausgangspulvergemisch besitzen Si&sub3;N&sub4;-Pulver und Al&sub2;O&sub3;- Pulver vorzugsweise hohe Reinheit und sind fein. Weiterhin sollte der Gehalt anderer Metall-Elemente als Si und Al nicht mehr als 0,5 Gew.-% im Pulvergemisch betragen, da die Verunreinigung durch Metall-Elemente in glasartigem Zustand in dem Sinterkörper bleibt und die Hochtemperatureigenschaften herabsetzt. Darüber hinaus besitzt das Si&sub3;N&sub4;- Pulver vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 2 Gew.-% und eine Teilchengröße von nicht mehr als 5 m. Als Al&sub2;O&sub3;-Ausgangspulver kann gamma-Al&sub2;O&sub3; oder dgl. verwendet werden, wenn es nach dem Brennen in α-Al&sub2;O&sub3; umgewandelt wird. Das Si&sub3;N&sub4;-Ausgangspulver kann vom α- oder β-Typ sein. So wird ein Pulvergemisch für das nachfolgende Formen geliefert, umfassend 25-45 Mol-% des obigen Si&sub3;N&sub4;- Pulvers, Rest Al&sub2;O&sub3;-Pulver, in dem ein Gehalt an anderen Metall-Elementen als Si und Al nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt. In diesem Fall sollte das Sinterhilfsmittel nicht zugegeben werden, da es in glasartigem Zustand in dem Sinterkörper bleibt und die Hochtemperatureigenschaften wie Metallverunreinigung herabsetzt. Das Mischen erfolgt im Naß oder Trockenzustand mit Hilfe einer Kugelmühle oder dgl. Das anfallende Pulvergemisch wird durch Trockenpressen, Spritzgußverfahren oder dgl. in eine gewünschte Form gebracht.
- Der aus dem Pulvergemisch aus Si&sub3;N&sub4;- und Al&sub2;O&sub3;-Pulver hergestellte Formkörper wird durch druckloses Sintern, Heißpressen oder isostatisches Heißpressen (HIP) verdichtet, wobei ein Teil oder die Gesamtmenge an Si&sub3;N&sub4; mit Al&sub2;O&sub3; reagiert, um Sialon zu bilden. Andererseits reagiert ein Teil des Al&sub2;O&sub3; mit Si&sub3;N&sub4; wie oben beschrieben, aber die verbleibende Menge an Al&sub2;O&sub3; verbleibt als α-Al&sub2;O&sub3;. So werden durch diese Reaktionen gesinterte Verbundwerkstoffe aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3;, bestehend aus α-Al&sub2;O&sub3; und mindestens einer kristallinen Phase von Si&sub3;N&sub4; und Sialon, erfindungsgemäß erhalten. Die Sintertemperatur beträgt für diese Reaktionen und für Verdichtung vorzugsweise 1.500- 1.900ºC. Wenn die Sintertemperatur unter 1.500ºC liegt, wird der Sinterkörper nicht ausreichend verdichtet, während wenn sie 1.900ºC überschreitet, das Kornwachstum von Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; und die Verdampfungsreaktion heftig werden und die Verminderung der Festigkeit und der Schüttdichte sowie die Verschlechterung der Hochtemperatureigenschaften verursachen.
- In dem Pulvergemisch sollte der Gehalt an Si&sub3;N&sub4;-Pulver in einem Bereich von 25-45 Mol-% liegen. Wenn dieser Gehalt 45 Mol-% überschreitet, wird der ganze Sinterkörper in Sialon umgewandelt und verliert die Verbundwirkung. Um die Oxidation von Si&sub3;N&sub4; zu verhindern, wird als Brennatmosphäre vorzugsweise eine Inertgasatmosphäre, wie Stickstoff, Argon oder dgl., verwendet. Bei dem isostatischen Heißpressen kann ein Verfahren, bei dem zuerst ein vorgesinterter Körper mit weniger offenen Poren durch druckloses Sintern oder Heißpressen hergestellt und dann isostatischem Heißpressen unterworfen wird, oder ein Verfahren, bei dem der Formkörper luftdicht mit einem Metall, Glas oder dgl. verschlossen und dann isostatischem Heißpressen unterworfen wird, angewandt werden.
- Die Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.
- α-Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einem Gehalt an Verunreinigungen durch andere Metall-Elemente als Si und Al von 0,2 Gew.-% und einer Reinheit von 98 % und α-Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 um und einer Reinheit von nicht weniger als 99.8 % wurden in einem wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Mischungsverhältnis gemischt und weiter in einem Polyethylen-Behälter, der Polyethylen-beschichtete Eisenkugeln enthielt, Acetonfeucht 10 h vermischt. Das so erhaltene Pulvergemisch wurde zuerst in eine Größe von 50 mm Durchmesser und 10 mm Dicke geformt 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 gesinterte Verbundwerkstoffe aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; der Beispiele 1 bis 3 gemäß der Erfindung und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 zu erhalten. Weiter wurde die gleiche Verfahrensweise, wie oben erwähnt, wiederholt, mit der Ausnahme, daß Y&sub2;O&sub3; oder MgO mit einer Reinheit von nicht weniger als 99 % dem Pulvergemisch zugegeben wurden, um die gesinterten Verbundwerkstoffe der Vergleichsbeispiele 5 und 6 zu erhalten. Alle diese Sinterkörper waren dichte Sinterkörper mit einer Porosität von nicht mehr als 1 %.
- In Tabelle 1 sind Ergebnisse an der Kristallphase, beobachtet durch eine Röntgen-Beugungsmethode in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 gezeigt. Weiter wurden in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 die Drei-Punkt-Biegefestigkeiten bei Raumtemperatur und 1.300ºC nach einer Methode des JIS R1601 gemessen, um die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Darüber hinaus wurde die Gewichtserhöhung pro Oberflächeneinheit in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 nach 100 h Erhitzen bei 1.300ºC gemessen, um die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Tabelle 1 Zusammensetzung des Pulvergemischs (Mol-%) Drei-Punkt-Biegefestigkeit (MPa) Sinterhilfsmittel (Gew.-%) Sintertemperatur (ºC) Kristalline Phase Raumtemperatur Gewichtserhöhung durch Oxidation (mg/cm²) Vergleichsbeispiel Beispiel
- Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, ist in den gesinterten Verbundwerkstoffen aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3; gemäß der Erfindung die Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei 1.300ºC nicht weniger als 550 MPa, so daß die Festigkeit nicht geringer als der Festigkeitswert bei Raumtemperatur ist, und auch die Gewichtserhöhung durch Oxidation bei 1.300ºC für 100 h nicht mehr als 0,1 mg/cm² beträgt. So besitzen die erfindungsgemäßen Sinterkörper hohe Festigkeit bei hoher Temperatur und ausgezeichnete Oxidations-Beständigkeit im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen.
- Wie oben erwähnt, besteht der erfindungsgemäße gesinterte Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3;-Verbundwerkstoff aus α-Al&sub2;O&sub3; und mindestens einer Kristallphase von Si&sub3;N&sub4; und Sialon und kann eine Festigkeit von nicht weniger als 550 MPa über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1.300ºC und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit besitzen, so daß er für Hochtemperatur-Baumaterialien, wie Maschinen- oder Motorteile und dgl., verwendbar ist.
Claims (2)
1. Gesinterter Verbundwerkstoff aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3;, bestehend
aus α-Al&sub2;O&sub3; und mindestens einer der kristallinen Phasen
Si&sub3;N&sub4; und Sialon, erhalten durch Sintern eines
Pulvergemischs umfassend 25-45 Mol-% Si&sub3;N&sub4; und Rest Al&sub2;O&sub3;-
Pulver bei 1.500-1.900ºC, in dem der Gehalt von anderen
Metall-Elementen als Si und Al nicht mehr als 0,5 Gew.-%
beträgt.
2. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten
Verbundwerkstoffs aus Si&sub3;N&sub4;-Al&sub2;O&sub3;, umfassend das Formen
eines Pulvergemischs, umfassend 25-45 Mol-% Si&sub3;N&sub4; und Rest
Al&sub2;O&sub3;-Pulver, in dem der Gehalt an anderen Metall-Elementen
als Si und Al nicht mehr als 0.5 Gew.-% beträgt, und dann
Sintern des Pulver-Formlings bei 1.500-1.900ºC.
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