DE4003809A1 - Verfahren zur herstellung eines formkoerpers aus polykristallinem, hexogonalem bornitrid - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines formkoerpers aus polykristallinem, hexogonalem bornitridInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Formkörpers aus polykristallinem, hexa
gonalem Bornitrid mit einem homogenen, isotropen Mikroge
füge und einer Dichte von mindestens 97% der theoretisch
möglichen Dichte von Bornitrid. Das Verfahren erlaubt ei
nerseits die Verwendung eines billigeren Ausgangsmaterials
und andererseits führt es zu Formkörpern besserer Quali
tät.
Hexagonales Bornitrid zeichnet sich durch eine Reihe
wertvoller technischer Eigenschaften aus, wie ausgezeich
netes elektrisches Isolationsvermögen, welches auch bei
hohen Temperaturen erhalten bleibt, relativ niedriger Wär
meausdehnungskoeffizient und hohe Wärmeleitfähigkeit sowie
die hieraus resultierende gute Temperaturwechselbeständig
keit, die schlechte Benetzbarkeit durch geschmolzene Me
talle wie Zink, Aluminium und Kupfer, Nicht-Metalle wie
Silizium und Bor und nichtmetallische Verbindungen wie
Glas und Kryolith. Diese Eigenschaften verleihen Formkör
pern aus Bornitrid große Bedeutung im Einsatz in der
Elektronik, der Stahlindustrie und dem Einsatz als Tie
gelmaterial.
Das hexagonale Bornitrid ist das nächste strukturelle
Analogon von Graphit. Das Gitter ist graphitartig, liegt
jedoch genau aufeinander und ist durch die Aufeinanderfol
ge von Atomen des Bors und Stickstoffes längs der Z-Achse
gekennzeichnet. Während beim Graphit ein großer Anteil
der Bindungen metallischer Natur ist, liegt beim Bornitrid
eine überwiegend kovalente Bindung vor. Aus der kovalenten
Bindung resultiert ein sehr unbewegliches Kristallgitter,
was durch den geringen Diffusionskoeffizient des Borni
trids ausgedrückt wird.
Der geringe Diffusionskoeffizient und die Tatsache,
daß Bornitrid bei hohen Temperaturen instabil ist und in
Bor und Stickstoff dissoziiert, führen dazu, daß sich
reines Bornitridpulver ohne Zusatz von Sinterhilfsmitteln
nicht verdichten läßt. Die Herstellung von Formkörpern
mit oben aufgeführten Eigenschaften ist demnach nur mit
hohem Aufwand durchzuführen.
Durch Heißpressen von Bornitrid enthaltenden Borni
tridpulvern wurden relativ hohe Dichten erzielt. Da diese
Erzeugnisse aber durch Boroxid und durch den beim Herstel
lungsverfahren anfallenden Kohlenstoff aus den Graphit
formen verunreinigt sind, werden deren dielektrischen
Elektroisoliereigenschaften und allgemein die Hochtempe
ratureigenschaften verschlechtert.
Nach der DE-AS-20 21 952 führt ein Auswaschen des Bor
oxids und ein anschließendes Nachsintern der Bornitrid
formkörper zu einer Verbesserung der Hochtemperatureigen
schaften. Der hohe Energie- und Zeitaufwand verurteilen
dieses Verfahren aber zur Unwirtschaftlichkeit.
Formkörper, die durch Heißpressen hergestellt wurden,
zeigen außerdem ein irreversibles Quellen beim Erwärmen
und eine starke Anisotropie in ihren Eigenschaften, welche
durch ein gerichtetes Kornwachstum beim Preßvorgang her
vorgerufen wird.
Nach der DE 26 43 930 B2 ist ein ähnliches Verfahren
bekannt, bei dem die erwähnten negativen Eigenschaften von
heißgepreßten Bornitridformkörpern durch geringeren
Preßdruck weitgehend sublimiert werden, wobei die Dichte
dieser Erzeugnisse jedoch nur ca. 70% der theoretischen
Dichte von Bornitrid beträgt.
Ein allgemein bekanntes Verfahren ist neben dem übli
chen Heißpressen das isostatische Heißpressen, bei dem
durch ein inertes Gas als Druckübertragungsmedium ein all
seitiger Druck auf den Formkörper ausgeübt wird. Damit ei
ne Verdichtung auf diese Art stattfinden kann, muß die
Oberfläche der Formkörper dicht, d.h. ohne offene Porosi
tät sein. Formkörper mit offener Porosität müssen mit ei
ner gasdichten Hülle umschlossen werden, um die Verdich
tung zu gewährleisten. Als Hüllen eignen sich nach DE-PS
26 01 294 auch Glashüllen, in die vorgeformte Körper einge
setzt werden.
Die Verwendung von Tantalbehältern als Hüllenmaterial
ermöglicht eine heißisostatische Verdichtung bei Tempera
turen von 1650°C bis 2480°C und Drucken von 103 MPa bzw.
207 MPa bei einer Haltezeit von 1 bis 3 Stunden (nach
"Development and Evaluation of Hot Isostatically Compacted
Boron Nitride" von M.C. Brockway et al, AD-7 09 620 v. Juli
1970, Battelle Memorial Institute, Columbus Laboratories).
Die Ergebnisse der Versuche an derart hergestellten Form
körpern wichen jedoch kaum ab von den Ergebnissen der an
heißgepreßten Bornitridformkörpern durchgeführten Ver
suche. Die Ursache hierfür liegt vermutlich in dem bei
hohen Temperaturen stattfindenden Kornwachstum.
Aus der EP-00 84 369 B1 sind Formkörper aus Bornitrid
mit einer Dichte von mindestens 95% der theoretisch mög
lichen Dichte, bestehend aus polykristallinem, hexagonalem
Bornitrid in Form eines homogenen, isotropen Mikrogefüges,
bekannt. Diese werden im Hochdruckautoklaven bei Tempera
turen von 1200°C bis 1500°C und Drucken von 50-300 MPa
aus reinem Bornitridpulver, welches einen Boroxid-Gehalt
von höchstens 1% aufweist, hergestellt. Nach dieser Er
findung werden die porösen Formkörper oder auch granulier
tes Bornitridpulver zur Verdichtung in Stahlhüllen einge
bracht, wie es seit vielen Jahren zur Herstellung von pul
vermetallurgischen Stählen praktiziert wird (siehe NTIS
National Technical Information Service U.S. Department of
Commerce, March 1975; PM Superalloys, Aerospace Materials
for the 1980′s Vol. 2; Patent DE 30 05 474).
Das Entkapseln derart hergestellter Teile bietet
Schwierigkeiten und bedingt einen beachtlichen finanziel
len Aufwand, außerdem gestattet dieses Verfahren keine
Herstellung von dünnwandigen Bornitrid-Teilen, da diese
aufgrund der geringen Festigkeit von Bornitrid beim Ent
kapseln zerbrechen. Dünnwandige Teile müssen nach diesem
Verfahren aus größeren Blöcken herausgearbeitet werden,
was ein Anfallen von großen Mengen an Bornitridabfall
bedingt. Im weiteren bildet sich zwischen Kapsel und Bor
nitrid eine Übergangsschicht, die das Entkapseln er
schwert und die Eigenschaften des Bornitrids negativ be
einflußt. Aus der Literatur und praktischen Versuchen ist
bekannt, daß Boroxidgehalte über 1% im Bornitrid zu ei
ner entscheidenden Verschlechterung der typischen Eigen
schaften von Bornitrid im Hochtemperatureinsatz führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge,
diese gravierenden Nachteile zu beheben und ein Verfahren
zur Verfügung zu stellen, in welchem keine Entkapselung
erforderlich ist und worin die Diffusionszone zwischen
Stahl und Bornitridkörper verhindert wird und gleichzeitig
Formkörper mit höheren Dichten und besseren Eigenschaften
erhalten werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demzufolge
das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren. Die erfin
dungsgemäß hergestellten Bornitridkörper weisen ein ho
mogenes, isotropes Mikrogefüge und eine höhere Dichte als
die bisherigen Bornitrid-Formkörper auf. Das erfindungsge
mäße Verfahren stellt weiter eine geeignete Trennschicht
zwischen Hülle und Bornitrid zur Verfügung, wodurch die
frühere aufwendige Entkapselung entfällt und gleichzeitig
verbesserte Eigenschaften des Produktes erzielt werden.
Das Verfahren erlaubt die Verwendung eines billigeren Bor
nitridpulvers als Ausgangsmaterial, da dieses einen Bor
oxidgehalt bis zu 4% aufweisen darf. Durch die im erfin
dungsgemäßen Verfahren entstehenden Trennschichten wird
das Boroxid reduziert und wandelt sich mit dem in der
Trennschicht freiwerdenden Stickstoff zu Bornitrid um. Da
durch kann erreicht werden, daß der Bornitridgehalt des
Endproduktes 99 Gew.-% und mehr beträgt.
Die nach der Erfindung hergestellten Formkörper
zeichnen sich durch ein homogenes, isotropes Mikrogefüge,
bestehend aus polykristallinem, hexagonalem Bornitrid,
aus. Die Dichte der Formkörper beträgt mindestens 97% der
theoretisch möglichen Dichte von Bornitrid. Die Körper
können aus reinem Bornitridpulver hergestellt werden. Der
Boroxid-Gehalt des Pulvers beträgt beispielsweise 0,5 Ge
wichtsprozent oder weniger. Die Parameter für den heiß
isostatischen Preßvorgang liegen je nach verwendeter
Trennschicht zwischen Hülle und Bornitrid z.B. einmal bei
1500°C bis 1600°C und zum anderenmal zwischen 1100°C und
1600°C, der Druck liegt jeweils zwischen 30-200 MPa. Die
Herstellung wird normalerweise im Hochdruckautoklaven
durchgeführt, als Druckübertragungsmedium dient ein iner
tes Gas. Das Pulver wird kaltisostatisch zu Körpern vorge
formt, diese werden mit einer Hülle aus Stahl vakuumdicht
verschlossen.
Das zur Herstellung erfindungsgemäßer Formkörper ver
wendete hexagonale Bornitridpulver zeichnet sich vorzugs
weise durch eine Reinheit von 99 Gewichtsprozent aus. Im
Normalfall beträgt der Gehalt an freiem Boroxid nicht mehr
als 0,5 Gewichtsprozent, der Anteil an metallischen Verun
reinigungen nicht mehr als 0,15 Gewichtsprozent. Der noch
fehlende Anteil zu 100 Gewichtsprozent besteht überwiegend
aus Sauerstoff in Form von anhaftenden Boroxinitriden. Die
spezifische Oberfläche des Bornitridpulvers liegt in einem
Bereich von 10-25 m2/g (nach der BET-Methode gemessen).
Um die Beständigkeit des heißgepreßten Körpers gegen
Feuchtigkeit zu gewährleisten, muß das vorhandene Boroxid
durch geeignete Zusätze in stabile Verbindungen überführt
werden. Dies gelingt vorzugsweise durch die Zugabe von Al
bzw. AlN in einer Menge von bis 3 Gewichtsprozent, oder
durch die Zugabe von Kalzium in einer Menge bis zu 1 Ge
wichtsprozent, bezogen auf das Bornitridpulver. Ferner
können die je nach Einsatzbereich geforderten technischen
Eigenschaften des Bornitrids durch die Zugabe von ZrO2,
Si3N4, SiC, B4C, SiO2, Al2O3, Y2O3, MgO oder metallischen
Stoffen in Mengen bis 50 Gewichtsprozent optimiert werden.
Je nach Art und Menge der Zusätze können Festigkeit, Ab
rieb, Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit beein
flußt werden.
Das mit den aufgeführten Zusätzen naßvermischte Bor
nitridpulver wird nach der Trocknung durch bekannte Form
gebungsverfahren wie axiales Stempelpressen oder kaltiso
statisches Pressen zu Körpern mit offener Porosität vorge
formt. Um eine gute Handhabung der Grünkörper zu gewähr
leisten und eine möglichst hohe Verdichtung zu erzielen,
werden dem Pulver vorzugsweise 0,5 bis 6% eines tempo
rären Binde- bzw. Gleitmittels auf der Basis von Polysa
ccharid oder Polyvinylalkohol zugesetzt. Um eine Verfär
bung des Endproduktes auszuschließen, ist darauf zu ach
ten, daß der nach der Zersetzung des Binde- bzw. Gleit
mittels vorliegende freie Kohlenstoff 0,05 Gew.-%, bezogen
auf das Bornitrid, nicht überschreitet.
Die Dichte der kaltisostatisch vorgepreßten Formkör
per sollte für den anschließenden heißisostatischen
Preßvorgang mindestens 50% der theoretisch möglichen
Dichte betragen. Anschließend werden die Probekörper in
die Stahlhülle eingebracht, welche durch das Evakuierrohr
aber offen bleibt. Ein Ausheizen der Hülle einschließlich
des Probekörpers bei 500-1100°C unter Vakuum gewährlei
stet die Abspaltung von gasförmigen Zersetzungsprodukten
aus Gleit- und Bindemitteln, sowie das Austreiben von noch
eventuell anhaftender Feuchtigkeit, so daß ein Aufbersten
der Hülle während des isostatischen Heißpressens ausge
schlossen ist.
Als Material für die gasdicht verschließbaren Hüllen
wird Stahl mit einem Schmelzpunkt von 1536°C verwendet.
Damit eine Reaktion des Stahls mit dem Bornitridformkörper
und die Erniedrigung des Schmelzpunktes von Stahl in Anwe
senheit von freiem Bor oder Stickstoff ausgeschlossen
wird, wird zwischen Hülle und Bornitrid eine Trennschicht
aus ZrO2, Al2O3, Si3N4, AlN, TiN, Cr2O3, SiC oder Mischun
gen aus diesen in Verhältnissen von 1:1 bis 1:5 einge
bracht. Die Aufbringung der Trennschicht erfolgt auf die
Hülleninnenfläche oder auf den vorgepreßten Formkörper
durch Spritzen oder Aufstreichen einer Suspension, in
welcher die genannten Verbindungen in feindispergierter
Form vorliegen, oder durch das Einbetten in ein Pulverbett
der oben aufgeführten Verbindungen oder deren Mischungen.
Durch das Einbringen der Trennschicht wurde überra
schenderweise gefunden, daß ein Boroxidgehalt von 0,5-4
Gew.-% im Normalfall 1,5 Gew.-%, die Verdichtung positiv
beeinflußt, und durch die Zugabe der Trennmittel bei hö
heren Temperaturen in der Kapsel während des HIP-Prozesses
der Boroxidgehalt von größer als 1 Gew.-% im Bornitrid
unter 1 Gew.-% reduziert wird. Das bei der Reduktion frei
werdende Bor reagiert wiederum mit dem in der Trennschicht
freiwerdenden Stickstoff zu BN, so daß der BN-Gehalt
nicht unter 99 Gew.-% fällt.
Nach dem gasdichten Verschließen im Anschluß an das Eva
kuieren der Kapseln werden diese in den Hochdruckautokla
ven eingebracht und auf eine Verdichtungstemperatur von
vorzugsweise 1500°C bis 1520°C erhitzt. Der Druck, der
durch inerte Gase wie Argon oder Stickstoff übertragen
wird, liegt vorzugsweise zwischen 30-200 MPa. Nach Ab
lauf der Haltezeit wird die Temperatur über den Schmelz
punkt des Stahls von 1536°C erhöht, damit die Stahlhülle
vom BN-Formkörper abschmilzt.
Nach der Temperatur- und Druckerniedrigung können die
Formkörper aus dem Hochdruckautoklaven entnommen werden.
Die Formkörper haben eine theoretische Dichte von minde
stens 97%, vorzugsweise von über 99%. Die angewendeten
Parameter führen zu einem homogenen, isotropen Mikroge
füge, welches auch bei diesem hohen Verdichtungsgrad er
halten bleibt. Eine Anisotropie der Eigenschaften durch
ein mögliches Kornwachstum ist an den Proben nicht fest
stellbar, da die Meßdaten von Proben, die in verschiede
nen Richtungen aus dem heißisostatisch verdichteten Form
körper genommen wurden, nahezu identisch sind. Die Werte
für die Biegebruchfestigkeit betragen mehr als 60 N/mm2.
Die erfindungsgemäßen Formkörper aus polykristalli
nem, hexagonalem Bornitrid weisen, auch ohne die o.a. mög
lichen Zusätze zur Beeinflußung bestimmter Eigenschaften,
bessere Eigenschaften auf als solche, die unter Mitverwen
dung von Sinterhilfsmitteln nach dem üblichen Heißpreß
verfahren hergestellt worden sind, und auch bessere Eigen
schaften als die Bornitridkörper, die ohne Mitverwendung
von Sinterhilfsmitteln durch isostatisches Heißpressen
und ein anschließendes, mit großen Schwierigkeiten und
großem Aufwand verbundenem Entkapseln hergestellt worden
sind.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht nur
möglich, großvolumige Bornitridformkörper, aus denen
nachher kleinere Körper beliebiger Form mechanisch heraus
gearbeitet werden, herzustellen, sondern es ermöglicht
auch die Herstellung von Formkörpern, die nur geringe
Wandstärken aufweisen, ohne daß durch das Bearbeiten von
großen Teilen Unmengen an Abfall anfallen.
Durch die Verwendung von Tantal als Trennschicht zwi
schen Hülle und Bornitridformkörper bietet sich ein weite
res Verfahren zur Steigerung des Verdichtungsgrades bei
gleichem homogenen, isotropen Mikrogefüge. Der so gehüll
te, kaltisostatisch vorgeformte Körper wird in den Hoch
druckautoklaven eingebracht und auf 1180°C erhitzt. Nach
einer bestimmten Haltezeit wird das Tantalpulver gasdicht,
so daß die Temperatur auf 1600°C erhöht werden kann.
Durch die Ausbildung eines Eutektikums bei ca. 1400°C
zwischen 7,5 Gew.-% Tantal und 92,5% Eisen (Zweistoffdia
gramm Fe-Ta) wird das Abschmelzen der Stahlhülle besonders
begünstigt. Die Funktion der Stahlhülle übernimmt die gas
dichte Tantalschicht. Der angewendete Druck liegt vorzugs
weise im Bereich von 30-200 MPa. Als Übertragungsmedium
werden die inerten Gase Argon oder Stickstoff verwendet.
Nach Erniedrigung von Druck und Temperatur werden die nun
von Tantal gehüllten Körper entnommen und von den dünnen
Tantalschichten befreit. Die so hergestellten Formkörper
weisen die gleiche Gefügestruktur auf wie die nach vorher
erwähnten Verfahren hergestellten Formkörper, haben aber
eine Dichte von mindestens 99% der theoretisch möglichen
Dichte und weisen Biegebruchfestigkeiten < 65 N/mm2 auf.
Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung wer
den nachstehende konkrete Ausführungsbeispiele der erfin
dungsgemäßen Verfahren angeführt:
Ein Bornitridpulver mit folgender Analyse
Gew.-% | |
B | |
43,3 | |
N₂ | 55,7 |
B₂O₃ | 0,3 |
O₂ ges | 0,5 |
C | <0,05 |
metallische Verunreinigungen | <0,15 |
und einer spezifischen Oberfläche von 18,5 m2/g wurde mit
0,3 Gew.-% eines Gleit- und Bindemittels auf der Basis von
Polyvinylalkohol und 0,3 Gew.-% Ca versetzt und in einer
Gummihülle bei 150 MPa Flüssigkeitsdruck kaltisostatisch
zu einem Zylinder von 50 mm Durchmesser und 100 mm Höhe
verpreßt. Nach dem Preßvorgang wies der Grünkörper eine
Dichte von 1,54 g/cm3 (entspricht 68% der theoretisch
möglichen Dichte) auf. Der Formkörper wurde in eine Stahl
kapsel, deren Innenfläche mit ZrO2 beschichtet war, einge
füllt und mit einem Deckel, in dem sich das Evakuierrohr
befindet, verschweißt. Anschließend wurde die so gefüll
te Stahlkapsel bei 1100°C unter Vakuum und 1 h Haltezeit
ausgeheizt. Nach dem Abkühlen der Kapsel wurde diese über
das Evakuierrohr evakuiert und vakuumdicht durch Zuque
tschen und Verschweißen verschlossen. Die verschlossene
Kapsel wurde in die heißisostatische Presse eingebracht
und bei 1520°C unter einem Argondruck von 100 MPa und ei
ner Haltezeit von 150 min verdichtet. Anschließend wurde
die Temperatur auf 1600 C erhöht und 10 min gehalten. Nach
dem Abkühlen konnte der Bornitridzylinder, der mit einer
dünnen, aufgerissenen ZrO2-Schicht umgeben war, aus dem
Hochdruckautoklaven entnommen werden. Die ZrO2-Schicht war
von Hand leicht zu entfernen.
Der Formkörper wies bei feinkristallinem Gefüge eine
Dichte von 2,21 g/cm3 auf, dies entspricht 99,2% der
theoretisch möglichen Dichte.
In Tabelle 1 sind Mittelwerte von verschiedenen Meß
ergebnissen zu verschiedenen Eigenschaften aufgeführt. Die
Meßwerte wurden an 6 Probekörpern ermittelt, von denen 3
in axialer und 3 in radialer Richtung aus dem Bornitrid
zylinder herausgeschnitten worden waren. Da die Meßwerte
in radialer wie in axialer Richtung gleich waren, wurden
die Mittelwerte aus den 6 verschiedenen Meßwerten gebil
det.
Tabelle 1 | ||
Eigenschaften | ||
Mittelwert | ||
Biegefestigkeit [N/mm²]|75,3 | ||
E-modul [N/mm²] | 62 100 | |
Knoop-Härte [HK 100] | 54 | |
Thermische Ausdehnung [K-1 (25-1000°C)] | 2,96 · 10-6 | |
Wärmeleitfähigkeit [W/mk] @ | 300 k | 74 |
600 k | 50 | |
1000 k | 40 |
Die Bindefestigkeit wurde nach der 4-Pkt-Methode an Proben
der Abmessungen 2×4×34 mm bestimmt.
Die Knoop-Härte wurde unter einer Last von 0,98 N bestimmt
und der Wert auf daN/mm2 bezogen.
Das Bornitridpulver aus Beispiel 1 wurde mit den glei
chen Zusätzen versehen und unter den gleichen Bedingungen
wie unter Beispiel 1 kaltisostatisch zu einem Zylinder von
50 mm Durchmesser und 100 mm Höhe verpreßt. Als Trenn
schicht zwischen Stahl-Hülle und BN-Formkörper wurde Ta-
Pulver auf die Innenfläche der Hülle gegeben. Ausheizen
und Verschließen der Kapsel entsprachen der Durchführung
nach Beispiel 1. Die gehüllte Probe wurde auf 1180°C er
hitzt und bei einem Argondruck von 120 MPa für 90 min ge
halten, bis das Tantal gasdicht war. Anschließend wurden
die Temperatur auf 1580°C und der Druck auf 150 MPa er
höht. Unter diesen Bedingungen und einer Haltzeit von 120
min wurde die Probe verdichtet. Nach dem Verdichten wurde
die dünne Tantalschicht durch Abdrehen vom BN-Körper ent
fernt. Bei feinkristallinem Gefüge betrug die Dichte des
Formkörpers 2,27 g/cm3, welche 100% der theoretisch mög
lichen Dichte entspricht.
Ein Bornitridpulver mit folgender Analyse
Gew.-% | |
BN | |
<98,3 | |
B₂O₃ | 1,5 |
C | <0,05 |
metallische Verunreinigungen | <0,15 |
und einer spezifischen Oberfläche von 18,5 m2/g wurde mit
0,3 Gew.-% eines Gleit- und Bindemittels auf der Basis von
Polyvinylalkohol versetzt und in einer Gummihülle bei 150 MPa
kaltisostatisch zu einem Zylinder von 50 mm Durchmes
ser und 100 mm Höhe verpreßt. Nach dem Preßvorgang wies
der Körper eine Gründichte von 1,54 g/cm3 auf. Der Form
körper wurde in eine Stahlkapsel, deren Innenfläche mit
einer 2 mm starken Trennschicht aus 50 Gew.-% AlN + 50 Gew.-%
Al2O3 ausgekleidet war, gelegt. Anschließend wurde die so
gefüllte Stahlkapsel bei 1100°C unter Vakuum 1 h lang aus
geheizt und anschließend verschweißt. Die verschlossene
Kapsel wurde in die heißisostatische Presse gebracht und
bei 1420°C unter einem Argondruck von 100 MPa und einer
Haltezeit von 3 h verdichtet. Anschließend wurde die Tem
peratur auf 1600°C erhöht und 10 min gehalten.
Nach dem Abkühlen konnte der Bornitridkörper, der mit
einer AlN-Al2O3-Schicht umgeben war, aus dem Hochdruck
autoklaven entnommen werden. Die Stahlschicht war abge
schmolzen und die AlN-Al2O3-Schicht konnte mit leichten
Hammerschlägen entfernt werden.
Der Formkörper wies bei feinkristallinem Gefüge eine
Dichte von 2,18 g/cm3 auf; dies entspricht einer Dichte
von 97,8% der theoretisch möglichen Dichte. Der B2O3-Ge
halt im BN wurde mit einem O2-Bestimmungsgerät Typ O-Mat
353 von der Firma Ströhlein bestimmt und wies nach dem
heißisostatischen Pressen einen Gehalt von ca. 0,5 Gew.-%
auf. Dies beweist, daß während dem HIP-Prozeß eine Re
duktion des B2O3-Gehaltes durch die Randschicht stattge
funden hat. Das freigewordene Bor reagierte mit dem
Stickstoff des AlN zu BN, so daß der totale BN-Gehalt im
Formkörper < 99,4% beträgt.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus po
lykristallinem, hexagonalem Bornitrid mit einem homogenen,
isotropen Mikrogefüge und einer Dichte von mindestens 97%
der theoretisch möglichen Dichte von Bornitrid, dadurch
gekennzeichnet, daß Bornitridpulver mit einem Gehalt von
bis zu 4 Gew.-% Boroxid durch ein Formgebungsverfahren zu
einem Grünkörper vorgeformt wird, und dieser vorgeformte
grüne Bornitrid-Körper mit einer Dichte von mindestens 50%
der theoretischen möglichen Dichte des Bornitrides in
eine vorgefertigte Stahlhülle gebracht wird, wobei der
Bornitrid-Körper und die Stahlhülle durch eine Trenn
schicht abgetrennt sind, der mit der Stahlhülle versehene
Bornitrid-Körper bei einer Temperatur von 500 bis 1100°C
mit einer Haltezeit von 0,5 bis 2 h unter Vakuum ausge
heizt und anschließend abgekühlt wird, wonach die Kapsel
evakuiert und verschlossen wird und der in die Kapsel ein
geschlossene Körper auf eine Temperatur von 1500 bis
1600°C gebracht wird, wobei der Gasdruck auf 30 bis 200 MPa
erhöht wird, wobei der dichte Bornitrid-Formkörper ge
bildet wird und die Stahlkapsel durch Erhöhen der Tempera
tur über den Schmelzpunkt des Stahles abgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Formgebungsverfahren für die Bildung des Grünkörpers
kaltisostatisches Pressen oder axiales Stempelpressen um
faßt und daß das verwendete Bornitridpulver vorzugswei
se mit einem Binde- und/oder Gleitmittel versehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Trennschicht zwischen Kapsel und Bor
nitrid aus einem Element der dritten, vierten oder fünften
Nebengruppe des periodischen Systems aus Oxiden und/oder
Nitriden dieser Elemente oder Mischungen davon besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennschicht aus Si3N4, ZrO2, Al2O3, AlN, TiN,
Cr2O3, SiC oder aus beliebigen Mischungen dieser Kompo
nenten oder aus Tantal besteht.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Boroxid-Gehalt des verwen
deten Bornitrid-Pulvers 0,5 bis 4 Gew.-% und beispielswei
se 1,5 Gew.-% beträgt und dieser Boroxid-Gehalt während
des Verdichtungsprozesses durch Reaktionen mit den jewei
ligen Trennschichten durch Reduktion aus dem Formkörper
entfernt wird, wobei das freiwerdende Bor mit dem in der
Trennschicht freiwerdenden Stickstoff zu Bornitrid rea
giert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur zur Herstellung des
Bornitrid-Körpers 1500 bis 1600°C beträgt und unter einem
inerten Gasdruck von 30 bis 200 MPa gepreßt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als Trennschicht Ta in die Stahlhülle eingebracht
wird, die gehüllten Körper bei 1150 bis 1190°C und einem
Druck von 30 bis 150 MPa solange gehalten werden, bis das
Ta gasdicht ist, die Temperatur dann auf 1520 bis 1600°C
angehoben und der Druck langsam von 150 bis 200 MPa erhöht
wird, wobei ein dichter Formkörper entsteht und im An
schluß die dünne Tantalschicht vom Formkörper entfernt
wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß dem Bornitrid bis zu 3 Gew.-%
Aluminium oder Aluminiumnitrid zugesetzt werden oder dem
Bornitridpulver bis zu 1 Gew.-% Kalcium zugesetzt werden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das hexagonale Bornitridpulver 1 bis 50 Gew.-% ZrO2,
Si3N4, SiC, B4C, Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2, metallische Stoffe
oder Mischungen davon enthält.
10. Formkörper aus polykristallinem Bornitrid mit einem
homogenen, isotropen Mikrogefüge und einer Dichte von min
destens 97% der theoretisch möglichen Dichte von Borni
trid, erhalten nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche
1 bis 9.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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