DE4141365A1 - Siliziumnitridsinterkoerper mit modifizierter oberflaeche und verfahren zur herstellung dieser modifizierten oberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Konstruktions­ keramik und betrifft Siliziumnitridsinterkörper mit modifizierter Oberfläche, die z. B. in der Luft- und Raum­ fahrttechnik oder im Maschinenbau zur Anwendung kommen.

Die Herstellung von Siliziumnitridkeramiken mit hohem kova­ lentem Bindungsanteil erfordert im Verdichtungsprozeß die Anwesenheit einer flüssigen Phase. Diese liegt nach dem Sinterprozeß in Form von Glas oder teilkristallin im Werk­ stoff vor und stellt den bevorzugten Angriffspunkt für Korro­ sionsprozesse dar.

Zur Minimierung dieser Korrosionsprozesse wurde versucht, die Korngrenzenphasen zu kristallisieren oder die Zusammen­ setzung der Korngrenzenphase dahingehend zu beeinflussen, daß oxidische Phasen kristallisieren können, die mit Siliziumdi­ oxid und Siliziumnitrid im Gleichgewicht stehen oder die Oberfläche der Siliziumnitridformkörper in Richtung auf defektarme Oberflächen zu modifizieren oder Passivierungs­ schichten aufzubringen (U. König u. a. "CVD und PVD" Grund­ werke Keramische Werkstoffe. Kap. 3.8.6.0., Verlagsgruppe Deutscher Wirtschaftsdienst 1990).

Trotz all dieser Möglichkeiten ist die Oxidationsbeständig­ keit dieser Keramiken noch verbesserungsbedürftig.

Die Aufbringung von Passivierungsschichten wird im allgemei­ nen mit CVD- und PVD-Prozessen durchgeführt (J. Desmaison, Werkstoffe und Korrosion 41 (1990). 749-750).

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die so erreichte Passivierung der Oberfläche durch Probleme der Haftfestigkeit der Schichten und durch Rißbildungen bei Hochtemperaturbe­ lastung eingeschränkt ist.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Pro­ blem zugrunde, daß die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit dieser Keramiken mit den bekannten Verfahren nicht im ge­ wünschten Maße erreicht werden kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind die folgen­ den.

Bei der Beschichtung mit Edelmetallen kommt es bei Oxidations­ temperaturen <1000°C über Prozesse der Legierungsbildung mit Si zum Schmelzen der Edelmetallschicht, so daß nach der Oxidation die Oberfläche mit erstarrten Schmelzstrukturen (Mäander, Tropfen) bedeckt ist. Überraschend ist, daß, obwohl die Funktion einer geschlossenen Passivierungsschicht damit nicht erfüllt ist, die Oberflächenqualität der oxidierten beschichteten Keramik wesentlich besser ist, als die der unbeschichteten oxidierten Keramik. Die Oxidschicht weist praktisch keine Risse und in deutlich geringerem Maße Blasen­ bildung auf, als bei unbeschichteter Keramik.

Gegenüber dem Stand der Technik erfolgt die Minimierung der Oberflächenschädigung dieser Keramiken durch Hochtemperatur­ oxidation nicht auf dem Wege der Trennung von Keramikober­ fläche und Korrosionsmedium durch Passivierungsschichten, sondern über die Modifizierung der Oxidschichten selbst durch die Anwesenheit und Wirkung der Edelmetalle.

Im weiteren soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.

Ein Siliziumnitridsinterkörper, bestehend aus 91,6 Ma-% Si₃N₄, 1,6 Ma-% Al₂O₃ und 6,8 Ma-% Nd₂O₃, ist bei 1850°C und 5 MPa in Stickstoffatmosphäre druckgesintert worden und hat bei einer relativen Dichte von <98% die Abmessungen 3,5×4,5×50 mm. Seine Oberfläche wurde geläppt und hat einen Mitten­ rauhwert von (0,010±0,005) µm.

Ein so hergestellter Sinterkörper ist in einer Magnetronan­ lage mit einem Arbeitsdruck von 0,8 Pa Ar und einer Gleich­ stromleistung von 100 W mit Pt beschichtet worden. Die er­ zielte Schichtdicke betrug 0,8 µm.

Der Rauhigkeitszustand der Oberfläche wurde durch das Be­ schichten nicht verändert. Mikrosondenuntersuchungen ergaben, daß die Oberflächenbedeckung mit Pt geschlossen ist.

Die Oxidation wurde bei 1300°C 100 h an Luft durchgeführt. Nach der Oxidation traten bei keiner der erfindungsgemäßen Proben Risse oder Abplatzungen an der Oberfläche auf. Die Blasenbildung in der erfindungsgemäßen Oxidschicht war gegen­ über der in den Oxidschichten nach dem Stand der Technik wesentlich geringer.

Anschließend wurden die Raumtemperatur-Biegefestigkeiten an diesen, an wie oben beschriebenen unbeschichteten, oxidierten und an nach dem Stand der Technik mit 11 µm CVD-Si₃N₄ be­ schichteten, oxidierten Proben ermittelt.

Dabei lag der Abfall der Raumtemperatur-Biegefestigkeit im Vergleich zum nicht oxidierten Zustand bei unbeschichteten Proben bei 42%, bei nach dem Stand der Technik beschichteten bei 40% und bei erfindungsgemäß beschichteten Proben bei nur 25%.

Claims (2)

1. Siliziumnitridsinterkörper mit modifizierter Oberfläche, bestehend aus Siliziumnitrid, einer amorphen oder teilkri­ stallinen Korngrenzenphase und Sinterhilfsmitteln, mit einer offenen Porosität <2% und polierter oder geläppter Ober­ fläche dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Sili­ ziumnitridsinterkörper mit einer 1 µm dicken Edelmetall­ schicht beschichtet ist.

2. Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitridsinterkörpern mit modifizierter Oberfläche, die mit einer 1 µm dicken Edelmetallschicht beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallschicht durch ein ionenstrahlgestütztes Verfahren aufgebracht wird.