DE68926040T2 - Siliciumnitridsinterkörper hoher Festigkeit und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Siliciumnitridsinterkörper hoher Festigkeit und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Siliziumnitrid(Si&sub3;N&sub4;)körper mit hoher Festigkeit und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
- Die Festigkeit von Keramiken wird im allgemeinen durch Porosität, Kristallkorngröße und die Oberflächenbedingungen dieser beeinflußt. Die Festigkeit von gesintertem Siliziumnitrid, welches als Konstruktionskeramik interessant erscheint, wird auch durch diese Faktoren beeinflußt. Verschiedene Sinterhilfsmittel und Sinterverfahren wurden entwickelt, um die Festigkeit von gesintertem Siliziumnitrid zu verbessern. Zum Beispiel berichtet Am. Ceram. Soc. Bull., Band 52, S. 560 (1973), daß die Biegefestigkeit beim Heißpreßsintern 100 kg/mm² erreicht und Yogyo Kyokai Nenkai Koen Yokoshu (Transaction of Annual Meeting of Ceramic Society), Band 178 (1981) berichtet, daß die Biegefestigkeit beim normalen Drucksintern 100 kg/mm² erreicht. Bei beiden Berichten wird eine Verbesserung der Festigkeit durch eine Verringerung der Porosität erreicht.
- Verfahren zur Herstellung eines Si&sub3;N&sub4;-Y&sub2;O&sub3;-Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörpers unter Verwendung von Y&sub2;O&sub3; als Sinterhilfsmittel ist in JP-B- 49-21091 und in JP-B-48-38448 (der Ausdruck "JP-B", der hier verwendet wird, bedeutet eine "geprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung") beschrieben.
- Es wird berücksichtigt, wie in der Literatur ausgeführt, daß Si&sub3;N&sub4; mit einem β-Kristallgitter eine faserförmige Struktur aufweist, die in einer Matrixphase dispergiert ist, um so die Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern. Das heißt, die Tatsache wird berücksichtigt, daß das β-Kristallgitter von Si&sub3;N&sub4; zum hexagonalen System gehört und isotropisch in Richtung der c- Achse wächst, um die Festigkeit zu verbessern. In einigen Fällen wachsen die faserförmigen Kristallkörner in Längsrichtung bis zu mehr als 10 µm wie in JP-B-48-38448 und Yogyo Kyokaishi (Journal of Ceramic Society), Band 94, S. 96 (1986) beschrieben.
- Da der festigende Mechanismus der obenbeschriebenen Verfahren in dem Wachstum der faserförmigen Struktur begründet ist, besteht die Möglichkeit, daß ein abnormales Kornwachstum oder Porenbildung das Wachstum der faserförmigen Struktur begleiten kann. Man nimmt daher nicht an, daß dieser Mechanismus immer wirkungsvoll ist, um die Festigkeit zu verbessern.
- Um eine faserförmige Struktur zu erzielen, wie in JP-B-49- 21091 beschrieben, sollte manchmal Heißpreßsintern eingesetzt werden oder manchmal ist es notwendig, ein Si&sub3;N&sub4;-β-Kristall- Material hinzuzufügen, welches zuvor durch eine Wärmebehandlung faserförmig gezüchtet wurde und das Wachstum dieser faserförmigen Struktur einzusetzen, wie in Yogyo Kyokaishi (Journal of Ceramic Society), Band 94, S. 167 (1986) beschrieben.
- Des weiteren wird gemäß der Verfahren nach JP-B-49-21091 und JP-B-48-38448 Si&sub3;N&sub4;-Pulver gemahlen und zusammen mit Oxidpulvern, z.B. Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3;, als ein Hauptsinterhilfsmittel vermischt und anschließend durch Sintern geformt, gefolgt von einem vorgeschriebenen Verarbeiten, um einen Sinterkörper zu erhalten.
- Da jedoch Hilfsmittel eingesetzt werden, z.B. Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3;, ist es nicht nur hart, sondern aufgrund der Feinheit der Primärteilchen tritt auch eine starke Agglomeration auf, wodurch die Verwendung bekannter Mahlmedien bei dem mechanischen Mahlen und die Leistung des Vermischens beschränkt werden und Schwierigkeiten bei der Erhalten submikroskopischer Teilchen auftreten. Gleichförmiges Mischen des Sinterhilfsmittels ist auch beschränkt.
- Des weiteren kann eine Verschmutzung durch Verunreinigungen aus dem verwendeten Mahlmedium nicht verhindert werden. Die Verunreinigungen bleiben in dern Sinterkörper zurück und führen zu Fehlern oder einer ungleichförmigkeit der gesinterten Struktur und führen zu einer Verringerung der Festigkeit.
- JP-A-61186266 offenbart einen β-Sialon-Sinterkörper, hergestellt aus einer Si&sub3;N&sub4;, Al-Alkoxidlösung und 0,05-20 Gew.-% (als Oxid) eines oder mehrerer Metallsalze, welche in organischen Lösungsmitteln aufgelöst sind. Das resultierende Pulver wird heißgepreßt, um einen β-Sialon-Sinterkörper zu erhalten.
- US-A-4,816,428 offenbart einen β-Sialon-Siliziumcarbidkomplex, umfassend das Vermischen von Siliziumnitrid und Siliziumcarbid mit einer Aluminiumalkoxidlösung oder einer löslichen Aluminiumsalzlösung und Verwenden der resultierenden homogenen Mischung als ein Ausgangsmaterial bei dem Formen eines Sinterkörpers.
- Unter Berücksichtigung dieser Umstände führten die Erfinder ausgiebige Untersuchungen durch. Als ein Ergebnis fand man heraus, daß ein Sinterkörper, bei welchem feine und gleichmäßige β-Kristalle mit einem hohen Längenverhältnis eine Matrixphase bilden, eine größere Festigkeit als ein faserverstärkter Sinterkörper zeigt, bei welchem lange, faserförmige Kristalle in einer Matrixphase dispergiert sind.
- Die Erfindung betrifft einen Siliziumnitridsinterkörper mit hoher Festigkeit mit einer Biegefestigkeit von 1390 MPA (142 kg/mm²) oder mehr, umfassend nicht weniger als 90 Gew.-% einer einkristallinen Phase aus Siliziumaluminiumoxynitrid (Si6-zAl&sub2;OzN8-z, wobei z eine Zahl zwischen 0 bis 4,2 ist) mit einem mittleren Längsdurchmesser von nicht mehr als 5 µm und einem Längenverhältnis von nicht weniger als 5, wobei die Kristallphase eine Netzwerkstruktur in dem Sinterkörper bildet, und der Rest eine kristalline oder amorphe (glasförmige) Phase ist.
- Der Siliziumnitridsinterkörper mit hoher Festigkeit der vorliegenden Erfindung erfüllt zwei Erfordernisse, nämlich:
- (1-a) einen Sinterkörper, bei welchem der Rest eine kristalline oder amorphe (glasförmige) Phase ist, umfassend wenigstens drei Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Si, Al, O und N, und
- (1-b) einen Sinterkörper enthaltend nicht mehr als 500 ppm eines oder mehrerer metallischer Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Co, Hf, Fe, Mo, Ni, Nb, Ti, W und Zr.
- Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitridsinterkörpers umfassend das Vermischen von (1) Siliziumnitridpulver, (2) einem organischen Metallsalz als ein erstes Sinterhilfsmittel und (3) wenigstens einem Bestandteil ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Metalloxid, einem Metallnitrid und einem Metalloxynitrid als ein zweites Sinterhilfsmittel, entweder einzeln oder als eine Mischung aus zwei oder mehreren gewählt unter (1) bis (3), wobei ein Lösungsmittel und ein oberflächenaktives Mittel (umfassend ein Dispersionsmittel oder ein Entschäumungsmittel, welche im folgenden identisch bezeichnet werden), Unterwerfen der Mischung oder der Mischungen einer Ultraschalldispersion, Vermischen der Mischungen miteinander, gefolgt von einem Trocknen, um ein gemischtes Pulver zu erhalten, Formen des gemischten Pulvers und Sintern des geformten Erzeugnisses bei einer Temperatur von 1600 bis 2200ºC in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre (im folgenden erstes Verfahren bezeichnet).
- Das erste Verfahren der Erfindung umfaßt die folgenden Ausführungsformen:
- (2-a) Ein Verfahren, wobei das organische Metallsalz ein organisches Metallsalz des Y und/oder Al ist, das Metalloxid Al&sub2;O&sub3; oder Y&sub2;O&sub3; und das Metallnitrid AlN ist.
- (2-b) Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2-a), wobei das organische Metalloxid des Y und/oder Al wenigstens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Stearat, einem Naphthat, einem Acetylacetonkomplex und einem Octylat.
- (2-c) Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2-a), wobei das organische Metallsalz des Y und/oder Al ein Alkoxymetallsalz ist, wie Al(O-i-C&sub3;H&sub7;)&sub3; und Al(O-n-C&sub4;H&sub9;)&sub3;.
- (2-d) Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2-a), wobei das Siliziumnitridpulver ein Siliziumnitridpulver mit einer mittleren Primärteilchengröße von nicht mehr als 1,0 µm ist, erhalten durch ein Imid-Zersetzungsverfahren und wobei die Sinterhilfsmittel einen mittleren Primärteilchendurchmesser von nicht mehr als 1 µm aufweisen.
- (2-e) Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2-a), wobei das Sintern bei einer Temperatur (z.B. mit einem Stickstoffgehalt von 90 Vol.-% oder mehr, Rest Ar, Co, H&sub2; etc.) zwischen 1600 bis 2000ºC in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre unter einem Stickstoffgasdruck von 1 bis 202 MPa (10 bis 2000 Atmosphären) durchgeführt wird.
- (2-f) Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2-a), wobei die Mischung nach der Ultraschalldispersion durch ein Sieb mit 44 µm oder einer kleineren Maschenbreite klassifiziert wird.
- Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitridsinterkörpers, umfassend das Vermischen eines (1) Siliziumnitridpulvers und (2) wenigstens einem Bestandteil gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Metalloxid, einem Metallnitrid und einem Metalloxynitrid als ein Sinterhilfsmittel, entweder einzeln oder als eine Mischung von zwei oder mehreren ausgewählt aus (1) und (2), mit einem Lösungsmittel und einem oberflächenaktiven Mittel, Unterwerfen der Mischung oder der Mischungen einer Ultraschalldispersion, Vermischen der Mischungen miteinander, gefolgt von einem Trocknen, um ein gemischtes Pulver zu erhalten, Formen des gemischten Pulvers und Sintern des geformten Erzeugnisses bei einer Temperatur zwischen 1600 bis 2200ºC in einer nicht- oxidierenden Atmosphäre (im folgenden als zweites Verfahren bezeichnet).
- Das zweite Verfahren der Erfindung umfaßt die folgenden Ausführungsformen:
- (3-a) Ein Verfahren, wobei das Siliziumnitridpulver ein Siliziumnitridpulver mit einer mittleren Primärteilchengröße von nicht mehr als 1,0 µm ist, erhalten durch ein Imid- Zersetzungsverfahren und wobei das Sinterhilfsmittel eine mittlere Primärteilchengröße von nicht mehr als 1 µm aufweist.
- (3-b) Ein Verfahren, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 1600 bis 2000ºC in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre unter einem Stickstoffgasdruck von 1 bis 202 MPa (10 bis 2000 Atmosphären) durchgeführt wird.
- (3-c) Ein Verfahren, wobei die Mischung nach dem Ultraschalldispergieren durch ein Sieb mit 44 µm oder einer kleineren Maschenbreite klassifiziert wird.
- Fig. 1 zeigt eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der mittleren Teilchengröße in der Längsachse und der Festigkeit eines Siliziumnitridsinterkörpers darstellt.
- Fig. 2 zeigt eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen dem mittleren Längenverhältnis und der Festigkeit eines Siliziumnitridsinterkörpers darstellt.
- Der Si&sub3;N&sub4;-Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt hauptsächlich eine Netzwerkstruktur aus β-Siliziumaluminiumoxynitridkristallen mit einem Längsdurchmesser von nicht mehr als 5 µm, vorzugsweise zwischen 2 bis 5 µm und einem Längenverhältnis von nicht mehr als 5, vorzugsweise zwischen 5 und 10, beiausreichender Korngrößenkontrolle und zeigt eine deutlich höhere Festigkeit im Vergleich mit einem herkömmlichen faserstrukturverstärkten Sinterkörper.
- Der Sinterkörper der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise aus einem Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße (FSSS) von nicht mehr als 0,5 µm, einem Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 2 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht des Si&sub3;N&sub4;), einer Kristallinität von nicht weniger als 95%, einer Größenverteilung dargestellt durch das Verhältnis 3 ≤ 0,2 µm erhalten. Des weiteren werden Sinterhilfsmittel vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 10 Gew.-% bezogen auf das Si&sub3;N&sub4;- Pulver zugegeben.
- Um eine ausreichende Festigkeit zu erhalten, muß der Sinterkörper wenigstens 90 Gew.-%, vorzugsweise 90 bis 95 Gew.-% der Netzwerkstruktur aus Siliziumaluminiumoxynitridkristallen enthalten.
- Es ist notwendig, daß die kristalline Phase, welche die Netzwerkstruktur bildet, eine einphasige Siliziumaluminiumoxynitridkristallphase vom β-Typ umfaßt, enthalten keine Kristallstruktur vom β-Typ, wobei andere Elemente, z.B. Y und Mg in den Kristall eingeführt werden, um eine feste Lösung zu bilden.
- Der Rest des Sinterkörpers umfaßt andere kristalline oder amorphe (glasförmige) Phasen ähnlich mit bekannten Siliziumnitridsinterkörpern. Um die Dichte des Sinterkörpers zu erhöhen ist es insbesondere bevorzugt, daß der Rest wenigstens ein Oxid oder Oxynitrid eines Seltenenerdmetalls, eines Metalls der Gruppe 3A, eines Metalls der Gruppe 2A oder Si enthält.
- Es ist des weiteren bevorzugt, daß die kristalline oder amorphe Phase des Restes wenigstens ein Oxid oder Oxynitrid wenigstens der drei Elemente gewählt aus der Gruppe bestehend aus Y, Si, Al, O und N umfaßt.
- Metallische Elemente wie Cr, Co, Hf, Fe, Mo, Ni, Nb, Ti, W und Zr reagieren mit SiO&sub2; oder einem Mischoxid oder einem Mischoxynitrid des SiO&sub2; und einem Sinterhilfsmittel, welches an der Oberfläche des Si&sub3;N&sub4; aufgrund der Oberflächenoxidation während der Herstellung oder des Vermischens der Ausgangsmatenahen vorhanden ist, um die entsprechenden Silizide zu bilden. Diese Reaktion wird häufig von einer volumetrischen Schrumpfung begleitet, welche zu Poren oder Defekten in dem Sinterkörper führt, was wiederum eine Verringerung der Festigkeit und der Zuverlässigkeit des Sinterkörpers bewirkt.
- Verfahren, um Si&sub3;N&sub4;-Pulver zu synthetisieren, umfassen im allgemeinen: (1) das direkte Nitrieren metallischen Siliziums, (2) Reduktion des SiO&sub2;, (3) eine gasförmige Synthese und (4) Imid-Zersetzungsverfahren.
- Das Imid-Zersetzungsverfahren ist z.B. in T. Yamada et al., Proc. 1st Internat. Sympo. Ceramic Components for Engine (1983), S. 333, herausgegeben von KTK Scientific Publishers, Japan (1984), und Y. Kohtoku et al., Proc. 2st Internat. Sympo. Ceramic Materials and Components for Engine (14.-17. April 1986), herausgegeben von Verlag Deutsche Keramische Gesellschaft, BRD (1987), offenbart.
- Um das Verhältnis zwischen den Teilcheneigenschaften und der Festigkeit eines Sinterkörpers zu untersuchen wurden sieben verschiedene Arten (A bis G) Si&sub3;N&sub4;-Sinterkörper hergestellt, unter Verwendung verschiedener Si&sub3;N&sub4;-Pulver, welche die obengenannten Eigenschaften erfüllen, d.h. eine mittlere Teilchengröße von nicht mehr als 0,5 µm, einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 2 Gew.-%, und ein Maß der α-Kristallisation von nicht mehr als 95% etc.. Die Struktur der Sinterkörper wurde gemäß des Verfahrens von Ziegler G., et al., Science of Ceramics, Band 12, S. 361 (1984) beobachtet und die Festigkeit der Sinterkörper wurde gemäß JIS R1601 (Dreipunkt-Biegetest) bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem mittleren Längsdurchmesser der Kristalle und der Festigkeit ist in Fig. 1 dargestellt und das Verhältnis zwischen dem mittleren Längenverhältnis und der Festigkeit ist in Fig. 2 dargestellt. Zusätzlich, bei einer genaueren Überprüfung des Gefüges der Sinterkörper, zeigten diese eine hohe Festigkeit von 130 kg/mm² oder eine ausreichende Bildung der obenbeschriebenen Netzwerkstruktur eines β- Kristallgefüges.
- Aus all diesen Resultaten wird deutlich, daß ein Sinterkörper, bei welchem das β-Kristallgitter einen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 5 µm und ein Längenverhältnis von nicht mehr als 5 aufweist, und wobei ein solch ein β-Kristallgitter eine Netzwerkstruktur bzw. ein Netzwerkgefüge bildet, eine hohe Festigkeit aufweist, die mit herkömmlichen Si&sub3;N&sub4;-Materialien niemals erreicht wurde.
- Der zusätzlich zu der kristallinen Siliziumaluminiumoxynitridphase vorhandene Rest weist eine Netzwerkstruktur auf, die vorzugsweise aus einer kristallinen oder amorphen (glasförmigen) Phase besteht, und wenigstens ein Oxid oder Oxynitrid eines Seltenerdmetalles, eines Metalles der Gruppe 3A, eines Metalles der Gruppe 2A oder Si umfaßt, welche als wirkungsvoll erachtet werden, um die Dichte eines Sinterkörpers zu erhöhen.
- Der Siliziumnitridsinterkörper mit hoher Festigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise durch das obige erste und zweite Verfahren hergestellt.
- Der Sinterkörper der vorliegenden Erfindung kann auch durch ein Verfahren hergestellt werden, umfassend das gleichförmige Dispergieren eines Si&sub3;N&sub4;-Pulvers und eines organischen Metallsalzes als ein Sinterhilfsmittel in einem Lösungsmittel und einem obenflächenaktiven Mittel, Kalzinieren der resultierenden Dispersion, wodurch die Dispersion getrocknet wird und das organische Metallsalz gleichzeitig oxidiert wird und gleichmäßig auf der Oberfläche des Si&sub3;N&sub4;-Pulvers abgelagert wird, und Formen und Sintern des resultierenden Pulvers (im folgenden als drittes Verfahren bezeichnet).
- Das dritte Verfahren umfaßt die folgenden Ausführungsformen:
- (4-a): Ein Verfahren, wobei das organische Metallsalz ein organisches Metallsalz des Y und/oder Al ist;
- (4-b): Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (4-a), wobei das organische Metallsalz des Y und/oder Al wenigstens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Stearat, einem Naphthat, einem Acetylacetonkomplex, und einem Octylat;
- (4-c): Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (4-a), wobei das organische Metallsalz des Y und/oder Al ein Alkoxymetallsalz ist.
- Das erste und das zweite Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden im Detail beschrieben.
- Bei dem ersten Verfahren wird ein organisches Metallsalz enthaltend Y, Al oder ein ähnliches Metall gleichmäßig in einem Lösungsmittel in einem dissoziiertem Zustand in molekularer Ordnung dispergiert. Getrennt davon wird ein Si&sub3;N&sub4;-Pulver gleichmäßig in einem Lösungsmittel dispergiert mit Hilfe eines Mittels zur Verbesserung der Dispergierbarkeit der feinen Teilchen wie einem Entflockungsmittel. Die Si&sub3;N&sub4;-Dispersion wird mit der organischen Metallsalzdispersion vermischt, um das organische Metallsalz auf der Oberfläche des Si&sub3;N&sub4;-Pulvers zu adsorbieren.
- Durch die gleichmäßige Dispersion in einem Lösungsmittel werden (i) jedes einzelne oder mehrere der Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einem mittleren primären Teilchendurchmesser von nicht mehr als 1,0 µm, das organische Metallsalz als ein erstes Sinterhilfsmittel und wenigstens ein Bestandteil gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Oxidpulver, einem Nitridpulver und einem Oxynitridpulver als ein zweites Sinterhilfsmittel, (ii) ein Lösungsmittel und (iii) ein oberflächenaktives Mittel, einschließlich eines Dispersionsmittels oder einem Entschäumungsmittel vermischt und jede Mischung wird Ultraschallwellen ausgesetzt, um die Agglomerate der Primärteilchen gleichmäßig und fein zu dispergieren, ohne die Einlagerung von Verunreinigungen zu gestatten. Die resultierenden Dispersionen werden miteinander kombiniert und vermischt gefolgt von einem Trocknen, um eine gleichmäßige Mischung submikroskopischer Teilchen zu erzielen.
- Auch wenn das erste Sinterhilfsmittel z.B. das organische Metallsalz nicht eingesetzt wird, reicht die Verwendung eines oberflächenaktiven Mittels und einer Ultraschalldispersion aus, um die Pulveragglomerate zu zerstören, um so eine gleichmäßige Mischung zu erzielen, d.h. das zweite Verfahren der vorliegenden Erfindung.
- Das verwendete Metalloxid, Nitrid oder Oxynitrid weist vorzugsweise einen mittleren Teilchendurchmesser von nicht mehr als 1 µm auf.
- Bei dem ersten Verfahren der vorliegenden Erfindung beträgt die Gesamtmenge des ersten und zweiten Sinterhilfsmittels vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%, wenigstens ein bestandteil gewählt aus einem Metalloxid, einem Metallnitrid und einem Metalloxynitrid, bezogen auf die Menge des Siliziumnitridpulvers. Die Menge des ersten Sinterhilfsmittels liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Gew.- %, bezogen auf wenigstens ein Metalloxid, ein Metallnitrid oder ein Metalloxynitrid, bezogen auf die Menge des Siliziumnitridpulvers. Die Menge des zweiten Sinterhilfsmittels beträgt vorzugsweise zwischen 3 bis 14,5 Gew.-%, bezogen auf wenigstens ein Metalloxid, ein Metallnitrid und ein Metalloxynitrid, bezogen auf die Menge des Siliziumnitridpulvers.
- Beträgt die Menge des ersten Sinterhilfsmittels weniger als 0,5 Gew.-% ist die gleichmäßige Beschichtungsfunktion des ersten Sinterhilfsmittels unzureichend. Liegt die Menge bei mehr als 2 Gew.-% kann der Kohlenstoff, welcher nach der Wärmezersetzung des organischen Metallsalzes zurückbleibt, die Sintereigenschaften des resultierenden Sinterprodukts negativ beeinflussen.
- Bei dem zweiten Verfahren der vorliegenden Erfindung beträgt die Menge des Sinterhilfsmittels vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% bezogen auf die Menge des Siliziumnitridpulvers.
- Bei dem ersten und zweiten Verfahren der vorliegenden Erfindung liegt die Menge des oberflächenaktiven Mittels vorzugsweise zwischen 0,1 bis 1,0 Gew.-% des Festgehalts bezogen auf die Gesamtmenge des Siliziumnitridpulvers, des ersten Sinterhilfsmittels, sofern vorhanden, und des zweiten Sinterhilfsmittels. Beträgt die Menge des oberflächenaktiven Mittels weniger als 0,1 Gew.-%, ist die Wirkung der Zugabe unzureichend. Liegt die Menge bei mehr als 1,0 Gew.-%, kann eine Federwirkung nachteilig während des Formverfahrens des gemischten Pulvers durch Pressen oder dergleichen auftreten.
- Die Menge des Lösungsmittels in dem ersten und zweiten Verfahren der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise zwischen 50 bis 200 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Siliziumnitridpulvers, des ersten Sinterhilfsmittels, sofern vorhanden, und des zweiten Sinterhilfsmittels. Liegt die Menge des Lösungsmittels bei weniger als 50 Gew.-%, ist die Wirkung der Ultraschalldispersion unzureichend aufgrund der hohen Konzentration. Beträgt die Menge mehr als 200 Gew.-% ist dies nachteilig im Hinblick auf die Produktionskosten.
- Die Leistung der Vorrichtung welche für die Ultraschalldispersion verwendet wird, liegt vorzugsweise bei 300 W oder mehr. Die Dispersionstemperatur beträgt vorzugsweise 30ºC oder weniger. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eine ausreichende Dispersion durch die Ultraschalldispersion auch bei einer niedrigen Temperatur von 30ºC oder weniger erzielt werden.
- Ein herkömmliches Verfahren der Zugabe eines Sinterhilfsmittels zu einem Si&sub3;N&sub4;-Pulver, wobei die Oxidteilchen fein pulverisiert (zermahlen) sind und anschließendes Mischen mit einem Si&sub3;N&sub4;-Pulver hat Grenzen und umfaßt unvermeidbar das Einbringen von Verunreinigungen. Im Gegensatz dazu ist es mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei welchem das Sinterhilfsmittel aus einem molekularen organischen Metallsalz besteht, welches gleichmäßig in einem Lösungsmittel dispergiert ist, möglich, ein gleichmäßig gemischtes Pulver zu erhalten, welches das Sinterhilfsmittel enthält.
- Da das organische Metallsalz eine niedrige Rohdichte und begrenzte Lösbarkeit in Lösungsmitteln aufweist, ist die zulässige Menge des organischen Metallsalzes, welche zugegeben werden kann, beschränkt. Um diesen Nachteil der Lösbarkeit auszugleichen, wird eine vorgeschriebene Menge Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, AlN, etc. Pulver, welches in einem Lösungsmittel dispergiert ist, zusätzlich zu der obigen Mischung zugegeben. Nach einer innigen Mischung wird die gemischte Dispersion getrocknet und der Rückstand wird in einer oxidierenden Atmosphäre kalziniert, um ein Si&sub3;N&sub4;-Pulver herzustellen, auf dessen Oberfläche gleichmäßig Y&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3; etc. abgeschieden sind. Das resultierende Pulver wird auf eine herkömmliche Weise geformt und gesintert.
- Daher kann die Konzentration des Sinterhilfsmittels und das Einbauen von Verunreinigungen, welches Defekte oder unnormales Komwachstum in einem gesinterten Körper bewirkt, verhindert werden, wodurch ein gleichmäßiger und Unregelmäßigkeiten- oder porenfreier Sinterkörper erzielt wird, mit einer wesentlich verbesserten Festigkeit gegenüber herkömmlichen Körpern.
- Unter den organischen Metallsalzen sind Stearinsäure, Naphthensäure, Acetylaceton und Octalsäure aufgrund der Tatsache bevorzugt, daß organische Metallsalze ein gerades und großes Molekül in dem organischen Rest aufweisen und geringe gleichförmige Mischeigenschaften aufweisen.
- Die Verwendung von Ultraschallwellen zur Dispersion vorzugsweise verbunden mit der Verwendung eines Si&sub3;N&sub4;-Pulvers mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von nicht mehr als 1,0 µm verhindert die Konzentration des Sinterhilfsmittels und den Einbau von Verunreinigungen, welcher zu Defekten oder unnormalem Kornwachstum in dem gesinterten Körper führt. Daher können die Defekte oder Porenformationen in dem Sinterkörper, welche normalerweise durch metallische Verunreinigungen bewirkt werden, wesentlich reduziert werden, wodurch ein gleichförmiger und defekt- und porenfreier Sinterkörper bereitgestellt wird, mit wesentlich verbesserter Festigkeit gegenüber herkömmlichen.
- Um die hohe Festigkeit des Sinterkörpers sicherzustellen, handelt es sich bei dem Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von nicht mehr als 1,0 µm vorzugsweise um ein solches, welches durch ein Imid-Zersetzungsverfahren hergestellt ist, welches gleichmäßige und feine Primärteilchen bereitstellt, während die Verunreinigung durch Metallverunreinigungen minimiert wird.
- Um gleichmäßige und feine Dispersion und gleichmäßiges Mischen zu erzielen ist es bevorzugt, daß das oberflächenaktive Mittel getrennt zu dem Si&sub3;N&sub4;-Pulver und dem Pulver des Sinterhilfsmittels zugegeben wird und daß nach der Ultraschalldispersion die resultierenden Dispersionen miteinander vermischt werden.
- Unter Berücksichtigung, daß einige oberflächenaktive Mittel dazu fiihren, daß feine Teilchen agglomeriert werden, ist es notwendig, eine geeignete Dispersionsbehandlung für jedes Pulver auszuwählen.
- Auf diese Weise kann ein Si&sub3;N&sub4;-Sinterkörper mit einer Biegefestigkeit von 1390 MPa (142 kg/mm²) oder mehr (gemessen gemäß JIS R1601) und einer hohen Zuverlässigkeit einfach erhalten werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen beschrieben. In den Beispielen sind alle Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, sofern nicht anders angegeben.
- 92% Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm, einer Gr:ßenverteilung 3 = 0,20 µm, und einer α-Kristallinität von 96,5% und einem Sauerstoffgehalt von 1,4% und 0,5% eines Dispersionsmittels vom Karbonsäuretyp wurden in Isopropanol gemischt und zweimal einer Entschäumungsbehandlung unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers unterworfen (Leistung: 600 W; Frequenz: 25 kHz), um eine Dispersion A herzustellen.
- Getrennt davon wurden jeweils 5% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm, 2% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm, und 1% eines AlN-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm in Isopropanol geschüttet und 0,5% eines Dispersionsmittels vom Karbonsäuretyp wurde zugegeben. Jede Mischung wurde zweimal einer Dispersionsbehandlung unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers unten den gleichen Bedingungen wie oben unterworfen, um eine Dispersion B, C oder D herzustellen.
- Die Dispersionen A bis D wurden vermischt und mittels eines einfachen Rührers bei 500 U/min 5 Stunden dispergiert.
- Die resultierende Mischung wurde mit CIP geformt und einem Druck von 5000 kg/cm² und bei 1750ºC 6 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre gesintert. Der Sinterkörper wurde anschließend einer heißisostatischen Preßbehandlung bei 1700ºC und einem Stickstoffdruck von 1000 Atmosphären 2 Stunden unterworfen.
- Proben gemäß JIS R1601 (3 x 4 x 40 mm) wurden aus dem Sinterkörper geschnitten und die Seite, auf welche eine Zugspannung angelegt wurde, wurde mit einer Diamantpaste poliert, um so einer Oberflächenrauhigkeit von 0,2 S zu erzielen. Die Resultate des Dreipunkt-Biegetests an 30 Proben betrug 145 kg/mm² bezüglich der Festigkeit und 25 bezüglich des Weibull Moduls.
- 92% Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm und einer α-Kristallinität von 96%, erhalten durch ein Imid- Zersetzungsverfahren, 5% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm und 2% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm wurden jeweils gemäß der folgenden Mischverfahren (4-i) bis (4-v) vermischt, getrocknet und granuliert. Die resultierenden gemischten Pulver wurden mittels CIP bei 2000 kg/cm geformt und bei 1750ºC 6 Stunden in Stickstoff gesintert. Die Sinterkörper wurden anschließend heißisostatisch bei 1700ºC 2 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre von 202 MPa (2000 Atmosphären) gepreßt.
- Proben gemäß JIS R1601 (3 x 4 x 40 mm) wurden aus dem resultierenden Sinterkörper geschnitten und die Seite, auf welcher eine Zugspannung ausgeübt wurde, wurde mit einer Diamantpaste poliert, um eine Oberflächenrauhigkeit von 0,2 S zu erzielen. Ein herkömmlicher Dreipunkt-Biegetest wurde an 30 Proben durchgeführt.
- (4-i) Si&sub3;N&sub4;-Pulver und 0,5% Dispersionsmittel vom Karbonsäuretyp (A) wurden in Ethanol gemischt und zweimal einer Dispersionsbehandlung unterworfen unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers (Leistung: 600 W; Frequenz: 25 kHz), um die Dispersion (A) herzustellen. Y&sub2;O&sub3;-Pulver und Al&sub2;O&sub3;-Pulver und 0,5% eines Dispersionsmittels vom Karbonsäuretyp (B) wurden jeweils in Ethanol gemischt und der gleichen Dispersionsbehandlung wie oben unterworfen, um die Dispersionen (B) und (C) herzustellen. Die Dispersionen (A), (B), und (C) wurden in einem Hochgeschwindigkeitsrührer bei 8000 U/min 2 Stunden gemischt.
- (4-ii) Die oben in (i) verwendeten Pulver und Ethanol wurden in einer Kugelmühle bestehend aus einem Gefäß und Bällen aus Al&sub2;O&sub3; eingeführt und bei 100 U/min 100 Stunden gemischt.
- (4-iii) Si&sub3;N&sub4;-Pulver, 0,5% Dispersionsmittel vom Karbonsäuretyp (A) und Ethanol wurden in eine Kugelmühle (1) bestehend aus einem Al&sub2;O&sub3;-Gefäß und Al&sub2;O&sub3;-Bällen eingeführt. Y&sub2;O&sub3;-Pulver, 0,5% Dispersionsmittel (B) eines Karbonsäuretyps und Ethanol wurden in eine Kugelmühle (2) eingeführt und Al&sub2;O&sub3;-Pulver, 0,5% eines Dispersionsmittels (C) eines Karbonsäuretyps und Ethanol wurden in eine Kugelmühle (3) eingeführt. Jede Mischung wurde zunächst 12 Stunden in der jeweiligen Kugelmühle gemischt. Die Mischungen der Kugelmühle (2) und (3) wurden in die Kugelmühle (1) geschüttet, gefolgt von einem Mischen über einen zusätzlichen Zeitraum von 84 Stunden.
- (4-iv) Entspricht (ii), mit der Ausnahme, daß die Al&sub2;O&sub3;-Kugelmühlen durch Si&sub3;N&sub4;-Kugelmühlen ersetzt wurden.
- (4-v) Entspricht (iii), mit der Ausnahme, daß die Al&sub2;O&sub3;-Kugelmühlen durch Si&sub3;N&sub4;-Kugelmühlen ersetzt wurden.
- Verschiedene Eigenschaften der resultierenden Sinterkörper sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Probe-Nr. Mischverfahren Dichte (g/cc) Dreipunkt-Biegefestigkeit (kg/mm²) Weibull ModulAnmerkung: *Vergleichsbeispiel
- Nach dem Dreipunkt-Biegetest wurde der Ausgangspunkt des Bruches überprüft. Als ein Ergebnis wurden Verunreinigungen aufgrund von konzentrierten Al in der Probe Nr. 2 und 3 beobachtet; des weiteren fand man grobe β-Si&sub3;N&sub4;-Kristallkörner in den Proben Nr. 4 und 5. Des weiteren konnten Anhäufungen von Al&sub2;O&sub3; aus den Bällen und dem Gefäß in den Proben Nr. 2 und 3 ermittelt werden; β-Si&sub3;N&sub4; aus den Bällen und dem Gefäß in der Probe Nr. 4 und 5. Man nimmt an, daß diese Verunreinigungen Kornwachstumskeime während des Sinterns bilden, dies hebt die Bedeutung der vorliegenden Erfindung hervor.
- 92% Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm und einer α-Kristallinität von 96%, erhalten durch ein Imid- Zersetzungsverfahren, 5% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm und 2% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengrße von 0,3 µm wurden gemäß dem Mischverfahren (5-i) oder (5-ii), welche unten angeführt sind, gemischt. Die resultierende Mischung wurde durch ein 500 Maschensieb klassifiziert und der Rückstand auf dem Sieb wurde gewogen, um die Dispersion und Mischeigenschaften zu ermitteln. Die erhaltenen Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.
- Darüber hinaus wurde die oben hergestellte Mischung getrocknet und granuliert und das resultierende gemischte Pulver wurde durch CIP mit 5000 kg/cm² geformt und bei 1750ºC 6 Stunden in Stickstoff gesintert. Der Sinterkörper wurde einem heißisostatischen Pressen bei 1700ºC für 2 Stunden in Stickstoff bei 1000 Atmosphären unterworfen.
- Proben gemäß JIS R1601 (3 x 4 x 40 mm) wurden aus dem resultierenden Sinterkörper geschnitten und die Seite, auf welcher eine Zugspannung ausgeübt wurde, wurde mit einer Diamantpaste poliert, um eine Oberflächenrauhigkeit von 0,2 S zu erzielen. Herkömmliche Dreipunkt-Biegetests wurden an 30 Teilen je Probe durchgeführt. Die erhaltenen Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt.
- (5-i) Si&sub3;N&sub4;-Pulver und 0,5% Dispersionsmittel (A) eines Karbonsäuretyps wurden in Ethanol gemischt und zweimal einer Dispersionsbehandlung unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers unterworfen (Leistung: 600 W; Frequenz: 25 kHz), um die Dispersion (A) zu erhalten. Y&sub2;O&sub3;-Pulver und 0,5% eines Karbonsäure-Dispersionsmittels (B) wurden in Ethanol gemischt und auf die gleiche Weise wie obenbeschrieben dispergiert, um eine Dispersion (B) zu erhalten. Al&sub2;O&sub3;-Pulver und 0,5% eines Dispersionsmittels (C) vom Karbonsäuretyp wurden in Ethanol gemischt und auf die gleiche Weise wie oben beschrieben dispergiert, um eine Dispersion (C) zu erhalten. Die Dispersionen (A), (B) und (C) wurden in einem Hochgeschwindigkeitsrührer mit 8000 U/min 2 Stunden gemischt.
- (5-ii) Das Verfahren entsprach dem Mischverfahren (5-i) mit der Ausnahme, daß kein Dispersionsmittel verwendet wurde. Tabelle 2 Probe-Nr. Mischverfahren Rückstand auf dem Sieb (Gew.-%) Dichte (g/cc) Dreipunkt-Biegefestigkeit (kg/mm²) Weibull Modul Anmerkung: *Vergleichsbeispiel
- Aus den Resultaten der Tabelle 3 wird deutlich, daß das Vergleichsbeispiel (mit einem größeren Rückstand auf dem Sieb) sowohl im Hinblick auf die Festigkeit als auch auf den Weibull Modul schlechter ist, was die Bedeutung der vorliegenden Erfindung hervorhebt.
- Eine Teilchengrößenverteilung (bezogen auf das Gewicht) jedes eines kommerziell erhältlichen Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm wurde durch ein Imid-Zersetzungsverfahren (Pulver A) erhalten und eines kommerziell erhältlichen Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,7 µm, welches durch ein direktes Nitrierverfahren (Pulver B) erhalten wurde, wurde bestimmt. Das Verhältnis der großen Teilchen von 5 µm oder mehr in den Pulvern A und B betrug 0,1% bzw. 3%. Die Pulver A oder B wurden gemäß dem Mischverfahren (4-i) oder (4- iii) des Beispiels 4 dispergiert. Die Größenverteilung und der Al&sub2;O&sub3;-Gehalt in jedem der resultierenden Pulver wurde gemessen. Die erhaltenen Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt: Tabelle 3 Ausgangspulver Mischverfahren Gewichtsverhältnis der Teilchen von 5 µm oder mehr (Gew. -%) Al&sub2;O&sub3;-Gehalt
- Aus den Resultaten der Tabelle 3 wird deutlich, daß es das Mischverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die Einlagerung von Verunreinigungen zu verhindern, welche mit dem Mahlen verbunden sind, während die Größenverteilung des Ausgangs Si&sub3;N&sub4;-Pulvers beibehalten wird.
- Des weiteren wurden 5% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm und 2% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm gemäß dem Mischverfahren (4-i) oder (4-iii) gemischt, und die Mischung wurde getrocknet und granuliert. Das resultierende gemischte Pulver wurde durch CIP bei 5000 kg/cm² geformt und bei 1750ºC 6 Stunden in Stickstoff gesintert. Der Sinterkörper wurde einem heißisostatischen Pressen bei 1700ºC 1 Stunde in Stickstoff mit 101 MPa (1000 Atmosphären) unterworfen.
- Proben gemäß JIS R1601 (3 x 4 x 40 mm) wurden aus dem Sinterkörper geschnitten und die Seite, auf welcher die Zugspannung ausgeübt wurde, wurde mit einer Diamantpaste poliert, um so eine Oberflächenrauhigkeit von 0,2S zu erzielen. Herkömmliche Dreipunkt-Biegetests wurden an 30 Teilen je Probe durchgeführt. Die erhaltenen Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4 Probe-Nr. Ausgangspulver Mischverfahren (g/cc) Dichte (kg/mm²) Dreipunkt-Biegefestigkeit Weibull Modul Anmerkung: *Vergleichsbeispiel
- Es wird deutlich gezeigt, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, die Sinterhilfsmittel gleichmäßig zu vermischen ohne durch die Verseuchung durch Verunreinigungen begleitet zu werden, während die Größenverteilung der Ausgangspulver beibehalten wird, um so einen Sinterkörper bereitzustellen mit einer hohen Festigkeit und hoher Zuverlässigkeit.
- 92% Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm, einer Größenverteilung von 3 = 0,20 µm, einer α-Kristallinität von 96,5% und einem Sauerstoffgehalt von 1,4% und 0,5% Dispersionsmittel eines Karbonsäuretyps wurden in Isopropanol gemischt und Si&sub3;N&sub4;-Pulveragglomerate in der Mischung wurde unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers bei 5000 U/min 5 Stunden dispergiert.
- Getrennt davon wurden Yttriumnaphthen und Aluminiumnaphthen in Isopropanol in Mengen von 2,5% bezogen auf das Y&sub2;O&sub3; und 1% bezogen auf das Al&sub2;O&sub3; gemischt und die Mischung wurde gemischt und in einem Ultraschallhomogenisierer bei 5000 U/min 5 Stunden dispergiert.
- Zu der resultierenden Mischung wurde langsam die oben hergestellte Si&sub3;N&sub4;-Dispersion hinzugefügt und die Mischung wurde des weiteren mittels eines einfachen Rührers (oder einem Ultraschallhomogenisierer) gerührt, wodurch die organischen Metallsalze ausreichend und gleichmäßig auf der Oberfläche der Si&sub3;N&sub4;-Teilchen adsorbiert wurden.
- Getrennt davon wurden 2,5% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm, 1% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm und 1% AlN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm in Isopropanol gemischt und 0,5% Dispersionsmittel wurde hinzugefügt. Die Mischung wurde einer Dispersion unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers bei 5000 U/min 5 Stunden unterworfen.
- Zu der resultierenden Mischung wurde langsam die oben hergestellte Dispersion gemischt, während dies mit einem einfachen Rührer (oder einem Ultraschallhomogenisierer) gerührt wurde, und das Rühren wurde weiter über einen zusätzlichen Zeitraum von 10 Stunden fortgesetzt, um die Sinterhilfsmittel gleichmäßig zu vermischen. Nachdem das Lösungsmittel durch Verdampfung bei einer Temperatur zwischen 50ºC und 80ºC verdampft wurde, so daß die adsorbierten organischen Metallsalze nicht freigesetzt wurden oder nicht zersetzt oder verflüchtigt wurden, wurde der Rückstand in Atmosphäre bei 500ºC 3 Stunden oxidiert, um die adsorbierten organischen Metallsalze zu den entsprechenden Oxiden zu oxidieren. Das resultierende gemischte Pulver wurde mittels CIP bei 5000 kg/cm² geformt und bei 1750ºC 6 Stunden in Stickstoff gesintert. Der Sinterkörper wurde einem heißisostatischen Pressen bei 1700ºC 2 Stunden in Stickstoff bei 101 MPa (1000 Atmosphären) unterworfen.
- Proben gemäß JIS R 1601 (3 x 4 x 40 mm) wurden aus dem Sinterkörper geschnitten und die Seite, auf welche die Zugspannung ausgeübt wurde, wurde mit einer Diamantpaste poliert, um so eine Oberflächenrauhigkeit von 0,2S zu erzielen. Herkömmliche Dreipunkt-Biegetests wurden an 30 Proben durchgeführt. Als ein Ergebnis betrug die Festigkeit 158 kg/mm² und der Weibull Modul 18.
- Wie obenbeschrieben zeigen die Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere solche, die gemäß der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, wesentlich verbesserte Festigkeit gegenüber herkömmlichen Si&sub3;N&sub4;-Sinterkörpern und sind daher für verschiedene Bauteile in Maschinen einsetzbar.
Claims (10)
1. Siliziumnitridsinterkörper mit hoher Festigkeit und mit
einer hohen Biegefestigkeit, umfassend nicht weniger als 90
Gewichtsprozent einer einkristallinen β-Phase des
Siliciumaluminiumoxynitrids der Formel Si6-zAl&sub2;OzN8-z, wobei z
eine Zahl von 0 bis 4.2 ist, und wobei der Rest eine
kristalline oder amorphe Glasphase ist, umfassend wenigstens
drei Elemente gewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Al, O
und N,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kristalline β-Phase eine Netzwerkstruktur in dem
Sinterkörper bildet umfassend Teilchen mit einem mittleren
größeren Durchmesser von nicht mehr als 5 µm und einen
Seitenverhältnis von nicht weniger als 5, wobei der
Sinterkörper nicht mehr als 500 ppm eines oder mehrerer
metallischer Elemente enthält, gewählt aus der Gruppe bestehend
aus Cr, Co, Hf, Fe, Mo, Ni, Nb, Ti, W und Zr und wobei die
Biegefestigkeit des Sinterkörpers nicht weniger als 1390 MPa
(142 kg/mm²) und der Weibullmodul nicht weniger als 18 beträgt.
2. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitridsinterkörpers
nach Anspruch 1, umfassend:
Mischen (1) des Siliziumnitridpulvers mit einem mittleren
primären Teilchendurchmesser von nicht mehr als 1,0 µm und (2)
wenigstens eines Metalloxids, eines Metallnitrids, eines
organischen Metallsalzes und eines metallischen Oxynitrids als
ein Sinterhilfsmittel, wobei das Sinterhilfsmittel Aluminium
und Sauerstoff enthält, entweder einzeln oder als eine Mischung
von zwei oder mehreren aus (1) und (2), mit einem Lösungsmittel
und einem oberflächenaktiven Mittel um die Dispergierbarkeit
der feinen Teilchen zu verbessern, wie einem Dispergiermittel
oder einem Entschäumungsmittel,
Unterwerfen der resultierenden Mischung oder der Mischungen
einer Ultraschalldispergierung,
Zusammenmischen der resultierenden Mischungen gefolgt von einem
Trocknen um ein gemischtes Pulver zu erhalten,
Sintern des resultierenden geformten Erzeugnisses bei einer
Temperatur von 1600º bis 2200º in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre und
Unterwerfen des resultierenden gesinterten Körpers einer HIP-
Behandlung bei einer Temperatur zwischen 1600º bis 2000º in
einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem
Stickstoffgasdruck zwischen 1 bis 202 Mpa (10 bis 2000
Atmosphären).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das organische Metallsalz
ein erstes Sinterhilfsmittel ist und wenigstens ein Bestandteil
aus der Gruppe bestehend aus dem Metalloxid, dem Metallnitrid
und dem Metalloxynitrid ein zweites Sinterhilfsmittel ist, und
wobei die Menge des ersten Sinterhilfsmittels zwischen 0,5 und
2 Gewichtsprozent und die Menge des zweiten Sinterhilfsmittels
zwischen 3 und 14,5 Gewichtsprozent liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das organische Metallsalz
ein organisches Metallsalz der Y und/oder Al ist und das
Metalloxid Al&sub2;O&sub3; oder Y&sub2;O&sub3; und das Metallnitrid AlN ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das organische Metallsalz
des Y und/oder Al wenigstens einen Bestandteil enthält,
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Stearat, einem
Naphtat, einem Acetylacetonkomplex und einem Oktylat.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das organische Metallsalz
des Y und/oder Al ein Alkoxymetallsalz ist.
7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Siliziumnitridpulver
ein Siliziumnitridpulver mit einem mittleren
Primärteilchendurchmesser von nicht mehr als 1,0 µm ist,
welches durch ein Imidzersetzungsverfahren erhalten wird und
wobei die Sinterhilfsmittel einen mittleren
Primärteilchendurchmesser von nicht mehr als 1 µm aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Sintern bei einer
Temperatur von 1600º bis 2000º in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre unter einem Sickstoffgasdruck von 1 bis 202 Mpa (10
bis 2000 Atmosphären) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Mischung nach dem
Ultraschalldispergieren durch ein 4,4 µm oder ein
kleinmaschigeres Sieb klassifiziert wird.
10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die
Mischung nach dem Ultraschalldispergieren durch ein 44 µm oder
ein kleinmaschigeres Sieb klassifiziert wird.
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