Siliciumnitridpulver mit hoher Packungsdichte und Verfahren zu seiner Herstellung
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Es wird Bezug genornnnen auf die gleichzeitig anhängige Patentannneldungs-Seriennr.
07/852.559, eingereicht ann 17. März 1992 von Haruyoshi KUWABARA, Akio OTSUKA und
Meguru KASHIDA für "High-Packing Silicon Nitride Powder and Method for Making
(Siliciumnitridpulver mit hoher Packungsdichte und Verfahren zu dessen Herstellung)", das an
den gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Erfindung übertragen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Siliciumnitridpulver mit hoher Packungsdichte, das mehrheitlich
aus isometrischen Teilchen und einer minimierten Menge an groben Teilchen besteht, so daß
ein Preßteil mit hoher Dichte aus dem Pulver gepreßt und ein Körper mit großer Festigkeit aus
dem Preßteil gesintert werden kann; ferner betrifft sie ein Verfahren für dessen Herstellung.
Stand der Technik
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In jüngster Zeit zieht Siliciumnitrid wegen seiner Wärmebeständigkeit, Festigkeit und
Korrosionsbeständigkeit die Aufmerksainkeit auf sich. Endprodukte wurden im allgemeinen
hergestellt, indem ein organisches Bindemittel zu Siliciumnitridpulver und einem
Oxid-Reagenspartner in Pulverform hinzugefügt und die Mischung in einem geeigneten Medium,
typischerweise Wasser, zur Bildung einer Aufschlärnnnung dispergiert wurde. Preßteile gewünschter
Größe werden aus der Aufschlämmung entweder durch Granulieren der Aufschlämmung und
Formpressen der Körnchen oder durch direktes Gießen der Aufschlämmung in eine Gußform
gebildet. Die Preßteile werden zum Ausbrennen des Bindemittels erwärmt und anschließend
gesintert.
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Es ist bekannt, daß die mittels des Verfahrens gebildete Aufschlämmung eine hohe
Konzentration und eine geringe Viskosität besitzen sollte, um Endprodukte mit zufriedenstellenden
physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Im Hinblick auf die Formgebungsphase vor dem Sintern
würde das formgepreßte Preßteil, wenn es über eine größere Dichte verfügte, eine erhöhte
Dichte und beim Sintern eine verringerte Schrumpfung aufweisen, was bei der Festigkeit und
Dimensionspräzision gesinterter Körper vorteilhaft ist.
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Siliciumnitridpulver wird herkömmlicherweise durch Reduktion von Siliciumdioxid, Imid-
Abbau oder direktes Nitridieren von metallischem Siliciumpulver hergestellt. Es war schwierig,
aus dem herkömmlichen Siliciumnitridpulver unter Verwendung von Wasser als Medium eine
Aufschlämmung mit hoher Konzentration und geringer Viskosität herzustellen. Dann war es
bei formgepreßten Preßteilen schwierig, die Dichte von Preßteilen zu erhöhen. Weiterhin
verhinderte das Vorhandensein grober Teilchen, daß die Preßteile auf hohe Festigkeit gesintert
wurden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aus diesem Grund besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines
neuen und verbesserten Siliciumnitridpulvers mit hoher Packungsdichte, damit es zu einer
Aufschlämmung mit hoher Konzentration und geringer Viskosität gebildet, zu einem Preßteil mit
hoher Dichte formgepreßt und somit zu einem Produkt mit verbesserter Festigkeit und
Dimensionsprazision gesintert werden kann. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in
der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Siliciumnitridpulvers mit
hoher Packungsdichte.
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Die Erfinder haben festgestellt, daß durch Bilden eines Siliciunmitridpulvers durch das direkte
Nitridierverfahren, zum Beispiel durch Reaktion eines metallischen Siliciuninitridpulvers mit
einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 bis 10 µm und einer Reinheit von mindestens 99%
mit Stickstoff in einer Stickstoffatmosphäre, die etwa 5 bis 20 Vol.-% Wasserstoff bei einer
Temperatur von etwa 1350 bis 1450ºC enthält, wobei das Siliciumnitridpulver in einer mit
Kugeln betriebenen Trocken-Rührmühle zerkleinert und das Siliciumnitridpulver weiter in einer
mit Kugeln betriebenen Naß-Rührmühle zerkleinert wird, wahlfrei gefolgt von einer
Säurebehandlung, ein Siliciumnitridpulver mit hoher Packungsdichte erhalten wird, das mindestens 95
Gew.-%
Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis zu 3 und einen geringeren Anteil grober
Teilchen mit einer Größe von mehr als 2 µm enthält, das im wesentlichen frei von azikulären
Teilchen ist und eine Zapfdichte von mindestens 0,9 g/cm³ aufweist sowie eine geringe
Viskosität und eine hohe Reinheit besitzt, die für eine Erhöhung der Dichte des Preßteils als auch
eine Erhöhung der gesinterten Festigkeit ausreichend sind.
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Die durch die direkten Nitridierverfahren hergestellten Siliciumnitridteilchen enthalten im
allgemeinen einen wesentlichen Anteil azikulärer (nadelförmiger) Teilchen, die nicht nur dazu
neigen, Pneumokoniose zu verursachen, sondern auch ein Hauptgrund für eine Verminderung
der Zapülichte und Dichte des Preßteils sowie eine Erhöhung der Viskosität der
Aufschlämmung sein können. Ein scheinbarer Ansatz besteht in der Entfernung azikulärer Teilchen durch
Klassifikation, aber die Ausbeute an effektivem Siliciumnitrid ist gering. Das einfache
Entfernen azikulärer Teilchen durch Klassifikation stellt nicht sicher, daß das restliche
Siliciumnitridpulver eng gepackt ist.
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Bei der Erforschung, inwieweit die Dichte von Siliciumnitridpulver-Preßteilen durch die
pulverbildenden Reaktionsbedingungen beeinflußt wird und mit der Packungsdichte und dem
Aspektverhältnis des Pulvers in Zusammenhang steht, stellten die Erfinder fest, daß man, wenn
durch das direkte Nitridierverfahren hergestelltes Siliciumnitridpulver einschließlich azikulärer
Teilchen mittels einer Trocken-Rührmühle, zum Beispiel einer Trocken-Reibmühle, bei der
Kugeln als Mahlmedium verwendet werden, gemahlen wird, wobei das Siliciumnitridpulver
trocken zerkleinert wird, während die Mahlfähigkeit durch Regulieren der Pulverftillung erhöht
wird, ein Siliciumnitridpulver mit mindestens 95 Gew.-% Teilchen mit einem Aspektverhältnis
von bis zu 3 erhält. Der hohe Gehalt an Teilchen mit niedrigem Aspektverhältnis bedeutet, daß
der Gehalt an azikulären Teilchen im wesentlichen so verringert wird, daß eine gesundheitliche
Bedrohung ausgeschlossen ist. Dann wird im wesentlichen die gesamte Menge an
Siliciumnitrid zuruckgewonnen. Darüber hinaus weist das resultierende Siliciumnitridpulver eine hohe
Packungsdichte auf Das bedeutet, daß ein Siliciumnitridpulver mit hoher Packungsdichte, das
eine Zapfdichte von mindestens 0,9 g/cm³ aufweist, erzielt wird, das man auf herkömmliche
Weise nicht erzielen könnte. Dieses Siliciumnitridpulver kann zu einem Preßteil mit einer
Dichte von 1,70 g/cm³ oder mehr gepreßt werden, das wiederum zu einem gesinterten Körper
mit einer erhöhten Dichte und einer verbesserten Dimensionspräzision gebrannt werden kann.
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Dies ist das Hauptthema der Patentanmeldung, auf die oben Bezug genommen wird. Die
Erfinder haben herausgefünden, daß die Trockenmühle für die Beseitigung azikulärer Teilchen
effektiv war, daß es aber aufgrund des ihr eigenen Mahlmechanismus' schwierig war, grobe
Teilchen fein zu zerkleinern, wobei die restlichen groben Teilchen die Festigkeit gesinterter Körper
etwas verringern.
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Bei der Fortsetzung ihrer Untersuchungsbemühungen zur Lösung dieses Problems haben die
Erfinder festgestellt, daß durch weiteres Mahlen des trocken gemahlenen Pulvers in einer Naß-
Rührmühle, insbesondere einer Naß-Rührmühle, bei der Kugeln als Mahlmedium verwendet
werden, die groben Teilchen abgetrennt werden. Das naß gemahlene Pulver kann eine
Aufschlämmung mit geringer Viskosität bilden, was zu deutlichen Verbesserungen der Festigkeit
und anderer physikalischer Eigenschaften gesinterter Körper beiträgt.
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Deshalb wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Siliciumnitridpulver mit hoher
Pakkungsdichte bereitgestellt, das eine Zapfdichte von mindestens etwa 0,9 g/cm³ und eine mittlere
Teilchengröße von 0,4 bis 0,6 µm aufiveist. Das Pulver enthält mindestens 95 Gew.-%
Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis zu 3 und bis zu 5 Gew.-% grobe Teilchen mit einer
Teilchengröße von mindestens 2 µm. Es ist anzumerken, daß die Zapfdichte gemessen wird,
indem ein zylindrischer Metallbehälter mit einem Volumen von 100 cm³ mit Pulver gefüllt
wird, das Fallenlassen unter Schwerkraft aus einer Höhe von 2 cm 180 Mal wiederholt wird
und die Schüttdichte des Pulvers gemessen wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung dieses
Siliciumnitridpulvers mit hoher Packungsdichte bereit, wobei es die folgenden Schritte umfaßt: Bilden von
Sihciunmitridpulver aus metallischem Siliciumnitridpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1
bis 10 µm und einer Reinheit von mindestens 99 Gew.-% durch ein direktes Nitridierverfahren,
Mahlen des Pulvers in einer Trocken-Rührmühle, bis die Zapfdichte 0,9 g/cm³ erreicht oder
überschreitet und der Gehalt an Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis zu 3 95 Gew.-%
erreicht oder übersteigt, sowie weiteres Mahlen des Pulvers in einer Naß-Rührmühle, um grobe
Teilchen mit einer Teilchengröße von mindestens 2 µm fein zu verteilen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die FIG. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen Trocken-Reibmühle,
die beim Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das Siliciumnitridpulver der vorliegenden Erfindung mit hoher Packungsdichte sollte eine
Zapfdichte von mindestens 0,9 g/cm³, vorzugsweise mindestens 1,0 g/cm³ und eine mittlere
Teilchengröße von 0,4 bis 0,6 µm aufweisen. Das Pulver enthält mindestens etwa 95 Gew.-%
Teilchen mit einem Aspektverhältnis (Länge zu Breite) von bis zu 3 und bis zu 5 Gew.-%
grobe Teilchen mit einer Teilchengröße von mindestens 2 µm. Außerhalb der oben festgelegten
Zapfdichte und des Gehalts an feinen und groben Teilchen ist eines oder mehrere von
Viskosität der Aufschlämmung, Preßteildichte und gesinterte Festigkeit nicht ausreichend, um die
Ziele der Erfindung zu erreichen. Eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,4 µm erhöht
aufgrund eines zu hohen Gehalts an feineren Teilchen die Viskosität der Aufschlämmung eher,
wohingegen sich eine mittlere Teilchengröße von mehr als 0,6 µm nachteilig auf die
Sinterfähigkeit auswirkt.
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Das Siliciumnitridpulver weist auch vorzugsweise eine spezifische Oberfläche nach BET von
mindestens etwa 12 bis 15 m²/g auf, da die Sinterfähigkeit bei einer spezifischen Obertläche
von weniger als 12 m²/g ziemlich gering ware. Über 15 m²/g hinaus würde eine
Aufschlämmung vor dem Pressen von Preßteilen zu dickflüssig. Weiter vorzugsweise enthält das
Siliciumnitridpulver bis zu 1 Gew.-%, besonders bis zu 0,8 Gew.-% Sauerstoff Außerdem enthält
das Siliciumnitridpulver vorzugsweise bis zu 0,2 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,1 Gew.-%
Kohlenstoff Die Gesamtheit der Begleitmetalle außer Kohlenstoff, zum Beispiel Eisen,
Aluminium und Calcium, sollten vorzugsweise bis zu 0,1 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,08 Gew.-
% betragen. Der Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt sowie der Gehalt an Begleitmetall ist so
begrenzt, weil endgültig gesinterte Teile jenseits der Grenzen nur über eine geringe Festigkeit
verfügten, insbesondere bei hoher Temperatur.
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Das Siliciumnitrid-Ausgangsmaterial, aus dem man das Siliciumnitridpulver mit hoher
Pakkungsdichte erhält, ist nicht speziell eingeschränkt, obwohl aus einem direkten
Nitridierverfahren
resultierendes Siliciumnitrid häufig verwendet wird. Das endgültige Siliciunmitridpulver
erhält man durch Mahlen eines geeigneten Siliciumnitrid-Ausgangsmaterials in einer Trocken-
Rührmühle, in der Kugeln als Mahlmedium verwendet werden, und weiteres Mahlen des
Pulvers in einer Naß-Rührmühle, in der Kugeln als Mahlmedium verwendet werden. Das hier
vorliegend verwendete direkte Nitridierverfahren ist nicht speziell eingeschränkt, und jedes
herkömmliche Verfahren ist brauchbar. Damit das endgültige Siliciumnitridpulver eine bessere
Packungsbeschaffenheit und Festigkeit aufveist, wird vorzugsweise ein Siliciumnitrid-
Ausgangsmaterial mit hoher Reinheit über das folgende Verfahren hergestellt:
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Das Ausgangsmaterial ist metallisches Siliciumpulver mit einer vorzugsweise mittleren
Teilchengröße von etwa 1 bis 10 µm und einer Reinheit von mindestens etwa 99%, stärker
bevorzugt einer spezifischen Obertläche nach BET von etwa 1 bis 5 m²/g Pulver mit einer mittleren
Teilchengröße von weniger als 1 µm ist kostspielig und schwer zu handhaben, wohingegen
Pulver mit einer mittleren Teilchengröße über 10 µm weniger reaktions&eudig wäre und einen
größeren Anteil des Pulvers nicht in Reaktion treten ließe. Pulver mit einer spezifischen
Oberfläche nach BET von weniger als 1 m²/g wäre weniger reaktionsfreudig und würde einen
größeren Anteil der Pulvers unreagiert lassen, wohingegen Pulver mit einer spezifischen
Obertläche nach BET von mehr als 5 m²/g zu teuer ist und im Sauerstoffgehalt erhöht sein kann. Eine
Reinheit von weniger als 99% würde zu einem gesinterten Körper von geringer Reinheit führen.
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Das metallische Siliciumpulver wird nitridiert. Die Nitridierreaktion kann durch jedes
herkömmliche wohlbekannte direkte Nitridierverfahren erfolgen. Typische Nitridierbedingungen
schließen eine Temperatur von etwa 1350 bis 1450ºC und einen Zeitraum von etwa 1 bis 5
Stunden ein. Die Reaktionsatmosphäre ist vorzugsweise ein Strom aus einer Gasmischung aus
Stickstoff und Wasserstoff, insbesondere eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff in
einem Volumenverhältnis von etwa 5/95 bis 20/80. Der Druck liegt während der Reaktion
vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis 100 mm Aq. Der Reaktionsofen ist im allgemeinen ein
Durchstoßofen des Tunneltyps oder ein Kammertyp-Ofen, obwohl er darauf nicht beschränkt
ist.
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Eine Nitridierreaktion ergibt Siliciunmitrid, das zuerst mittels eines Backenbrechers oder
dergleichen vorgebrochen und anschließend mit einer Lufizyklonmühle (ACM) oder Walzenmühle
zu rohem Pulver zermahlen wird. Dieses pulverisierte Siliciunmitrid weist im allgemeinen eine
Zapfdichte von weniger als etwa 0,9 g/cm³ auf, enthalt weniger als etwa 50 Gew.-% Teilchen
mit einem Aspekiverhaltnis von bis zu 3 und etwa 10 bis 50 Gew.-% azikuläre Teilchen und
schließt etwa 0,1 bis 0,5 Gew.-% Eisen, Kohlenstoff, Calcium, Aluminium sowie andere
Begleitmetalle ein. Dieses rohe Siliciumnitrid könnte in ein Preßteil mit einer relativ geringen
Dichte von etwa 1,60 bis 1,69 g/cm³ gepreßt werden.
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Das Siliciumnitridpulver der vorliegenden Erfindung erhalt man durch Zerkleinern des
azikuläre Teilchen enthaltenden rohen Siliciunmitridpulvers mittels einer Trocken-Rührmühle und
weiteres Zerkleinern des Pulvers mit einer Naß-Rührmühle. Die hier vorliegend verwendeten
Trocken-Rühimühlen schließen mit einem Mahlmedium arbeitende Rührmühlen wie
Walzenmühlen und Kugelmühlen, Jet-Mühlen und Kompressions-Mühlen ein. Bevorzugte Mühlen, die
das Pulver so mahlen können, daß azikuläre Teilchen eliminiert werden, sind Trocken-
Rühimühlen, in denen Kugeln als Mahlmedium verwendet werden, zum Beispiel Trocken-
Reibmühlen. Die Trocken-Reibmühle schließt ein feststehendes Mahlgehäuse ein, das mit
Kugeln mit geringem Durchmesser und einem zu mahlenden Pulver gefüllt wird, wobei der Inhalt
zum Zerkleinern mit Kraftaufwand durch Rührstäbe oder rotierende Scheiben bewegt wird.
Eine exemplarische Struktur der Trocken-Reibmühle ist in der FIG. 1 veranschaulicht.
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Die Trocken-Reibmühle (1) schließt ein horizontales zylindrisches Mahlgehäuse (2), das mit
Mahlmitteln in Form von Kugeln (5) gefüllt wird, und einen Rotationsarm (4) mit einer
Vielzahl von Rührstäben für das axiale Bewegen der Mahlmittel (5) ein. Der Arm (4) trifft drehbar
zur zwangsweisen Trommelbewegung der Kugeln (5) im Gehäuse (2) ein. Das rohe
Siliciumnitridpulver gelangt durch eine Einlaßöffhung (6) an einer Seite des Gehäuses (2) in das Gehäuse
(2), wo es mittels der Kugeln (5) zerkleinert wird und schließlich das Gehäuse (2) durch eine
Auslaßöffnung (7) an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses verlaßt. Das Gehäuse (2) ist
weiterhin mit einer Stickstoff-Einströmungsöffhung (8) nahe der Einlaßöffnung (6)
ausgestattet, um, falls nötig, Stickstoffgas durch das Gehäuse zu leiten. Das Gehäuse (2) ist nahe der
Auslaßöffnung (7) mit einem Filtersieb (9) versehen. Obwohl bildhaft eine horizontale,
kontinuierlich arbeitende Trocken-Reibmühle veranschaulicht ist, kann die Trocken-Reibmühle vertikal
oder satzweise arbeiten. Die als Mahlmedium verwendeten Kugeln sind harte, verschleißfeste
und wärmebeständige Kugeln aus Metall oder keramischem Material, zum Beispiel Kugeln aus
Eisen und Siliciumnitrid.
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Das rohe Pulver kann innerhalb des Umfangs der Erfindung mit einer Trocken-Reibmühle zu
einem Siliciumnitridpulver gemahlen werden, während ihre Mahlfahigkeit durch Bereitstellen
einer Pulvereirfüllung erhöht wird, die 1/2 oder 1/4 der effektiven Reibmühlen-Kapazität
entspricht, zum Beispiel durch Festlegen eines Gewichtsverhältnisses von Kugelgewicht zu
Pulverbefüllung von 2/1 bis 9/1 zugunsten von Siliciumnitridkugeln. Die Mahldauer beträgt im
allgemeinen etwa 5 Minuten bis etwa 5 Stunden pro kg Siliciumnitridpulver.
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Das so erhaltene Siliciumnitridpulver ist im wesentlichen frei von azikulären Teilchen, weist
eine Zapfdichte von mindestens etwa 0,9 g/cm³ auf und enthält mindestens etwa 95 Gew.-%
Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis zu etwa 3. Dieses Siliciumnitridpulver besitzt
seinem Wesen nach eine hohe Packungsdichte. Wenn Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis
zu etwa 3 nicht 95 Gew.-% des gesamten Pulvers erreichen, hätte das Pulver eine Zapfdichte
von weniger als 0,9 g/cm³, enthielte eine beachtliche Menge azikulärer Teilchen und würde zu
einem Preßteil mit einer Dichte von weniger als 1,70 g/cm³ komprimiert. Das
Siliciumnitridpulver weist vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von 0,5 bis 1,0 µm, gemessen mit
einem Rasterelektronenmikroskop, oder eine spezifische Oberfläche nach BET von 9 bis 11
m²/g auf, obwohl aufgrund eines Meßverfahrens und sekundärer Agglomeratbildung eine
genaue Messung schwierig ist. Die Menge grober Teilchen mit einer Teilchengröße von mehr als
2 µm im trocken gemahlenen Pulver kann im allgemeinen 15 Gew.-% oder mehr betragen.
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Das trocken gemahlene Pulver wird anschließend mit einer Naß-Rührmühle zerkleinert. Der
Zweck des Naßmahlens besteht darin, grobe Teilchen, die beim Trockenmahlen nicht gemahlen
wurden, abzutrennen oder grobe Teilchen mit einer Teilchengröße von mehr als 2 µm fein zu
zerkleinern. Die Naß-Rührmühe umfaßt einen festen Behälter, der mit einem zu mahlenden
Pulver, Kugeln mit geringem Durchmesser und einem flüssigen Medium, typischerweise
Wasser, gefüllt wird, wobei die Mengen für die Zerkleinerung zwangsweise mit Rührstäben bewegt
werden. Das trocken gemahlene Pulver oder Siliciumnitridpulver wird zusammen mit Wasser
in den Behälter gefüllt, wobei das Pulver zerkleinert wird. Die als Mahlmedium verwendeten
Kugeln sind harte, verschleißfeste, wärmebeständige Kugeln aus Metall oder keramischem
Material, zum Beispiel Kugeln aus Eisen und Siliciumnitrid.
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Naßmahlen kann unter jeder gewünschten Bedingung durchgeführt werden. Wenn zum
Beispiel 40 kg des trocken gemahlenen SiN-Pulvers verwendet werden, wird der Behälter mit 1
Tonne Eisenkugeln mit einem Durchmesser von 6,35 mm (1/4 Inch) und 100 Litern Wasser als
Medium gefüllt, und der Arm dreht sich etwa 10 bis 16 Stunden lang bei etwa 68 U/min. Die
hier vorliegend verwendeten Mühlen schließen mit Mahlmitteln arbeitende Mühlen ein.
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Am Ende von Doppelmahlverfahren kann das Pulver einer herkömmlichen chemischen
Behandlung, typischerweise einer Säurebehandlung, zur Beseitigung von verbrauchtem Eisen und
Begleitmetallen, unterworfen werden. Die hier vorliegend verwendeten Säuren umfassen HF, HCl
und HNO&sub3;. Für eine aus HF und HNO&sub3; gemischte Säure wird die Säurebehandlung bei etwa 60
bis 80 ºC über einen Zeitraum von etwa 4 bis 8 Stunden durchgeführt.
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Das auf diese Weise erhaltene Siliciumnitridpulver wird zu einer Aufschlämmung gebildet, zu
einem Preßteil geformt und schließlich auf herkömmliche Weise gesintert. Das Pulver der
Erfindung ermöglicht es der Aufschlämmung, eine hohe Konzentration und eine geringe
Viskosität aufzuweisen, wodurch es wiederum möglich ist, Preßteile zu hoher Dichte zu formen, was
zur Verbesserung von Festigkeit und Dimensionspräzision der gesinterten Teile beiträgt. Man
erhält gesinterte Qualitäts-Siliciumnitridteile, die bei einer Vielzahl von Anwendungen
Verwendung finden können.
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Mit dem Siliciumnitridpulver der vorliegenden Erfindung kann man eine Aufschlämmung mit
geringerer Viskosität erhalten.
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Unter Verwendung eines Polyethylen-Topfes mit einem Fassungsvernnögen von 1 Liter, der
mit 100 nylonbeschichteten Eisenkugeln mit einem Durchmesser von 15 mm gefüllt ist, wird
eine Aufschlämmung hergestellt, indem 225 g Siliciumnitridpulver, 12,5 g Y&sub2;O&sub3;, 12,5 g Al&sub2;O&sub3;,
2,5 g eines Dispergiermittels und 175 g Wasser dem Topf hinzugefügt werden und der Inhalt
15 Stunden lang bei 110 U/min gemischt wird.
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Die so erhaltene Aufschlämmung weist die folgende Viskosität auf, wenn sie 30 Sekunden lang
mit einem Viskosimeter des Typs B mit Rotor Nr.3 bei 60 U/min gemessen wird:
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Siliciumnitridpulver der vorliegenden Erfindung: 200 bis 700 cP
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Nur durch Trockenmahlen erhaltenes Siliciumnitridpulver (ohne Durchführen von
Naßmahlen): 750 bis 1000 cP
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Nur durch Naßmahlen erhaltenes Siliciunmitridpulver (ohne Durchführen von
Trockenmahlen): 2000 bis 2500 cP
BEISPIEL
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Beispiele der vorliegenden Erfindung werden unten zur Veranschaulichung und nicht durch
Einschränkung gegeben.
Beispiel & Vergleichsbeispiel
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Das verwendete Ausgangsmaterial war metallisches Siliciumpulver mit einer mittleren
Teilchengröße von 5 µm, einer spezifischen Oberfläche nach BET von 2,5 m²/g und einer Reinheit
von 99,5%. Es wurde in einen Durchstoßreaktor eingebracht, in dem eine Nitridierreaktion in
einer Atmosphäre einer Wasserstoff-/Stickstoffgas-Mischung stattfand, die eine Stunde lang
bei 1380ºC 15 Vol.-% Wasserstoffgas enthielt. Das resultierende Siliciumnitrid wurde mit
einem Backenbrecher gebrochen und mit einer Luftzyklonmühle pulverisiert.
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Das pulverisierte Siliciumnitrid-(SiN)-Pulver besaß einen alpha-Siliciumnitridgehalt von 93
Gew.-%, eine spezifische Oberfläche nach BET von 4,5 m²/g, einen Sauerstoffgehalt von 0,45
Gew.-%, ein Aspektverhältnis von 3 oder weniger, einen Teilchenanteil von weniger als 50
Gew.-%, einen azikulären Teilchenanteil von 45 Gew.-% und eine mittlere Teilchengröße von
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Anschließend wurde das Pulver unter Verwendung von Siliciumnitridkugeln (Durchmesser 5
mm) als Mahlmittel mit einer Trocken-Reibmühle zerkleinert, wie in der FIG. 1 dargestellt. Die
Mahlfähigkeit wurde durch Abänderung der Befüllung mit Siliciumnitridpulver angepaßt, um
ein Kugei/Pulver-Füllgewichtsverhältnis von 9 kg/kg - SiN zu schaffen, so daß die spezifische
Oberfläche nach BET in den Bereich von 9 bis 11 m²/g fallen könnte. Es wurde ein
Siliciumnitridpulver mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von 10,9 m²/g erzielt.
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In eine satzweise arbeitende Naß-Rührmühle gefüllt mit 1 Tonne Eisenkugeln mit einem
Durchmesser von 1/4 Inch und 100 Litern Wassermedium wurden 40 kg des trocken
gemahlenen Pulvers gegeben. Der Arm wurde 10 Stunden lang bei 68 U/min gedreht.
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Am Ende des Mahlens wurde eine gemischte Säure, die 40 kg 55%ige Fluorwasserstoffsäure
und 50 kg 73%ige Salpetersäure enthielt, über einen Zeitraum von 1,5 Stunden tropfenweise
zu der gemahlenen Aufschlämmung hinzugefügt. Das Bewegen wurde 4 Stunden lang bei 80ºC
fortgesetzt. Am Ende der Säurebehandlung wurde das Pulver in Aufschlämmungsform mittels
eines "Shrivers" (hergestellt von Kurita Industry K.K.) mit Wasser gewaschen und dann mittels
eines Sprühtrockners getrocknet, wobei 31 kg Siliciumnitridpulver innerhalb des Umfangs der
Erfindung erhalten wurden.
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Zu Vergleichszwecken wurde das Pulver (A) mit denselben Mahl- und
Säurebehandlungsverfahren wie oben hergestellt, mit der Ausnahnhe, daß nur das Trockenmahlen unter Auslassen
des Naßmahlen vorgenommen wurde. Das Pulver (B) wurde mit denselben Mahl- und
Säurebehandlungsverfahren wie oben hergestellt, mit der Ausnahme, daß nur das Naßmahlen 16
Stunden lang unter Auslassen des Trockenmahlens vorgenommen wurde.
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Jedes Siliciunmitridpulver wurde im Hinblick auf die spezifische Oberf[äche nach BET, den
Gehalt an Verunreinigungen (Kohlenstoff- und Metallverunreinigungen), die Zapfdichte, einen
Aspektverhältnisanteil von 3 oder weniger Teilchen und einen Anteil azikulärer Teilchen
gemessen. Die Teilchengrößenverteilung wurde mit einer Laserbeugungstechnik ermittelt, um die
mittlere Teilchengröße und den Anteil grober Teilchen mit einer Größe von 2 µm oder mehr zu
bestimmen. Das Pulver wurde zur Bildung einer Aufschlämmung, deren Viskosität gemessen
wurde, in Wasser dispergiert und dann unter einem Druck von 196,2 uPa (2000 kg/cm²) zu
einem Preßteil CIP-geformt, dessen Dichte und Abmessungen ermittelt wurden.
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Die Zapfdichte wurde mit einem von Hokosawa Iron Works K.K. erhältlichen Pulvertester
gemessen, indem ein zylindrischer Metallbehälter mit einem Volumen von 100 cm³ mit dem
Pulver gefüllt wurde, das Fallenlassen unter Schwerkraft aus einer Höhe von 2 cm 180 mal
wiederholt wurde, überschüssiges Pulver oberhalb der oberen Oberfläche des Behälters mit
einem Messer abgestriffen und das Gewicht des Behälters ermittelt wurde. Der Prozentsatz an
Teilchen mit einem Aspektverhältnis von bis zu 3 wurde unter Verwendung einer
Rasterelektronenmikroskop-(SEM)-Aufnahme und einer probeweisen Entnahme von 1000 Teilchen
bestimmt.
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Die Viskosität der Aufschlämmung wurde wie folgt gemessen: Unter Verwendung eines
Polyethylen-Topfes mit einem Volumen von 1 Liter, der mit 100 nylonbeschichteten Eisenkugeln mit
einem Durchmesser von 15 mm gefüllt war, wurde durch Hinzufügen von 250 Gramm des
Pulvers, 175 Gramm Wasser und 1% eines Dispergiermittels (A-30 SL, erhältlich von Toa
Synthetic Chemical K.K.), bezogen auf das Gewicht des Pulvers, in den Topf eine
Aufschlämmung hergestellt und der Inhalt 15 Stunden lang bei 106 U/min gemischt. Die Viskosität der
Aufschlämmung wurde mit einem Viskosimeter des Typs B, hergestellt von Tokyo Seiki K.K.,
mit Rotor Nr. 3 30 Sekunden lang bei 60 U/min gemessen.
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Die gesinterte Dichte und Festigkeit wurde gemessen, indem zuvor 90 Gewichtsteile
Siliciumnitridpulver, 7 Gewichtsteile Yttriumoxid und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid in Hexan als
flüssiges Medium gemischt wurden, die Mischung zu einem Preßteil geformt wurde, das
Preßteil in einer Stickstoffatmosphäre 4 Stunden lang bei 1780ºC erwärmt wurde und der
gesinterte Körper maschinell in einen Prüfkörper überführt wurde. Die relative Dichte wurde gemäß
JIS R-2205 und die Dreipunkt-Biegefestigkeit gemäß JIS R-1601 gemessen (dabei wurde über
einen Durchschnitt von 5 Proben berichtet). Die Dichte des Preßteils wurde bestimmt, indem
die Abmessungen des Preßteils zur Bestimmung des Fassungsvermogens mit einer Schieblehre
ermittelt wurden, das Preßteil gewogen und das Gewicht durch das Fassungsvermögen
dividiert wurde.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Vergleichsbeispiel
Beispiel
Mittlere Teilchengröße, in µm
Teilchen ≥ 2µm, in Gew.-%
Spezifische Oberfläche nach BET in m²/g
Verunreinigung in Gew.-%
Saurestoff
Kohlenstoff
andere Metalle
Zapfdichte, in g/cm³
Azikuläre Teilchen, in Gew.-%
Teilchen mit Aspektverhältnis in Gew.-%
Dichte des Preßteils, in g/m³
Viskosität der Aufschlämmung,
in Centipoise
Gesinterte Dichte, in g/cm³
Biegefestigkeit, in kg/mm²
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Das Siliciumnitridpulver der Erfindung kann zu einer Aufschlämmung mit hoher Konzentration
und geringer Viskosität gebildet, zu einem Preßteil mit hoher Dichte formgepreßt und so zu
einem Teil mit verbesserter Festigkeit und Dimensionspräzision gesintert werden. Das
Verfahren der Erfindung gewährleistet eine leichte Herstellung des Siliciumnitridpulvers.