FR2462404A1 - Sintered silicon carbide body - formed without sintering aid, prepd. from silicon carbide powder contg. boron component - Google Patents
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Abstract
Description
La prdsente invention se rapporte a des produits en carbure de silicium fritte et A un procddd pour leur préparation. The present invention relates to sintered silicon carbide products and to a process for their preparation.
Le carbure de silicium est utilise dans des applications variez en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques par exemple sous forme de pièces de construction résistant à la chaleur et aux agents chimiques, pour des moteurs d'automobiles, pour la fabrication de creusets de mortiers, de pilons, d'outils de types variés, et dans des applications analogues. Pour ces applications, il est indispensable de parvenir des produits en carbure de silicium fritté structure dense et uniforme par des techniques simples. Silicon carbide is used in applications that vary because of its excellent physical and chemical properties, for example in the form of heat and chemical resistant structural parts, for automobile engines, for the manufacture of mortar crucibles , pestles, tools of various types, and in similar applications. For these applications, it is essential to achieve dense and uniform sintered silicon carbide products by simple techniques.
Le frittage du carbure de silicium seul, sous forme de particules ou de poudre est extr8mement difficile (cf., par exemple,
J. Nadeau, Very High Pressure Rot Pressing of Silicon Carbide, Bull. Am. Sintering of silicon carbide alone in the form of particles or powder is extremely difficult (see, for example,
J. Nadeau, Very High Pressure Rot Pressing of Silicon Carbide, Bull. Am.
Ceram, Soc. 52 170-174 (1973). Par suite, lorsqu'on fait appel a une technique classique telle que le pressage à chaud, on mélange le carbure de silicium avec un accélérateur de frittage tel que Al, Fe, B ou B4C et on soumet le mélange à pressage a chaud à une température d'environ 2000 à 24000C et une pression d'environ 200 a 1000 kg/cm; on obtient ainsi des produits frittés relativement denses (cf., par exemple, Alliegro et col.,
Pressure-Sintered Silicon Carbîde, J. Am. Ceram. Soc., 39 (Nov. 1956), pages 386-389.Ceram, Soc. 52, 170-174 (1973). As a result, when a conventional technique such as hot pressing is used, the silicon carbide is mixed with a sintering accelerator such as Al, Fe, B or B4C and the hot pressing mixture is subjected to temperature of about 2000 to 24000C and a pressure of about 200 to 1000 kg / cm; this produces relatively dense sintered products (see, for example, Alliegro et al.,
Pressure-Sintered Silicon Carbide, J. Am. Ceram. Soc., 39 (Nov. 1956), pages 386-389.
Ce procédé présente des inconvénients : on ne trouve pas dans le commerce les additifs nécessaires à la dimension de particule et à la pureté voulues ; les techniques de mélange et analogues sont compliquées,
En outre, le carbure de silicium mis en oeuvre doit lui-m8me être de préfé- rence à l'état de fines particules ; or, il est difficile d'obtenir de fines particules de carbure de silicium, et cette difficulté constitue un obstacle à la mise en pratique du procédé.This process has drawbacks: the additives necessary for the desired particle size and purity are not commercially available; mixing techniques and the like are complicated,
In addition, the silicon carbide used must itself be preferably in the form of fine particles; however, it is difficult to obtain fine particles of silicon carbide, and this difficulty is an obstacle to the practice of the process.
On a décrit récemment (cf.) par exemple, brevet japonais n 160 200/1975) un procédé pour préparer une poudre de carbure de silicium du type 13 å une dimension de particule inférieure au micron, procédé qui consiste 9 incorporer uniformEment, quoique en petite proportion (environ 0,2 å 1,0 % en poids), un composant boré dans le carbure de silicium. Ce procédé a permis de remédier aux complications causes par l'addition d'accélérateurs de ftittage et de fritter le carbure de silicium a une température d'environ 1900 å 21000C à pression atmosphrique. A process for preparing a type 13 silicon carbide powder with a particle size of less than one micron has been described recently (see, for example, Japanese Patent No. 160 200/1975), which method incorporates uniformly, although small proportion (about 0.2 to 1.0% by weight), a component borated in silicon carbide. This method has made it possible to remedy the complications caused by the addition of sintering accelerators and to sinter the silicon carbide at a temperature of about 1900 to 21000.degree. C. at atmospheric pressure.
Dans ce procédé, on utilise un mélange gazeux d'un halogénure de silicium, d'un halogénure de bore et d'un hydrocarbure en tant que mélange de départ et on provoque une réaction de ddcomposition thermique en phase gazeuse dans un jet de plasma. Par cons8quent, ce procéd8 implique des restrictions quant aux techniques de production, il exige une préparation complique de matières premières spécifiques et il nécessite également un appareil particulier de réaction en phase vapeur.D'autre part, ce procédé de préparation de produits frittés est l'objet de restrictions dans la pratique industrielle en raison des difficultés qu'on rencontre lorsqu'on veut obtenir dans des conditions Bcono- miques les poudres utilisées comme produit de départ
Par ailleurs, le brevet japonais nO 28 317/1979 (correspondant à la demande de brevet français nO 78 23 167) décrit un procédé qui élimine plusieurs restrictions relativement aux techniques de production et qui permet la production industrielle économique d'une poudre de carbure de silicium actif contenant un composé bore en quantité beaucoup plus forte (environ 0,2 à- 10 % en poids, exprimés en carbure de bore) -que les produits obtenus par le procédé dont il a été question ci-dessus.Le composant boré est contenu dans le carbure de silicium à l'état de carbure de bore ou à l'état de solution solide de carbure de bore ou dans un état analogue, et en dispersion uniforme. Dans ce procédé pour préparer de la poudre de carbure de silicium, on utilise une poudre de carbone å une dimension de particule d'environ 20 microns ou moins, de la poudre de silicium métallique et une poudre d'un oxyde du bore tel que l'acide borique.Se-lon ce procédé, on mélange ces matières premières dans des proportions relatives telles que les proportions molaires % de chacun des composants dans le système ternaire de carbone (C), silicium (Si) et oxyde de bore (B203) se situent à l'intérieur de l'aire qui, dans le graphique de la figure unique du dessin annexé, est définie par les quatre points k(C=62,4, Si=35,4, 4 > B203=0,2),(C=34,9,
Si=64,9, B203=0,2), m(C=52, Si=39, B203=9) et n(C=69, Si=22, B203=9), on place le mélange obtenu dans un récipient en matière réfractaire et on chauffe en atmosphère oxydante contenant d'environ 0,3 à 35 % en volume d'oxygène, de manière à provoquer, à une température d'environ 800 à 14500C, une réaction spontanée qui est pratiquement instantanée.In this process, a gaseous mixture of a silicon halide, a boron halide and a hydrocarbon is used as the starting mixture and a thermal decomposition reaction in the gas phase is induced in a plasma jet. Therefore, this process involves restrictions on production techniques, requires complicated preparation of specific raw materials, and also requires a particular vapor phase reaction apparatus. On the other hand, this method of preparing sintered products is a prerequisite. object of restrictions in industrial practice because of the difficulties encountered in obtaining, under economic conditions, the powders used as starting material
Furthermore, Japanese Patent No. 28 317/1979 (corresponding to French Patent Application No. 78 23 167) describes a process which eliminates several restrictions with respect to production techniques and which allows the economical industrial production of a carbide powder. active silicon containing a boron compound in a much larger amount (about 0.2 to 10% by weight, expressed as boron carbide) than the products obtained by the process discussed above.The boron component is contained in the carbide of silicon in the state of boron carbide or in the form of solid solution of boron carbide or in a similar state, and in uniform dispersion. In this process for preparing silicon carbide powder, a carbon powder having a particle size of about 20 microns or less, silicon metal powder and a boron oxide powder such as According to this process, these raw materials are mixed in relative proportions such that the molar proportions% of each of the components in the ternary system of carbon (C), silicon (Si) and boron oxide (B 2 O 3) are within the area shown in the graph of the single figure of the attached drawing as being defined by the four points k (C = 62.4, Si = 35.4, 4> B203 = 0.2 ), (C = 34.9,
Si = 64.9, B203 = 0.2), m (C = 52, Si = 39, B203 = 9) and n (C = 69, Si = 22, B203 = 9), the mixture obtained is placed in a container of refractory material and is heated in an oxidizing atmosphere containing from about 0.3 to 35% by volume of oxygen, so as to cause, at a temperature of about 800 to 14500C, a spontaneous reaction that is virtually instantaneous.
Dans la présente invention, on utilise comme produit de départ la poudre de carbure de silicium actif décrite dans la demande de brevet français nO 78 23 167. L'invention apporte des avantages en ce que, contrairement à ce qui était le cas dans le procédé antérieur, il n'est pas nécessaire d'utiliser un produit auxiliaire de frittage ou un autre additif analogue. On supprime ainsi les probldwes posés par l'addition d'un tel produit auxiliaire et la formation d'un mélange homogene. L'utilisation de la poudre de carbure de silicium actif permet non seulement de travailler par pressage à chaud, mais également de fritter, d'une manière générale, à pression atmospherique, ce qui, antérieurement, était considéré comme difficile.En outre, comme les poudres de départ sont extrêmement simples à préparer, leur utilisation dans la pratique est considérablement facilitée et, comparativement au procédé antérieur, on peut incorporer, à l'état de dispersion uniforme, une quantité beaucoup plus forte d'un composé boré, ce qui permet d'espérer des applications beaucoup plus étendues. In the present invention, the starting material used is the active silicon carbide powder described in the French patent application No. 78 23 167. The invention provides advantages in that, contrary to what was the case in the process prior, it is not necessary to use a sintering auxiliary or other similar additive. This eliminates the problems posed by the addition of such an auxiliary product and the formation of a homogeneous mixture. The use of the active silicon carbide powder not only makes it possible to work by hot pressing, but also to sinter, in general, at atmospheric pressure, which, previously, was considered difficult. the starting powders are extremely simple to prepare, their use in practice is considerably facilitated and, compared with the previous process, a much larger quantity of a borated compound can be incorporated in the uniform dispersion state, can hope for much larger applications.
L'invention concerne donc en premier lieu un produit en carbure de silicium fritté à structure dense qu'on prépare à partir de la poudre de carbure de silicium, elle-même obtenue par le procédé décrit dans le brevet japonais nO 28 317/1979 (demande de brevet français nO 78/23 167). The invention therefore relates firstly to a sintered silicon carbide product having a dense structure which is prepared from silicon carbide powder, itself obtained by the process described in Japanese Patent No. 28 317/1979 ( French Patent Application No. 78/23167).
L'invention comprend également un procédé pour préparer un produit en carbure de silicium fritté à structure dense, ce procédé se caractérisant en ce que l'on soumet à moulage par compression la poudre de carbure de silicium actif obtenue par le procédé décrit dans la demande de brevet français nO 78 23 167 et on chauffe le moulage en atmosphère pratiquement inerte ou sous vide à une température d'environ 1900 à 22500C. The invention also comprises a process for preparing a sintered silicon carbide product having a dense structure, characterized in that the active silicon carbide powder obtained by the process described in the application is subjected to compression molding. French Patent No. 78 23 167 and the molding is heated in a substantially inert atmosphere or under vacuum at a temperature of about 1900 to 22500C.
Un autre objet de l'invention réside dans un procédé pour préparer un produit en carbure de silicium fritté à structure dense, procédé qui se caractérise en ce que l'on moule par compression la poudre de départ à l'aide d'un dispositif de pressage à chaud en chauffant à une température d'environ 1900 à 2250C en atmosphère pratiquement inerte ou sous vide. Another object of the invention resides in a process for preparing a sintered silicon carbide product having a dense structure, which process is characterized in that the starting powder is molded by compression using a compression device. hot pressing by heating at a temperature of about 1900 to 2250C in a substantially inert atmosphere or under vacuum.
D'autres caractéristiques et avantages del'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après en référence au graphique du dessin annexé qui est un diagramme triangulaire mettant en évidence la composition préférée (en moles %) du mélange de départ, dans le système ternaire carbone (C), silicium (Si), et oxyde de bore (B203) pour parvenir à la poudre de carbure de silicium actif qui est elle-mEme la matière première utilisée pour la préparation de corps frittés conformément à l'invention. Other features and advantages of the invention will emerge more clearly from the detailed description given hereinafter with reference to the graph of the accompanying drawing which is a triangular diagram showing the preferred composition (in mol%) of the starting mixture, in the carbon ternary system (C), silicon (Si), and boron oxide (B203) to achieve the active silicon carbide powder which is itself the raw material used for the preparation of sintered bodies according to the invention.
Pour ce qui concerne la préparation de la matière première, on pourra se reporter à la demande de brevet français n" 78 23 167 dont les enseignements sont considérés comme intégrés à la présente demande. Cependant, en résumé, la poudre de carbure de silicium utilisée comme matière première dans la présente invention est elle-même préparée à partir d'une poudre de carbone à une dimension de particule d'environ 20 microns ou moins, d'une poudre de silicium métallique et d'une poudre d'un oxyde du bore tel que l'acide borique.Ces poudres sont mélangées dans des proportions relatives telles que les proportions molaires %pour chacun des composants dans le système ternaire carbone (C), silicium (Si et oxyde de bore (B203) se situent dans l'aire du graphique annexé délimitée par les points k(C=62,4, Si=37,4, B203=0,2), t(C=34,9, Si=64,9, B203=0,2), 2) > m(CP52), Si=39, B203=9) et n(C=69, Si=22, B203=9) > on place le mélange dans un récipient en matière réfractaire et on chauffe en atmosphère oxydante contenant d'environ 0,3 à 35 zen volume oxygène, provoquant une réaction spontanée à une température d'environ 800 à 14500cl réaction qui est instantanée. With regard to the preparation of the raw material, reference may be made to French patent application No. 78 23 167, the teachings of which are considered as incorporated in the present application, however, in summary, the silicon carbide powder used as a raw material in the present invention is itself prepared from a carbon powder with a particle size of about 20 microns or less, a metal silicon powder and an oxide powder of Boron acid such as boric acid.These powders are mixed in relative proportions such that the% molar proportions for each of the components in the carbon ternary system (C), silicon (Si and boron oxide (B203) are in the area of the appended graph delimited by the points k (C = 62.4, Si = 37.4, B203 = 0.2), t (C = 34.9, Si = 64.9, B203 = 0.2), 2)> m (CP52), Si = 39, B203 = 9) and n (C = 69, Si = 22, B203 = 9)> the mixture is placed in a ref container The reaction medium is heated in an oxidizing atmosphere containing from about 0.3 to about 35 volumes of oxygen, causing a spontaneous reaction at a temperature of about 800 to about 145,000, which reaction is instantaneous.
Dans le procédé selon l'invention, la dimension de particule de la poudre de carbone doit être d'environ 20 microns ou moins. Si la dimension de particule est supérieure à 20 microns environ, on ne provoque pas la réaction spontanée et la plus grande partie des matières premières ou une partie de la poudre de carbone reste non convertie. Dans la pratique, on peut déterminer la dimension de particule de la poudre de carbone, en respectant les conditions spécifiées, selon l'application finale du produit. In the process according to the invention, the particle size of the carbon powder should be about 20 microns or less. If the particle size is greater than about 20 microns, the spontaneous reaction is not caused and most of the raw materials or part of the carbon powder remains unconverted. In practice, the particle size of the carbon powder can be determined, according to the specified conditions, depending on the final application of the product.
Si l'on veut obtenir par exemple une matière première fine à haute activité, il faut choisir un carbone à dimension de particule aussi fine que possible.If one wants to obtain for example a fine raw material with high activity, it is necessary to choose a particle size carbon as fine as possible.
Lorsque la réaction spontanée se déclenche, il y a un dégagement de chaleur et la température du mélange augmente rapidement une partie du silicium, et la plus grande partie de l'oxyde de bore, dont le point de fusion est inférieur à celui des autres matières premières, telles que le silicium ou le carbone, fondent ou vaporisent et participent à la réaction avec le carbone. Ainsi, donc, la dimension de particule du silicium et la dimension de particule de l'oxyde de bore peuvent être plus grossières que celles du carbone. On peut travailler avec des particules de silicium à une dimension maximale de 200 microns et avec des particules d'oxyde de bore à une dimension maximale d'environ 500 microns. When the spontaneous reaction is triggered, there is a release of heat and the temperature of the mixture rapidly increases a portion of the silicon, and most of the boron oxide, whose melting point is lower than that of the other materials raw materials, such as silicon or carbon, melt or vaporize and participate in the reaction with carbon. Thus, therefore, the particle size of the silicon and the particle size of the boron oxide may be coarser than those of the carbon. It is possible to work with silicon particles with a maximum dimension of 200 microns and with particles of boron oxide with a maximum dimension of about 500 microns.
Le carbone qu'on utilise dans L'invention doit donc être à l'état de poudre satisfaisant aux exigences de dimensions indiquées ci-dessus. The carbon used in the invention must therefore be in the form of a powder which satisfies the requirements of dimensions indicated above.
On utilise en général des carbones d'approvisionnement facile, tels que le graphite naturel, le graphite artificiel, le coke, le coke brut, le noir de carbone, le brai de charhon ou de pétrole, etc. On peut également utiliser des qualités de silicium très variées depuis les siliciums convenant pour
les semi-conducteurs jusqu'aulx siliciums pour applications industrielles gdndrales à une pureté de, par exemple, 90 % en poids ou plus. Parmi les oxydes du bore qu'on peut utiliser, on citera l'acide borique pour laboura
toire ou pour application industrielle générale.L'oxyde de bore (B203)
convient également. La pureté de chacune des poudres utilises dans l'inven~
tion n a pas une grande influence sur la réaction conduisant à la formation de la matière première, mais > par contre, la pureté des poudres a une
influence dans une certaine mesure sur la pureté et la dimensicnde particule de la matière première obtenue. Par conséquent, on choisira correctement
la pureté des poudres en fonction de l'application finale prévue pour le
produit fritté.In general, easy-to-use carbons such as natural graphite, artificial graphite, coke, crude coke, carbon black, coal or oil pitch, etc. are used. It is also possible to use a wide variety of silicon grades from the silicas suitable for
semiconductors up to silicas for general industrial applications with a purity of, for example, 90% by weight or more. Among the boron oxides which may be used, boric acid for plowing may be mentioned.
or for general industrial application. Boron oxide (B203)
also suitable. The purity of each of the powders used in the inven ~
tion does not have a great influence on the reaction leading to the formation of the raw material, but> on the other hand, the purity of the powders has a
influence to some extent on the purity and particle size of the raw material obtained. Therefore, we will choose correctly
the purity of the powders according to the intended final application for the
sintered product.
Les proportions molaires des différentes poudres dépendent de facteurs variés tels que la dimension de particule des produits de départs
le degré de mélange, le poids du mélange, la vitesse et la température de chauffage la concentration en oxygène dans l'atmosphère. Il est difficile de calculer par stoechiométrie les proportions molaires des poudres à utiliser.The molar proportions of the different powders depend on various factors such as the particle size of the starting products
the degree of mixing, the weight of the mixture, the speed and temperature of heating the concentration of oxygen in the atmosphere. It is difficult to calculate by stoichiometry the molar proportions of the powders to be used.
et, par consdquent, ces proportions molaires seront déterminées par l'expé- rience. Les poudres sont de préférence mélangées dans des proportions telles que les proportions molaires des divers constituants se situent dans l'aire délimitée par les points k, , m et n du graphique annexé. On peut ainsi utiliser dans l'invention des mélanges dont les compositions se situent dans cette aire, mais non en les quatre points limites ni sur les lignes reliant ces points. Les poudres sont mélangées correctement par des
techniques classiques et introduites dans un récipient approprié en matière réfractaire, On chauffe ensuite en atmosphère oxydante. On provoque ainsi une réaction spontanée quelle que soit la densité apparente du mélange. On poursuit le chauffage jusqu'à ce que la poudre atteigne une température suffisante pour que la réaction spontanée se déclenche. Cette température varie selon la dimension de particule, la nature des poudres de départ et d'autres facteurs, mais en général on
obtient de bons résultats entre 800 et 1450 C environ.and, consequently, these molar proportions will be determined by experience. The powders are preferably mixed in such proportions that the molar proportions of the various constituents are in the area delimited by the points k,, m and n of the appended graph. It is thus possible to use in the invention mixtures whose compositions are in this area, but not in the four limit points or on the lines connecting these points. The powders are mixed correctly by
Conventional techniques and introduced into a suitable container refractory material, It is then heated in an oxidizing atmosphere. This causes a spontaneous reaction whatever the apparent density of the mixture. Heating is continued until the powder reaches a temperature sufficient for the spontaneous reaction to occur. This temperature varies according to the particle size, the nature of the starting powders and other factors, but in general
achieves good results between 800 and 1450 C approximately.
Le produit en carbure de silicium résultant de cette
réaction est réduit facilement en poudre sans qu > il soit nécessaire de faire appel à une technique quelconque particulière de broyage mécanique et on
obtient une poudre dans laquelle la plupart des particules ont des dimensions
d'environ 500 microns ou moins. On peut parvenir extremement facilement à
une poudre dont la dimension de particule maximale estd' environ 60 microns ct avec une dimension de particule moyenne inférieure pu micron.Des analyses de rayons X et chimiques out montré que la quantité de composant bord contenu dans ces poudres, exprimée en carbure de bore1 se situait dans l'intervalle d'environ 0,2 a 10 % en poids, et que la pureté de la somme du composant carbure de silicium dans le composant bord pouvait atteindre 95 en poids ou plus. Aux analyses de rayons X et chlmlques, le composant bore apparaît réparti uniformément dans tout le produit en carbure de silisium, A l'état de carbure de bore ou a l'étant de solution solide avec le carbure de silicium.On observe également certains composants dont la nature n'a pas encore été éclaircie avec précision.The silicon carbide product resulting from this
The reaction is easily reduced to powder without the need for any particular mechanical grinding technique.
gets a powder in which most of the particles have dimensions
about 500 microns or less. We can reach extremely easily
a powder having a maximum particle size of about 60 microns and a mean particle size of less than micron. X-ray and chemical analyzes have shown that the amount of edge component contained in these powders, expressed as boron carbide, is was in the range of about 0.2 to 10% by weight, and the purity of the sum of the silicon carbide component in the edge component could be up to 95% by weight or more. In the X-ray and chloride analyzes, the boron component appears to be distributed uniformly throughout the product in sili- tium carbide, in the form of boron carbide or in the solid solution with silicon carbide. Certain components are also observed. whose nature has not yet been clarified with precision.
Conformément & l'invention1 on prépare un produit fritté d haute densité en frittant le carbure de silicium ci-dessus. In accordance with the invention, a high density sintered product is prepared by sintering the silicon carbide above.
Lorsque la teneur en composant bore est inférieure b environ 0 > 2 Z en poids, exprimée en carbure de bore, le frittage est incomplet et l'activité est insuffisante pour conférer au produit une structure dense. Par suite, le mélange de départ doit contenir au moins 0,2 % en poids environ du composant boré, mais la teneur maximale en ce composant est d'environ 10 Z en poids. When the boron component content is less than about 0.2 weight percent, expressed as boron carbide, the sintering is incomplete and the activity is insufficient to impart a dense structure to the product. As a result, the starting mixture should contain at least about 0.2% by weight of the borated component, but the maximum content of this component is about 10% by weight.
Pour ce qui concerne la dimension de particule de la poudre qu'on soumet a frittage conformément a l'invention, on peut agir facilement sur la dimension de particule de la poudre obtenue par le procédé décrit dans la demande de brevet français n 78 23 167 dans un intervalle d'environ 500 microns ou moins, s'agissant de la dimension de particule d'agrégat, selon le degre de réduction en poudre. Ces particules sont pratiquement constituées d'agregatsde particules primaires très fines et actives presentant une surface spécifique d'environ 3 20 m/g (ce qui correspond une dimension de particule d'environ 0,1 A 0,6 micron).Pour cette raison, la poudre obtenue par le procédé décrit dans la demande de brevet français n0 78 23 167 précitée est active quelle que soit la dimension de particule d'agrégat et peut être réduite facilement en poudre à une dimension de particule inférieure au micron. With regard to the particle size of the powder which is subjected to sintering according to the invention, the particle size of the powder obtained by the process described in the French patent application No. 78 23 167 can be easily influenced. in a range of about 500 microns or less, with respect to the aggregate particle size, depending on the degree of powder reduction. These particles consist essentially of very fine and active primary particle aggregates having a surface area of about 3 m 2 / g (corresponding to a particle size of about 0.1 to 0.6 microns). the powder obtained by the process described in the aforementioned French Patent Application No. 78 23 167 is active irrespective of the aggregate particle size and can be readily reduced to a powder to a particle size of less than one micron.
Toutefois, les particules grossières å l'état d'agrégat sont gênantes car elles forment une structure réticulée au cours du frittage, en particulier lors du frittage sans pression (ctest-a-dire pression atmospherique), empêchant la formation d'une structure dense. Si l'on fritte par pressage a chaud, le frittage est possible même avec des agrégats a une dimension de particule de 500 microns ou moins, mais il est préférable de réduire suffisamment en poudre. Lorsqu'on fritte à pression ordinaire, il est recommandé de réduire la matira en poudre à une dimension de particule d' environ l micron ou moins.Dans la pratique, on peut choisir à volonté la dimension de particule selon la technique de frittage, l'application prévue pour le produit fritté et d'autres facteurs analogues,
La poudre qui sert de matière première est soumise au traitement de frittage selon des techniques classiques. Ainsi, par exemple lorsqu'on travaille par pressage à chaud, on introduit la poudre dans un moule en graphite et on comprime à la chaleur en atmosphère inerte ou sous 2 vide. Si la pression appliquée est inférieure à environ 100 kg/cm , il est difficile de parvenir à un produit fritté présentant la densité voulue si, par contre, la pression appliquée est supérieure à environ 700 kg/cm, la densité du produit fritté atteint pratiquement la valeur de saturation et l'augmentation de pression n'a plus d'effet pratique.Par suite, l'intervalle des pressions applicable se situe entre 100 et 700 kg/cm et, de praé- férence, entre 100 et 300 kg/cm. Par contre, lorsqu'on fritte à pression ordinaire, on soumet d'abord la poudre de départ à un moulage par compression selon la technique classique, puis on traite le produit moulé à la chaleur en atmosphère inerte ou sous vide.However, coarse particles in the aggregate state are troublesome because they form a crosslinked structure during sintering, particularly during pressure-free sintering (ie atmospheric pressure), preventing the formation of a dense structure. . If sintered by hot pressing, sintering is possible even with aggregates having a particle size of 500 microns or less, but it is preferable to reduce sufficiently to powder. When sintering at ordinary pressure, it is recommended to reduce the powdered matira to a particle size of about 1 micron or less. In practice, the particle size can be selected according to the sintering technique. intended application for the sintered product and other similar factors,
The powder which serves as raw material is subjected to the sintering treatment according to conventional techniques. Thus, for example when working by hot pressing, the powder is introduced into a graphite mold and compressed by heat in an inert atmosphere or in a vacuum. If the applied pressure is less than about 100 kg / cm, it is difficult to achieve a sintered product having the desired density if, on the other hand, the applied pressure is greater than about 700 kg / cm, the density of the sintered product reaches substantially the saturation value and the pressure increase no longer have any practical effect. Therefore, the pressure range applicable is between 100 and 700 kg / cm and preferably between 100 and 300 kg / cm 2. cm. On the other hand, when sintered at ordinary pressure, the starting powder is first subjected to compression molding according to the conventional technique, and then the molded product is treated with heat in an inert atmosphere or under vacuum.
Pour ce qui concerne la température du traitement thermique, et qu'on opère par pressage à chaud ou par frittage à la pression ordinaire, si la température est inférieure à 1900"C environ, le frittage n'est pas complet on ne peut pas parvenir à un produit fritté à la densité voulue Si, par contre, la température est supérieure à environ 12500C, on peut parvenir à la densité voulue, mais on ne peut pas empêcher une croissance anormale des particules de SiC, conduisant à une dégradation de certaines caractéristiques du produit fritté, telles que sa résistance mécanique. Par suite, la température préférée pour le traitement à la chaleur est 3'environ 1900 à 22500 C. With regard to the temperature of the heat treatment, and which is carried out by hot pressing or by sintering at ordinary pressure, if the temperature is below about 1900 ° C., the sintering is not complete, it is impossible to achieve to a sintered product at the desired density If, on the other hand, the temperature is greater than about 125 ° C., the desired density can be attained, but it is impossible to prevent an abnormal growth of the SiC particles, leading to a degradation of certain characteristics. As a result, the preferred temperature for the heat treatment is about 1900 to 22500.degree.
Le produit en carbure de silicium fritté obtenu par le procédé selon l'invention a une densité apparente d'environ 2,5 g/cm ou plus, ce qui correspond à environ 80 Z ou plus de la densité théorique (3,21 g/cm3) du carbure de silicium. The sintered silicon carbide product obtained by the process according to the invention has an apparent density of about 2.5 g / cm or more, which corresponds to about 80% or more of the theoretical density (3.21 g / cm 2). cm3) silicon carbide.
Les exemples suivants illustrent 11 invention sans toutefois en limiter la portée ; dans ces exemples, les indications de parties et de pourcentages s'entendent en poids sauf mention contraire. The following examples illustrate the invention without, however, limiting its scope; in these examples, the indications of parts and percentages are by weight unless otherwise indicated.
EXEMPLE 1
On mélange 2,92 kg de noir de carbone du commerce (a 98,4 Z de pureté), dimension de particule moyenne 0,05 micron, 5,36 kg de poudre de silicium métallique du commerce (pureté 94,6 %), dimension de particule moyenne 77 microns, et 2,06 kg d'acide borique en poudre du commerce (à 99,8 Z de pureté), dimension de particule moyenne 200 microns.EXAMPLE 1
2.92 kg of commercial carbon black (at 98.4% purity), average particle size 0.05 micron, 5.36 kg of commercial metal silicon powder (purity 94.6%) are mixed, average particle size 77 microns, and 2.06 kg commercial powdered boric acid (at 99.8% purity), average particle size 200 microns.
La proportion molaire des composants du mélange correspond au point 1 du graphique annexé, c'est-a-dire, en moles %, à C=55, Si=41 et B203=4.The molar proportion of the components of the mixture corresponds to point 1 of the appended graph, that is to say, in mole%, at C = 55, Si = 41 and B203 = 4.
On ajoute au mélange de l'eau en quantité de 35 parties pour 100 parties du mélange et on malaxe. On introduit le mélange malaxé dans un récipient cylindrique en matière réfractaire d'un diamètre intérieur d 260 mm, hauteur 300 mm et, en posant simplement un couvercle, on chauffe
Je récipient dans un four électrique du type à chambre de siliconite, à l'air (02=20 Z en volume, N2=80 Z en volume) a une vitesse de réchauffement d'environ 3000 C/h. Lorsque la température atteint 10800C environ, on observe un net dégagement de fumée qui indique le début d'une réaction spontanée.Water is added to the mixture in an amount of 35 parts per 100 parts of the mixture and kneaded. The kneaded mixture is introduced into a cylindrical refractory container with an internal diameter of 260 mm, height 300 mm and, by simply placing a lid, it is heated.
I container in an electric furnace type siliconite air (02 = 20 Z by volume, N2 = 80 Z by volume) has a heating rate of about 3000 C / h. When the temperature reaches about 10800C, there is a clear release of smoke which indicates the beginning of a spontaneous reaction.
Le phénomène se poursuit pendant environ I à 2 min. On poursuit le chauffage et, lorsque la température atteint 1120"C, on coupe la fourniture de courant et on laisse refroidir. Au bout de 20 h, on retire le produit. Celui-ci a un aspect blanchatre, mais porte en surface une couche d'oxydation d'environ 5 à 10 nin d'épaisseur, alors que l'intérieur du produit est gris jaunâtre, ce qui indique clairement la formation d'un produit de réaction uniforme. L'analyse chimique par voie humide, à l'exclusion de la couche de surface, indique que la teneur en composant boré, exprimée en carbure de bore, est de 6,1 %.The phenomenon continues for about 1 to 2 minutes. The heating is continued and, when the temperature reaches 1120 ° C., the supply of current is cut off and allowed to cool.After 20 hours, the product is removed, which has a whitish appearance, but has a layer on its surface. oxidation of about 5 to 10 μm thick, while the interior of the product is yellowish gray, which clearly indicates the formation of a uniform reaction product. exclusion of the surface layer, indicates that the borated component content, expressed as boron carbide, is 6.1%.
On broie le produit de réaction en le faisant passer une fois entre deux cylindres. Le produit obtenu possède la répartition de dimensions de particules apparente indiquée dans le tableau I ci-dessous. The reaction product is ground by passing it once between two rolls. The product obtained has the apparent particle size distribution shown in Table I below.
TABLEAU I
Dimension de particule (microns)
> 500 500-250 250-125 125-74 74 44 moins
> 500 500-250 250-125 125-74 74-44 de 44
Pourcentage 15 21,9 19,1 28,2 8,9 6,9
On introduit 20 g de cette poudre dans un moule carré de 30 mm de cté en graphite artificiel et on porte la température de la température ambiante jusqu'à 21000C en 30 min environ en appliquant une pression d'environ 500 kg/cm2 à l'aide d'une presse chauffée par induction à haute fréquence en atmosphère réductrice. On maintient ce niveau de temperature pendant 30 min, on détend la pression, on coupe le courant et on laisse refroidir dans l'appareil.On obtient un produit en carbure de silicium frittés dense (densite apparente 2,95 g/cm3 soit 92 Z de la densité théorique du carbure de silicium).TABLE I
Particle size (microns)
> 500 500-250 250-125 125-74 74 44 less
> 500 500-250 250-125 125-74 74-44 of 44
Percentage 15 21.9 19.1 28.2 8.9 6.9
20 g of this powder are introduced into a square mold of 30 mm of artificial graphite and the temperature of the ambient temperature is raised to 21000 ° C in about 30 minutes by applying a pressure of about 500 kg / cm 2 to the using a high frequency induction heated press in a reducing atmosphere. This temperature level is maintained for 30 minutes, the pressure is depressurized, the current is turned off and the apparatus is allowed to cool. A dense sintered silicon carbide product is obtained (apparent density 2.95 g / cm 3, ie 92% the theoretical density of silicon carbide).
EXEMPLE 2
Le produit de départ est le mème que dans l'exemple 1, mais soumis à un nouveau broyage à sec. Sa répartition de dimensions de particulaest alors celle indiquée dans le tableau Il ci-dessous.EXAMPLE 2
The starting material is the same as in Example 1, but subjected to a new dry milling. Its particle size distribution is then that shown in Table II below.
TABLEAU Il
Dimension de particule (microns)
74 74-44 moins de 45
Pourcentage 3 4 93
Par ailleurs, la dimension de particule moyenne de ce produit, déterminée à l'aide d'un dispositif du type à transmission de lumière, est de 1,5 micron.TABLE II
Particle size (microns)
74 74-44 less than 45
Percentage 3 4 93
On the other hand, the average particle size of this product, determined using a light transmission type device, is 1.5 microns.
On utilise ce produit de départ dans une opération identique pour le reste à celle de l'exemple 1. This starting material is used in an operation identical for the rest to that of Example 1.
On obtient un produit en carbure de silicium fritté qui présente une densité apparente de 3,04 g/cm (95 7. de la densité théorique du carbure de silicium). A sintered silicon carbide product is obtained which has a bulk density of 3.04 g / cm (95% of the theoretical density of silicon carbide).
EXEMPLE 3
Le produit de départs ici encore, est le même que dans l'exemple 1, mais on le soumet en outre à un broyage au mouillé dans un broyeur-vibreur pendant 2 h. Sa dimension de particule moyenne, mesurée à l'aide d'un dispositif du type à transmission de lumière, est alors de 0,6 micron.EXAMPLE 3
The starting product here again is the same as in Example 1, but is further subjected to wet milling in a vibratory mill for 2 hours. Its average particle size, measured using a light transmission type device, is then 0.6 microns.
On obtient un produit en carbure de silicium fritté qui présente une densité apparente de 3,15 g/cm (98 Z de la densité théorique du carbure de silicium). A sintered silicon carbide product having an apparent density of 3.15 g / cm 2 (98% of the theoretical density of silicon carbide) is obtained.
EXEMPLE 4
Le produit de départ est le même que dans l'exemple 3.EXAMPLE 4
The starting material is the same as in Example 3.
On place 10 g de ce produit dans un moule métallique et on le soumet à une pression de 200 kg/cm; on obtient un moulage cylindrique d'un diamètre de 20 mm, hauteur environ 20 mm.10 g of this product are placed in a metal mold and subjected to a pressure of 200 kg / cm; a cylindrical molding with a diameter of 20 mm, height approximately 20 mm is obtained.
On place le moulage dans un four électrique Tammann et on porte la température de la température ambiante à 20000C en 1 h environ
sous un vide d'environ 5 nmnHg. On maintient cette température pendant 30 min puis on coupe le courant et on laisse refroidir le four.The molding is placed in a Tammann electric oven and the temperature of the ambient temperature is brought to 200 ° C. in about 1 hour.
under a vacuum of about 5 nmnHg. This temperature is maintained for 30 minutes then the current is turned off and the oven is allowed to cool.
On obtient un produit en carbure de silicium fritté
présentant une densité apparente de 2,87 g/cm (89 Z de la densité
théorique du carbure de silicium).A sintered silicon carbide product is obtained
having an apparent density of 2.87 g / cm (89% of the density
theoretical silicon carbide).
EXEMPLE 5
On opère comme dans l'exemple 4, mais à une température de chauffage qui est de 2100"C. EXAMPLE 5
The procedure is as in Example 4, but at a heating temperature of 2100 ° C.
On obtient un produit en carbure de silicium fritté qui
présente une densité apparente de 3,0 g/cm (92 Z de la densité théorique du carbure de silicium).A sintered silicon carbide product is obtained which
has an apparent density of 3.0 g / cm (92% of the theoretical density of silicon carbide).
On a rapporté dans le tableau III ci-dessous la densité apparente, la porosité apparente et la résistance à la flexion des produits
frittés des exemples 1 à 5.The apparent density, apparent porosity and flexural strength of the products are reported in Table III below.
sintered examples 1 to 5.
TABLEAU III
Exemple Densité apparente Porosité apparente Résistance à la flexion
n0 g/cm3 Z kg/cm
-1 2,95 0,1 2600
2 3,04 0,00 4000
3 3,15 0,01 6000
4 2,87 0,2 2500
5 3,02 0,06 3600
On a également soumis le produit fritté de l'exemple 2 à des essais de résistance à l'oxydation et de résistance au choc thermique.TABLE III
Example Apparent density Apparent porosity Flexural strength
n0 g / cm3 Z kg / cm
-1 2.95 0.1 2600
2 3.04 0.00 4000
3 3.15 0.01 6000
4.87 0.2 2500
5 3.02 0.06 3600
The sintered product of Example 2 was also subjected to oxidation resistance and thermal shock resistance tests.
Essai de résistance à l'oxydation
L'augmentation de poids dans un traitement de 20 h à l2OOCC est de 0,05 % (dimension de l'éprouvette : 7 x 7 x 30 mm).Oxidation resistance test
The weight increase in a 20 hour run at 120 ° C. was 0.05% (specimen size: 7 × 7 × 30 mm).
Essai de résistance au choc thermique
Chauffage à 12000C et refroidissement à l'eau répétés à 3 répétitions, on observe des fendillements (dimension de l'éprouvette 7 x 7 x 30 mm).Thermal shock resistance test
Heating at 12000C and water cooling repeated at 3 repetitions, cracks are observed (dimension of the test piece 7 x 7 x 30 mm).
Les résultats rapportés dans les exemples qui précèdent montrent que le procédé selon l'invention permet de parvenir facilement à un carbure de silicium fritté à structure dense et hautes caractéristiques. The results reported in the preceding examples show that the process according to the invention makes it possible to easily obtain a sintered silicon carbide with a dense structure and high characteristics.
I1 est clair que l'invention n'est nullement limitée aux. It is clear that the invention is in no way limited to.
modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'exemples et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifications sans pour autant sortir de son cadre. preferred embodiments described above as examples and that one skilled in the art can make various modifications without departing from its scope.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7919321A FR2462404A1 (en) | 1979-07-26 | 1979-07-26 | Sintered silicon carbide body - formed without sintering aid, prepd. from silicon carbide powder contg. boron component |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR7919321A FR2462404A1 (en) | 1979-07-26 | 1979-07-26 | Sintered silicon carbide body - formed without sintering aid, prepd. from silicon carbide powder contg. boron component |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2462404A1 true FR2462404A1 (en) | 1981-02-13 |
FR2462404B1 FR2462404B1 (en) | 1983-11-18 |
Family
ID=9228334
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR (1) | FR2462404A1 (en) |
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---|---|---|---|---|
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GB2011879A (en) * | 1978-01-09 | 1979-07-18 | Carborundum Co | Sinterable Powders |
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1979
- 1979-07-26 FR FR7919321A patent/FR2462404A1/en active Granted
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FR2462404B1 (en) | 1983-11-18 |
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