FR2652080A1 - Composite material based on silicon nitride and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un matériau
composite à base de nitrure de silicium susceptible d'être usine par electro érosion.The present invention relates to a material
composite based on silicon nitride capable of being machined by EDM.
Les materiaux à base de nitrure de silicium sont des matières ceramiques d'un grand intérêt pour de nombreuses applications, qui présentent malheureusement L'inconvénient de ne pouvoir être usines facilement. Materials based on silicon nitride are ceramic materials of great interest for many applications, which unfortunately have the drawback of not being able to be manufactured easily.
Récemment, on a propose d'ajouter à des matières céramiques à base de nitrure de silicium des particules conductrices de carbure ou nitrure
réfractaire pour les rendre usinables par éLectro érosion. On peut utiliser en particulier dans ce but du nitrure de titane comme iL est décrit dans
La demande de brevet japonais
JP-A- 84/207880.Recently, it has been proposed to add to ceramic materials based on silicon nitride conductive particles of carbide or nitride.
refractory to make them machinable by EDM. One can use in particular for this purpose titanium nitride as iL is described in
Japanese patent application
JP-A- 84/207880.
L'addition de TiN permet d'obtenir des
compositions usinables par électro érosion. Cepen
dant, les pièces obtenues avec addition de TiN présentent certains inconvénients.The addition of TiN makes it possible to obtain
compositions machinable by EDM. Cepen
However, the parts obtained with the addition of TiN have certain drawbacks.
En effet, lorsque des pièces en matériau
de ce type sont soumises à des contraintes mécaniques à chaud, elLes ne présentent pas une résistance
à La déformation satisfaisante.Indeed, when pieces of material
of this type are subjected to hot mechanical stresses, they do not exhibit resistance
à The satisfactory deformation.
On connaît d'autres compositions à base de nitrure de silicium qui sont adaptées par exemple à la réaLisation d'outils de coupe ou d'articles
résistant à L'abrasion, comme il est décrit dans
Les documents EP-A- O 035 777 et US-A- 4 632 910.Other compositions based on silicon nitride are known which are suitable, for example, for the production of cutting tools or articles.
Abrasion resistant, as described in
Documents EP-A- O 035 777 and US-A- 4 632 910.
Dans EP-A- O 035 777, le matériau comprend 1 à 60X en volume de particules réfractaires dures telles que des particuLes de carbure de titane. Dans le document
US-A- 4 632 910, il est décrit des outils de coupe à base de nitrure de silicium comportant des particu
Les de carbure de titane qui ont été revêtues de nitrure de titane pour faciliter le frittage de l'ensemble. Dans les deux cas, L'addition de particu
Les de carbure de titane a ainsi pour but d'améLiorer la dureté du matériau à base de nitrure de silicium.In EP-A-0 035 777, the material comprises 1 to 60X by volume of hard refractory particles such as particles of titanium carbide. In the document
US-A- 4,632,910, there are described cutting tools based on silicon nitride comprising particles
Titanium carbide which has been coated with titanium nitride to facilitate sintering of the assembly. In both cases, the addition of particu
The purpose of titanium carbide is therefore to improve the hardness of the material based on silicon nitride.
Ainsi, aucun des documents ci-dessus ne donne Le moyen d'améliorer La résistance au fLuage de compositions à base de nitrure de silicium. Thus, none of the above documents gives the means to improve the creep resistance of compositions based on silicon nitride.
La présente invention a précisément pour objet un matériau composite à base de nitrure de siLicium, usinable par électro erosion, qui présente une resistance au fluage améliorée par rapport à ceLLe du matériau connu à base de nitrure de silicium comportant une addition de nitrure de titane. The present invention specifically relates to a composite material based on silicon nitride, machinable by electroerosion, which has an improved creep resistance compared to that of the known material based on silicon nitride comprising an addition of titanium nitride.
Selon l'invention, le matériau composite à base de nitrure de silicium comprend : - 5 à 15% en poids de TiC, - 25 à 65% en poids de TiN avec TiC + TiN R 40X en poids, - 30 à 60% en poids de Si3N4, et - 0 à 10% en poids au total d'un ou plusieurs additifs de densification choisis parmi L'oxyde d'yttrium, l'alumine, L'oxyde de zirconium, L'oxyde d'hafnium et les oxydes de terres rares. According to the invention, the composite material based on silicon nitride comprises: - 5 to 15% by weight of TiC, - 25 to 65% by weight of TiN with TiC + TiN R 40X by weight, - 30 to 60% in weight of Si3N4, and - 0 to 10% by weight in total of one or more densification additives chosen from yttrium oxide, alumina, zirconium oxide, hafnium oxide and oxides of rare earths.
Dans ce matériau, la présence d'au moins 40% en poids de TiC+TiN permet d'obtenir la conducti bilié électrique voulue pour pouvoir réaliser
L'usinage du matériau par électro erosion.In this material, the presence of at least 40% by weight of TiC + TiN makes it possible to obtain the electrical conductivity desired in order to be able to produce
The machining of the material by electro-erosion.
De plus, la présence simultanée de TiN et de TiC permet d'améliorer de façon importante la résistance au fluage à haute température. In addition, the simultaneous presence of TiN and TiC makes it possible to significantly improve the creep resistance at high temperature.
De préférence, le matériau composite de
L'invention comprend un ou plusieurs additifs de densification en quantités telles qu'ils représentent au total 2 à 10X en poids du matériau.Preferably, the composite material of
The invention comprises one or more densification additives in quantities such that they represent a total of 2 to 10X by weight of the material.
Bien que les teneurs en TiC et TiN puissent varier dans des gammes relativement importantes comme il est décrit ci-dessus, on préfère génCrale- ment utiliser des teneurs en TiC et TiN se situant respectivement aux alentours de 10X et de 40%. Although the TiC and TiN contents can vary within relatively large ranges as described above, it is generally preferred to use TiC and TiN contents of around 10X and 40% respectively.
Aussi, selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le matériau comprend - 8 à 12% en poids de TiC, - 35 à 45% en poids de TiN, - 45 à 55% en poids de Si3N4, et - 2 à 6% en poids de Y203 + Al2O3. Also, according to a preferred embodiment of the invention, the material comprises - 8 to 12% by weight of TiC, - 35 to 45% by weight of TiN, - 45 to 55% by weight of Si3N4, and - 2 to 6% by weight of Y203 + Al2O3.
A titre d'exemple d'une telle composition, on peut citer celle comprenant : - 10% en poids de TiC, - 40% en poids de TiN, et - 50% en poids de Si3N4. As an example of such a composition, mention may be made of that comprising: - 10% by weight of TiC, - 40% by weight of TiN, and - 50% by weight of Si3N4.
Le matériau composite de l'invention peut être prépare par Les procédés classiques de la métalLurgie des poudres en partant de poudres de TiC, de TiN, de Si3N4 et des additifs de densification voulus. The composite material of the invention can be prepared by conventional methods of powder metallurgy starting from powders of TiC, TiN, Si3N4 and desired densification additives.
Pour obtenir de bonnes propriétés, il est préférabLe que les poudres de depart soient fines, en particulier qu'elles aient une granulométrie inferieure à sium, et de préférence inférieure à 0,5 m. To obtain good properties, it is preferable that the starting powders are fine, in particular that they have a particle size smaller than sium, and preferably less than 0.5 m.
Pour cette préparation, on part d'un mélange de poudres comportant Les quantites voulues des différents constituants, puis L'on met ce mélange sous La forme désirée, par exemple par coulee en barbotine, par compression à froid ou par injection, et on fritte ensuite le mélange à une température de 1800 à 18500C, sous atmosphère réductrice ou neutre. For this preparation, we start with a mixture of powders comprising the desired quantities of the various constituents, then we put this mixture in the desired form, for example by slip, by cold compression or by injection, and sintered then mixing at a temperature of 1800 to 18500C, under a reducing or neutral atmosphere.
On peut aussi réaliser la mise en forme et le frittage en une seule étape par frittage sous pression à chaud, par exemple par compression isostatique à chaud. Shaping and sintering can also be carried out in a single step by hot pressure sintering, for example by hot isostatic compression.
Après frittage, Le matériau composite obtenu présente essentiellement deux phases. La première phase est composée de fins cristallites des composes initiaux et la seconde phase qui est située entre ces grains et est plus ou moins bien cristaLLisée contient principalement le ou Les additifs de densification introduits. After sintering, the composite material obtained essentially has two phases. The first phase is composed of fine crystallites of the initial compounds and the second phase which is located between these grains and is more or less well crystallized mainly contains the densification additive (s) introduced.
De préférence, on prépare le matériau composite de L'invention par un procédé comprenant une étape de mise en forme à froid, suivie d'une étape de frittage à chaud. Preferably, the composite material of the invention is prepared by a process comprising a cold forming step, followed by a hot sintering step.
La mise en forme peut être effectuée à partir d'une suspension homogène d'un mélange des poudres de TiC, de TiN, de Si3N4 et des additifs de densification, coulage de La suspension dans un mouLe poreux, démoulage de La pièce crue ainsi obtenue, séchage de la pièce crue et frittage de la pièce séchée sous atmosphère neutre ou réductrice. The shaping can be carried out from a homogeneous suspension of a mixture of TiC, TiN, Si3N4 powders and densification additives, pouring of the suspension into a porous mold, demolding of the green part thus obtained , drying the raw part and sintering the dried part under a neutral or reducing atmosphere.
On peut aussi réaLiser L'étape de mise en forme par compression à froid du mélange de poudres dans un: --mouLe de forme appropriée afin d'obtenir une ébauche que l'on soumet ensuite à un frittage à chaud, sous atmosphère réductrice ou neutre. It is also possible to carry out the stage of shaping by cold compression of the powder mixture in a: - mold of suitable shape in order to obtain a blank which is then subjected to hot sintering, under a reducing atmosphere or neutral.
Le matériau composite ainsi obtenu présente de bonnes propriétés mecaniques ainsi que L'aptitude à l'usinage par électro erosion. En effet, il a une bonne dureté, un bon coefficient de frottement et Les proprietés mécaniques habituelles des pièces en nitrure de silicium. The composite material thus obtained has good mechanical properties as well as the ability to machine by electro-erosion. In fact, it has good hardness, a good coefficient of friction and the usual mechanical properties of parts made of silicon nitride.
De ce fait, le matériau composite de l'invention peut trouver de nombreuses utilisations. Therefore, the composite material of the invention can find many uses.
A titre d'exemple, on peut l'utiliser pour la réalisation de matrices et de poinçons d'outillages de compression de poudres, car il n'est ni oxydable, ni magnétique, ce qui n'est pas le cas des matrices en carbure de tungstène généralement utilisées dans ces appLications. De plus, la possibilité de réaliser L'usinage du matériau par électro érosion permet de fabriquer des matrices et des poinçons de forme compliquée.By way of example, it can be used for the production of dies and punches for powder compression tools, since it is neither oxidizable nor magnetic, which is not the case with carbide dies tungsten generally used in these applications. In addition, the possibility of carrying out the machining of the material by EDM makes it possible to manufacture dies and punches of complicated shape.
On peut aussi utiliser le matériau composite de l'invention comme pièce d'usure des matrices d'injection de matières thermoplastiques contenant des charges abrasives. En effet, comme précédemment, il peut être usiné à la forme voulue sans difficulté particulière. Par ailleurs, comme il possède de bonnes propriétés de résistance à l'abrasion, il est suffisamment résistant pour supporter le contact des charges abrasives de la matière thermoplastique. It is also possible to use the composite material of the invention as a wear part for the injection matrices of thermoplastic materials containing abrasive fillers. Indeed, as before, it can be machined to the desired shape without any particular difficulty. Furthermore, as it has good abrasion resistance properties, it is sufficiently resistant to withstand the contact of the abrasive charges of the thermoplastic material.
Enfin, on peut utiliser le matériau composite de l'invention dans des matrices de forgeage à chaud d'alliages ou d'outils de coupe et pour la réalisation d'engrenages pour l'aéronautique. Finally, the composite material of the invention can be used in dies for hot forging of alloys or cutting tools and for the production of gears for aeronautics.
D'autres caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non Limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel Les figures 1 à 3 sont des courbes de fluage à chaud illustrant les propriétés améliorées du matériau composite de l'invention par rapport à un matériau composite à base de Si3N4 contenant uniquement du TiN. Other characteristics and advantages of the invention will appear better on reading the following examples, given of course by way of illustration and not by way of limitation, with reference to the appended drawing in which FIGS. 1 to 3 are hot creep curves illustrating the improved properties of the composite material of the invention compared to a composite material based on Si3N4 containing only TiN.
Exemple 1. Example 1.
Dans cet exemple, on prépare un matériau composite conforme à l'invention à partir d'un mélange de poudres comprenant : - 48% en poids de nitrure de silicium, - 36% en poids de nitrure de titane, - 9% en poids de carbure de titane, et - 3,5% en poids de Ail203, et - 3,5% en poids de Y203. In this example, a composite material according to the invention is prepared from a mixture of powders comprising: - 48% by weight of silicon nitride, - 36% by weight of titanium nitride, - 9% by weight of titanium carbide, and - 3.5% by weight of Ail203, and - 3.5% by weight of Y203.
Les poudres qui ont une granulométrie inférieure à 1jum sont dispersées dans de L'eau pour former une suspension aqueuse contenant 43% en poids du mélange de poudres et 0,1% en poids d'un agent dispersant. The powders which have a particle size of less than 1 μm are dispersed in water to form an aqueous suspension containing 43% by weight of the powder mixture and 0.1% by weight of a dispersing agent.
On mélange bien la suspension puis on
La coule dans un moule poreux. Après démoulage de La pièce crue, on sèche celLe-ci puis on la fritte à 18000C pendant 1 heure, sous atmosphère d'azote.The suspension is mixed well and then
It flows into a porous mold. After demolding the raw part, it is dried and then sintered at 18000C for 1 hour, under a nitrogen atmosphere.
Le produit obtenu présente essentiellement deux phases. La première est constituée de fins cristallites des composés initiaux (Si3N4 et TiN). The product obtained essentially has two phases. The first consists of fine crystallites of the initial compounds (Si3N4 and TiN).
La seconde est située entre ces grains et est plus ou moins bien cristalLisée. Elle contient principalement Au203 et Y203
On soumet la pièce ainsi obtenue à des essais de fluage à chaud.The second is located between these grains and is more or less well crystallized. It mainly contains Au203 and Y203
The part thus obtained is subjected to hot creep tests.
Dans chaque essai, on soumet une éprouvette de 5mm x Smm x 1Omm à une compression de 200MPa, sous atmosphère d'azote à une température de 12600C, 13000C ou 13400C et on mesure L'écrasement de la pièce qui est exprimé en pourcentage de la longueur initiale, en fonction du temps. In each test, a 5mm x Smm x 1Omm test piece is subjected to a compression of 200MPa, under a nitrogen atmosphere at a temperature of 12600C, 13000C or 13400C and the crushing of the part is measured which is expressed as a percentage of the initial length, as a function of time.
Les résultats obtenus sont donnés sur
Les figures 1 à 3 (courbes 1) qui représentent
Les courbes d'écrasement (en X de la longueur initiale) en fonction du temps (en heures).The results obtained are given on
Figures 1 to 3 (curves 1) which represent
Crushing curves (in X of the initial length) as a function of time (in hours).
La figure 1 se rapporte à l'essai effectué à 12600C, la figure 2 à L'essai effectué à 13000C et la figure 3 à L'essai effectué à 13400C. Figure 1 relates to the test carried out at 12600C, Figure 2 to the test carried out at 13000C and Figure 3 to the test carried out at 13400C.
Exemple co.paratif. Comparative example.
On suit le même mode opératoire que dans l'exemple 1 sauf que l'on utilise un mélange de poudres comprenant - 48% en poids de nitrure de silicium - 45% en poids de nitrure de titane, - 3,5% en poids de Ail203 - 3,5% en poids de Y203. The same procedure is followed as in Example 1 except that a mixture of powders is used comprising - 48% by weight of silicon nitride - 45% by weight of titanium nitride, - 3.5% by weight of Garlic203 - 3.5% by weight of Y203.
On réalise la mise en forme et le frittage du matériau dans les mêmes conditions, puis on le soumet à des essais de fluage comme dans L'exemple 1. The material is formed and sintered under the same conditions, then it is subjected to creep tests as in Example 1.
Les résultats obtenus sont illustrés par les courbes (2) des figures 1 à 3. The results obtained are illustrated by the curves (2) of Figures 1 to 3.
Au vu de ces figures, on remarque que
Le matériau de L'invention donne de meilleurs résultats que le matériau connu qui contient uniquement
TiN. In view of these figures, we notice that
The material of the invention gives better results than the known material which contains only
TiN.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8912358A FR2652080B1 (en) | 1989-09-20 | 1989-09-20 | COMPOSITE MATERIAL BASED ON SILICON NITRIDE AND PREPARATION METHOD THEREOF. |
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|---|---|---|---|
| FR8912358A FR2652080B1 (en) | 1989-09-20 | 1989-09-20 | COMPOSITE MATERIAL BASED ON SILICON NITRIDE AND PREPARATION METHOD THEREOF. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2652080A1 true FR2652080A1 (en) | 1991-03-22 |
| FR2652080B1 FR2652080B1 (en) | 1993-06-18 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| FR (1) | FR2652080B1 (en) |
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1989
- 1989-09-20 FR FR8912358A patent/FR2652080B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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Also Published As
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|---|---|
| FR2652080B1 (en) | 1993-06-18 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |