NO146594B - Fremgangsmaate til sintring av et paa forhaand kompaktert legeme av siliciumkarbidpulver - Google Patents

Description

Siliciumkarbid, en krystallinsk forbindelse av metallisk silicium og ikke-metallisk karbon, har lenge vært kjent for sin hårdhet, sin styrke og sin meget store motstand mot oksydasjon og korrosjon. Siliciumkarbid har en lav utvidelseskoeffisient, gode varmeoverføringsegenskaper og bibeholder sin høye styrke ved forhøyede temperaturer. I de senere år er det blitt utviklet en teknikk hvorved siliciumkarbidlegemer med høy densitet fremstilles ut fra siliciumkarbidpulvere. Fremgangsmåter herfor innbefatter reaksjonsbinding, kjemisk spaltning av damper, varmpressing og trykkfri.sintring (hvor man først former partikkelen og deretter sintrer). Eksempler på disse metoder er beskrevet i US-patent nr. 3 853 566, nr. 3 852 099, nr. 3 954 483 og nr. 3 960 577. Siliciumkarbidlegemer med høy densitet fremstilt på denne måte er meget gode tekniske materialer og finner anvendelse ved fremstilling av komponenter for turbiner, varmevekslere, pumper og annet utstyr eller verktøy som utsettes for sterk slitasje og/eller høye temperaturer. Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til sintring av et på forhånd kompaktert legeme av siliciumkarbid-pulver inneholdende bor eller borholdige forbindelser som densitets-økende hjelpemidler for fremstilling av et keramisk siliciumkarbid^legeme med høy densitet. Fremgangsmåten og en foretrukken utførelsesform av denne er angitt i kravene, og det vises til disse.

Ved fremstilling av keramiske siliciumkarbidmaterialer med høy densitet og høy styrke har forskjellige additiver kommet til anvendelse. Eksempelvis har Alliegro, et al., J. Cram. Soc, Vol. 39, No. 11, Nov., 1956, sider 386-389 beskrevet en fremgangsmåte til varmpressing av siliciumkarbid til densiteter på omkring 98% av teoretisk densitet ved tilsetning av aluminium og jern som densitetsøkende hjelpemidler. De fant at siliciumkarbid med høy densitet kunne erholdes av en pulverblanding inneholdende 1 vekt% aluminium. Deres produkt hadde en bøyningsfasthet på ca. 3800 kp/cm<2 >ved romtemperatur og ca. 4900 kp/cm<2> ved 1371°C. Et senere frem-skritt er bruken av bor som densitetsøkende additiv, vanligvis innen området mellom 0,3 og 3,0 vekt% av pulvermengden. Bor-tilsetningen kan være i form av elementært bor eller i form av borholdige forbindelser, f.eks. borkarbid. Eksempler på borholdige siliciumkarbid-pulvere finnes i US-patent nr. 3 852 099, nr. 3 954 483 og nr. 3 968 194.

Det ble nå funnet at større densitetsøkning kan oppnås når sintringen av de kompakterte legemer av siliciumkarbidpulver som inneholder bor som densitetsøkende middel, utføres i nærvær av en borholdig atmosfære. Det postuleres at man ved å utføre sintringsoperasjonen i en atmosfære inneholdende bor, kan redu-sere den mengde bor som normalt fjernes fra det kompakterte pulver-legeme, og at det sintrede keramiske produkt får en mer ensartet sammensetning og er mindre porøst enn sintringsprodukter som erholdes når bor bare anvendes som et additiv. Bor kan tilføres sintringstrinnet i form av en gass, så som bortriklorid i blan-dinger med vanlig anvendte inerte gasser, nemlig nitrogen, argon eller helium. Bor kan også tilsettes ovnsatmosfæren ved at man til sintringskammeret tilfører borforbindelser som har et betydelig damptrykk ved sintringstemperaturen. Slike forbindelser kan hensiktsmessig tilføres sintringskammeret i form av en opp-løsning eller oppslemning av borforbindelsen. Hensiktsmessig anvendes aceton som bærer, men andre bærere, så som vann eller andre lett tilgjengelige oppløsningsmidler, kan anvendes, idet de bare skal tjene til å lette god fordeling av bormaterialet på sintringskammerets vegger. Alternativt kan bor tilsettes ovnsatmosfæren ved at det i sintringskammeret anvendes en borforbin-delse som sådan, eller ved at det anvendes ovnskomponenter, deler og lignende, som inneholder en betydelig mengde bor.

Siliciumkarbidpulvere som kan anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse for fremstilling av keramisk sili-ciumkarbidmateriale med høy densitet og høy styrke, er pulvere som er beskrevet i litteraturen, eksempelvis i US-patent nr. 3 852 099, nr. 3 954 483 og nr. 3 968 194. Den foreliggende oppfinnelse angår bruken av en borholdig atmosfære under sintrings-operas jonen. Bruken av bor i sintringsatmosfæren gir en markert forbedring når partialtrykket av bor i atmosfæren er lik eller større enn likevektsdamptrykket av det bor som inneholdes i det komprimerte siliciumkarbidpulver.

Siliciumkarbidpulverene inneholdende bor eller borholdige forbindelser som densitetsøkende midler, inneholder vanligvis bor i mengder mellom 0,2 og 3,0 vekt%. Det endelige sintrede materiale har vanligvis omtrent det samme prosentvise innhold av bor. Man har funnet at sintring i borholdig atmosfære ikke synes å forandre mengden av bor i det endelige produkt vesentlig. Bor-atmosfæren synes å hindre unnvikelse av bor fra det komprimerte pulver under sintringsoperasjonen uten å tilføre produktet bor i noen betydelig mengde. Ved trykkfri sintring blir således et siliciumkarbidpulver som inneholder fra 0,1 til 2,0 vekt% karbonoverskudd og fra 0,1 til 5,0 vekt% bor tilsatt som borkarbid, presset til et pulver-pressemne og sintret ved 2100°C

i en ovn i inert atmosfære, så som argon eller helium, som er bor-fri. Romvekten av sintrede pressemner som dannes på denne måte, er typisk mindre enn 2,9 g/cm 3 (90,3% av teoretisk densitet). Hvis imidlertid et lignende pulver-pressemne sintres på samme måte i en inert atmosfære så som argon eller helium hvor partialtrykket av bor er ca. 10 -7 atmosfære eller høyere, har det resulterende sintrede produkt en romvekt som i regelen er over 2,98 g/cm 3 (92,8% av teoretisk densitet).

Eksempel 1

Kontrollforsøk

Et siliciumkarbidpulver med partikkelstørrelser under lyum ble anvendt. Pulveret oppviste følgende karakteristika:

Dette pulver, 99,5 deler, ble blandet med 0,7 del borkarbid,

100 deler avionisert vann og 3 deler polyvinylalkohol. Blan-dingen ble rullet i en plastbeholder i 5 timer under anvendelse av wolframkarbidkuler til å fremme blanding. Den resulterende blanding ble hellet ut på et glassbrett, og fuktigheten ble fjer-net ved tørking i vakuumovn. Det tørrede pulver ble siktet gjennom en 60 mesh sikt og ble ved 845 kp/cm 2presset til pellets med diameter 28,5 mm og vekt ca. 10 g. Disse pellets ble over-

ført til en grafittdigel, digelens ender ble lukket, og digelen med pellets ble med en hastighet på ca. 1,27 cm pr. minutt skjøvet gjennom en 15,3 cm diameter rørovn av grafitt oppvarmet med elektriske motstandselementer. Ovnens hete sone ble holdt ved 2150°C, og pulver-pressemnene hadde en oppholdstid i den hete sone på ca. 25 minutter. De sintrede pressemner, som inneholdt ca. 0,5 vekt% bor før behandlingen i ovnen, ble funnet å inne-holde ca. 0,05 vekt% bor etter at sintringen var ferdig. Pulver-pressemnenes romvekt var gjennomsnittlig 2,57 g/cm 3 (80,1% av det teoretiske).

Eksempel 2

Bor i ovnskomponenter

En grafittdigel av samme type som den i eksempel 1

ble påstrøket en oppslemning av borkarbid og aceton slik at det ble dannet en væskeformig bærer i en mengde som var tilstrekkelig til å gi 0,7 vekt% borkarbid basert på vekten av grafittdigelen. Et annen sett av pulver-pressemner med sammensetning som i eksempel 1 ble fremstilt etter den i eksempel 1 beskrevne metode og ble

plassert i digelen som hadde et tynt belegg av borkarbid. Disse pressemners romvekt, målt etter en sintringsbehandling som beskrevet i eksempel 1, ble bestemt til å være gjennomsnittlig 3,08 g/cm 3 eller 96% av teoretisk densitet. De sintrede pressemners borinnhold ble bestemt til 0,5 vekt%.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til sintring av et på forhånd kompaktert legeme av silisiumkarbidpulver inneholdende bor eller borholdige forbindelser som densitetsøkende hjelpemidler for fremstilling av et keramisk silisiumkarbid-legeme med høy densitet, karakterisert ved at det kompakterte legeme sintres i en atmosfære valgt blant nitrogen, argon og helium, tilført bor som sådant oa/eller borklorid og/eller borkarbid, slik at partialtrykket av bor i sintringsatmosfæren er lik eller større enn likevektsdamptrykket av bor i legemet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at partialtrykket av bor i sintringsatmosfæren er minst _7

10 atmosfære.