SE409201B - Keramiskt material samt forfarande for framstellning av materialet - Google Patents

Description

7300274-3 Sintringen utföres företrädesvis under tryck, men alterna- tivt kan sintringsoperatíonen utföras utan ntt blandningen utsätts för tryck.

Företrädesvis omges utgångsmaterialen av ett skyddande material, t.ex. pulvriserad bornitrid under den tid de befinner sig vid förhöjd temperatur.

Kiselnitridpulvret har företrädesvis en partikelstorlek som är mindre än 5 /zm Det aluminiumoxidpulver som ingår i blandningen har före- 'trädesvis en partikelstorlek mindre än 1/tm Det lämpligaste är att aluminiumoxiden har en partikelstorlek mindre än 0,5/ïm Enligt en ytterligare aspekt på uppfinningen avser denna ett förfaringssätt för att framställa keramiskt material av ovan beskrivet slag, som innebär att man nitrerar kiselpulver i när- varo av aluminiumpulver eller en aluminiumförening och där atom- förhållandet mellan kisel och aluminium är större än eller lika med 1:3, varvid nitreringstemperaturen ligger mellan 125000 och 16oo°c.

Företrädesvis är atomförhållandet mellan kisel och aluminium mindre än 3:1 och förfaringssättet innehåller det ytterligare steget att man ökar temperaturen till ett värde över 160000.

Detta ytterligare upphettníngssteg kan lämpligen utföras i .nitrerande\atmosfär.

Alternativt kan det ytterligare upphettningssteget utföras i en separat ugn med de reagerande materialen omgivna av ett skyddande material, såsom bornitridpulver.

Företrädesvis utföres detta ytterligare uppvärmningssteg vid en temperatur av minst 1700°C. Utgångsmaterialen har före- trädesvis en partikelstorlek mindre än 5/tm.

Beståndsdelarna kan lämpligen kallpressas till ett ämne-innan materialet nitreras.

Några försök med materialet kommer här nedan att relateras.

I: 7300274-3 Vid ett första exempel utgjordes kiselnitridpulvret av åt- minstone 85% i d¥fas och blandades med dlaluminiumoxidpulver med hög renhet och med en medelpartikelstorlek mindre än 1/4m. Aluminiumoxiden har stor ytarea och hög reaktionsbe- nägenhet så att blandningen kom att innehålla 27,5 vikts- procent av aluminiumoxid. Blandningsoperationen utfördes i en våt kulkvarn i närvaro av isopropylalkohol under 72 timmar intill dess medelpartikelstorleken i blandningen blev 5 flmu Denna blandning torkades därefter och placerades i en stålform mellan stålsänken och pressades vid rums- temperatur med ett tryck av I,ü kp/mma, så att man fick ett självbärande ämne med ungefär 20 mm:s diameter och 20 mm:s tjocklek. Detta ämne överfördes därefter till ett varmpress- ningsverktyg av grafit bestående av ett sänke med 25 mm:s invändig diameter samt en stämpel. Alla ytor som är vända mot hålrummet besprutades med bornitridpulver till en tjock~ lek av 0,05-0,125 mm. Innan ämnet insattes i hålrummet hälldes ett 20 mm tjockt lager av fint bornitridpulver i hålrummet och ämnet placerades centralt i detta samt trycktes ned i bädden av pulver, så att detta pressades upp i det ringformade utrymmet mellan ämnet och hålrummets väggar. Ytterligare fint bornitridpulver hälldes därefter ovanpå ämnet, tills skiktet stod ungefär 20 mm ovanför ämnets överyta. Grafitstämpeln infördes därefter i hålrummet och mot bädden av bornitridpulver samt utsattes för tryck så att den komprimerade pulvret. På detta sätt kom ämnet att ligga in- bäddat i ett sammanpressat skyddshölje under den följande varmpressningsoperationen. Det bornitridpulver som användes i detta exempel var sådant som säljs av NEW METALS AND CHEMICALS LIMITED och har en partikelstorlek av ungefär 5/im och benämnes Grade FL/T.

H 2 _ Amnet pressades därefter vid Ä kp/mm vid en temperatur av 170000 under I timme. Temperaturen höjdes från rumstemperatur till varmpressningstemperaturen under en period av 20 min. 7300271» -3 under det att trycket stegrades från ett ursprungligt tryck av 0,35 kp/mmz vid rumstemperatur till fullt tryck vid approxi- mativt 150000. Den färdiga produkten tilläts därefter kallna i formen medan denna fortfarande hölls under tryck, samt ut- sattes därefter för röntgenanalys med användande av monokro- matisk CuK (Hägg-Guinier Focusing Camera, KC1 Standard) och befanns innehålla övervägande enhetligt keramiskt material med en kristallstruktur baserad på ß-fas kiselnitrid men med ökade celldimensioner. Den befanns även innehålla en mindre andel, understigande 5%, av en oidentifierbar fas. Det enhet- liga keramiska materialet var en kisel-aluminiumoxynitrid.

Ovan angivna exempel upprepades vid andra pressningstempera- turer inom området 160000 - 200000. Vid 200000 bibehölls fulla presstrycket och temperaturen under åtimma. Medan komponenter som tillverkades vid lägre temperaturer innehöll mindre procent- satser av oidentifierbara faser utöver den enhetliga fasen keramiskt material enligt ovanstående formel, var den oiden- tifierbara fasen helt borta vid röntgenanalysen av produkter som erhölls vid pressning utförd vid temperaturer närmare 200000. Två prover pressades vid 180000, den ena under 1 timma, den andra under 3 timmar, utan att någon skillnad kunde obser- veras i de erhållna produkterna.

Ytterligare undersökningar utförda beträffande tider och tem- peraturer visade att det inom det lägre temperaturområdet, 160000 - 170000, uppstod ofullständig reaktion om tiden under tryck var lägre än 30 min. lnom det lägre temperaturområdet visade det sig därför fördelaktigt att vidmakthålla tempera- turen under åtminstone 1 timma, under det att i det övre tem- peraturområdet, 19od°c _- 2ooo°c, fullständig reaktion hade 'skett om man vidmakthöll trycket under ungefär 30 minuter.

För att erhålla en jämförelse upprepades förfaringssättet enligt det första exemplet, men med varmpressningstemperaturen under 160000. l detta fall blev emellertid reaktionen mellan kiselnitriden och aluminiumoxiden ofullständig, så att det 73002711-3 icke var möjligt att åstadkomma så mycket som 90% av den en- hetliga fasen keramiskt material, även vid förlängd upphett- ning under tryck. När varmpressningstemperaturen var 150000 innehöll den färdiga produkten endast ungefär 40% av det efter- strävade materialet.

Vid en andra tillämpning av uppfinningen förberedes en lik- nande blandning som den i det första exemplet, men vid detta tillfälle innehöll blandningen 50 viktsprocent aluminiumoxid.

Proverna av denna blandning varmpressades därefter på samma sätt som i det första exemplet vid varierande temperaturer inom temperaturområdet 160000 - 200000 och de erhållna pro- dukterna utsattes för röntgenanalys. Det befanns då att de produkter som erhölls vid pressning inom det lägre temperatur- området innehöll åtminstone 90 volymsprocent av den enhetliga fasen, men att den även innehöll en mindre procentsats av en oidentifierbar fas. Liksom i det första exemplet fann man emellertid att denna oidentifíerbara fas saknades vid röntgen- analys av sådana produkter som erhållits i det övre tempera- turområdet, d.v.s. omkring 200000. Dessa produkter innehöll 100% enhetligt homogent material.

Vid en tredje tillämpning upprepades förfarandet vid det andra exemplet, men med kiselnitrid-aluminiumoxidblandningen inne- _ hållande 70 viktsprocent aluminiumoxid. I detta fall visade röntgenanalys att de färdiga produkterna vid varmpressnings- temperaturer inom det lägre området huvudsakligen innehöll den enhetliga keramiska materialfasen. Den innehöll emellertid även något fri aluminiumoxid och en liten procentsats av en oidentifierbar fas. Allteftersom varmpressningstemperaturen nalkades 200000 fann man att de erhållna produkterna saknade fri aluminiumoxid och att den oidentifierbara fasen var för- svunnen. De resulterande produkterna innehöll med andra ord 100% av en enhetlig fas homogent material.

I ett fjärde tillämpningsexempel användes metoden i det tredje 7300274-3 exemplet med en kiselnitrid-aluminiumoxidblandning innehållande 75 viktsprocent aluminiumoxid, och som varmpressades vid 200000 under å timma. Den erhållna produkten innehöll mer än 90 volyms- procent av en enhetlig fas homogent material samt vidare 5% aluminiumoxid och spår av en oidentifierbar fas.

För erhållande av en jämförelse upprepades förfaringssättet enligt det fjärde exemplet med kiselnitrid-aluminiumoxidbland- ningen innehållande mer än 75 viktsprocent aluminium. Man fann emellertid att även om varmpressningen utfördes vid 200000 kom den resulterande produkten att innehålla fri aluminiumoxid utöver en väsentlig mängd enhetligt fasmaterial, men där detta material upptog mindre än 90% av den keramiska massan.

Vid ett femte tillämpningsexempel av uppfinningen upprepades förfarandet enligt det första exemplet_med en kiselnitrid- aluminiumoxidblandning.innehållande 20 viktsprocent aluminium- oxid, som varmpressades på tidigare beskrivet sätt vid varie- rande temperaturer inom områdena 1600°C - 200000, där trycket vidmakthölls under 1 timma, vid alla proven utom vid 200000- -pressningen, där trycket bibehölls under É timma. De resul- terande produkterna innehöll enhetligt fasmaterial tillsammans med 10% oidentifierbar fas vid de pressningar som utfördes vid 160000, Mängden oidentifierbar fas-minskades med ökande temperatur, och de prover som erhölls i temperaturområdet 200000 innehöll icke någon oidentifierbar fas, utan 100% homogen, enhetlig fas.

Vid ett sjätte tillämpningsexempel av uppfinningen upprepades förfarandet vid det femte exemplet, där den ursprungliga bland- ningen innehöll 10 viktsprocent aluminiumoxid. Samma mönster vid de erhållna produkterna framkom som i det femte exemplet.

Vid ett sjunde tillämpningsexempel användes 2 viktsprocent aluminiumoxid i blandningen, och man erhöll på samma sätt produkter med 90% av enkelfasmaterial. 730027l| -3 Vid alla de ovan nämnda tillämpningsexemplen var tätheten hos . _ . 2 de erhallna produkterna 1 storleksordningen 3,0ü g/cm .

Vid de ovan angivna exemplen användes kiselnitrid med hög d}fashalt,men exemplen upprepades med låg d¥halt och endast små skiljaktigheter kunde iakttagas vid de erhållna produkterna.

Den aluminiumoxid med hög aktiv ytarea som användes i de flesta tillämpningsexemplen utgjordes av en dëaluminiumoxid med hög renhet som salufördes av La Pierre Synthetique Baikowski, Frankrike under benämningen typ GE 30 och med en medelpartikelstorlek av 0,5 ßm samt med en ytarea större än 1 m2/g. Emellertid har aluminiumoxid tillverkad av Alu~ minium Company of America under benämningen XA16 och XA17 även visat sig väl användbar. Även sådan aluminiumoxid som saluföres av DEGUSSA och kallas "gamma-aluminiumoxid" har med fördel använts.

I samtliga de angivna tillämpningsexemplen har aluminiumoxid använts som utgångsmaterial, men det är uppenbart att aluminium- föreningar som bryts ned vid varmpressningstemperaturen och resulterar i att aluminiumoxid bildas även kan användas, t.ex. aluminiumhydroxid eller aluminiumnitrat. Så Sattes t-eX- 7 g av kiselnitrid enligt de ovan angivna exemplen till en lösning av 42 g aluminiumsulfat i 75 ml vatten. Till denna blandning tillsattes 22,5 ml ammoniumhydroxid (O,880) och blandades under 18 timmar. Efter dekantering och tvättning torkades utfällningen och varmpressades på konventionellt sätt vid 170000 under 1 timma, så att man erhöll 95% kisel-aluminiumoxynitrid samt 5% av en oidentifierbar fas.

Av de sju ovan angivna tillämpningsexemplen framgår att allt- eftersom aluminiumoxidinnehållet ökas kommer kiseln i det tetraederformade gittret av kiselnitrid att delvis ersättas av aluminium, under det att samtidigt kväve ersätts med syre. vánozvn-3 Vid samtliga tillämpningsexempel befanns den varmpressade pro- dukten ha ett vidhäftande skikt av bornitrid, som kunde av- lägsnas vid en följande bearbetningsoperation.

Vid framställning av en produkt med enhetlig fasstruktur är det önskvärt att säkerställa att varmpressningstemperaturen är högre än 16oo°c, företrädesvis högre än 17oo°c. vid det fall då 100%-ig enhetlig fasstruktur önskas är det lämpligt att varmpressningstemperaturen är högre än 190006, företrädes- vis i storleksordningen 2000°C. Det är emellertid uppenbart att den övre temperaturgränsen bestäms av parametrar sådana som disociationstemperaturen av den keramiska produkten och styrkan hos pressverktygen.

Den tid under vilken maximitemperaturen vidmakthålles skall företrädesvis vara större än 30.minuter och denna övre gräns bestäms uppenbarligen av ekonomiska synpunkter och/eller ned- brytningen av produkten.

Det skall vidare observeras att kiselnítrid-aluminiumoxidbland~ ningen i de angivna tillämpningsexemplen inom grafitformen skyddades_under varmpressningen genom att ämnet inbäddades i bornitridpulver utöver den konventionella påsprutningen av verktygen med bornitrid. Man fann att i annat fall vissa svårigheter uppstod vid avlägsnandet av den varmpressade pro- dukten från verktyget vid temperaturer över 180000, och i vissa tillfällen skedde även en nedbrytning av ytan på pro- dukten. Det ytterligare skyddet, som åstadkoms genom inbädd- ning av ämnena.i bornitridpulver undanröjde denna svårighet.

Vid varmpressning inom det lägre temperaturområdet, d.v.s. under 180000 befanns den konventionella påsprutningen av bornitrid på verktygen erbjuda tillfredsställande skydd.

I de visade tillämpningsexemplen hade blandningen av kisel- nitrid och aluminiumoxid förtillverkats till ett ämne som insattes i verktyget, men det är uppenbart att man genom att forma bornitridpulvret till en form skulle kunna införa bland- ningen i pulverform. '7300274-3 Vid ett åttonde tillämpningsexempel av uppfinningen blandades 14 g av kiselnitridpulver enligt de tidigare exemplen med 13,6 g av dëaluminiumpulver med hög renhet och med en medel- partikelstorlek av mindre än ïfim och med en hög ytarea och reaktionsvillighet av det slag som saluföres av La Pierre Synthetique Baikowski, Frankrike, samt 0,1ü g av ammoniak- alginatpulver. Dessa beståndsdelar blandades intimt i torrt tillstånd och tillsattes därefter 36 ml vatten, varefter blandningen behandlades i en rullkvarn under 1 timma och där- efter tilläts att vila. Den sålunda erhållna blandningen var lämplig för slamgjutning och hälldes i en gipsform så att man fick ett ämne liknande en degel. Denna torkades, avlägsnades från formen och placerades i ett grafitreaktionsrör invändigt klätt med aluminiumoxid, och där den ena änden av aluminium- oxidröret var tillslutet genom en pressad plugg av aluminium- oxidpulver. Aluminiumoxidröret fylldes därefter till hälften med ett fint hexagonalt bornitridpulver av samma slag som an- vänts vid de tidigare beskrivna exemplen, varefter degeln placerades på bornitridpulvret och ytterligare bornitrid- pulver hälldes över degeln tills denna var fullständigt täckt.

Den andra änden aluminiumoxidröret tillslöts därefter med ytter- ligare en pressad plugg av aluminiumoxidpulver och enheten upp- värmdes med en ökning av 90°C per minut upp till l700°C och hölls vid denna temperatur under I timma. Efter 1 timma vid sintringstemperaturen tilläts röret att kallna och den resulte- rande produkten röntgenanalyserades och befanns innehålla huvudsakligen (90%) av ett keramiskt material med enhetlig fasstruktur.

Den på detta sätt framställda degeln befanns ha något vidhäf- tande bornitrid, vilken avlägsnades genom sandblästring.

I ett nionde tillämpningsexempel av uppfinningen blandades kiselnitridpulver innehållande åtminstone 85% av d}fasmaterial med W-aluminiumpulver av hög renhet och med en medelpartikel- storlek av mindre än I/Hu och med hög ytaroa och reaktlousbe- ïzuozvaéz 10 nägenhet. Blandningen utfördes i en våt kulkvarn tillsammans med isopropylalkohol under 72 timmar tills dess att medelpar- tikelstorleken i blandningen var 5 flml Den slutliga blandningen var sådan att atomförhållandet mellan kisel och aluminium var 9:1. När blandningen i den våta kulkvarnen var avslutad torka- des blandningen och 100 g av provet placerades i stålform och sammanpressades till ett självbärande ämne vid ett tryck av 1,4 kp/mm2. Detta ämne avlägsnades därefter från stålformen och placerades inhöljt i bornitridpulver i en grafitform, invändigt klädd med ett rör av aluminiumoxíd. Enheten upp- hettades därefter under en period av 20 minuter till den önskade sintringstemperaturen, som i detta fall var 170000.

Efter 1 timma vid sintringstemperaturen tilläts röret att kallna och den resulterande produkten befanns vid röntgen- analys innehålla väsentligen keramiskt material med enhetlig fasstruktur och med en kristallstruktur baserad på ß-fas kiselnitrid, men med ökade celldimensioner. Produkten inne- höll även en mindre mängd, understigande 5%, av en oidentifier- bar fas. Det keramiska materialet befanns vara kisel-aluminium- oxynitrid.

Ovan angivna tillämpningsexempel upprepades därefter vid andra temperaturer inom temperaturområdet 160000 - 200000. Det be- fanns då att under det att de produkter som ehölls inom det lägre temperaturområdet innehöll mindre procentsatser av oiden- tifierbar fas utöver det material med enhetlig fasstruktur, den oidentifierbara fasen saknades vid röntgenanalys av produkter erhållna inom det övre temperaturområdet, d.v.s. närmare 200000, där produkterna innehöll uteslutande material med enhetlig fasstruktur enligt ovan.

För att erhålla en jämförelse upprepades förfarandet enligt det nionde exemplet, men sintringstemperaturen hölls under 160000. I detta fall befanns det att reaktionen till material med enhetlig fasstruktur av ovan definierat slag var ofull- ständig, och vid on Hintwlngstumporulur mv |500°C innehöll 7300274-3 11 produkten endast 40% av detta material.

Vid tionde-femtonde tillämpningsexempel av uppfinningen an- vändes kiselnitrid och aluminiumoxidpulver enligt det första exemplet för att åstadkomma blandningar som innehöll 20, 25, #0, 50, 60 resp. 70 viktsprocent av aluminiumoxid. Vid varje tillfälle utfördes behandlingen av blandningen enligt det första exemplet och sintringstemperaturerna låg vid varierande värden mellan 170000 och 200000. När sintringsreaktionen utfördes vid de lägre temperaturvärdena fann man att de erhållna pro- dukterna innehöll huvudsakligen material med enhetlig fas- struktur när aluminiumoxidhalten var 20%; i det fall då 25% aluminiumoxia ingick; i det fan då 140% aluminiumoxid ingick; i det fall då 5094 aluminiumoxid ingick; i det fall då 60% aluminiumoxid ingick och i det fall då 70% aluminiumoxid in- gck, I vartdera fallet fann man emellertid att produkten innehöll en mindre mängd, understigande 5%, av en oidentifier- bar fas. Dessutom fanns något fri aluminiumoxid i de pro- dukter som utgått från 60 resp. 70 viktsprocent aluminium i blandningen. När sintringsreaktionen utfördes vid högre tem- peraturer, d.v.s. närmare 2000° fann man att den oidentifier- bara fasen saknades från samtliga produkter, och i de produkter som erhölls genom sintring av blandningar innehållande mindre än 60 viktsprocent aluminiumoxid fann man att var och en inne- höll uteslutande material med enhetlig fasstruktur. Man fann emellertid att de produkter som framställdes av blandningar innehållande 60 resp. 70 viktsprocent av aluminium saknade fri aluminiumoxid och innehöll uteslutande material med en- hetlig fasstruktur.

Undersökningar utfördes även med blandningar som innehöll 75 viktsprocent aluminiumoxid men dessa befanns innehålla mer än 10% fri aluminiumoxid, även när de sintrades vid 200000.

Det är uppenbart att exempel 8-15 skiljer sig från de tidigare beskrivna tillämpningsexemplen därigenom att sintringsopera- 7390274-3 tionen icke utförs under tryck. Även om de erhållna produkterna har en lägre täthet, i storleksordningen 2,7 g/cm2, fann man att liknande deduktionerlsom vid exemplen l-9 kan göras med hänsyn till kontrollparametrar för att säkerställa att produkten innehåller åtminstone 90 volymsprocent kisel-aluminiumoxynitrid av ovan angivna formel. Det är sålunda önskvärt att säkerställa att sintringstemperaturen är högre än 160000, företrädesvis högre än 170000. När 100%-ig enhetlig fasstruktur krävs är det lämpligt att säkerställa att sintringstemperaturen är högre än l900°C, lämpligen i storleksordningen 200000. Det är naturligtvis uppenbart att den övre temperaturgränsen även här bestäms av parameter sådana som dissociationstemperaturen för den keramiska produkten och hållbarheten av verktygen.

Det skall även observeras att proven i exemplen 8-15 är inne- slutna i bornitridpulver under sintringen på samma sätt som i de tidigare'exemplen. Man har funnit att utan detta skydd kommer en nedbrytning av ytan på proverna att ske, vilket speciellt är märkbart i temperaturomrâdena över 180000, vid temperaturer över l900°C så mycket att produkterna icke kan provas. Ett inne- slutande av ämnena i bornitridpulver undanröjde emellertid denna olägenhet. Det skall observeras att vid sintringstemperaturer omkring 170000 är sådana skyddsbeläggningar icke nödvändiga, men är att föredraga om stora och invecklade produkter skall sintras. Även om bornitridpulver är att föredra som skyddsmaterial är det uppenbart att blandningar innehållande bornitridpulver kan användas, 1íKSOm även andra skyddsmaterial såsom gasformiga media, t.ex. kväve justerat till lämpligt partialtryck. Det är uppenbart att när man använder ett pulverformat skyddsmaterial bör detta väljas så att det inte sintrar vid den varmpressníngs- temperatur som användes under processen. Sådant skyddsmaterial som häftar vid den färdiga produkten kan lätt avlägsnas t.ex. genom slipning, sandblästring eller dylikt.

I ett sextonde tillämpningsexempel av uppfinningen användes fint kiselpulver av det slag som säljes av Murex Limited under benämningen Superfine och med en medelpartikelstorlek mindre än 7300274-3 13 3/ím, vilket blandades i isopropylalkohol med aluminiumoxid- pulver av hög renhet och med en medelpartikelstorlek av mindre än 1/im samt med hög ytarea och reaktionsvillighet. Den sålunda erhållna blandningen hade ett atomförhållande mellan kisel och aluminium av 3:1. När blandningen var färdig avlägsnades iso- propylalkoholen och den resulterande pulverblandningen passera- des genom en 60-meshsikt. 20 gram av den siktade blandningen infördes därefter i.en rektangulär kiselnitridskål med en längd av 75 mm och en bredd av 50 mm, och pulvret skakades så att det komprímerades lätt. Skålen placerades därefter i ett reak- tionsrör av aluminiumoxid, vilket evakuerades och återfylldes med inertgas tills trycket i röret var ungefär detsamma som det omgivande atmosfärstrycket. Temperaturen i reaktionsröret ökades därefter under en tidsrymd av 8 timmar_till den önskade nitreringstemperaturen, som vid detta tillfälle var 140000, och bibehölls vid detta värde under 6 timmar, varvid inertgas tilläts passera genom reaktionstuben i en mängd motsvarande å l/min. under hela uppvärmningsoperationen. Reaktionstuben tilläts därefter att kallna under 8 timmar. När den erhållna produkten avlägsnades från röret befanns den vid röntgenanalys innehålla väsentligen kisel-aluminiumoxynitrid med enhetlig fasstruktur.

Ovan nämnda exempel upprepades därefter med sintringstemperatur varierande mellan 130000 och 160000 medan alla övriga för- hållanden förblev desamma som beskrivits. I samtliga fall be- fanns produkten vid röntgenanalys innehålla väsentligen samma keramiska material med enhetlig fasstruktur som i det första exemplet. Även här befanns produkterna innehålla mindre mängder av en oidentifierbar fas.

Vid en första modifikation av det sextonde tillämpningsexemplet upprepades samma tillvägagångssätt, men nitreringstemperaturen hölls just under 130000. Även om i detta fall den färdiga pro- dukten innehöll kisel-aluminiumoxynitrid, tillsammans med mindre procentsats av en oidentifierbar fas, innehöll pro- dukten även fri kiselnitrid och fri aluminiumoxid. ovzaozvßa-ëzl fu I en andra modifikation'UPPhettades den enligt det sextonde tillämpningsexemplet och första modifikationen tillverkade produkten till 200000 i grafitform och tilläts att kallna.

Det resulterande materialet underkastades röntgenanalys och :befanns innehålla uteslutande kisel-aluminiumoxynitrid. Någon _ oidentifierbar fas kunde icke spåras vid röntgenkontrollen oeh ej heller någon fri.aluminiumoxid eller kiselnitrid-som i den första modifikationen av det sextonde tillämpnings- exemplet.

Vid en tredje modifikation upprepades tillvägagångssättet en- ligt det sextonde exemplet, men denna gång översteg nitreríngs- temperaturen I600°C. Den färdiga produkten befanns innehålla material med samma enhetliga fasstrnktur som ovan angivits, men innehöll även aluminiumsilikat och aluminiumnitrid.

I en ytterligare modifikation av det sextonde tillämpnings- exemplet blandades kisel-aluminiumoxidblandningen i en akryl- dispersion i vatten så att man fick en pasta med formpressbar konsistens, Ett första ämne framställt av denna blandning uppnettades så att vattnet avdrevs och akryldispersionsmedlet brändes bort. Detta porösa ämne omvandlades vid uppvärmning i kvävefialtig~atmosfär-vid 1hOO°C till en Al-Si-NÅ0-förening med enhetlig fåsstruktur och med en expanderad ß-fas kiselnitridcell- struktur. I Den ursprungliga blandningen enligt ovan angivna tillämpnings- exempel, tillsammans med en mindre kvantitet av ett alginat- avflockningsmedel tillsatt med vatten befanns ha utmarkta.slam_ _gjutningsegenskaper, ooh ett ämne i form av en liten degel gjöts i en gipsform, Denna slamgjutna degel avlägsnades från formen och placerades i kvävehaltig atmosfär, Temperaturen ökades från -rumstemperatur till 140000 under 6 timmar och bibehölls vid detta värde under ytterligare 6 timmar. På detta sätt åstadkoms - en degel bestående av en Al-Si-N-O-förening med expanderad p-fas- struktur.. Det är uppenbart att andra sätt att blanda kisel och , aluminiumoxid kan användas, så kan t.ex. de två materialen flam- sprutas på en med släppningsmedel försedd schablon, och det sålunda framställda ämnet avlägsnas från denna och nitreras. -7300274-3 15 I ett sjuttonde tillämpningsexempel blandades kisel øgh aluminium- oxidpulvren enligt det sextonde exemplet i vått tillstånd med isopropylalkohol så att det relativa atomförhållandet mellan kisel och aluminium” i slutblananingen biev 1:1. Den vidare be- handlingen av denna blandning fortsattes därefter på samma sätt som i det sextonde exemplet, och efter nitrering vid IÄOOOC be- fanns den erhållna produkten innehålla huvudsakligen keramiskt material med enhetlig fasstruktur. Produkten innehöll emeller- tid även en mindre procentsats oidentifierbar fas tillsammans med mindre mängder kiselnitrid och en större mängd fri alu- miniumoxid, varigenom kiselaluminiumoxynitrid-innehållet blev mindre än 90% av den keramiska fasen. Denna sintrade reaktions- produkt täcktes därefter med bornitridpulver i en grafitform och upphettades till 170000, varefter en röntgenanalys utfördes på den resulterande produkten. Denna analys visade att materia- let endast innehöll en mindre procentsats oidentifierbar fas, men innehöll åtminstone 90 volymsprocent av material med en- hetlig fasstruktur. Det andra sintringssteget upprepades där- efter med en ytterligare produkt, framställd i enlighet med det sjuttonde exemplet, men i detta fall utfördes upphettningen inom bornitridskyddet i grafitformen vid 2000°C. Röntgenanalys av materialet i denna produkt visade att detta bestod uteslu- tande av material med enhetlig fasstruktur och utan spår av oidentifierbar fas.' I en modifikation av det sjuttonde exemplet utfördes sint- ringen vid 1300°C och vid detta tillfälle befanns den kera- miska produkten innehålla fri aluminiumoxid och fri kiselnitrid, utöver den kisel-aluminiumoxynitrid som framställdes i de sex- tonde och sjuttonde exemplen. Två prover av denna produkt upphettades därefter i bornitridpulver i grafitformar till 1700°C resp. 2000°C och inverkan av denna upphettning ana- lyserades med röntgenapparat. Vid det prov som värmdes till 170000 innehöll den slutliga produkten väsentligen uteslu- tande material med enhetlig fasstruktur enligt det första exemplet. Mindre mängd av en oidentifierbar fas fanns även i detta prov. Vid de prov som uppvärmdes till 200000 fann man att produkten uteslutande 'zman-z 16 bestqd av material med enhetlig fasstruktur enligt det första exemplet- I ett artonde exempel upprepades tillvägagångssättet enligt det sextonde exemplet och med kisel-aluminiumatomförhållandet 1:3. På samma sätt som i det sextonde exemplet utfördes uppvärmningen i två steg, men i detta fall utfärdas det andra steget vid l700°C' och med produkten från det första steget höljt i bornitridpulver.

Den färdiga produkten befanns innehålla ungefär 90% kísel-aluminium- Qxynierifi, tillsammans med ungefär 10% aluminiumoxid. ; I-ett nittonde tillämpningsexempel upprepades tillvägagångssättet enligt det artonde exemplet, men med kisel-aluminium-atomförhållandet 7:1, varvid produkten befanns innehålla mer än 90% kise1-aluminium- oxynitrid_ _ Beträffande de sextonde till nittonde tillämpningsexemplen skalli det observeras att de produkter som utsatts för temperaturer i storleksordning 190000 - 200000 uppvisade viss förstörning av ytan om denna icke var skyddad vid dessa höga temperaturer.

Denna olägenhet undviks genom att provstyckena täcktes med bornitríd- pulver även om det är uppenbart att andra skyddsmaterial, t.ex. kiselkarbídpulver eller gasformiga medel'såsomrt.ex. kväve med kontrollerat partialtryck kan komma till användning. " I exempel 16-19 användes aluminiumoxid som utgängsmaterial.

Det är emellertid uppenbart att, på samma sätt som i tidigare aexempel, föreningar av aluminium, som vid upphettning sönderfaller ~ och åstadkommer aluminiumoxid vid nitreringstempenaturen, även kan användas¿ I l När man använder förfaringssättet enligt tillämpningsexemplen 16-19 för att åstadkomma en produkt innehållande material med väsentligen enhetlig fasstruktur enligt ovan allmänna formel är det önskvärt att nítreringssteget utförs vid en temperatur understigande l600°C, men lämpligen överstigande l250°C, före- trädesvis mellan l300°C och 150000, och alldeles speciellt vid ungefär 14oo°c. För blandningar där atemförnåii-anaec manen vzoozva-så 17 kisel och aluminium är mindre än ungefär 3:1 är det önskvärt att höja temperaturen på den nitrerade produkten över |600°C, lämpligen till 17oo°c. Även om i exemplen 16-19 den nitrerade produkten efter nitre- ringsoperationen har avlägsnats från nitreringsugnen och upp- hettats till en högre temperatur i en separat ugn kan den full- ständiga upphettningscykeln utföras inom nitreringsugnen, var- vid temperaturen höjs direkt efter det att sintringsoperationen har utförts. Graden av ökning av temperatur måste emellertid kontrolleras så att kiselnitriden i reaktionen inte sönder- faller snabbare än den hastighet med vilken kiselnitrid rea- gerar med aluminiumoxid. Detta beror på många parametrar, inne- hållande slutlig temperaturpartikelstorlek, formens utseende och täthet, utformningen av värmeelementen och kvävets potential- spänning.

När man önskar en produkt innehållande material uteslutande med en enhetlig-fasstruktur skall nítreringssteget vid alla bland- ningar följas av en höjning av temperaturen över 170000, lämp- ligen 19oo°c, een företrädesvis till ungefär 2ooo°c.

Claims (10)

evsnozvu-z i » 18 PATENT-KRAV

1. Keramisktmaterial, kännetecknat där- a v, att det innehåller åtminstone 90% av en beståndsdel med enhetlig fasstruktur bestående av ett kiselnitridgitter i ß-fas i vilket kislet delvis har ersatts av aluminium och kvävet delvis har ersatts av syre.

2. Förfaringssätt för framställning av det i patentkravet 1 definierade keramiska materialet, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att man blandar icke mer än 75 viktsprocent av aluminiumoxid i pulverform med en partikelstorlek mindre än 10/Lm och.med hög aktiv yta, eller en mängd av en aluminium- förening, som bryts ned vid den höga temp¿ratur som råder under processen och åstadkommer den önskade kvantiteten alu- miniumoxid, med pulvriserad kiselnitrid med en partikelstor- lek mindre än 20,Mm, samt att man sintrar blandningen så att man får ett keramiskt material, varvid blandningen hålls vid sintringstemperatur högre än 1550°C under åtminstone 30 minuter.

3. Förfaringssätt enligt patentkravet 2, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v, att sintringen utförs under tryck.

4. Förfaringssätt enligt patentkravet 2, 'k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att sintringen utförs utan att blandningen utsätts för tryck.

5. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 2-H, k ä n - n e t e c k n a t d ä r a v, att kiselnitridpulvret har en nartikelstorlek mindre än 5 fimu

6. 'Förfaringssätt enlflgt något av patentkraven 2-5, k ä n - n e t e_c k n a t d ä r a v, att aluminiumoxiden har en yt- area motsvarande åtminstone 1 m2/g.

7. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 2-6, k ä n - n e t e c k n a t ' d ä r a v, att den aluminiumförening som u 'n 7300274-3 19 används och som vid förhöjd temperatur bryts ned och bildar aluminiumoxid utgörs av aluminiumhydroxíd eller aluminium- nitrat.

8. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 2-7, k ä n - n e t e c k n a t d ä r a v, att de reagerande beståndsde- larna är omslutna av skyddande material under den tid de ut- sätts för den förhöjda temperaturen.

9. Förfaringssätt enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att det skyddande materialet föreligger i pulverform. 10. Förfaringssätt enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att det skyddande materialet utgörs av bor- nitrid. 11. Förfaringssätt enligt patentkravet 2 ., k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att man nitrerar kiselpulver i närvaro av aluminiumoxidpulver eller U en aluminiumförening och där atomförhållandet mellan kisel och aluminium är större än eller lika med 1:3, varvid nitrerings- temperaturen ligger mellan I250°C och 160000. 12. Förfaringssätt enligt patentkravet 11, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att atomförhallandet mellan kisel och alu- minium är mindre än 3:1 och större än eller lika med 1:3 och förfarandet innehåller det ytterligare steget att temperaturen höjs till över 16oo°c. _ 13. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 11 eller 12, k ä n n e t elc k n a t d ä r a v, att nitreringstemperaturen ligger mellan 13oo°c een 15oo°c. IN. Förfaringssätt enligt något av patentkraven II-I3, k ä n - n 0 t e c k n a t d ä r u v, att kiseln hur en partíkelstorlek mindre än 5/tm. 'zzßozva-z 20 15. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 11-14, k ä n - n e t e c k n a t d ä r a v, ~att utgångsmaterialen kallpressas till ett ämne före nitreringsproceduren. 16. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 11-15, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att nitreringssteget och.det ytterligare upphettningssteget utförs som en kon- tinuerlig upphettningsprocess i nitreringsatmosfärt 17. Förfaringssätt enligt något av patentkravehf11«15, k ä n n e t e 0 k n a t d ä r a v, att det ytterligare upphettningssteget utförs i en separat ugn med de rea- gerande materialen omgivna av ett skyddande material. 18. Förfaringssätt enligt patentkravet 17, k ä n n e - t e c k n a t d ä-r a v, att det skyddande materialet före- ligger i pulverform. 19. Förfaringssätt enligt patentkravet 18, k ä n n e - t e c k n a_t d ä r a v, att det skyddande materialet utgörs av bornitrid.

10. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 11-19, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att det ytterligare upphettningssteget utförs vid en temperatur överstigande 17oo°c. ANFÜRDA PUBLIKATIONER: Storbritannien 970 639