SE409202B - Forfarande for framstellning av en keramisk produkt - Google Patents

Description

731-3794-5 Företrädesvis åstadkommes en del av den vid sagda temperatur i blandningen närvarande aluminiumoxiden genom att man till- sätter utgångsmaterialet en aluminiumförening, vilken vid sagda temperatur sönderdelas till aluminiumoxid.

Företrädesvis åstadkommas åtminstone hälften av den i bland- ningen vid sagda temperatur närvarande kiselsyran genom att man i utgångsmaterialet tillsätter en“kiselförening, vilken vid sagda temperatur sönderdelas till kiselsyra.

För att man skall erhålla de önskade ingredienserna av alu- minlumoxid och kiselsyra i blandningen vid den berörda tem- peraturen inför man en aluminiumkiselförening i det utgångs- material som användes för att framställa blandningen. Åtminstone en del av den i blandningen vid sagda temperatur närvarande sammansättningen som bildar smält glas åstadkommes genom att man till utgångsmaterialet sätter en förening vilken vid upphettning till sagda temperatur sönderdelas till ett 1 glasbildande ämne.

Temperaturen ligger företrädesvis mellan 15oo°c een 18oo°o " och blandningen utsätts vid denna temperatur lämpligen För tryck.

I ett första exempel blandades aluminiumnitridpulver av det slag som saluförs av Koch-Light under benämningen typ 8006H och med en medelpartikelstorlek av 50fl'med magnesiumoxid- pulver salufört av Hopkin and Williams Limited under beteck- ningen "light" samt kiselnitridpulver innehållande 89% av dëfasmaterialxned en medelpartikelstorlek av 8fl. Man vet emellertid att kiselnitridpulver regelmässigt innehåller kisel som en beläggning på de enskilda partiklarna och vidare att aluminiumnitridpulver vanligen innehåller aluminium- oxid som en förorening. Det är uppenbart att båda dessa föro- reningar påverkar den följande reaktionen, som är avsedd att åstadkomma kiselfaluminiumoxynitrid-keramiskt material, efter- i 731379h-5 som det kommer att tillföra kísel, aluminium och syre till reaktionen. Innan utgångsmaterialen blandades bestämdes där- för mängden föroreningar i kiselnitriden resp. i aluminium- nitriden först med hjälp av s.k. snabb neutronaktiverings- analys.

Med användande av det utgångsmaterial som ovan angivits fann man att kiselinnehållet i kiselnitridpulvret var 6 vikts- procent och aluminiumoxidinnehållet i aluminiumnitriden var 5 viktsprocent. Dessa pulver maldes i kulkvarfl under 2ü timmar i isopropylalkohol med aluminiumoxidkulor så att man fick en blandning bestående av 9ü,5 viktsprocent kiselnitrid, 5 vikts- procent aluminiumnitrid och 0,5 viktsprocent magnesiumoxid.

Blandningen torkades därefter och infördes i ett grafitsänke, som vilade på en gyafitplugg, vilken tillslöt den ena änden av sänkets hålighet. En grafitstämpel fördes därefter ned mot pulvret. Alla grafitytor som kom i kontakt med pulvret hade i förväg besprutats med bornitrid till en tjocklek av 0,25 mm. Denna enhet infördes därefter i en press, var- efter provet varmpressades genom att man ökade temperaturen och trycket samtidigt till 1680°C resp. 210 kp/cmg. Provet hölls vid denna temperatur och detta tryck tills full täthet uppnåtts, vilket indikeras av att någon ytterligare rörelse av stämpeln inte kan märkas, vilket vanligen inträder efter 20 minuter. Temperaturen ökades därefter till 1?60°C under en tidsrymd av Ä minuter, varvid trycket bibehölls vid det angivna värdet av 210 kp/cmz. Provet kvarhölls under dessa förhållanden under ytterligare ungefär #0 minuter. Under varmpressningen åstadkom blandningen den önskade enkelfas kisel-aluminiumoxynitriden. Utöver vad som ingick i den reak- tionsvilliga kompositionen tillkom något kisel och aluminium- oxid från kvarnen, vilka antas under varmpressningsoperationen ha reagerat med magnesiumoxiden så att man fick ett magnesium- aluminiumsilikatglas, vilket förhöjde tätheten hos produkten.

Denna befanns nämligen ha ett högt täthetsvärde av 3,09 g/cm2, 7313794-5 med ett medelvärde på brottsstyrkan av 5200 kp/cm2 vid 110000, 14500 kp/cmz vid 12oo°c och 3300 kp/cmz vid 137s°c.

Det första exemplet upprepades varvid man minskade kvanti- teten glas därigenom att mängden magnesiumoxid minskades.

Som väntat befanns detta medföra en minskning av täthet och styrka hos den varmpressade produkten. När sålunda förfarandet enligt det första exemplet upprepades med 0,25 viktsprocent magnesium blev den resulterande tätheten 3,08 kp/omg och medel- värdet på brottgränsen vid rumstemperatur 4000 kp/cmz.

Det är uppenbart att även om det är enkelt att införa det glasbildande medlet i utgångsblandningen i samband med be- handlingen i kulkvarnen, om denna är försedd med kulor av lämpligt material, så minskar detta förfarande möjligheterna till kontroll över den mängd glas som åstadkoms. Företrädes- vis bör man därför använda en malningsteknik, där bästa kon- troll är möjlig, t.ex. koloidmalning, och att införa alla de glasbildande komponenterna i avmätta kvantiteter.

I ett andra exempel utgick man sålunda från en blandning som innehöll 2,5 viktsprocent aluminiumnitrid, 1 viktsprooent kisel- syragt 1 viktsprocent magdesiumoxid och 95,5 viktsprpcent kiselnitridf~Blandningen infördes i en kolloidkvarÄ och be- handlades i isopropylalkohol tills medelpartikelstorleken i blandningen var 5/(,varefter blandningen torkades och siktades så att eventuellt återstående materialklumpar avlägsnades.

För att genomgå varmpressningen infördes blandningen såsom förut beskrivits i ett grafitsänke och upphettades därefter till 171000 under 30 minuter, under vilken tid blandningen utsattes för ett gradvis ökande tryck av uëp till 235 kp/omg.

Blandningen hölls vid denna temperatur och tryck under I timma, varefter temperaturen höjdes till 177500 och blandningen hölls vid denna andra temperatur under ytterligare 35 minuter. Vid dessa förhöjda temperaturer innehöll blandningen den önskade 731379lr~S kiselaluminiumoxynitriden men utöver den reaktionsvilliga kom- positionen bildades emellertid ett magnesiumglas under varm- pressningen som en följd av reaktionen mellan den tillsatta kiselsyran och magnesiumoxiden. Detta glas ökade tätheten i materialet under varmpressningen, så att slutprodukten kom att ha en täthet av 3,2 g/cm2 och en maximal brottspänning vid rumstemperatur av 10000 kp/cmz med ett minimivärde av 5200 kp/cmz, och med ett medelvärde av 8000 kp/cm2. Krypnings- försök gjordes även på produkten och vid 120000 befanns det att denna hade 0,5% krypning, när den utsattes för en belast- ning av 780 kp/cmg under 30 timmar.

Det andra exemplet upprepades med minskande mängd av alu- miniumoxid, och som väntat minskades tätheten hos den er- hållna produkten.

I ett tredje exempel upprepades förfarandet vid föregående exempel men med 1 viktsprocent kiselnitrid ersatt av alu- miniumnitridpulver. Man fann att denna ändring ökade kryp- styrkan för den resulterande produkten, så att denna vid 120000 endast visade 0,3%-s krypning, när den utsattes för en belastning av 780 kp/cm2 under 100 timmar. Styrkan hos materialet var emellertid något minskad, jämfört med vad man erhöll i det andra exemplet. Medelvärdet på brottstyrkan vid rumstemperatur var 7000 kp/cmz. Det antas att dessa resultat orsakades av att något av kiselsyran från den glasbildande kiselsyratillsatsen reagerade med överskott alu- miniumnitrid, och därigenom reducerade det totala glasinne- hållet.

För att ytterligare bekräfta observationerna i det tredje exemplet upprepades förfarandet med något ytterligare ökad aluminiumnitridinnehåll, på bekostnad av kiselnitridinne- hållet. På detta sätt fann man att det var möjligt att åstad- komma ytterligare förbättringar av krypstyrkan. Vid 4,5%-s tillsats av aluminiumnitrid hade produkten en krypning av 6 0,15% under 100 timmar vid samma förhållanden som ovan an- givits. Allteftersom aluminiumnitridinnehållet minskades blev emellertid varmpressningen mera besvärlig, vilket återspeg- lades i en minskande täthet och styrka för produkten. Vid en tillsats av ü,5% aluminiumnitrid hade den varmpressade pro- dukten en täthet av 3,15 g/cm2 och ett medelvärde på brott- styrkan vid rumstemperatur av 5500 kp/cm2. På samma sätt be- fanns variationer i aluminiumnitridinnehållet i utgångsma- terialet kunna användas för att modifiera krypegenskaperna av kisel-aluminiumoxynitrid.

I ett fjärde exempel framställdes två utgångsblandningar, vilka båda avsågs resultera i en kisel-aluminiumoxynitrid med samma sammansättning men med olika aluminiumnitridinne- håll.

En av dessa blandningar bestod av 83 viktsprocent kiselnitrid, 10 viktsprocent aluminiumnitrid, 6 viktsprocent kiselsyra och 1 viktsprocent aluminiumoxid, under det att den andra bland- ningen innehöll 85,Å9 viktsprocent kiselnitrid, 7,62 Vikts- procent aluminiumnitrid, 3,33 viktsprocent kiselsyra, 2,56 viktsprocent aluminiumoxid och 1 viktsprocent magnesiumoxid.

Den första satsen innehöll sålunda högre mängd aluminium- h nitrid och resulterade i en produkt som, när den utsattes för en belastning av 780 kp/cm2 under 100 timmar vid 120000 endast uppvisade en krypning av 0,057%. Som väntat var detta ' en förbättring över det värde på 0,108% som erhölls för pro- dukten framställd av den andra blandningen, utsatt för samma behandling. Även i detta fall fann man sålunda att ökning av krypstyrkan hos produkten enligt det första exemplet samman- föll med en minskning av tätheten och medelvärdet för brott- styrkan vid rumstemperatur (3,I6 g/cm2 och 5600 kp/cmg) jäm- fört med den produkt som framställdes av den andra blandningen (3,18 g/cmg och 6000 kp/cmz).

I samtliga de angivna exemplen har reaktionen skett vid för- höjd temperatur samtidigt som tryck utövats på den reagerande 7z1zv94fs massan. Detta har skett för att endast så få parametrar som möjligt, som påverkar produkten, skall ändras, varigenom en tillförlitlig analys av de erhållna resultaten kan göras.

Liknande försök har emellertid utförts i frånvaro av tryck, varvid provstycken pressades i kallt tillstånd vid 140 kp/cm2 i stålformar så att man fick ett självbärande block, vilket avlägsnades från formen och höljdes i bornitrid i en grafit- degel. Denna placerades därefter i en ugn och uppvärmnings- proceduren enligt de angivna exemplen följde. I vardera fallet erhöll man en produkt uteslutande bestående av den tidigare erhållna kisel-aluminiumoxynitriden.

I exemplen har vidare reaktionerna skett mellan 17000 och 1780°C. Dessa temperaturområden valdes eftersom det visade sig vara ett område där produkterna kunde framställas på för- hållandevis kort tid. Helt tillfredsställande produkter kan emellertid erhållas med temperaturer så låga som 120000 och så höga som 2ooo°c, men det är lämpligt att välja 15oo°c eller högre för att man skall få en ekonomisk reaktion vid stora satser. De övre gränserna för temperaturen kommer uppen- barligen att bestämmas av ekonomin i förfarandet och önske- målet att förhindra att produkten förstörs genom att alltför länge utsättas vid så höga temperaturer. 180000 är emellertid en praktiskt tillämplig gräns.

Det är uppenbart att där man tillsatt aluminiumoxid till ut- gångsmaterialet kan denna ersättas av någon aluminiumlegering som kommer att sönderfalla till aluminiumoxid under uppvärm- ning till den förhöjda temperaturen som är nödvändig för att åstadkomma det önskade keramiska materialet. Där både kiselsyra och aluminiumoxid tillsätts till utgångsmaterialet i de ovan angivna exemplen kan alternativet vara att i utgångsmaterialet tillsätta en legering av dessa ämnen, som kommer att avge denönska-' de mängden kiselsyra och aluminiumoxid vid den förhöjda tem- peraturen och den följande behandlingen. På samma sätt kan den magnesiumoxid som används i utgångsmaterialet ersättas 1313794-5 t 8 av en magnesiumlegering som sönderfaller till oxid under den fortsatta behandlingen. Man har emellertid funnit att den föredragna mängd aluminiumoxid eller aluminiumlegering som sätts.till utgångsmaterialet är mindre än 5%, företrädesvis icke mer än 1 viktsprocent av utgångsmaterialet.

Claims (7)

731379l| '-5 P A T E N T K R A V

1. Förfaringssätt för framställning av en keramisk produkt, k ä n n e t e o k n a t d ä r a v, att man vid en temperatur av mellan 1200-200000 upphettar en blandning av 0 till 97,5% kiselnitrid, aluminiumnitrid i en mängd icke överstigande 50%, kiselsyra i en mängd icke överstigande 51,5% samt aluminium- oxid i en mängd icke överstigande 75% då kiselnitrid är när- varande i blandningen och icke mer än 35% då kiselnitrid saknas i blandningen, varvid alla %-angivelser anger vikts- procent, samt en ytterligare sammansättning som bildar smält glas vid sagda temperatur, varjämte upphettningen fortsättes tills produktens keramiska fas består i huvudsak endast av ett kiselaluminiumoxynitrid-keramik-material med enhetlig fas- struktur, med det smälta glaset som befrämjare av produktens förtätning.

2. Förfaringssätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att en del av den vid sagda temperatur i blandningen närvarande aluminiumoxiden åstadkommes genom att man tillsätter utgångsmaterialet en aluminiumförening, vilken vid sagda temperatur sönderdelas till aluminiumoxid.

3. Förfaringssätt enligt något av patentkraven 1 eller 2, k ä n n e-t e c k n a t d ä r a v, att åtminstone hälften av den i blandningen vid sagda temperatur närvarande kiselsyrau åstadkommas genom att man i utgångsmaterialet tillsätter en kiselförening, vilken vid sagda temperatur sönderdelas till kiselsyra. Ü.

4. Förfaringssätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att man för att förse blandningen med aluminiumoxid och kiselsyra vid sagda tem- peratur, inför en aluminiumkiselförening i det utgångsmaterial som användes för att framställa blandningen. 10

5. Förfaringssätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att åtminstone en del av den i blandningen vid sagda temperatur närvarande sammansätt- ningen som bildar smält glas åstadkommes genom att man till ut- gångsmaterialet sätter en förening vilken vid upphettning till sagda temperatur sönderdelas till ett glasbildande ämne.

6. Förfaringssätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att blandningen vid sagda temperatur utsättes för ett tryck.

7. Förfaringssätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att temperaturen hålles mellan 15oo° och 18oo°c. i Elm-g ANFÖRDA PUBLIKATIONER: TyskLand 2 262 785