SE452002B - Keramiskt material av kiselaluminiumoxinitrid, sett for dess framtellning samt anvendning av detsamma - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 452 002 2 70-77 kg/mmz vid utnyttjande av det förfaringssätt, som beskrives i de efterföljande exemplen, och en Knoop-härd- het i storleksordningen l450-1800 kg/mmz vid 100 g last.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes däremot ett tváfasigt Si-Al-O-N-material, som är blandat med en tredje fas, en glasfas. Materialet är speciellt använd- bart som material för skärinsatser. De dubbla faserna om- fattar Si-Al-O-N av a- och B-fas.

Det har upptäckts, att en reglering av mängden alumi- niumoxid i blandningen jämte ett neutralt medium för mal- ningen gör det möjligt att reglera kompositionen hos slut- materialet pá ett sådant sätt, att Si-Al-O-N-faser av a- och B-typ uppträder. Mindre mängd aluminiumoxid ger en större mängd av Si-Al-O-N av u-fas. Reglering av övriga utgàngsmaterial ger också samma effekt sà att mindre ki- seldioxid, mera aluminiumnitrid, mera material av polytyp och ökad yttriumoxidhalt samtliga ger mera a-Si-Al-O-N i slutprodukten.

Det keramiska materialet enligt uppfinningen känne- tecknas därav, att materialet omfattar en a- och ß-fas- komposit av Si-Al-0-N-material och en glasartad fas, varvid a-fasen av Si-Al-O-N utgör 10-70 vikt% av det keramiska materialet, 8-fasen av Si~Al-O-N utgör 20-90 vikt% av det keramiska materialet och den glasartade fasen utgör 0,1-10 vikt% av det keramiska materialet.

Den extra a-Si-Al-O-N~fasen i kompositionen medför en ökad hårdhet utan någon betydande påverkan av mate- rialets brottstyrka i tvärriktningen.

Föreningar av yttrium utnyttjas som sintringshjälp- medel vid framställning av den ovanstående produkten, men det inses att liknande resultat kan uppnås med oxider av skandium, cerium, lantan och elementen i lantanid- serien.

Användningen av yttriumoxid som det föredragna sintringshjälpmedlet ger upphov till en intergranulär komponent, som till dominerande delen utgör en glasar- tad fas men som också kan omfatta andra faser, vilka inbegriper YAG (yttriumaluminiumgranat), vilket är en 10 15 20 25 30 35 452 002 3 kubisk fas med formeln Y3Al5012; Y-N-a-wollastonit, SOM är en monoklinisk fas med formeln YSiO2N; YAM, som är en monoklinisk fas med formeln Y4Al2O9; N-YAM, som är en mo- noklinisk fas med formeln Y4Si2O7N2, vilken är isostruk- turell med YAM och bildar en fullständig fast lösning tillsammans med denna.

Den exakta naturen av uppfinningen kommer att bättre framgå av den efterföljande beskrivningen, i vilken hän- visas till den bifogade ritningen, vilken visar kisel- nitridhörnet av basplanet hos det Si-Al-O-N-fasdiagram, som definierats i föreliggande uppfinning.

Uppfinningen avser sålunda en trefasig keramisk produkt och ett sätt att framställa denna. Detta sätt kännetecknas därav, att en pulverblandning bildas, vilken består väsentligen dels av en första komponent, som utgöres av föreningar, vilka innehåller elementen kisel, aluminium, syre och kväve i sådana proportioner, att förhållandet mellan det totala antalet kisel- och alu- “ miníumatomer och det totala antalet syre- och kväveatomer ligger i omrâdet 0,735-0,77 och dels upp till 10% av en andra komponent, som är en oxid av minst en av de ytterligare elementen yttrium, skandium, cerium, lantan och metallerna i lantanidserien, och att denna pulver- blandning sintras i en icke-reaktiv skyddsomgivning genom att blandningen placeras i en grafitdegel och övertäckes med en blandning av bornitrid- och kiselnitrid- pulver och genom att grafitdegeln och kiselnitrid- och bornitridpulvren omgives med kvävgas samt genom att sintringen utföres med eller utan utövande av tryck vid en temperatur av 1600-2000°C under en tid, som minskar med ökande temperatur och som är minst 10 min till minst 5 h, så att nämnda föreningar tillsammans reagerar med pulverblandningens andra komponent för att bilda ett två faser uppvisande keramiskt material, i vilket en AlON 6-z z z 8-z' där z är 0,38-1,5, och i vilket en andra fas uppfyller första fas uppfyller den allmänna formeln Si den allmänna formeln (Si, Al)l2MX(O, N)16, där M är litium, kalcium eller yttrium eller någon av lantaniderna 10 15 20 25 30 35 452 002 4 lantaniderna och x är mellan 0,1 och 2, tillsammans med en tredje fas, vilken innehåller minst ett av nämnda ytterligare element och som är en glasartad fas.

Vid det förfarande, som beskrivits i ovanstående stycke, arrangeras den första komponentens föreningar på ett sådant sätt, att summan av alla kisel- och alumi- niumatomer i föreningarna, dividerad med summan av alla närvarande syre- och kväveatomer är mellan 0,735 och 0,77 eller ännu hellre mellan 0,745 och 0,76. Tvåkompo- nentblandningen sintras sedan i en skyddsatmosfär, fö- reträdesvis en icke-oxiderande omgivning, eller ännu hellre i en reducerande omgivning vid en temperatur av 1600-ZOOOOC under en tillräcklig tid för att ge åt- minstone 90 vol% av det av ovanstående formel difinie- rade keramiska kiselaluminiumoxinitridmaterialet. Den erforderliga sintringstiden ökar med minskande tempera- tur, så att en sintringstid av minst 5 h erfordras vid en temperatur av l600OC även om minimitiden är enbart va 10 min vid sintringstemperaturen 2000OC.

De komponenter, som bildar den första komponenten i den ursprungliga blandningen, är lämpligen kiselnitrid, aluminiumnitrid, aluminiumoxid och kiseldioxid, varvid åtminstone en del av kiseldioxiden och aluminiumoxiden är närvarande som inneboende föroreningar i kiselnit- riden respektive aluminiumnitriden.

Alternativt kan den första komponenten definieras av kiselnitrid och en keramisk mellanprodukt, som inne- håller en kiselaluminiumoxinitrid, vilken inte uppfyl- ler den ovanstående allmänna formeln Si6_zAlz0ZN6_Z.

Sådana material har kallats "material av polytyp" och beskrives och definieras i den amerikanska patentskrif- ten 4 127 416, som redan har påpekats vara en del av föreliggande beskrivning. Exemplen 7-17 utnyttjar det av polytyp varande materialet av varianten 2lR, som definieras i denna amerikanska patentskrift. Företrädes- vis har kiselaluminiumoxinitriden hos den keramiska mellanprodukten en romboedrisk struktur och uppfyller 10 15 20 25 30 “s 452 002 5 den ungefärliga formeln SiAl6O2N6. Dessutom bildas den keramiska mellanprodukten företrädesvis genom att en pulverblandning av aluminiumoxid, aluminium och kisel upphettas till 1200-l400°C i en nitridalstrande atmos- fär, varvid upphettningshastigheten regleras för att väsentligen hindra exotermisk reaktion, varpå den nitrid- omvandlade blandningen sintras vid en temperatur av 1500-l900°C.

Alternativt kan mellanprodukten bildas genom upphett- ning av en pulverblandning av aluminiumoxid, aluminium- nitrid och kiselnitrid vid en temperatur av 1200-2000°C i en skyddsatmosfär, företrädesvis en icke-oxiderande skyddsatmosfär eller ännu hellre en reducerande atmosfär.

Om de relativa proportionerna mellan föreningarna i den första komponenten arrangerats på ett sådant sätt, att blandningen blir alltför syrerik, om dvs det ovan definie- rade atomförhállandet blivit under 0,735, blir resultatet att det under sintringen bildas en överdriven mängd glas- artat material, vilket har en skadlig inverkan icke blott pà produktens styrkeegenskaper vid hög temperatur utan även dess styrkeegenskaper vid låg temperatur. Vidare har det konstaterats, att det glasartade materialet inte kan avlägsnas genom det efterföljande värmebehandlingsförfaran- de, som diskuteras i detalj nedan. Om nämnda atomförhållan- de däremot överstiger 0,77, har det konstaterats, att otillräcklig mängd syre finnes närvarande för att bilda det glasartade material, som erfordras för att åstadkom- ma en konsolidering av produkten.

Det tillåtna området 0,l-10 vikt% för den andra komponenten i utgàngsblandningen väljes också på basis av att detta område ger den erforderliga glashalten i den sintrade produkten. De element, som valts för den andra komponenten, är cerium, yttrium, skandium, lantan eller ett element ur lantanidserien, eftersom dessa element har kraftigt eldfasta oxider, vilka bildar högsmältande glasarter tillsammans med närvarande kisel- och aluminiumoxid och eftersom dessa oxider gör att 10 15 20 30 452 ÛÛ2 6 produkten kan användas vid högre temperatur än vad som skulle vara möjligt med glastyper med lägre smältpunkt.

Den andra komponenten är alltså nödvändig för alstring av a-Si-Al-0-N-fasen hos den första komponenten, efter- som Q-Si-Al-0-N-komponenten enligt definitionen innehål- ler yttrium eller en av lantaniderna. Av de element, som valts för den andra komponenten, föredrages yttrium, eftersom närvaron av yttriumoxid i sintringsblandningen har visat sig resultera 1 produkter med hög styrka även utan användning av tryck.

Det har visat sig, att genomförande av framställ- ningsförfarandet enligt ovan resulterar i alstringen av en sintrad keramisk produkt, som innehåller minst 90 vol% av en tvåfasig kiselaluminiumoxinitrid tillsam- mans med en intergranulär komponent, vilken till domine- rande delen utgöres av en glasartad fas men som också eventuellt kan innehålla andra faser såsom YAG, YAM, N-YAM och Y-N-a-wollastonit. Närvaron av glas medver- “l kar till konsolidering av produkten under sintringen men har också benägenhet att resultera i en sänkning av högtemperaturegenskaperna hos den slutliga kompo- nenten. Det har emellertid visat sig, att mängden glasfas i den sintrade produkten kan minskas genom att produkten utsättes för ett slutligt värmebehandlingsförfarande, som omfattar höjning av produktens temperatur till inom 2oo°c från glasets smältpunkt (avs till ca 14oo°c 1 fråga om ett yttriumglas), varefter följer kylning av produkten för att kristallisera åtminstone en del av glaset i en intergranulär komponent, som innehåller andra faser såsom YAG, YAM, N-YAM och Y-N-Q-wollastonit.

BXEMPEL De utgångsmaterial, som utnyttjades i de efterföl- jande exemplen, har uppräknats nedan men kan vara samma utgàngsmaterial som har uppräknats i det ovan nämnda US-patentet 4 127 416, och kan även vara någon annan typ av kända utgångsmaterial, som tillgodoser kända förhållanden för framställning av Si-Al-O-N-material. 10 15 20 30 35 452 002 Kisel (Elkem Metals) Fe < l,0% C 0,1-0,4% typiskt Ca < 0,78 typiskt Al < 0,53% < 74 um partikelstorlek Yttrium (Molycorp, division av Union 76) 99,99% renhet < 44 um partikelstorlek Aluminium (Alcan Aluminium Corporation) 99,3% renhet 16 um medelpartikelstorlek RC-l72DBM 99,7% Al O 2 3 0,04% Na2O o,o7% sioz 0,03% Fe2O3 partikelstorlek < l um A-l6SG 99,5% Al2O3 0,05-0,09% Na2O 0,02-0,04% SiO2 0,01-0,02% Fe2O3 partikelstorlek < l um Aluminiumoxid (Reynolds) Aluminiumoxid (Alcoa) I efterföljande tabell 2 har procenthalterna av c-Si-Al-O-N och ß-Si-Al-O-N ursprungligen beräknats på l00%, eftersom inga andra kristallina faser var närva- rande, varvid ignorerades närvarande 10% glas, som inte kan kvantitativt bestämmas genom röntgendiffraktions- undersökning. Procentsatserna har reviderats för att inbegripa 10% glas, och därför kommer procentsatserna av a-Si-Al-O-N och ß-Si-Al-O-N tillsammans utgöra totalt 90%, vilket gör procentsatserna överensstämmande med tabell 2 (fortsättning). I beroende av den omvandling som man väljer blir procentsatserna korrekta.

EXEMPEL L En komposition, som bestod av 92 viktdelar kisel- nitridpulver (vilket innehöll ca 4 vikt% ytlig kisel- dioxid), 5 viktdelar aluminiumnitrid (som innehöll 6 10 15 20 25 30 35 452 002 8 vikt% ytlig aluminiumoxid), 5 viktdelar aluminiumoxid och 7 viktdelar yttriumoxid sammaldes i isopropanol under 96 h under utnyttjande av Si-Al-O-N-malmedium tills en medelpartikelstorlek av 0,96 um uppnåtts. Efter torkning siktades pulvret genom en sikt med maskvidden 297 um och pressades sedan isostatiskt vid 21 kg/mmz. É Stycken av det pressade materialet skars ut fràn den isostatiskt pressade kroppen och inbäddades i en bland- ning av lika viktdelar bornitrid- och kiselnitridpulver i en grafitdegel. Degeln placerades i en motstàndsupp- hettad, av grafitelement bildad ugn, och temperaturen höjdes till suo°c 1 vexuum den därefter till 1a3o°c vid l atm kvävetryck, varefter denna temperatur upprätt- hölls under 40 min. Efter kylning slipades stänger med storleken 5,08 x 5,08 x 20,32 mm med en slipskiva med kornstorleken l5-20 um (600 grit), och efter formkon- troll utsattes stängerna för 3-bockprov med ett yttre spann av 14,22 mm. Brustna stycken utnyttjades för den- ! sitets- och hârdhetsmätningar och fasbestämning genom röntgendiffraktionsundersökning. Materialets egenskaper anges i tabell l.

EXEMPEL 2 Detta exempel utfördes på samma sätt som exempel l, men sintringen utfördes vid l830oC under 60 min.

EXEMPEL 3 En komposition, som utgjordes av 92 viktdelar kisel- nitridpulver (vilket innehöll ca 4 vikt% ytlig kisel- dioxid), 5 viktdelar aluminiumnitrid (som innehöll ca 6 vikt% ytlig aluminiumoxid), 3 viktdelar aluminiumoxid och 7 viktdelar yttriumoxid sammaldes i isopropanol under utnyttjande av ett aluminiumoxidmalmedium under 48 h. Avnötningen från detta malmedium uppgick till 1,9 viktdelar, och det avnötta materialet inkorporerades i de totala kompositionen. Medelpartikelstorleken för det malda materialet var l,49 um. Pulvret behandlades på samma sätt som i exempel l bortsett från att sintring- en utfördes vid 17so°c under 40 min och 1s3o°c under l5 min. Egenskaperna anges i tabell l. 10 15 20 25 30 35 452 002 9 EXEMPEL 4 En komposition, som omfattade 92 viktdelar kisel- nitridpulver (vilket innehöll ca 4 vikt% ytlig kiseldi- oxid), 8 viktdelar aluminiumnitrid (som innehöll ca 6 vikt% ytlig aluminiumoxid) och 7 viktdelar yttrium- oxid sammaldes i isopropanol under 168 h under utnyttjan- de av ett tätt malmedium av Si-Al-O-N, varvid malningen fortgick tills en medelpartikelstorlek av 0,63 um uppnåtts.

Därefter behandlades detta pulver på samma sätt som i exempel l.

EXEMPEL 5 Samma material som i exempel 4 underkastades en värmebehandling av l400°C under 5 h i en stillastående kväveatmosfär. Resultaten anges i tabell 1.

EXEMPEL 6 En komposition, som omfattade 92 vikt% kiselnitrid- pulver (vilket innehöll ca 4 vikt% ytlig kiseldioxid), 8 viktdelar aluminiumnitrid (som innehöll ca 6 viktdelar ytlig aluminiumoxid) och 5 viktdelar yttriumoxid sammal- des i isopropanol under utnyttjande av ett aluminium- ~ oxidmalmedium under 48 h. Avnötningen frán detta malme- dium uppgick till 2,0 viktdelar, som inkorporerades i den totala kompositionen. Det malda pulvrets medelpar- tikelstorlek var 1,47 um. Därefter behandlades materialet på samma sätt som i exempel l med undantag av att sintring- en genomfördes vid l850oC under 60 min. Resultaten anges i tabell l.

EXEMPEL MED MATERIAL AV POLYTYP EXEMPEL 7 En provblandning bildades, vilken utgjordes av 86,9 vikt% kiselnitrid, 6,59 vikt% 2lR polytyp och 6,54 vikt% yttriumoxid. Pulverblandningen maldes sedan under två dygn under utnyttjande av Si-Al-O~N-cykloider som malmedium, tills den resulterande medelpartikelstorle- ken var l,07 um och tills 90% av materialet var finare än 2,21 um. Pulvret utsattes sedan för kall isostatisk pressning vid 21 kg/mmz, och den ràa pressade kroppen 10 15 25 30 'är 452 002 10 sintrades sedan under samma förhållanden som vid de tidigare exemplen men vid l830OC under 50 min. Det sint- rade materialet underkastades sedan analys, och egenska- perna anges i tabell 2.

EXEMPEL 8 Pulvret behandlades på samma sätt som i exempel 7 med undantag av att utgångspulverblandningen utgjordes av 81,3 vikt% kiselnitrid, 12,1 vikt% 2lR polytyp, 6,54 vikt% yttriumoxid. Det sintrade materialet analyserades, och egenskaperna anges i tabell 2.

EXEMPEL 9 Behandlingen av detta pulver utfördes på samma sätt som i exemplen 7 och 8 med undantag av att det i kulkvarnarna använda malmediet var aluminiumoxidcykloi- der. Den ursprungliga pulverblandningen utgjordes av 86,9 vikt% kiselnitrid, 6,54 vikt% 2lR polytyp och 6,54 vikt% yttriumoxid. Pulvret maldes till en medelpartikel- storlek av 0,91 um och 90% finare än 1,72 um. Det konsta- terades, att pulverblandningen hade fått ytterligare 3,55 vikt% aluminiumoxid, som tagits upp från aluminium- oxidcykloiderna.

Blandningen sintrades sedan vid l780°C under 40 min och l830oC under 25 min. Det sintrade materialet analyserades, och egenskaperna anges i tabell 2.

EXEMPEL 10 Den behandlade pulverblandningen omfattade 82,2 vikt% kiselnitrid, 1l,2 vikt% 2lR polytyp, 6,54 vikt% yttriumoxid och ytterligare 3,57 vikt% avnötningspro- dukter från aluminiumoxidcykloiderna under malningen i kulkvarn. Medelpartikeldiametern var 0,93 um, varvid 90% av materialet var finare än 1,77 um efter malning- en. Denna komposition sintrades på samma sätt som i exempel 9. Det sintrade materialet analyserades, och egenskaperna anges i tabell 2.

EXEMPEL ll Den bearbetade pulverblandningen omfattade 85 vikt% kiselnitrid, 8,4 vikt% 21R polytyp, 6,54 vikt% yttrium- 10 15 25 30 35 452 002 11 oxid och en direkt tillsats av 2,51 vikt% aluminiumoxid och O,l vikt% kiseldioxid. Blandningen maldes med hjälp av malmedium av Si-Al-O-N till en medeldiameter av 1,0 um. Det sintrade materialet analyserades, och egenskaper- na anges i tabell 2.

EXEMPEL 12 En komposition, som omfattade 83 viktdelar Si3N4 (med 1,0 vikt% O som ett ytskikt), l7 viktdelar 2lR polytyp, 7 viktdelar yttriumoxid och 3 viktdelar aluminium- oxid, sammaldes 1 isopropanol under 72 h under utnyttjan- de av malmedium av Si-Al-O-N, varvid malningen fortgick tills medelpartikelstorleken 0,71 um erhållits. Efter torkning siktades pulvret genom en sikt med maskvidden 297 um, och därefter pressades pulvret isostatiskt vid 21 kg/mmz. Stycken av det råa pressade materialet ut- skars från den isostatiskt pressade kroppen och inbädda- des i en blandning av 75 viktdelar kiselnitridpulver och 25 viktdelar bornitridpulver i en grafitdegel. De- W* geln placerades i en av grafitelement uppbyggd, motstånds- upphettad ugn och temperaturen höjdes till 900°C i vakuum een därefter till 17so°c under 40 min 1 1 een kväve, följt av 25 min vid 1s3o°c, varefter följde kylning under ca 30 min till l000°C. Egenskaperna anges i ta- bell 2.

EXEMPEL l 3 En komposition, som bestod av 77 viktdelar kisel- nitrid (med 1,09 vikt% 0 som ett ytskikt), 23 viktdelar 2lR polytyp, 7 viktdelar yttriumoxid och 3 viktdelar aluminiumoxid utnyttjades. Behandlingen var identisk med behandlingen i exempel l2. Medelpartikelstorleken hos det malda pulvret var 0,84 um. Egenskaperna anges i tabell 2.

TABELL 14 I detta exempel behandlades en komposition, som bestod-av 75 viktdelar kiselnitrid (med 1,09 vikt% O som ett ytskikt), 25 viktdelar 2lR polytyp, 7 viktdelar yttriumoxid och 3 viktdelar aluminiumoxid. Behandlingen 10 15 20 25 30 'J I' 452 002 12 var densamma som i exempel 12. Medelpartikelstorleken hos det malda pulvret av 0,92 um. Egenskaperna anges i tabell 2.

EXEMPEL 15 En komposition behandlades, som bestod av 75 vikt- delar kiselnitrid (med 0,77 vikt% O som ett ytskikt), 25 viktdelar 2lR polytyp, 7 viktdelar yttriumoxid och 9 viktdelar aluminiumoxid. Behandlingen var densamma som i exempel l2. Medelpartikelstorleken hos det malda pulvret var 0,82 um. Egenskaperna anges i tabell 2. 7 EXEMPEL 16 En komposition behandlades, som bestod av 85 viktde- lar kiselnitrid, 15 viktdelar 2lR polytyp, 7 viktdelar yttriumoxid och l,0 viktdelar aluminiumoxid. Behand- lingen var densamma som i exempel l2. Medelpartikel- storleken hos det malda pulvret var 0,95 um. Egenska- perna anges i tabell 2.

EXEMPEL l7 *Ü En komposition behandlades, som bestod av 85 viktde- lar kiselnitrid, l5 viktdelar polytyp, 7 viktdelar ytt- riumoxid och 8 viktdelar aluminiumoxid. Behandlingen var identisk med exempel l2. Det malda pulvrets medel- partikelstorlek var 1,09 um. Egenskaperna anges i tabell 2.

De kompositmaterial, som framställdes i de ovanståen- de exemplen, uppvisade överlägsna metallskärningsresultat, när de utnyttjades som skärinsats. överlägsna resultat uppnàddes, när gjutjärn och nickellegeringar maskin- bearbetades. De resultat, som 1 tabellerna rapporteras för de första elva exemplen, omfattar brottstyrkan i tvärriktningen av materialet, varvid denna brottstyrka bestämts i enlighet med vad som anges i det amerikanska patentet 4 l27 416 och med de dimensioner, som specifice- rats i exempel l i beskrivningen.

Det har sedan konstaterats, att brottsegheten hos materialet är en mycket bättre indikation på materia- lets metallskärningsförmåga än brottvärdena i tvärrikt- 10 15 20 25 30 35 452 002 13 ningen. För exemplen 12-l7 har dessa värden därför rappor- terats i stället för brottstyrkan i tvärriktningen.

Brottseghetsproven utfördes med en Vickers-diamant- spets med 18 kg last. Brottsegheten beräknades från dimensionerna i intryckningsmärket och tillhörande sprick- or tillsammans med lasten och en Young-modul av 305 GPa under utnyttjande av det förfarande, som beskrives av A G Evans och E A Charles i Journal of the American 59 (1976), sid 371.

Exemplen 10, 12, 13 och 14 visar att en ökning Ceramic Society, vol. av procentsatsen d-Si-Al-O-N erhålles vid ökande mängd polytyp_ Exemplen l6 och l7, 14 och 15 visar att a-Si-Al-O-N-halten och hárdheten minskar med minskande aluminiumoxidhalt.

Föreliggande uppfinning definieras ytterligare med hänvisning till fig l. Det må även hänvisas till de amerikanska patentskrifterna 4 127 416 och 4 ll3 503 som tillhör Lucas Industries och som visar Si-Al-0-N- Ü” fasdiagrammet.

Det rektangulära kompositionsomràde, som sökes skyd- dat av Lucas Industries, har angivits på ritningen. Grän- serna är angivna vid z-värden av 0,38 och 1,5, där "z" 6-zAlzOzN8-z' De övre och nedre gränserna är katjon:anjonförhàllan- àterfinnes i formeln för ß-Si-Al-O-N hos Si dena (c/a) 0,735 och 0,770. Lucas har definierat c/a-för- hållandena som mol kisel Plus mol aluminium delat med kvantiteten mol syre plus mol kväve. Bidraget av yttrium- oxid har inte inkluderats. Ett överskridande av det övre c/a-förhållandet resulterar i alltför mycket glas, som är skadligt för egenskaperna hos enfasig ß-Si-Al-O-N.

Sintring av enfasig ß-Si-Al-O-N är svår vid förhållanden över 0,770.

Det kompositionsområde, som överlappar det av Lucas Industries patentsökta omrâdet, har definierats med distinkta skillnader. De gränser som finns vid z = 0,38 och z = 1,5, är gemensamma med Lucas Industries, men de övre och nedre gränserna är baserade på ett tvåfa~ 10 15 20 25 30 35 452 002 14 sigt keramiskt material o-Si-Al-O-N plus ß-Si-Al-O-N. c/a-förhållandet definieras som mol kisel plus mol alumi- nium plus mol yttrium, delat med mängden mol syre plus mol kväve. Yttriumoxid inkluderas i c/a-förhållandet, vilket är lämpligt eftersom yttrium är en integrerad del av a-Si-Al-O-N.

För det andra har de ekvivalenter, som beräknats av Lucas Industries, avsett enbart Si, Al, O, N och uteslu- tit Y 0 2 3' ning har ekvivalentberäknats med yttriumoxid, vilket Kompositionerna enligt föreliggande uppfin- resulterar i en kompositionspunkt, som ligger något över basplanet hos fasdiagrammet. Kompositionspunkten har sedan projicierats till basplanet, vilket resulterar i en effektiv ekvivalent för kisel och aluminium. Kväve och syre kommer inte att påverkas. De effektiva ekviva- lenterna har angivits i figuren. Nedanstående tabell A visar skillnader mellan Lucas Industries patentsökta kompositioner och det nu patentsökta sättet enligt exem- fl= pel 9.

TABELL A ål ål. 9 E Y .LC a.

Lucas' ekvivalent 0,9299 0,070l 0,0553 0,944? - 0,747 Ekvivalent (inkluderan- de YZO3) 0,9l02 0,0687 0,0753 0,924? 0,02ll 0,744 Effektiv ekvivalent 0,9208 0,0793 0,0753 0,924? - - På detta sätt kommer kompositionsomràdet att definieras på basplanet men kompositionsomràdet har indirekt tagit hänsyn till inverkan av yttriumoxid, vilket är viktigt eftersom yttriumoxid kommer att ingå i d-Si-Al-O-N-struk- turen.

Det övre gränssegmentet med ett konstant c/a-förhål- lande av 0,739 representerar de effektiva ekvivalent- kompositionerna hos slutkompositionen mellan 0 och 10% a-Si-Al-O-N. Exemplen 17 och 15 definierar en linje 10 15 20 35 452 002 15 Oeff eq.= 0,l644 (Aleff eq) + 0,0865, som skär linjen för konstant c/a = 0,739 vid (0,ll43, O,l053) och linjen för z = 1,5 vid (0,2084, 0,l208). Kombinationen av linje- segmentet för c/a-förhållandet = 0,739 och segmentet mellan de ovan beskrivna skärningspunkterna, represen- terar kompositionerna med en effektiv ekvivalentpro- centsats, som resulterar i en slutlig d-Si-Al-O-N-halt av 0-10%. Den nedre gränsen representerar ett konstant c/a-förhållande av 0,794. Förhållandet motsvarar komposi- tionsområdet för a-Si-Al-O-N med maximalt praktisk ytt- riumsubstitution i a~Si-Al-0-N-strukturen. Den allmänna formeln för u-Si-Al-O-N, som föreslagits av K H Jack i "The Role of Additives in the Densification of Nitro- gen Ceramics" (oktober 1979) i European Research Office, United States Army Grant No. DAERO-78-G-012, är Yxsil2-(m+n)Alm+nonNl6~n' n = 0-2,5. där x är 0,2, m = l - 4 och DEFINITIONER Av FASER *M l. ß' är en hexagonal fas med den allmänna formeln Si Al 0 N 6-2 z z z-z karakteristiska mönster för z = 0 och z = 4 ß' vid , där 0 < z < 4,2. Detekteras med röntgendiffraktion. 2. Q' är en hexagonal fas med den allmänna formeln (si, A1)l2Mx(o, N)l6, där M = lantanider.

Li, Ca, Y eller andra 2; detta är lämpligt i fråga om Ca men för Y är maximum av prak- Teoretiskt maximum är x = tiska skäl ca 0,7. Detekteras genom röntgendiffrak- tion. 3. Q-Si3N4 är en osubstituerad allotrop av Si3N4. 4. N-YAM är en monokllnisk fas med formeln Y4Si2O7N2.

Isostrukturell med YAM-Y4Al2O9 fast lösning tillsammans med denna. och bildar en komplett 5. Y-N-a-wollastonit är en monoklinisk fas med formeln YSiO2N. 6. YAG är en kubisk fas med formeln Y3Al5Ol2. substitution av Al med Si och samtidig ersättning ViSS av O med N kan uppträda. 16 Emwlz 452 002 .mä wmfimmßdm .Sååå Nm 3 Rim 82 0:a | w nflomëmw. omw ämm JvfiMBmmZÉLÄYZLfl äfifà ä 3 Oäâ 38 mxæ QS m ^z~ofimš fiqßwmfifiâfçvïfl N ß N *N m8 ^ z o Hm ü :fiïz m3 øßäwflm mfiäëå 2 t. Rån omä mia QR w ^z~o3ë fiëopmmfiflâïc|zfw zoo fiwzßomflmfiæc zfiTz .m3 ømuäwmfim wflfimzaw 3 8 Små 35 måm Nâm m Afßowfimvwv zETz ämm .m3 mßäwflqm NÜHQT» w ä Éüm 33 ïä QS N ^~zßomfiwvš zfiTz ämm .mä øßämmfiw Sång; m ä åmzfi. 32 ä? QE H m v m rßre.. må ÅTÉ må å ß H> .n I H ß .Qz .m3 .ä _ _69 53 0.93 E 3 m5: ëwxm m: m så ä: ES. Näää: hsfifipmš» fl ...wwfi wwâäšmz pmäwcå :wänfuooš ...å Hflmšñom fluñmfioum H .HuMmEB 452 002 17 :än ummmw mcflflfimumflux mumfiscmumumucfi mamma :mus mmm wmugmmmflm wfißflmzfw H.m~ m.mw m~.m mwßfi m.~m m.w> HH Hwwmm mnfiflfimumflux mnmfløcmumuwucfl mnmmc caps www øßuummmflm mfl@~m;|> o~@m @.@m @N.m | o.«m ~.w@ OH »wwww m=«HHm»mfiH¥ mnmfiscmumuwwcfi mummø :mus mmm umuummmfim mflßflmnfw o.«H Q.w> >~.n æfißfl m_~m >_w> m uwmmw m=fi~Hm»wHH¥ mumfiscmumuwucfi mumw: :avs www ømuummmfiw m«»Hm;|> >.mm ~.«m m>~.~ Hwßfi ~.«m H.m> m Hwmmw mcfififimpwflux mumfiscmuwuwucfl mamma =mps mmm umpumwmflw mfi»fimn|» m.mH ß.«> m~_m 1 m.~m >_wm ß m Ä m ANfÉ må ATÉ mä mm ß flu>n a z flwLaæ Q* H . _ A ao mv uwmfi ^@wmH wx ow mcflc lewxm mf w OCH »mn øH>v uwnuumn |»xfl-m>~ fl uwwmw m@=m~m>Hmz uwpfimømn |wHmn|moo=x =<= Hflmzxuom mxu>»m»uo»m N qqümmä 452 002 18 3152' cw>muxucwumm ußm cmëmu Ecfl mmumm :ax uwcoflumxflwfiøoâ wwäëä: .Hwwmw mëä mmfi 1 om 21.0, 83 flä Nñm S wwääåmn hæmmw 96mm mwfi mån måm RJ 32 Qä 36 3 wwcmwšwwu äwfi Weä mmfi wä ïâ 2:... 33 0.8 så 2 møääsä: »mmmw mëä mmfi Qfl Qi SLM wmfi NJA Nfiß S wwänšpw: ämmm mëä mwš iQ Qä Sá 33 QS Rs. 3 wwääñm: ...ömma mäâ. mwš »än Q? 3.» 23 2% 3.» S. ä m mus: 9: mm mmfišo .c z 38» .å 33 Små 3 8 e H š . mïeu m. m OS ä; 33 uwåä; å? _ Läxa »wfimcå èäßäooë __<._ flæañom »åmwfiuohm uwmmm wøsmnm>HmZ cwfifiuwwflflowv N fimmâ.

Claims (6)

10 15 20 25 30 452 002 19 PATENTKRAV

1. Keramiskt material av kiselaluminiumoxinitrid, k ä n n e t e c k n a t därav, att materialet omfattar en a- och B-faskomposit av Si-Al-O-N-material och en glasartad fas, varvid a-fasen av Si-Al-O-N utgör 10-70 vikt% av det keramiska materialet, B-fasen av Si-Al-O-N utgör 20-90 vikt% av det keramiska materialet och den glasartade fasen utgör 0,1-10 vikt% av det keramiska materialet.

2. Material enligt patentkravet l, k ä n n e - t e c k n a t därav, att det har en hårdhet av minst 92,5 HRA, mätt med en 60 kg last.

3. Material enligt patentkravet l eller 2, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den glasartade fasen också innehåller en kristallin fas ur gruppen YAG (yttrium- aluminiumgranat), YAM (monoklinisk fas med formeln ”w Y4Al2O9), N-YAM (en monoklinisk fas med formeln Y4Si2O7N2) och Y-N-a-wollastonit (en monoklinisk fas med formeln YSiO2N).

4. Sätt att framställa en keramisk produkt av kisel- aluminiumoxinitrid, k ä n n e t e c k n a t därav, att en pulverblandning bildas, vilken består väsentligen dels av en första komponent, som utgöres av föreningar, vilka innehåller elementen kisel, aluminium, syre och kväve i sådana proportioner, att förhållandet mellan det totala antalet kisel- och aluminiumatomer och det totala antalet syre- och kväveatomer ligger i området 0,735-0,77 och dels upp till 10% av en andra komponent, som är en oxid av minst en av de ytterligare elementen yttrium, skandium, cerium, lantan och metallerna i lanta- nidserien, och att denna pulverblandníng sintras i en icke-reaktiv skyddsomgivning genom att blandningen place- ras i en grafitdegel och övertäckes med en blandning av bornitrid- och kiselnitridpulver och genom att gra- fitdegeln och kiselnitrid- och bornitridpulvren omgives 10 15 20 25 452 002 20 med kvävgas samt genom att sintringen utföres med eller utan utövande av tryck vid en temperatur av 1600-2000°C under en tid, som minskar med ökande temperatur och som är minst 10 min till minst 5 h, så att nämnda före- ningar tillsammans reagerar med pulverblandningens andra komponent för att bilda ett två faser uppvisande kera- miskt material, i vilket en första fas uppfyller den allmänna formeln Si6_zAlZOzN8_Z, där z är 0,38-1,5, och i vilket en andra fas uppfyller den allmänna formeln (Si, Al)12Mx(0, N)16, där M är litium, kalcium eller yttrium eller någon av lantaniderna och x är mellan 0,1 och 2, tillsammans med en tredje fas, vilken inne- håller minst ett av nämnda ytterligare element och som är en glasartad fas.

5. Sätt enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k - n a t därav, att skyddsomgivningen åstadkommes genom att blandningen placeras i en grafitdegel och placeras i en blandning av bornitrid- och kiselnitridpulver i lika viktmängder.

6. Användningen av ett keramiskt material av kisel- aluminiumoxinitrid, vilket material omfattar en a- och B-faskomposit av Si-Al-O-N-material och en glasartad fas, varvid a-fasen av Si-Al-O-N utgör 10-70 vikt% av det keramiska materialet, B-fasen av Si-Al-O-N utgör 20-90 vikt% av det keramiska materialet och den glasartade fasen utgör 0,1-l0 vikt% av det keramiska materialet som en skärinsats för metallbearbetning.