SE465366B - Homogen, sintrad kiselnitridkropp med en korngraensfas samt foerfarande foer dess framstaellning - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 465 566 2 kornen och det främmande materialet i utgångsmaterialet, eller variationen i vattenhalt, orsakat ojämn korndes- integration, vilket resulterar i nackdelar såsom por- bildning, vilken kvarstår i de formade kropparna efter sintring, eller tillväxt av en kristallin fas, vilken utgör mer än en väsentlig andel i korngränsen, varigenom homogena, att erhålla.

Särskilt i fallet med användning till lagerdelar, sintrade kiselnitridkroppar varit omöjliga slitagedelar eller friktionsdelar påverkar andelen av den kristallina fasen i korngränsen i hög grad dessa delars livslängd, varför det har varit erforderligt att tillverka sintrade kroppar med en kristallin fas som inte överstiger en viss andel i korngränsen i syfte att åstadkomma resulterande sintrade kroppar med en livslängd som är längre än den för de konventionella.

I fallet med användning till bl a lagerdelar är det känt att utmattningslivslängden vid valsning för dess material är viktig. Följaktligen är utveckling av ett material som är homogent och har stor seghet erforderlig för förbättring av utmattningslivslängden vid valsning.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att genom undanröjning av de ovannämnda nackdelarna inom den kända tekniken åstadkomma sintrade kiselnitrid- kroppar, som är homogena och har stor seghet, och ett förfarande för tillverkning av desamma.

Det ovannämnda ändamålet kan uppnås med hjälp av de olika aspekterna av uppfinningen; dvs en homogen, sintrad kiselnitridkropp, som kännetecknas av en volyms- andel av den kristallina fasen i korngränsen av högst 50% i förhållande till totala korngränsfasen, en maximal pordiameter av högst 10 um och en porositet av högst O,5% (en första aspekt av uppfinningen); ett förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp, där ett kiselnitridutgångsmaterial och ett sintringsmedel blandas, pulvriseras, granuleras, formas och därefter 10 15 20 25 30 465 366 3 bränns, vilket förfarande kännetecknas av att en tempe- ratursänkningshastighet frán bränntemperaturen till lO00°C av minst 30°C/min används (en andra aspekt av uppfinningen); och ett förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp, där ett utgångs- material för kiselnitrid och ett sintringsmedel blandas, pulvriseras, granuleras, formas och därefter bränns, vilket förfarande kännetecknas av att en kiselnitrid, som innehåller minst 90% a-kiselnitrid och har en genom- snittlig korndiameter av högst 1 pm, och ett sintrings- medel med en genomsnittlig korndiameter av högst l pm, används såsom utgângsmaterial resp sintringsmedel, var- vid det granulerade pulvret snabbtorkas en gång, var- efter, om så är erforderligt, vatten tillsätts före formningen (en tredje aspekt av uppfinningen).

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Vid föreliggande uppfinning bestämdes den maximala pordiametern och porositeten genom optisk, mikroskopisk observation vid en förstoring av 400 ggr av en speglande, polerad yta hos den sintrade kroppen. Den maximala por- diametern är den största uppmätta diametern bland 1000 uppmätta porär. Alternativt erhölls en total porarea genom addering av alla areor hos de 1000 verkligen upp- mätta porerna, och porositeten erhölls genom division av totala porarean med hela arean av det för mätningen erforderliga synfältet.

Andelen (A) av den kristallina fasen i korngränsen i förhållande till totala gränsfasen i en sintrad kropp erhölls vidare med hjälp av följande ekvationer: volymsandel kristallin korngränsfas (V2) A= xl00% volymsandel för totala korngränsfasen (Vä) 10 15 20 25 30 35 465 366 där, V1 är ett areaförhållande (%) för korngränsfasen, vilket erhållits från ett mikrofotografi av en fin struktur som uppvisas på en etsad, speg- lande, polerad yta av den sintrade kroppen, där korngränsfasen är urskiljbar från Si3N4 (eftersom ett areaförhållande i ett tvärsnitt av den sintrade kroppen kan betraktas som ungefär lika med ett volymsförhållande, används här areaförhållandet för att definiera volymsför- hállandet), och naximala topphöjden för den kristallina fasen i korngränsen* V2= (üqgmöjdauvid I x 5) ß(ll0) x 6-förhållandet x (100 V1)/100 Anmärkning: * när korngränsens maximala topphöjd inte är identifierbar beroende på överlappning med Si3N4-toppen, används ett värde som erhållits från topphöjden vid I/Il = K (K är så nära 100 som möjligt) multiplicerat med l00/K.

Alternativt beräknas andelen (B) av den kristallina fasen i korngränsen i förhållande till den kristallina fasen av kiselnitrid enligt följande ekvation: naximala topphöjden för den kristallina fasen i korngränsen B= x ß~för- (topphöjden vid IB(l00) x 5) hâllandet (I . + I ) X 100 ß~förhå11anaet= I ffâm) f(š1°) + I a(l02) u(2l0) ß(l0l) ß(2l0) där, “ Ia(lO2)= topphöjden för d-Si3N4 (102), Ia(2l0)= topphöjden för a-Si3N4 (210), * Iß(1Ol)= topphöjden för B-Si3N4 (101), och Iß(2l0)= topphojden for S-S13N4 (210). 10 15 20 25 30 35 465 366 5 I den homogena, sintrade kiselnitridkroppen enligt föreliggande uppfinning är volymsandelen av den kristal- lina fasen i korngränsen i förhållande till totala korn- gränsen högst 50%, företrädesvis högst 30%, och helst högst 10%. Om andelen av den kristallina fasen i korn- gränsen överstiger 50%, får den sintrade kroppen en inhomogen, fin struktur, vilken resulterar i försämring av nötningshållfastheten, utmattningslivslängden vid valsning etc.

Dessutom utgör företrädesvis denna kristallina fas i korngränsen högst 5%, särskilt företrädesvis högst 2%, av den kristallina kiselnitridfasen.

Den sintrade kroppen enligt föreliggande uppfinning har dessutom en maximal pordiameter av högst 10 um, företrädesvis högst 6 pm, och helst högst 4 pm. Den sintrade kroppen enligt föreliggande uppfinning har dessutom en porositet av högst 0,5%, företrädesvis högst 0,3%, och helst högst 0,l%. När den sintrade kroppens maximala pordiameter överstiger 10 um och porositeten överstiger O,5%, försämras de mekaniska egenskaperna, såsom segheten, hårdheten och liknande, varigenom nöt- ningshållfastheten, utmattningslivslängden vid valsning etc, också försämras.

Den sintrade kiselnitridkroppen enligt föreliggande uppfinning innehåller dessutom såsom sintringsmedel åtminstone en oxid som är vald från den grupp som består av oxider av sällsynta jordartsmetaller, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och Al2O3, företrädesvis YZO3, ZrO2 i en mängd per typ av företrädesvis 0,1-10 vikt%, helst och MgO. Dessa sintringsmedel förekommer 0,5-5 vikt%, och i aggregatet (totalmängden av alla sintringsmedel) företrädesvis 0,5-20 vikt%, helst l-15 vikt%.

Uttrycket "typ" ovan skall tolkas som en oxid som är vald bland de fyra typerna av oxider, dvs oxider av sällsynta jordartsmetaller, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och Al2O3. I fallet med oxider av säll- 10 15 20 25 30 35 465 566 6 synta jordartsmetaller eller alkaliska jordartsmetaller, kan denna typ inkludera en mångfald föreningar, som emellertid företrädesvis föreligger i aggregatet i en halt av totalt 0,1-10 vikt%.

När mängden av aggregatet ligger i området l-5 vikt%, förbättras korrosionshärdigheten mot syror och/eller alkali, varför detta omrâde är föredraget i fallet där en antikorrosiv egenskap är erforderlig.

I fallet där oxiderna övergår till nitrider genom en reaktion under sintringen, är de ovannämnda halterna omvandlade till motsvarande värden för oxider.

När sintringsmedelshalten understiger det ovannämnda området, blir kiselnitridens packningsförmåga alltför låg, medan när mängden av aggregatet överstiger 20 vikt%, ökar andelen korngränsfas så mycket att kiselnitridens inneboende egenskaper tenderar att försämras.

Bland de ovannämnda sällsynta jordartsmetallerna och Yb O . Såsom oxider O 2 3 2 7 av alkaliska jordartsmetaller används t ex MgO och SrO. används t ex La2O3, CeO2, Y Homogena, sintrade kiselnitridkroppar med ovannämnda sammansättning och egenskaper kan tillverkas med hjälp av ett förfarande som inbegriper företrädesvis snabb- torkning en gång av pulver av granulerat material, till- sättning av vatten om så är erforderligt, formning, efterföljande bränning och därefter kylning från brän- ningstemperaturen till l000°C vid en temperaturminsknings- hastighet av åtminstone 30°C/min (i det följande kallas detta förfarande för enkelhets skull för ett första tillverkningsförfarande). Vid detta första tillverk- ningsförfarande är nämligen det viktigaste särdraget att bibehålla temperatursänkningshastigheten efter brän- ningen vid eller över en förutbestämd nivå.

Temperatursänkningshastigheten efter bränningen är åtminstone 30°C/min, företrädesvis åtminstone 50°C/min och helst åtminstone 80°C/min.

När temperatursänkningshastigheten är lägre än 30°C/min tenderar den kristallina fasen i korngränsen S* 10 15 20 25 30 35 465 366 7 att separera under kylningen, vilket resulterar i en inhomogen, fin struktur.

När bränningssteget består av ett inledande brän- ningssteg vid normalt tryck och ett efterföljande brän- ningssteg vid trycket under isostatisk varmpressing, kommer en kylningsoperation, som utförs med en tempera- tursänkningshastighet av åtminstone 30°C/min i antingen det inledande eller efterföljande bränningssteget, väsent- ligen att förhindra separationen av den kristallina fasen i korngränsen, vilket ger sintrade kroppar med en homogen, fin struktur. Om kylningsoperationen vid en temperatursänkningshastighet av åtminstone 30°C/min alternativt utförs vid både det inledande och efterföl- jande bränningssteget, kan mer föredragna resultat er- hållas jämfört med fallet där en sådan kylning utförs vid endast ett bränningssteg.

Dessutom är det föredraget att eventuellt sätta vatten till det snabbtorkade, granulära pulvret för eliminering av skillnader i vattenhalten granulat sins- emellan, varigenom enhetliga granulat kan erhållas.

Såsom beskrivits ovan beträffande förfarandet enligt föreliggande uppfinning, sker bränningssteget efter formningssteget. Vid bränningssteget används två olika metoder, nämligen bränning vid normalt tryck och brän- ningsbehandling i två steg, vilken består av ett inledande bränningssteg vid normalt tryck och ett efterföljande steg vid trycket vid isostatisk varmpressning. Vid denna bränningsbehandling i två steg kan det inledande brän- ningssteget antingen vara inledande bränning eller inkaps- ling till kapslar (behandling-i-kapsel-förfarande) av formade kroppar. Vid det inledande bränningssteget bränns de formade kropparna först vid 1400-l600°C, företrädesvis i kväveatmosfär vid normalt tryck. Om bränningstempera- turen är lägre än l400°C, försvinner inte öppna porer ens efter bränningen, varför tätsintrade kroppar inte kan erhållas ens efter den isostatiska varmpressningsbe- handlingen. Om bränningstemperaturen är högre än l600°C 10 15 20 25 30 35 465 366 8 sker å andra sidan en nedbrytningsreaktion av kiselnitrid, varför homogena, sintrade kroppar med hög densitet och stor seghet inte kan erhållas ens efter den isostatiska varmpressningsbehandlingen.

Vid behandling-i-kapsel-förfarandet inkapslas sam- V) tidigt de formade kropparna efter vakuumextraktion i glaskapslar, vilka företrädesvis inbegriper Si02 såsom huvudkomponent, eller inbäddas i glaspulver, som smälts genom upphettning under bränningen, för inkapsling av de formade kropparna. Såsom kapsel är glas föredraget, p g a dess utmärkta bearbetbarhet och tätslutningsförmåga under isostatisk varmpressning.

När behandling-i-kapsel-förfarandet utförs, sker inkapslingen till kapslar av formade kroppar och den isostatiska varmpressningen i följd, vanligtvis i samma sintringsugn.

Efter det att dessa inledande bränningsbehandlingar har genomförts, sker en behandling i form av isostatisk varmpressning vid 1500-l900°C i kväveatmosfär vid ett tryck av företrädesvis 20-170 MPa (200-l700 atm).

Vid föreliggande uppfinning kan dessutom homogena, sintrade kiselnitridkroppar med de ovannämnda egenskaperna också tillverkas genom användning av ett kiselnitridut- gàngsmaterial som innehåller minst 90% a-kiselnitrid (a-Si3N4) och har en genomsnittlig korndiameter av högst l um, och ett sintringsmedel med en genomsnittlig korn- diameter av högst l pm, snabbtorkning en gång av granu- lerat pulverutgångsmaterial, därefter tillsättning av vatten om så är erforderligt och formning, följt av bränning (i det följande kallas för enkelhets skull detta förfarande för ett andra tillverkningsförfarande).

L? Vid det andra tillverkningsförfarandet har kisel- nitridutgångsmaterialet och sintringsmedlen som skall användas en genomsnittlig korndiameter av högst l pm, företrädesvis högst 0,8 um och helst högst 0,6 um. När den genomsnittliga korndiametern överstiger 1 um, sker 10 15 20 25 30 35 465 366 9 en ojämn reaktion mellan kiselnitriden och sintrings- medlet, och den kristallina fasen i korngränsen tenderar att separera under kylningen, vilket resulterar i en inhomogen, fin struktur.

Det är dessutom känt att två typer av kristall- strukturer, dvs a-fas och B-fas, förekommer i kisel- nitriden. I detta fallet är det föredraget att använda ett kiselnitridutgångsmaterial innehållande minst 90% a-kiselnitrid för erhållande av en sintrad Sí3N4-kropp med stor seghet, hög densitet och stor hårdhet.

I fallet med det andra tillverkningsförfarandet utförs dessutom bränningen, såsom beskrivits ovan, vid normalt tryck eller vid det inledande bränningssteget vid normalt tryck, och vid det efterföljande vid trycket under isostatisk varmpressning. Denna isostatiska varm- pressning utförs vid 1500-l900°C, företrädesvis i kväve- atmosfär vid ett tryck av 20-150 MPa (200-1500 atm).

Vid det första och andra tillverkningsförfarandet används såsom sintringsmedel som skall blandas med kisel- nitridutgångsmaterialet åtminstone en oxid som är vald från den grupp som består av oxider av sällsynta jord- artsmetaller, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och Al2O3, i en mängd per typ av 0,1-10 vikt%, företrädes- vis 0,5-5 vikt%, och i aggregatet 0,5-20 vikt%, företrä- desvis 1-15 vikt%. Det ovannämnda uttrycket "typ" innebär också liksom tidigare en typ som är vald bland de fyra typerna av oxider, dvs oxider av sällsynta jordartsmetal- ler, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och Al2O3 eller alkaliska jordartsmetaller, kan denna typ inkludera . I fallet med oxider av sällsynta jordartsmetaller en mångfald föreningar, som emellertid företrädesvis förekommer i aggregatet i en mängd av totalt 0,1-10 vikt%.

I fallet med användning av ett salt som omvandlas till en oxid genom upphettning, är de ovannämnda halterna omvandlade till de motsvarande för oxiden.

De ovannämnda sintringsmedlen används företrädesvis 465 366 10 15 20 25 30 35 10 som en kombination av YZO3 och ZrO2 tillsammans med en oxid av en alkalisk jordartsmetall, företrädesvis MgO.

ZrO2 kan tillsättas genom nötning av ZrO2-malgods, eller i form av ett ZrO2-pulver eller ett Zr-salt för bildning av ZrO2 vid upphettning. Tillsättningen i form vid av ZrO2-pulver eller Zr-salt för bildning av ZrO2 upphettning är föredragen framför alternativet där ZrO2- -malgods nöts, eftersom en mer enhetlig fördelning av Zr02 kan uppnås för erhållande av en homogen struktur.

Bland de ovannämnda sintringsmedlen används företrä- desvis La203, CeO2 och YZO3 såsom oxider av alkaliska jordartsmetaller, och MgO och SrO såsom oxider av alka- liska jordartsmetaller.

Enligt det ovan beskrivna första eller andra till- verkningsförfarandet, kan homogena, sintrade kiselnitrid- kroppar med ovan beskrivna egenskaper tillverkas.

Föredragna utföringsformer av den ovan beskrivna uppfinningen är sammanfattade enligt följande: (a) En homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt uppfinningen, där volymsandelen av den kristallina fasen i korngränsen är högst 30%. (b) En homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, vilken innehåller O,l-10 vikt% per typ och i aggregatet 0,5-20 vikt% per typ, av åtmins- tone en oxid som är vald från den grupp som består av fyra typer av oxider, nämligen oxider av sällsynta jord- artsmetaller, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och Al2O3. (c) En homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, vilken kropp innehåller YZO3, ZrO och MgO. (d) Förfarande för tillverkning av en homogen, 2 sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, vilket förfarande inbegriper snabbtorkning en gång av det granulerade pulvret, tillsättning av vatten om så är erforderligt, formning och därefter bränning.

(I 10 15 20 25 30 35 465 366 ll (e) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid bränningssteget utförs vid normalt tryck. (f) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid bränningssteget utgörs av ett inledande brän- ningssteg vid normalt tryck och ett efterföljande brän- ningssteg vid trycket under isostatisk varmpressning, och kylningen utförs vid en temperatursänkningshastighet av åtminstone 30°C/min vid åtminstone ett av nämnda inledande och efterföljande bränningssteg. (g) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid temperatursänkningshastigheten vid det inledande och efterföljande bränningssteget är åtminstone 50°C/min. (h) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid åtminstone en oxid som är vald från den grupp som består av fyra typer av oxider, nämligen oxider av sällsynta jordartsmetaller, ZrO2, oxider av alkaliska jordartsmetaller och AIZO3, används såsom sintringsmedel i en mängd av 0,1-10 vikt% per typ, och i aggregatet 0,5-20 vikt%. (i) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid ZrO2 tillsätts genom nötning av ZrO2-malgods eller i form av Zr02-pulver. (j) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid YZO3, ZrO2 och Mg0 används såsom sintringsmedel. (k) Förfarande för tillverkning av en homogen, sintrad kiselnitridkropp enligt föreliggande uppfinning, varvid bränningen utförs vid trycket under isostatisk varmpressning.

Föreliggande uppfinning förklaras i det följande mer detaljerat med hjälp av exempel, vilka inte bör tolkas såsom begränsande utan endast belysande. 10 15 20 25 30 35 465 566 12 Exempel l-4, Jämförande exempel l och 2 Till 100 viktdelar a-kiselnitridpulver med en genom- snittlig korndiameter av 0,4 pm sattes 5 vikt% YZO3, 3 vikt% Al2O3 och 100 viktdelar vatten. Blandningen pulvriserades och blandades under 5 h i en oscillations- kvarn genom användning av ZrO2-malgods med en diameter av 5 mm. 2 vikt% ZrO2 blandades i med hjälp av nötning av malgodset. Efter passage av den blandade och pulvri- serade uppslamningen genom en JIS standardsikt med mask- vidden 32 pm, iblandades därefter 2 vikt% polyvinylalkohol (PVA) och 0,5 vikt% stearinsyra såsom hjälpmedel för spruttorkning. Med hjälp av spruttorkning erhölls ett granulärt pulver med en genomsnittlig korndiameter av 80 pm och en vattenhalt av l vikt%. Efter torkning vid 80°C under 24 h genom användning av en isoterm tork och därefter passage genom en JIS standardsikt med mask- vidden 149 pm, formades det granulära pulvret genom isostatisk kallpressning vid ett tryck av 2,5 ton/cmz, och en formad kropp med diametern 30 mm och längden 100 mm erhölls. Därefter avfettades den formade kroppen vid en temperatur av 500°C under 2 h. Efter upprätthål- lande av den avfettade, formade kroppen vid 1700-l750°C under 1 h i kvävgasatmosfär, sänktes temperaturen vid de respektive temperatursänkningshastigheter som visas i tabell l nedan för åstadkommande av en sintrad kropp.

Vad beträffar den erhållna sintrade kroppen bestämdes andelarna av kristallin fas i korngränsen i förhållande till den kristallina kiselnitridfasen respektive till hela gränsfasen,den maximala pordiametern och porositeten enligt de ovannämnda metoderna. De erhållna värdena visas i tabell 1. Cylindrar med diametern 15 mm och längden 15 mm skars ut från den sintrade kroppen. Efter polering med en diamantslipsten nr 140 provades kolonnerna med avseende på egenskaper vid hård nötning genom använd- ning av en kulkvarn vid sådana betingelser att en alu- miniumbehållare med en innerdiameter av 120 mm användes och att rotationen ägde rum vid l50 rpm. Såsom uppslamning n I' 10 465 566 13 blandades dessutom kiselkarbidpulver nr 100 och vatten i ett viktförhållande av 1:1, och halva behållaren fylldes med uppslamningen. I denna behållare placerades de ovan tillverkade 5 cylinderformade, sintrade kropparna med diametern 15 mm och längden 15 mm, och hårdnötnings- provningen utfördes under 24 h. En avnött mängd erhölls från vikt- och storleksskillnaderna före och efter prov- ningen.

Såsom anges i tabell l visades det att när tempera~ tursänkningshastigheten vid bränningssteget understiger 30°C/min, överstiger andelen av den kristallina fasen i korngränsen i förhållande till totala korngränsfasen 50%, och den avnötta mängden ökar avsevärt. 465 366 14 o.m .ïo N. 2 om oH omD N o; m6 w 2 S ON 85 H Hwåwxw wucmnmäuwo wo.o Nio w N mH oo omßfl w No.o m.o ß H ß ooH ooßfi m mod m.o o v ßw om oo: N Qma ïo w ß S om 85 H Hwgäš 3; cmmmmkwzmfim A w o cwmmm :så mñfißwfia. :mv umawflïuov. mflßou, :E51 ^NEU\@5 Hwumë 33 wøcøfifimsumm fi HSB møcmïmnnæw 4... umsmflummn Üoo ømGmE SL :mfiøuoa cwmcmumcnox fi mmm cwmflwumcuox .w mmm |wmcficxcmw Høvmuwâuwu uumc>< uwuflmouom Håäxmz :Édwumflux flmwë cfiämumflux ämnad Hsumuwgöm. lmmcflccwum cwmmoux wumuucflm :mv mo: uwmmxwcmmm .H Qwhmmám. 10 15 20 25 30 35 465 366 15 Exempel 5-10, Jämförande exempel 3-5 Till 100 viktdelar a-kiselnitridpulver med en genom- snittlig korndiameter av 0,5 pm sattes 8 vikt% YZO3, 4 vikt% MgO och 100 viktdelar vatten. Blandningen pulv- riserades och blandades under 3 h i en attritor genom användning av ZrO2-malgods med en diameter av 5 mm. 1 vikt% ZrO2 blandades i genom nötning av malgodset.

Efter passage av den blandade och pulvriserade uppslam- ningen genom en sikt med maskvidden 20 pm, tillsattes 2 vikt% PVA, varefter ett granulärt pulver framställdes genom användning av en spruttork. Efter snabbtorkning vid de i tabell 2 nedan respektive visade temperaturerna under 24 h genom användning av en isoterm tork och till- sättning av 3 vikt% vatten, bringades det granulära pulvret att passera genom en sikt med maskvidden 325 pm.

Det erhållna granulära pulvret formades genom isostatisk kallpressning vid ett tryck av 5 ton/cm2, och en formkropp med diametern 65 mm och längden 50 mm tillverkades.

Därefter avfettades formkroppen vid en temperatur av 500°C under 3 h. Efter en inledande bränning vid l500°C under 5 h, sänktes temperaturen med de i tabell 2 visade respektive temperatursänkningshastigheterna, varefter en isostatisk varmpressning (HIP) utfördes vid ett tryck av 100 MPa (1000 atm) vid l700°C under l h, följt av efterföljande kylning vid de i tabell 2 visade respektive temperatursänkningshastigheterna.

Den erhållna sintrade kroppen mättes med avseende på andelarna kristallin fas i korngränsen, den maximala pordiametern och porositeten, såsom i exempel l.

Vidare skars skivor med diametern 50 mm och tjock- leken 10 mm ut från den sintrade kroppen. Efter polering till spegling utfördes ett utmattningstest vid valsning vid en Hertz-påkänning av 600 kg/mmz med hjälp av en med 6 kulor försedd axiallagerprovningsanordning. Dessa resultat visas också i tabell 2. Såsom framgår av ta- bell 2 i fallet där temperatursänkningshastigheten är 465 366 16 30°C/min eller mer vid det inledande bränningssteget eller HIP-bränningssteget, blir andelen av den kristal- lina fasen i korngränsen i förhållande till totala korn- gränsfasen mindre än 50%, och längre livslängder vid valsníng erhålls jämfört med i fallet där temperatur- sänkningshastigheterna i båda stegen understiger 30°C/min.

U' 465 366 >OHxHO.O mO.O O_mH OH OO O O 1 O >OHx~O.O mO.O m_OH OH OO m OH | O OOH:mO_O OO.O O_OH HH Om ON ON 1 O Hwgswxm GÜCNHÛMHOHWÜ >OH:~ OH.O O_O N HH OO Om OOH OH >OH:OO mO_O m.N O O ONH ONH OO O >OH:O mH.O O_O H O OOH OOH OO O wU:OHxm.O ~O_O O.m O ON OH Om OO ß >OHxO.H -_O O.m O OH . Om OO OO O >OHxH_O OO_O m_m O OO OH Om OO O Hwmwxm .OO H:::>u°. H:Hs\u°.

HH@:>uO :ww::|OzOHm HOO :mwmm OOOOOH u°OOOH O:H:wH:> ::HHH::mH:: :ww |m:w:O::o: :H::o: HHH: OO>H .HHHQ OOOH :H> :O:wH H21, HHH: m:::HH:: HHH: wO::HH:: :OMO :@:OH: :::: »::OH: |w>flH Hwv uwumš lamm O cwwumum lamm H cwwcmnm |wmnwm:flc |wm:wmc«: Hung |mm:H: :w:Hm »:H::o: |::o: H www :HH |::o: H mm: :HH |::ww::: |::ww::: :::m:@::w: lunga :ouom Hmšflxmz lHmuwfluvH Hmøcm Åmpmfiux Hmwå umuøoäwa Imuwåmå :mmcficxuounnmcm HÖQQOÜH wwmuuflfim Cwfl mo: .Hwmmxwcwmm N .HQWm/HHB 10 15 20 25 30 465 366 18 Exempel 11-14, Jämförande exempel 6 och 7 Till 100 viktdelar kiselnitridpulver innehållande minst 95% u-kiselnitrid och med en genomsnittlig korn- O? diameter av 0,4 pm sattes 6 vikt% YZO3 med en genom- snittlig korndiameter av 1,0 pm eller 0,4 pm, 4 vikt% f! SrO med en genomsnittlig korndiameter av 0,7 pm, 1,5 vikt% ZrO2 med en genomsnittlig korndiameter av 0,9 pm eller 0,5 pm och 100 viktdelar vatten. Blandningen pulv- riserades och blandades under l h i en attritor. I jäm- förande syfte bereddes en uppslamning med samma till- sättnings- och pulvriseringsbetingelser som ovan, bortsett från att Y O 2 3 och Zr02 med en genomsnittlig korndiameter av 1,5 pm med en genomsnittlig korndiameter av 2,0 pm användes. Dessa bearbetade blandningar behandlades på samma sätt som i exempel 2, bortsett från att en snabb- torkning vid l00°C under 24 h utfördes. De resulterande granulära pulvren formades genom isostatisk kallpressning vid ett tryck av 7 ton/cmz, och en formad kropp med diametern 65 mm och längden 50 mm tillverkades. Den formade kroppen avfettades därefter vid en temperatur av 500°C under 3 h. Efter en inledande bränning vid l500°C under 3 h, sänktes temperaturen till 1000°C vid en temperatureänkningshastighet av l5°C/min, varefter naturlig kylning till rumstemperatur ägde rum. Därefter utfördes en isostatisk varmpressning vid ett tryck av 150 MPa (1500 atm) vid 1650°C under 1 h, och temperaturen l5°C/min, Den er- sänktes med en temperatureänkningshastighet av följt av naturlig kylning till rumstemperatur. hållna sintrade kroppen mättes med avseende på andelen kristallin fas i korngränsen, maximal pordiameter och porositet, såsom i exempel 2. Resultatet visas i tabell 3 nedan. Det har visats att när sintringsmedel med en genomsnittlig korndiameter av högst 1 pm används, erhålls en lång utmattningslivslängd vid valsning. 465 366 cwmmøux w©mHucHm cwv mos Hwmmxmcmmm m qHflmmHd-H. ßoHxHoo.o oH.H m.æ mH Hm m.H >.o o.N H >oHxmo.o mß.o ø.æ HH mm m.o >_o o.N w Hmmsmxm ÜÜGÜHÛNÉWÜ >oHxm æo.o o.« m ßH m.o >.o «.o HH Q, ßoHxN~o oH.o o.w ß ow m.o ß.o «.o MH >oHxH HN.o m_m w mw m.o >.o o.H NH Hofinö mfio 06 w ä m5 H5 o; S Hwgää Hwv cwwwwëzmfiw få âwfl HHwx>0v m:HHHmpmHux :mv lwcmumcuox mHmu0u ^E1v Hëiv ^E1v mcH: Halv HHHu w©:mHHms HHHM wøcmHHm: uwumEøHø uwvwEmHw uwumEmH@ |mHm> ©H> Hwv uwumš |uww H cmmcmum |nmH H cwwcmum lcuox mHH zcuox mHH ncuox mHH ømcmHm>HH uwuHw nmHwHom ucuox H mmm :HH lcuox H mmm cHH |uvHcm:Ccmm |u#HcmEö:wm |uuHcwE0cwm lwmsëfiän: Lfiom Hmñxš åßwfië Hwwå åfifië Hwwë .Noš Öæ ao? 10 15 20 25 30 35 465 366 20 Exempel 15 och 16, Jämförande exempel 8 Till 100 viktdelar d-kiselnitridpulver med en genom- snittlig korndiameter av 0,5 um sattes 0,3 vikt% SrO, 1,0 vikt% MgO, 1,5 vikt% CeO2 och 100 viktdelar vatten. 3 Blandningen pulvriserades och blandades under 3 h i f? en attritor genom användning av Si3N4-malgods för bered- ning av en uppslamning (prov A).

Till 100 viktdelar av samma kiselnitridpulver som ovan sattes dessutom 0,1 vikt% SrO, 0,1 vikt% MgO, 3,0 vikt% Ce02 och 100 viktdelar vatten. Blandningen pulvri- serades och blandades under 5 h i en attritor genom användning av ZrO2-malgods med en diameter av 5 mm.

Därefter iblandades 1,8 vikt% ZrO2 genom nötning av malgodset. På så sätt bereddes ytterligare en uppslamning _ (prov B).

Efter passage av dessa uppslamningar genom en sikt med maskvidden 25 um, iblandades 2 vikt% PVA och 0,2 vikt% stearinsyra såsom hjälpmedel för spruttorkning.

Genom utförande av spruttorkning erhölls därefter gra- nulära pulver. Dessa granulära pulver formpressades vid ett tryck av l ton/cmz för framställning av kulor med diametern 20 mm. I syfte att förbereda HIP-behand- ling-i-kapsel för dessa kulor, upphettades först dessa kulor till 500°C i vakuum för avlägsnande av bindemedel och placerades därefter tillsammans med glaspulver i höljen så att kulorna bäddades in i glaspulvret. Två typer av höljen framställdes, nämligen det ena inne- hållande proverna A och B, och det andra innehållande endast prov B. När höljet innehållande proverna A och B användes, varvid trycksättning och upphettning användes för smältning av glaset, utfördes HIP under 2 h vid f) 500 kg/cmz vid l600°C. Därefter sänktes temperaturen till 1000°C med en hastighet av 100°C/min, varefter naturlig kylning till rumstemperatur ägde rum.

När höljet innehållande endast prov B användes, utfördes alternativt samma HIP som ovan under 2 h vid l600°C, men temperaturen sänktes till 1000°C med en 10 15 20 25 465 366 21 hastighet av l0°C/min, följt av naturlig kylning till rumstemperatur.

De erhållna sintrade kropparna mättes med avseende på andelen kristallin fas i korngränsen, den maximala pordiametern och porositeten. Resultatet visas i tabell 4 nedan.

Prov B, som kylts med en hastighet av l00°C/min, var uppenbarligen homogent, medan prov B som kylts med en hastighet av l0°C/min uppvisade prickiga mönster.

Det visade sig som resultat efter en finfokuserad rönt- gendiffraktionsanalys att den fläckiga delen hade kristal- liserats i stor omfattning jämfört med de ej fläckiga delarna. De i tabell 4 visade andelarna av den kristallina fasen i korngränsen representerar medelvärden av hela provet.

Med avseende på de erhållna kulorna utfördes ett hårdnötnings- och korrosionstest med hjälp av en kul- kvarn på samma sätt som hårdnötningsprovningen i exem- pel 2, bortsett från att 15% HCl användes i stället för vatten. Den avnötta mängden erhölls från vikt- och storleksskillnaderna efter och före provningen. Såsom framgår av tabell 4 uppvisar provet som kyldes vid en lägre temperatursänkningshastighet en större avnött mängd, och provet, till vilket sintringsmedel i en så liten mängd som 2,8 vikt% sattes, uppvisar goda slitage- och korrosionsegenskaper. 465 366 22 w~H æo.o m.m w oß ofi æ.H"o.m"H.o"H. u Noë Nomoömzuouw w Hwgäš wwcmuwwemw ~.o mo.o o.m ~ mfl oofi æ.~ o.m”H.o"~_ u Noä Nowunomzöflm S ~o~o No~o m.N H ofl oofi m~H"o.~"m. H Nowuömzufim 2 Hwgäš Aw. âwmwëzmflw :s 56mm. EEE... mcflflfimßmflux :mv nwcwnmcuox mfimuou Uoooofi Hfiflu ^wuxfl>v Aåv SE 66:63.? SE wmšßfiä; 32 små Éwmâfiwfi: ^NE0\mEV Aw. Hmumâ |nmm fi cwmcmnm luwm fi cwwcwum uwnmflumms lwmcfluvcfiw mmm um: wmcmš uwuflw xmflwuom lcuox fi mmm cfifi |cuOx fi mmm cflfi nwmcficxcmm lmfluwmswmcflcuumw »uwšm foäm Hmfixå åmpwfië Hwøë 1166362 Hwøå -äääåma :S3 :oo ä. m? cmmmoux wwßuuflflm :mm mon Hmmmxmcmmfi Q Qflflmdü 465 366 23 Såsom förklarats och visats ovan enligt föreliggande uppfinning, kan homogena, sintrade kiselnitridkroppar med liten maximal pordiameter och porositet och utmärkta egenskaper, såsom nötningshållfasthet, utmattningslivs- längd vid valsning eller liknande, erhållas. Följaktligen kan de sintrade kiselnitridkropparna enligt föreliggande uppfinning mycket effektivt användas till slitagedelar, friktionsdelar etc, såväl som till lagerdelar.

Claims (4)

465 366 10 15 20 25 30 35 24 PATENTKRAV

1. Homogen, sintrad kiselnitridkropp med en korn- därav, att den kristallina andelen av korngränsfasen utgör högst 50 vol% i förhållande till totala korngränsfasen, och att den sintrade kroppen har en maximal pordiameter av högst 10 pm ¶> gränsfas, k ä n n e t e c k n a d och en porositet av högst 0,5%.

2. Förfarande för tillverkning av en sintrad kisel- nitridkropp, vilket inbegriper stegen av blandning av ett kiselnitridutgångsmaterial med ett sintringshjälpmedel, pulvrisering av den resulterande blandningen, granulering av den pulvriserade blandningen, formning av det resulte- rande granulära pulvret och efterföljande bränning av den på så sätt formade kroppen vid en temperatur av åtminstone ca l400°C, följt av kylning, därav, att en homogen, sintrad kiselnitridkropp framställs k ä n n e t e c k n a t vid förfarandet, varvid kylning från en bränningstempera- tur till lOO0°C utförs med en temperatursänkningshastighet av åtminstone 30°C/min.

3. Förfarande för tillverkning av en sintrad kisel- nitridkropp, vilket inbegriper stegen av blandning av ett kiselnitridutgångsmaterial med ett sintringshjälpmedel, pulvrisering av den resulterande blandningen, granulering av den pulvriserade blandningen, formning av det resulte- rande granulära pulvret och efterföljande bränning av den på så sätt formade kroppen vid en temperatur av åtminstone ca l400°C, k ä n n e t e c k n a t därav, att en homo- gen, sintrad kiselnitridkropp framställs, varvid avkylning 1.7)- sker från en bränningstemperatur till 1000°C med en tempe- ratursänkningshastighet av åtminstone l5°C/min, och varvid ett kiselnitridutgångsmaterial, som innehåller åtminstone 3 90% a-kiselnitrid och har en genomsnittlig korndiameter av högst 1 pm, och ett sintringshjälpmedel med en genomsnitt- lig korndiameter av högst 1 um, används, och att det gra- nulära pulvret snabbtorkas en gång. 10 15 20 25 30 35 465 566 25

4. Förfarande enligt kravet 3, n a t därav, att vatten tillsätts efter snabbtorkningen k ä n n e t e c k - och före formningen och bränningen.