WO1990001472A1 - Ceramic composite material, process for producing it and use thereof - Google Patents

Ceramic composite material, process for producing it and use thereof Download PDF

Info

Publication number
WO1990001472A1
WO1990001472A1 PCT/EP1989/000920 EP8900920W WO9001472A1 WO 1990001472 A1 WO1990001472 A1 WO 1990001472A1 EP 8900920 W EP8900920 W EP 8900920W WO 9001472 A1 WO9001472 A1 WO 9001472A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rbsn
matrix
composite body
infiltrated
alloy
Prior art date
Application number
PCT/EP1989/000920
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nils Claussen
Nahum A. Travitzky
Original Assignee
Nils Claussen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nils Claussen filed Critical Nils Claussen
Publication of WO1990001472A1 publication Critical patent/WO1990001472A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/591Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by reaction sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5025Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with ceramic materials
    • C04B41/5031Alumina
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5053Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials non-oxide ceramics
    • C04B41/5062Borides, Nitrides or Silicides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5093Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with elements other than metals or carbon
    • C04B41/5096Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/515Other specific metals
    • C04B41/5155Aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/87Ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88Metals

Definitions

  • the strength and fracture toughness of porous ceramics can be considerably improved in some cases by incorporating an elementary, in particular a metallic phase. Powder metallurgical or infiltration processes are most frequently used to produce such composite bodies (for example Kieffer and F. Benesovsky, "Hartmetalle”, Springer-Verlag Vienna, 1965). Comparable metal-ceramic composites (e.g. MS Newkirk et al., "Formation of Lanxide Ceramic Composite Materials", J.Mater.Res.l (1986) 81 and EP-Al-0155831, 0169069, 0193292 and 0234704 ) getting produced.
  • the infiltration of ceramics is usually simple when they are well wetted by the metals to be infiltrated and no undesirable reactions occur.
  • DE-PS 1533312 describes, for example, the infiltration of carbides and nitrides of Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo and W with metals which react with the corresponding hard materials to form intermetallic compounds. Oxide ceramics present greater difficulties. However, Al 0 O-Al bodies have been successfully produced by pressure infiltration in the autoclave (G. Jangg et al., Ber.Dt. Ker. Ges. 48 (1971) 262).
  • Reaction-bound silicon nitride which always contains open pores due to its manufacturing process (see, for example, ME Washburn and WS Coblenz, "Reaction-Formed Ceramics", Am.Ceram.Soc.Bull. 67 (1988) 356), would be an interesting matrix for infiltration with reinforcing phases, especially AI and Si.
  • RBSN Reaction-bound silicon nitride
  • Group d only includes high-Ca deoxidation alloys with a high Ca content, for example CaSi and CaSi 2 -Mg 10.
  • the mechanical properties were compared, presumably due to the strong reactions of Ca with the Si ⁇ N. matrix the non-infiltrated RBSN hardly improved.
  • These discouraging results were essentially confirmed by similar experiments by Schmidt (p. 447 in FL Riley (ed.), "Progress in Nitrogen Ceramics", M. Nijoff Publishers, The Hague, 1983).
  • the unwanted calcium was required for infiltration, and reactions which had a negative effect on the properties also occurred.
  • porous Si, N. pressed or sintered bodies were infiltrated with a Mg-containing Al alloy at a pressure of 2000 bar (DE-OS 24 02 872, 24 13 977.3-24, 24 06 601).
  • the object of the invention is to improve the physical properties of RBSN by incorporating a phase which does not react with the matrix and to create a process which enables the production of composite ceramics of this type in a simple and economical process.
  • a ceramic composite body which is characterized in that it consists of a matrix of reaction-bonded Si, N. (RBSN), the pores of which are filled with at least one element or an alloy selected from the group Al, Si, Al alloy, Si alloy, superalloy based on Co or Ni, Ti alloy, intermetallic compound and Transition alloy.
  • RBSN reaction-bonded Si, N.
  • the pores are preferably filled with Al or Si, or an Al or Si alloy.
  • the invention is based on the surprising finding that a complete infiltration of an RBSN body takes place at 40 bar in melt reaction tests with an Mg alloy containing Si and Si alloy in a pressure sintering furnace. Furthermore, it was found that under an inert gas atmosphere, significantly lower pressures were sufficient for infiltration with RBSN even with very fine pore distribution. It was found that the infiltration under these conditions is obtained not only with aluminum alloys containing magnesium and / or silicon, but also with pure, unalloyed aluminum and with pure silicon and with aluminum or / and magnesium alloyed silicon, and also with the other pore-filling elements and alloys according to the invention.
  • the metal phase of the composite body according to the invention preferably consists of pure aluminum or aluminum with a content of 0.5 to 15% by weight of Si and / or Mg.
  • the phase present in addition to the Si-.N 4 consists of pure Si or a Si alloy with 1 to 10% by weight of Al and / or Mg.
  • the composite body according to the invention can also contain reinforcing elements in the form of platelets, particles, whiskers or fibers made of SiC or / and Al ⁇ O-. This further improves the mechanical properties.
  • the phase lying in the surface area for example in particular the Al or Si phase, is at least partially in the corresponding nitride, for example in A1N or Si_N. or converted into an oxide.
  • a sealing of the phases lying inside the body and a further increased surface hardness can be achieved.
  • the surface compressive stresses occurring during this conversion also contribute to the improvement in strength.
  • the process according to the invention for producing the ceramic composite body is essentially characterized in that the matrix consisting of RBSN is treated with the liquid phase to be infiltrated under an inert gas at a pressure of more than 10 bar.
  • the liquid phase is treated with the liquid phase to be infiltrated under an inert gas at a pressure of more than 10 bar.
  • temperatures between 700 and 1300 ° C., preferably between 775 and 875 ° C. are expediently used.
  • Pressures between 20 and 100 bar are preferably used, particularly preferably between 30 and 60 bar. Pressures above 100 bar can also be used, but despite the increased outlay they do not result in better products than those obtained in the pressure ranges preferred according to the invention.
  • Argon is preferred as the noble gas, but helium or krypton and xenon can also be used.
  • the same pressures as for aluminum and aluminum alloys and temperatures between 1470 and 1800 ° C., preferably between 1500 and 1650 ° C., are expediently used.
  • the pressure ranges are expediently the same as for Al or Si.
  • nitridation with nitrogen can also be carried out at lower pressures down to 1 bar.
  • an infiltrated phase made of Si with a medium containing carbon or boron can be superficially converted into SiC or SiB.
  • the infiltrated RBSN body is appropriately oxidized by annealing in an oxygen-containing atmosphere such as air at 600 to 1200 ° C. under normal pressure.
  • the depth of the nitrided edge zone depends on the nitrogen pressure and the nitrogen exposure. For example, with a nitrogen pressure of 40 bar and an exposure time of one hour at 825 ° C, a nitrided layer of the same thickness as that of a nitrogen pressure of 1 bar and a holding time of 24 hours at 1200 ° C was achieved. At high nitrogen pressures of about 80 bar or more, AlN was even found inside the RBSN samples infiltrated with Al phase. It is assumed that this is brought about by precipitation from a nitrogen-supersaturated Al melt. Sufficiently long nitridation makes it possible to convert the infiltrated phase largely or completely into the corresponding nitride and thus e.g. to create a dense Si, N. body.
  • RBSN RBSN
  • matrix material This includes both commercially available products and matrix bodies produced and subsequently nitrided by nitriding compressed Si powder, which may also contain reinforcing elements.
  • the production of such RBSN bodies is known to the person skilled in the art and requires no further explanation here.
  • the production of the composite body according to the invention does not require any special equipment. It can be done in a conventional pressure sintering furnace.
  • An expedient embodiment of the method according to the invention for producing the ceramic composite body consists in immersing the RBSN matrix body in the liquid phase to be infiltrated with the aid of a dipping device provided with passages for the liquid phase, then applying the noble gas pressure and then the immersion device is removed from the liquid phase and allowed to drain.
  • This dipping device is provided with openings through which the melt can flow in and out; It preferably consists of a cylinder or a prism which is open at the top, preferably with a square base, the base and side surfaces being provided with corresponding openings and formed, for example, as a sieve. After the infiltration, the dipping device with the RBSN body is then removed from the melt, the excess liquid phase being able to drip off.
  • the invention therefore also relates to a dipping device for carrying out the method for producing the ceramic composite body according to the invention, consisting of a container with passages for the melt to be infiltrated, an insertion opening for the RBSN matrix body, a holding device for the matrix body and with a suitable holding device for inserting and removing the immersion device from the melt of the phase to be infiltrated.
  • the container expediently has the shape of a cylinder which is open at the top or a prism with a preferably square base area, the base area and the side areas having correspondingly large passage openings for the melt and being designed, for example, as a sieve.
  • the material of the diving device is selected so that it is suitable for the infiltration alloy used in each case.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to dive during erfindungs ⁇ ( Figure la) and after insertion (figure "lb) in the melt.
  • the RBSN sample (1) is located in the container (4), which is preferably a cylindrical AI, 0 -.- crucible, which is provided with openings (5); the RBSN sample (1) is fastened in the container by a suitable holding device, for example a vertical (8) and / or horizontal (9) holding rod; A holding device (6), for example a metal wire, is attached to the container (immersion device), by means of which the immersion device can be introduced and removed from the Al ⁇ C crucible (3) in which the melt (2) is located.
  • the Al 0 -.- crucible (3) is located between graphite heating elements (7) of a conventional pressure sintering furnace.
  • the wear resistance of the body is increased and melting or evaporation of the phase, for example the Al or Si phase, is prevented from the pores when used at temperatures above the respective melting points of these phases.
  • the infiltration method according to the invention is particularly suitable for RBSN ceramics reinforced with particles, fibers and platelets. Due to the characteristic porosity of the RBSN, such composites have only moderately improved properties compared to the pure RBSN. For example, an RBSN body containing randomly distributed SiC platelets (American Matrix Inc., Knoxville, TN / USA, diameter ⁇ 100 ⁇ m) was completely infiltrated with Si. Such a composite body, which additionally " sealed 'was an exceptionally high Ver ⁇ showed less wear. It can be used as a cutting ceramic insert for very high feed rate.
  • the temperature shock resistance is considerably increased, firstly because of the increased fracture toughness and secondly because of the improved thermal conductivity.
  • the thermal resistance parameter used to assess the TWB behavior of ceramics is R 1 in infiltrated RBSN
  • the material can be machined by electrical discharge, which represents a considerable technological advantage for the production of precision parts. Pure RBSN cannot be processed by electrical discharge machining because the electrical conductivity is insufficient.
  • RBSN which contains platelets, whiskers or fibers, is particularly enhanced in its mechanical properties by infiltration.
  • the metal-containing RBSN body can be easily connected to metallic components (e.g. also by soldering).
  • RBSN which was initially infiltrated with Si and then nitrided for a long time under pressure, is suitable as a creep- and high-temperature-resistant construction element due to the lack of second phases (apart from any residual silicon).
  • RBSN in particular with Si or Al
  • metal-cutting tools e.g. indexable inserts
  • RBSN 9.Sealed, infiltrated RBSN is a shock-absorbing, very light material due to its improved fracture toughness and the permanent compressive stresses introduced by sealing. In combination with an easily solderable backplate made of AI, it is used as a light armor element e.g. can be used to ward off projectiles.
  • the composite bodies according to the invention are particularly suitable as indexable inserts for machining metals, as wear-resistant components in engine, machine and apparatus construction, as material (preform) for spark-erosive machining of precision parts and as a metallizable element for connections (eg soldered connections) with metal parts and as a light armored element, eg in connection with a back plate made of aluminum.
  • the procedure is preferably such that the metal / composite body (ceramic) connection point metal melt used when infiltrating the RBSN part is maintained as a layer and the metallic part is then replaced by any conventional connection technology, for example by soldering, welding, etc., connects.
  • the metal layer which is connected to the pore structure in the composite body (RBSN body) itself acts as a support structure.
  • FIGS. 2a and 2b show some embodiments of the connection possibilities (joining) of RBSN parts (21) according to the invention with a metallic support (22).
  • the metallic support (22) can in turn be soldered onto a metallic part (23) ( Figure 2c) or shrunk into one ( Figure 2d).
  • Figure 2c metallic part
  • Figure 2d shrunk into one
  • the industrially simplest and safest method is a mechanical fixing of the RBSN parts in the crucible, spielmik by top patch Al o 0 -, - pens,
  • reaction-bound silicon nitride (RBSN) (Annawerk) with a specific density of 2.59 g / cm 3 and a pore distribution with a maximum frequency of 0.1 ⁇ m and a measured open porosity of 17.9% was in the form of a disk 15 mm in diameter and 6 mm in height placed in a cylindrical crucible made of A1_0_ and with an aluminum alloy (2.5% by weight of Mg, 5% by weight of Si and 1% by weight of Zn) also in the form of a disc covered.
  • This system was then heated in a pressure sintering oven under vacuum at a heating rate of 15 ° C./min from room temperature to 825 ° C. and held at this temperature for 50 minutes.
  • the fracture toughness measured by the ICL method, was 4.2 MPa m.
  • the RBSN used without AI has a fracture toughness of 2.7 MPa * / m.
  • Example 1 As described in Example 1, the RBSN from Example 1 was infiltrated with technically pure Al (99.9%) at 30 and 80 bar instead of with the Al alloy. The pores were then completely filled with AI.
  • Example 1 Commercial RBSN (Hoechst CeramTec) with a specific density of 2.50 g / cm 3 and a sintering aid additive of ⁇ * 5% by weight A1-0- and 5% by weight Y ⁇ O-, was, as described in Example 1, heated together with the aluminum alloy in a vacuum to 775 ° C; after reaching this temperature, an Ar pressure of 80 bar was applied in vacuo within 15 minutes without a holding time. After reaching 80 bar, that is to say after 15 minutes, the pressure was cooled to 550 ° C. while maintaining the pressure, as in Example 1, then the pressure was reduced to atmospheric pressure and the system was cooled to room temperature.
  • RBSN Hoechst CeramTec
  • RBSN from a test series (Iscar) with a specific density of 2.48 g / cm 3 was, as described in Example 2, with an Al alloy (2.5 wt.% Mg, 5 wt.% Si and 1% by weight of Zn) infiltrated at an Ar pressure of 20 bar. Larger pores down to 0.1 ⁇ m were then infiltrated, while pores below 0.1 ⁇ m were still open.
  • Example 1 the RBSN qualities used in Examples 1, 3 and 4 were subjected to an Ar pressure of 5 bar. Infiltration was then found neither with Al nor with an Al alloy (see Example 3).
  • Example 2 As described in Example 1, the RBSN from Example 1 was covered with an Al disk (99.9% Al), the amount of which, after the pressure infiltration, just filled the lateral space around the sample, including the pores in the sample . After an infiltration time of 15 minutes at an Ar pressure of 40 bar, the Ar pressure was continuously reduced to 0 within 15 minutes, while a nitrogen (N_) -
  • the sample completely infiltrated with Al contained an AlN layer on the upper side that only protrudes from the Al bath and is only thinly wetted with Al Pore channels reached into it.
  • the transition area consisted of a cermet-like structure made of Al and AlN.
  • Example 2 the RBSN of Example 1 was infiltrated only with an Ar pressure of 40 bar and pure Al. The completely infiltrated sample was ground and thus the supernatant AI was removed. The sample treated in this way was then reduced to 500 ° C. at 25 ° C./minute and then at 0.5 ° C./minute to 1200 ° C. under 1 bar heated up and held there for 24 hours. After furnace cooling (> 15 ° C./minute) to room temperature, an AIN seal similar to that of the sample from Example 5 was found. A "sweating" of the liquid AI suspected in this way of working did not occur.
  • the RBSN of Example 1 was packed in the form of a cylindrical disk in pure silicon powder (Si: 99.99%) in a rubber mold. The Si powder was then pressed onto the disk at an isostatic pressure of 500 bar. This system was heated in an A1 "0 -.- crucible at 15 ° C / minute in vacuo in a pressure sintering oven to 1575 ° C. Then there was an Ar print - Ifi -
  • the sample was infiltrated with Si similarly to the sample from Example 1. Uninfiltrated open pores could not be found in the SEM.
  • the ISB fracture toughness was 4.1 MPa / ⁇ and the wear resistance was improved many times over untreated R3SN.
  • the hardness (HV, 100 X) was 1530 GPa compared to only 510 for non-infiltrated RBSN.
  • RBSN was treated as described in Example 8 at pressures of 5, 20 and 30 bar. The samples were not infiltrated at 5 bar and only partially infiltrated at 20 bar. Only a pressure of 30 bar led to complete infiltration.
  • the RBSN from Example 1 was completely infiltrated with Si, as described in Example 8, but at a pressure of 40 bar. After grinding, the sample was nitrided in the same pressure sintering furnace at 40 bar “on the surface at 1575 ° C. for 2 hours. The sample then consisted entirely of Si 3-, N4 ,, in the surface area, while also in the inner Si channels Si 3_N4, -ausscheidun ⁇ en im - I 5 -
  • Silicon powder (average diameter 5 ⁇ m) was mixed with 20 vol.% Silicon carbide platelets ( ⁇ K -SiC platelets, ⁇ 100 ⁇ m diameter, approx. 5 ⁇ m thick, from American Matrix Inc.), isostatically into rods at 2000 bar (3 x 3 x 30 mm) and then nitrided at 1420 ° C in a pressure and atmosphere controlled oven for 10 hours to form an RBSN matrix reinforced with SiC platelets.
  • the bodies thus obtained were then, as described in Example 9, infiltrated with Si and surface-sealed. In an abrasive test on 600 mesh SiC paper, which led to severe surface damage with pure RBSN, no measurable wear was found.
  • the ICL fracture toughness was 7.5 MPaVln.
  • the RBSN infiltrated according to Example 1 was annealed for 24 hours at normal pressure (1 bar) in air at 1150 ° C., heating to this temperature at 10 ° C./minute. There was no "exudation” (due to the Al ⁇ O sealing). - 10 ⁇
  • Example Al alloy 5 230 - 17 2.6 - 0.2 520 1 20 320 12 3.5 i 0.2 3.96 - 0.14 1000 60 463 - 15 3.9 ⁇ 0.1 4.79 - 0.11 1150 80 450 - 18 4.52 + 0, ll 5.23 - 0.15 1170
  • Example 1 The RBSN from Example 1 was infiltrated as described in Example 1 with the metal alloys listed in Table 2 at a temperature of 1575 ° C. for 5 min at a pressure of 80 bar. In order to prevent floating on the melt, the cylindrical RBSN samples were clamped to the bottom of the Al 0 -.- crucible. Before melting, the metal alloy lay as a cylindrical disc on the RBSN sample.
  • Inconel 601 (60.5 Ni - 23 Cr - 14.1 Fe - 0.5 Cu - 1.35 AI - 0.05 C - 0.5 Mn
  • Example 2 In order to avoid removal (grinding, etc.) of the solidified metal melt from the RBSN samples, a simple immersion device according to FIG. 1 was used, with the aid of which the infiltrated samples were pulled out of the liquid metal bath. A large part of the melt dripped off the sample.
  • the sieve-like immersion device consisted of an Al-0 -.- crucible perforated with large holes. As described in Example 2, the experiment was carried out with pure AI in the manner of Example 1.
  • a cylindrical RBSN sample (RBSN as in Example 3) with a diameter of 15 mm and a height of 8 mm was firmly inserted in an Al »0 -.- crucible with a 15 mm inner diameter and with a 15 mm wide " . And 5 mm high disc made of pure Al, followed by the same procedure as in Example 3, except that the holding time was only 5 min at 775 ° C.
  • the infiltrated RBSN sample had an Al layer (22 ) of about 3 mm in thickness, as shown in Figure 2b It is obvious that this layer can serve not only as a connecting layer, but also itself as a functional part (eg (33) in Figure 2c).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

A new ceramic composite material with appreciably improved strength values consists of a matrix of reaction-formed Si3N4 (RBSN) whose pores a filled with at least one element or one alloy chosen from the group Al, Si, Al alloy, Si alloy, Co- or Ni-based super-alloy, Ti alloy, intermetallic compound and transition alloy. It may also contain 5 to 40 vol.% of laminae, particles, whiskers and/or fibres. In addition, at least the pore-filling phase in the surface region may be converted to the corresponding nitride or oxide. The material is produced by treating the RBSN matrix with the liquid phase to be infiltrated under an inert gas at a pressure greater than 10 bar.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Keramischer Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und VerwendungCeramic composite, process for its manufacture and use
Festigkeit und Bruchzähigkeit poröser Keramiken können durch Einbau einer elementaren, insbesondere einer metallischen Phase zum Teil erheblich verbessert werden. Zur Herstellung derartiger Verbundkörper werden am häufigsten pulvermetallurgische bzw. Infiltrationsver- fahren angewandt (z.B. Kieffer und F. Benesovsky, "Hartmetalle", Springer-Verlag Wien, 1965) . Auch durch Oxidation metallischer Schmelzen können vergleichbare Metallkeramik-Verbundwerkstoffe (z.B. M.S. Newkirk et al., "Formation of Lanxide Ceramic Composite Materials", J.Mater.Res.l (1986) 81 und EP-Al-0155831 , 0169069, 0193292 und 0234704) hergestellt werden. Die Infiltra¬ tion von Keramiken ist meist dann einfach, wenn sie von den zu infiltrierenden Metallen gut benetzt werden und keine unerwünschten Reaktionen auftreten. Bei Karbiden, u.a. WC und SiC, ist dies der Fall (z.B. R. Kieffer et al. Ber.Det.Ker.Ges. 46 (1969). 486) . In der DE-PS 1533312 wird beispielsweise die Infiltration von Carbi- den und Nitriden des Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo und W mit Metallen beschrieben, die mit den entsprechenden Hart¬ stoffen zu intermetallischen Verbindungen reagieren. Größere Schwierigkeiten bereiten Oxidkeramiken. Aller¬ dings ist es gelungen, Al„0_-Al-Körper durch Druckinfil¬ tration im Autoklaven herzustellen (G. Jangg et al., Ber.Dt.Ker.Ges. 48 (1971) 262) .The strength and fracture toughness of porous ceramics can be considerably improved in some cases by incorporating an elementary, in particular a metallic phase. Powder metallurgical or infiltration processes are most frequently used to produce such composite bodies (for example Kieffer and F. Benesovsky, "Hartmetalle", Springer-Verlag Vienna, 1965). Comparable metal-ceramic composites (e.g. MS Newkirk et al., "Formation of Lanxide Ceramic Composite Materials", J.Mater.Res.l (1986) 81 and EP-Al-0155831, 0169069, 0193292 and 0234704 ) getting produced. The infiltration of ceramics is usually simple when they are well wetted by the metals to be infiltrated and no undesirable reactions occur. This is the case with carbides, including WC and SiC (e.g. R. Kieffer et al. Ber.Det.Ker.Ges. 46 (1969) . 486). DE-PS 1533312 describes, for example, the infiltration of carbides and nitrides of Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo and W with metals which react with the corresponding hard materials to form intermetallic compounds. Oxide ceramics present greater difficulties. However, Al 0 O-Al bodies have been successfully produced by pressure infiltration in the autoclave (G. Jangg et al., Ber.Dt. Ker. Ges. 48 (1971) 262).
Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN) , das aufgrund seines Herstellungsprozesses immer offene Poren enthält (siehe z.B. M.E. Washburn and W.S. Coblenz, "Reaction- Formed Ceramics", Am.Ceram.Soc.Bull. 67 (1988) 356) , wäre eine interessante Matrix für die Infiltration mit verstärkenden Phasen, insbesondere AI und Si. Um die - 1 -Reaction-bound silicon nitride (RBSN), which always contains open pores due to its manufacturing process (see, for example, ME Washburn and WS Coblenz, "Reaction-Formed Ceramics", Am.Ceram.Soc.Bull. 67 (1988) 356), would be an interesting matrix for infiltration with reinforcing phases, especially AI and Si. To the - 1 -
mechanischen Eigenschaften von RBSN zu modifizieren, insbesondere die Bruchzähigkeit zu erhöhen, wäre eine Infiltration von RBSN mit bestimmten Elementen oder Legierungen interessant. Keramiken auf der Basis von SiC (z.B. SiSiC) sind bekanntlich sehr erfolgreich.Modifying the mechanical properties of RBSN, in particular increasing the fracture toughness, would be of interest to infiltrate RBSN with certain elements or alloys. Ceramics based on SiC (e.g. SiSiC) are known to be very successful.
Leimer und Gugel (Z .Metallkde. 66 (1975) 570) haben umfangreiche Versuche zur Infiltration von RBSN mit einer Reihe metallischer Legierungen beschrieben. Das Fazit dieser Untersuchungen war, daß keine Metalle oder Nichtmetalle gefunden werden konnten, die ohne Reaktion in RBSN infiltriert werden konnten. Die untersuchten Substanzen wurden in 4 Gruppen eingeteilt (siehe auch BMFT-Abschlußbericht NT 423, Februar 1976) :Leimer and Gugel (Z. Metallkde. 66 (1975) 570) have described extensive attempts to infiltrate RBSN with a number of metallic alloys. The conclusion of these investigations was that no metals or non-metals could be found which could be infiltrated into RBSN without reaction. The substances examined were divided into 4 groups (see also BMFT final report NT 423, February 1976):
a) nicht benetzend und nicht infiltrierend b) gut benetzend, aber nicht infiltrierend c) nicht infiltrierend und mit Si-,N, reagierend und d) infiltrierend und mit Si N. reagierend.a) not wetting and not infiltrating b) well wetting but not infiltrating c) not infiltrating and reacting with Si, N and d) infiltrating and reacting with Si N.
Zur Gruppe d) gehören ausschließlich hoch Ca-haltige Desoxidationslegierungen mit hohem Ca-Gehalt, z.B. CaSi- und CaSi2-Mg 10. Die mechanischen Eigenscha ten wurden, vermutlich aufgrund der starken Reaktionen von Ca mit der Si^N.-Matrix, gegenüber dem nicht-infiltrier¬ ten RBSN kaum verbessert. Diese entmutigenden Ergebnisse wurden im wesentlichen durch ähnliche Versuche von Schmidt (S. 447 in F.L. Riley (ed.) , "Progress in Nitrogen Ceramics", M. Nijoff Publishers, Den Haag, 1983) bestätigt. Auch hier war das unerwünschte Calcium für eine Infiltration erforderlich, wobei ebenfalls sich auf die Eigenschaften negativ auswirkende Reaktio¬ nen auftraten. Mit sehr hohen Drücken, wie sie beispielsweise beim Quecksilberporosimeter üblich sind, wäre vielleicht auch RBSN mit anderen Metallen oder Nichtmetallen infiltrierbar, der technische Aufwand wäre jedoch wirtschaftlich nicht zu vertreten. Nach einem kompli¬ zierten mehrstufigen Verfahren wurden beispielsweise poröse Si,N.-Preß- oder Sinterkörper mit einem Druck von 2000 bar mit einer Mg-haltigen Al-Legierung infil¬ triert (DE-OS 24 02 872, 24 13 977.3-24, 24 06 601) .Group d) only includes high-Ca deoxidation alloys with a high Ca content, for example CaSi and CaSi 2 -Mg 10. The mechanical properties were compared, presumably due to the strong reactions of Ca with the Si ^ N. matrix the non-infiltrated RBSN hardly improved. These discouraging results were essentially confirmed by similar experiments by Schmidt (p. 447 in FL Riley (ed.), "Progress in Nitrogen Ceramics", M. Nijoff Publishers, The Hague, 1983). Here too, the unwanted calcium was required for infiltration, and reactions which had a negative effect on the properties also occurred. With very high pressures, such as are common in mercury porosimeters, RBSN might also be infiltrable with other metals or non-metals, but the technical effort would not be economically justifiable. According to a complicated, multi-stage process, porous Si, N. pressed or sintered bodies were infiltrated with a Mg-containing Al alloy at a pressure of 2000 bar (DE-OS 24 02 872, 24 13 977.3-24, 24 06 601).
Unter dem Eindruck dieser Enkenntnisse und Mißerfolge wurden offenbar keine weiteren Versuche zur Infiltra¬ tion von RBSN mit nicht reagierenden Metallen und Nichtmetallen durchgeführt.Under the impression of this knowledge and failures, apparently no further attempts to infiltrate RBSN with unreacted metals and non-metals were carried out.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die physika¬ lischen Eigenschaften von RBSN durch Einbau einer mit der Matrix nicht reagierenden Phase zu verbessern und ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung derartiger Verbundkeramiken in einem einfachen und wirtschaftlichen Verfahren ermöglicht.The object of the invention is to improve the physical properties of RBSN by incorporating a phase which does not react with the matrix and to create a process which enables the production of composite ceramics of this type in a simple and economical process.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen keramischen Verbundkörper, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einer Matrix aus reaktionsgebundenem Si,N. (RBSN) besteht, deren Poren gefüllt sind mit mindestens einem Element oder einer Legierung ausge¬ wählt aus der Gruppe AI, Si, Al-Legierung, Si-Legierung, Superlegierung auf Co- oder Ni-Basis, Ti-Legierung, intermetallische Verbindung und Übergangslegierung.This object is achieved according to the invention by a ceramic composite body, which is characterized in that it consists of a matrix of reaction-bonded Si, N. (RBSN), the pores of which are filled with at least one element or an alloy selected from the group Al, Si, Al alloy, Si alloy, superalloy based on Co or Ni, Ti alloy, intermetallic compound and Transition alloy.
Vorzugsweise sind die Poren mit AI oder Si, bzw. einer AI- oder Si-Legierung gefüllt. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß bei Schmelzreaktionsversuchen mit einer Mg- und Si-haltigen Al-Legierung im Drucksinterofen bei 40 bar eine vollständige Infiltration eines RBSN-Körpers erfolgt. Desweiteren wurde gefunden, daß unter Edelgas- Atmosphäre noch wesentlich niedrigere Drücke für eine Infiltration mit RBSN sogar bei sehr feiner Porenver¬ teilung ausreichten. Dabei ergab sich, daß die Infiltra¬ tion unter diesen Bedingungen nicht nur mit Magnesium oder/und Silizium enthaltenden AI-Legierungen, sondern auch mit reinem, unlegiertem Aluminium sowie mit reinem Silizium und mit AI- oder/und Mg-legiertem Silizium erhalten werden, sowie auch mit den anderen erfindungs¬ gemäßen porenfüllenden Elementen und Legierungen.The pores are preferably filled with Al or Si, or an Al or Si alloy. The invention is based on the surprising finding that a complete infiltration of an RBSN body takes place at 40 bar in melt reaction tests with an Mg alloy containing Si and Si alloy in a pressure sintering furnace. Furthermore, it was found that under an inert gas atmosphere, significantly lower pressures were sufficient for infiltration with RBSN even with very fine pore distribution. It was found that the infiltration under these conditions is obtained not only with aluminum alloys containing magnesium and / or silicon, but also with pure, unalloyed aluminum and with pure silicon and with aluminum or / and magnesium alloyed silicon, and also with the other pore-filling elements and alloys according to the invention.
Vorzugsweise besteht die Metallphase des erfindungsge¬ mäßen Verbundkörpers aus reinem Aluminium oder Alumi¬ nium mit einem Gehalt von 0,5 bis 15 Gew.-% an Si oder/und Mg.The metal phase of the composite body according to the invention preferably consists of pure aluminum or aluminum with a content of 0.5 to 15% by weight of Si and / or Mg.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die neben dem Si-.N4 vorliegende Phase aus reinem Si oder einer Si-Legierung mit 1 bis 10 Gew.-% AI und/oder Mg.In a further preferred embodiment, the phase present in addition to the Si-.N 4 consists of pure Si or a Si alloy with 1 to 10% by weight of Al and / or Mg.
Darüberhinaus können die erfindungsgemäßen Verbundkör¬ per auch noch Verstärkungselemente in Form von Plättchen, Partikeln, Whiskern oder Fasern aus SiC oder/und Al^O-, enthalten. Hierdurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften weiter verbessern.In addition, the composite body according to the invention can also contain reinforcing elements in the form of platelets, particles, whiskers or fibers made of SiC or / and Al ^ O-. This further improves the mechanical properties.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die im Oberflächenbereich liegende Phase, z.B. insbesondere die Al- oder Si-Phase, mindestens teilweise in das entsprechende Nitrid, z.B. in A1N bzw. Si_N. oder in ein Oxid umgewandelt. Auf diese Weise läßt sich eine Versiegelung der im Innern des Körpers liegenden Phasen und eine weiter gesteigerte Oberflä¬ chenhärte erzielen. Die bei dieser Umwandlung auftre¬ tenden Oberflächendruckspannungen tragen ebenfalls zur Festigkeitsverbesserung bei.According to a further preferred embodiment of the invention, the phase lying in the surface area, for example in particular the Al or Si phase, is at least partially in the corresponding nitride, for example in A1N or Si_N. or converted into an oxide. In this way, a sealing of the phases lying inside the body and a further increased surface hardness can be achieved. The surface compressive stresses occurring during this conversion also contribute to the improvement in strength.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des keramischen Verbundkörpers ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die aus RBSN bestehende Matrix bei einem Druck von mehr als 10 bar mit der flüssigen, zu infiltrierenden Phase unter einem Edelgas behandelt wird. Wird als flüssige Phase Aluminium oder eine Legierung von Aluminium mit Si oder/und Mg verwendet, so werden zweckmäßig Temperaturen zwischen 700 und 1300°C, vorzugsweise zwischen 775 und 875°C angewendet. Bevorzugt werden Drucke zwischen 20 und 100 bar, beson¬ ders bevorzugt zwischen 30 und 60 bar angewendet. Drucke über 100 bar können ebenfalls angewendet werden, sie ergeben jedoch trotz des erhöhten Aufwandes keine besseren Produkte als sie bei den erfindungsgemäß bevorzugten Druckbereichen erhalten werden. Als Edelgas wird Argon bevorzugt, Helium oder Krypton, sowie Xenon können jedoch ebenfalls verwendet werden.The process according to the invention for producing the ceramic composite body is essentially characterized in that the matrix consisting of RBSN is treated with the liquid phase to be infiltrated under an inert gas at a pressure of more than 10 bar. If aluminum or an alloy of aluminum with Si or / and Mg is used as the liquid phase, temperatures between 700 and 1300 ° C., preferably between 775 and 875 ° C., are expediently used. Pressures between 20 and 100 bar are preferably used, particularly preferably between 30 and 60 bar. Pressures above 100 bar can also be used, but despite the increased outlay they do not result in better products than those obtained in the pressure ranges preferred according to the invention. Argon is preferred as the noble gas, but helium or krypton and xenon can also be used.
Erfolgt die Infiltration der Matrix mit Silizium, so werden zweckmäßig die gleichen Drucke wie bei Aluminium und bei Aluminiumlegierungen und Temperaturen zwischen 1470 und 1800°C, vorzugsweise zwischen 1500 und 1650°C angewendet. Bei den anderen Phasen liegen die Druckbe¬ reiche zweckmäßigerweise wie bei AI oder Si.If the matrix is infiltrated with silicon, the same pressures as for aluminum and aluminum alloys and temperatures between 1470 and 1800 ° C., preferably between 1500 and 1650 ° C., are expediently used. In the other phases, the pressure ranges are expediently the same as for Al or Si.
Falls eine Oberflächenversiegelung durch Reaktion der infiltrierten Phase mit einem auf die Oberfläche aufge¬ brachten reaktionsfähigen Stoff gewünscht wird, kann dies einfach durch Austausch der für die Infiltration angewendeten Edelgas-Phase gegen Stickstoff erfolgen. Der Stickstoff kann dabei unter dem gleichen Druck angewendet werden, bei dem auch die Infiltration erfolg¬ te, beispielsweise durch graduellen Ersatz des Edelgases durch Stickstoff unter Aufrechterhaltung des Druckes. Die Nitridierung mit Stickstoff kann jedoch auch bei niedrigeren Drucken bis herab zu 1 bar durchgeführt werden.If surface sealing by reaction of the infiltrated phase with a reactive substance applied to the surface is desired, can this is done simply by replacing the noble gas phase used for the infiltration with nitrogen. The nitrogen can be used under the same pressure at which the infiltration took place, for example by gradually replacing the noble gas with nitrogen while maintaining the pressure. However, nitridation with nitrogen can also be carried out at lower pressures down to 1 bar.
Anstelle von Stickstoff können für die Oberflächenver¬ siegelung auch andere, mit der infiltrierten Phase unter Bildung entsprechender harter Keramikphasen reagierenden Stoffe verwendet werden. So kann beispiels¬ weise eine infiltrierte Phase aus Si mit einem Kohlen¬ stoff- bzw. Bor-haltigen Medium oberflächlich in SiC bzw. SiB, überführt werden.Instead of nitrogen, other substances which react with the infiltrated phase to form corresponding hard ceramic phases can also be used for the surface sealing. For example, an infiltrated phase made of Si with a medium containing carbon or boron can be superficially converted into SiC or SiB.
Eine Oberflächenversiegelung kann auch durch Oxidation der infiltrierten Phase, insbesondere bei AI erfolgen. Hierzu wird zweckmäßig der infiltrierte RBSN-Körper durch Glühen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wie Luft bei 600 bis 1200°C unter Normaldruck oxidiert.Surface sealing can also be achieved by oxidation of the infiltrated phase, especially in the case of Al. For this purpose, the infiltrated RBSN body is appropriately oxidized by annealing in an oxygen-containing atmosphere such as air at 600 to 1200 ° C. under normal pressure.
Bei der Infiltration einer RBSN-Matrix mit einer Dichte von ca. 2,6 g/cm genügt es oft, die Matrix in z.B. Si- oder AI-Pulver einzubetten oder mit festem Si oder AI zu bedecken und anschließend aufzuschmelzen. Bei stärker porösem RBSN muß dafür gesorgt werden, daß der spezi¬ fisch leichtere Matrix-Körper nicht in der flüssigen Phase aufschwimmt. Dies kann durch Festhalten mittels mechanischer Vorrichtungen, beispielsweise aus einer Keramik wie Al„03 oder durch Einfügung schwerer Elemente oder Verbindungen, die die Dichte des RBSN über die der flüssigen Phase erhöhen, erfolgen. Besonders einfach ist es, den RBSN-Körper durch Haltestifte, z.B. aus Al-jO.,, am Aufschwimmen auf der flüssigen Phase, z.B. der Si- oder AI-Schmelze, zu hindern.When infiltrating an RBSN matrix with a density of approx. 2.6 g / cm, it is often sufficient to embed the matrix in Si or Al powder, for example, or to cover it with solid Si or Al and then melt it. In the case of more porous RBSN, care must be taken to ensure that the specifically lighter matrix body does not float in the liquid phase. This can be done by means of mechanical devices, for example made of a ceramic such as Al 0 3, or by inserting heavy elements or compounds which increase the density of the RBSN over that of the liquid phase. Particularly easy is to prevent the RBSN body by retaining pins, for example of Al j O. ,, from floating on the liquid phase, such as the Si or Al melt.
Bei der Oberflächenversiegelung durch Reaktion mit Stickstoff hängt die Tiefe der nitridierten Randzone vom Stickstoffdruck und der Stickstoffeinwirkung ab. Beispielsweise wurde bei einem Stickstoffdruck von 40 bar und einer Stunde Einwirkungszeit bei 825°C eine nitridierte Schicht gleicher Dicke wie bei einem Stick¬ stoffdruck von 1 bar und 24 Stunden Haltezeit bei 1200°C erzielt. Bei hohen Stickstoffdrucken von etwa 80 bar oder mehr wurde sogar im Innern der mit AI-Phase infiltrierten RBSN-Proben AlN gefunden. Es wird angenom¬ men, daß dies durch Ausscheidung aus einer Stickstoff- übersättigten AI-Schmelze bewirkt wird. Durch ausrei¬ chend lange Nitridierung ist es daher möglich, die infiltrierte Phase weitgehend oder völlig in das ent¬ sprechende Nitrid zu überführen und so z.B. einen dichten Si-,N .-Körper herzustellen.In the case of surface sealing by reaction with nitrogen, the depth of the nitrided edge zone depends on the nitrogen pressure and the nitrogen exposure. For example, with a nitrogen pressure of 40 bar and an exposure time of one hour at 825 ° C, a nitrided layer of the same thickness as that of a nitrogen pressure of 1 bar and a holding time of 24 hours at 1200 ° C was achieved. At high nitrogen pressures of about 80 bar or more, AlN was even found inside the RBSN samples infiltrated with Al phase. It is assumed that this is brought about by precipitation from a nitrogen-supersaturated Al melt. Sufficiently long nitridation makes it possible to convert the infiltrated phase largely or completely into the corresponding nitride and thus e.g. to create a dense Si, N. body.
Als Matrix-Material können praktisch alle bekannten Sorten von RBSN verwendet werden. Hierunter fallen sowohl handelsübliche Produkte als auch durch Nitridie- ren von verpreßtem Si-Pulver, welches auch Verstärkungs- elemente enthalten kann, hergestellte und anschließend nitridierte Matrixkörper. Die Herstellung derartiger RBSN-Körper ist dem Fachmann bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.Practically all known types of RBSN can be used as matrix material. This includes both commercially available products and matrix bodies produced and subsequently nitrided by nitriding compressed Si powder, which may also contain reinforcing elements. The production of such RBSN bodies is known to the person skilled in the art and requires no further explanation here.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundkörper erfordert keinen besonderen apparativen Aufwand. Sie kann im konventionellen Drucksinterofen erfolgen. Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der keramischen Verbund¬ körper besteht darin, daß man den RBSN-Matrixkörper mit Hilfe einer mit Durchlässen für die flüssige Phase versehenen Tauchvorrichtung in die flüssige zu infil¬ trierende Phase eintaucht, anschließend den Edelgas- druck aufbringt und danach die Tauchvorrichtung wieder aus der flüssigen Phase entfernt und abtropfen läßt. Diese Tauchvorrichtung ist mit Öffnungen versehen, durch die die Schmelze zu- und abfließen kann; vorzugs¬ weise besteht sie aus einem oben offenen Zylinder oder einem Prisma, vorzugsweise mit quadratischer Grundflä¬ che, wobei Grundfläche und Seitenflächen mit entspre¬ chenden Öffnungen versehen und z.B. als Sieb ausgebil¬ det sind. Nach der Infiltration wird dann die Tauchvor¬ richtung mit dem RBSN-Körper wieder aus der Schmelze ausgebracht, wobei die überschüssige flüssige Phase abtropfen kann.The production of the composite body according to the invention does not require any special equipment. It can be done in a conventional pressure sintering furnace. An expedient embodiment of the method according to the invention for producing the ceramic composite body consists in immersing the RBSN matrix body in the liquid phase to be infiltrated with the aid of a dipping device provided with passages for the liquid phase, then applying the noble gas pressure and then the immersion device is removed from the liquid phase and allowed to drain. This dipping device is provided with openings through which the melt can flow in and out; It preferably consists of a cylinder or a prism which is open at the top, preferably with a square base, the base and side surfaces being provided with corresponding openings and formed, for example, as a sieve. After the infiltration, the dipping device with the RBSN body is then removed from the melt, the excess liquid phase being able to drip off.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch eine Tauchvor¬ richtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Verbundkörper, beste¬ hend aus einem Behälter mit Durchlässen für die zu infiltrierende Schmelze, einer Einführöffnung für den RBSN-Matrixkörper, einer Haltevorrichtung für den Matrixkörper und mit einer geeigneten Haltevorrichtung zum Ein- und Ausbringen der Tauchvorrichtung aus der Schmelze der zu infiltrierenden Phase.The invention therefore also relates to a dipping device for carrying out the method for producing the ceramic composite body according to the invention, consisting of a container with passages for the melt to be infiltrated, an insertion opening for the RBSN matrix body, a holding device for the matrix body and with a suitable holding device for inserting and removing the immersion device from the melt of the phase to be infiltrated.
Zweckmäßigerweise besitzt der Behälter die Form eines oben offenen Zylinders oder eines Prismas mit vorzugs¬ weise quadratischer Grundfläche, wobei die Grundfläche und die Seitenflächen entsprechend große Durchtrittsöff¬ nungen für die Schmelze aufweisen und z.B. als Sieb ausgestaltet sind. Das Material der Tauchvorrichtung wird so ausgewählt, daß es für die jeweils verwendete Infiltrierlegierung geeignet ist.The container expediently has the shape of a cylinder which is open at the top or a prism with a preferably square base area, the base area and the side areas having correspondingly large passage openings for the melt and being designed, for example, as a sieve. The material of the diving device is selected so that it is suitable for the infiltration alloy used in each case.
Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungs¬ gemäßen Tauchvorrichtung während (Figur la) und nach dem Einbringen (Figur "lb) in die Schmelze.1 shows an embodiment of a device according to dive during erfindungs¬ (Figure la) and after insertion (figure "lb) in the melt.
In dieser Ausführungsform befindet sich die RBSN-Probe (1) in dem Behälter (4) , der vorzugsweise ein zylindri¬ scher AI-,0-.-Tiegel ist, der mit Öffnungen (5) versehen ist; die RBSN-Probe (1) ist durch eine geeignete Halte¬ vorrichtung, z.B. einen senkrechten (8) und/oder waage¬ rechten (9) Haltestab in dem Behälter befestigt; an dem Behälter (Tauchvorrichtung) ist eine Halteeinrichtung (6) , z.B. ein Metalldraht, angebracht, mit der die Tauchvorrichtung in den Al^C -Tiegel (3) , in dem sich die Schmelze (2) befindet, eingebracht und ausgebracht werden kann. Der Al„0-.-Tiegel (3) befindet sich zwischen Graphitheizelementen (7) eines üblichen Drucksinterofens.In this embodiment, the RBSN sample (1) is located in the container (4), which is preferably a cylindrical AI, 0 -.- crucible, which is provided with openings (5); the RBSN sample (1) is fastened in the container by a suitable holding device, for example a vertical (8) and / or horizontal (9) holding rod; A holding device (6), for example a metal wire, is attached to the container (immersion device), by means of which the immersion device can be introduced and removed from the Al ^ C crucible (3) in which the melt (2) is located. The Al 0 -.- crucible (3) is located between graphite heating elements (7) of a conventional pressure sintering furnace.
Durch die Oberflächenversiegelung des infiltrierten RBSN der Erfindung, insbesondere z.B. mit AlN oder Si_N. , wird die Verschleißfestigkeit des Körpers erhöht und ein Ausschmelzen bzw. Ausdampfen der Phase, z.B. der AI- oder Si-Phase, aus den Poren bei einer Anwendung bei Temperaturen oberhalb der jeweiligen Schmelzpunkte dieser Phasen verhindert. Das erfindungsgemäße Infiltra¬ tionsverfahren ist besonders auch für partikel-, faser¬ und plättchenverstärkte RBSN-Keramiken geeignet. Solche Verbundwerkstof e haben aufgrund der charakteristischen Porosität des RBSN nur mäßig verbesserte Eigenschaften gegenüber dem reinen RBSN. So wurde beispielsweise ein RBSN-Körper, der statistisch verteilte SiC-Platelets (American Matrix Inc., Knoxville, TN/USA, Durchmesser < 100 um) enthielt, vollständig mit Si infiltriert. Ein solcher Verbundkörper, der zusätzlich "oberflächenver- siegelt" wurde, zeigte eine, außergewöhnlich hohe Ver¬ schleißfestigkeit. Er kann als Schneidkeramikeinsatz für sehr hohe Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden.By sealing the surface of the infiltrated RBSN of the invention, in particular, for example, with AlN or Si_N. , the wear resistance of the body is increased and melting or evaporation of the phase, for example the Al or Si phase, is prevented from the pores when used at temperatures above the respective melting points of these phases. The infiltration method according to the invention is particularly suitable for RBSN ceramics reinforced with particles, fibers and platelets. Due to the characteristic porosity of the RBSN, such composites have only moderately improved properties compared to the pure RBSN. For example, an RBSN body containing randomly distributed SiC platelets (American Matrix Inc., Knoxville, TN / USA, diameter <100 μm) was completely infiltrated with Si. Such a composite body, which additionally " sealed 'was an exceptionally high Ver¬ showed less wear. It can be used as a cutting ceramic insert for very high feed rate.
Als Vorteile des erfindungsgemäß infiltrierten RBSN gegenüber nicht infiltriertem RBSN können genannt werden:The following can be mentioned as advantages of the RBSN infiltrated according to the invention over non-infiltrated RBSN:
1. Erhebliche Verbesserung der Bruchzähigkeit (von 2,5 auf > 4,2 MPa</m) und der Festigkeit (von* ca. 250 auf ^ 400 MPa) . Dabei können RBSN-Qualitäten mit höheren Ausgangsfestigkeiten entsprechend mehr verbessert werden.1. Significant improvement in fracture toughness (from 2.5 to> 4.2 MPa </ m) and strength (from * approx. 250 to ^ 400 MPa). RBSN qualities with higher initial strength can be improved accordingly.
2. Die Temperaturschockbeständigkeit ist, einmal auf¬ grund der erhöhten Bruchzähigkeit und zum anderen wegen der verbesserten Wärmeleitfähigkeit, erheblich gesteigert. Beispielsweise ist der zur Beurteilung des TWB-Verhaltens von Keramiken herangezogene Wärmewiderstandsparameter R1 bei infiltriertem RBSN2. The temperature shock resistance is considerably increased, firstly because of the increased fracture toughness and secondly because of the improved thermal conductivity. For example, the thermal resistance parameter used to assess the TWB behavior of ceramics is R 1 in infiltrated RBSN
30 kW/m und bei nicht infiltriertem RBSN nur 3,9 kW/m.30 kW / m and only 3.9 kW / m for non-infiltrated RBSN.
3. Das Material kann funkenerosiv bearbeitet werden, was zur Herstellung von Präzisionsteilen einen erheblichen technologischen Vorteil darstellt. Reines RBSN kann nicht funkenerosiv bearbeitet werden, weil die elektrische Leitfähigkeit nicht ausreicht.3. The material can be machined by electrical discharge, which represents a considerable technological advantage for the production of precision parts. Pure RBSN cannot be processed by electrical discharge machining because the electrical conductivity is insufficient.
4. Die Versiegelung durch eine spätere Glühung in führt zu wesentlich besseren Verschleißeigenschaften (ca. 5 x besser) und verhindert das Ausschmelzen bzw. Ausdampfen bei Anwendungste peraturen > Λ*'600°C (AI) bzw. bei T>-»1400°C (Si) . - If -4. The sealing by a later annealing in leads to significantly better wear properties (approx. 5 x better) and prevents melting or evaporation at application temperatures> Λ * '600 ° C (AI) or at T> - »1400 ° C (Si). - if -
5. RBSN, das Platelets, Whisker oder Fasern enthält, wird in seinem mechanischen Eigenschaften durch die Infiltration besonders verstärkt.5. RBSN, which contains platelets, whiskers or fibers, is particularly enhanced in its mechanical properties by infiltration.
6. Der metallhaltige RBSN-Körper läßt sich leicht mit metallischen Komponenten (z.B. auch durch Löten) verbinden.6. The metal-containing RBSN body can be easily connected to metallic components (e.g. also by soldering).
7. RBSN, das zunächst mit Si infiltriert und anschlies- send unter Druck längere Zeit nitridiert wurde, ist aufgrund fehlender Zweitphasen (außer eventuellem Restsilizium) als kriech- und hochtemperaturfestes Konstruktionselement geeignet.7. RBSN, which was initially infiltrated with Si and then nitrided for a long time under pressure, is suitable as a creep- and high-temperature-resistant construction element due to the lack of second phases (apart from any residual silicon).
8. SiC-plättchenhaltiges infiltriertes RBSN (insbesonde¬ re mit Si oder AI) ist infolge seiner hohen Verschlei߬ festigkeit und seiner guten Wärmeleitfähigkeit ein toxikologisch ungefährlicher Werkstoff für spanabhe¬ bende Werkzeuge (z.B. Wendeschneidplatten) für die Metallbearbeitung.8.Silcated infiltrated RBSN (in particular with Si or Al) is a toxicologically harmless material for metal-cutting tools (e.g. indexable inserts) for metalworking due to its high wear resistance and good thermal conductivity.
9. Versiegeltes, infiltriertes RBSN ist aufgrund seiner verbesserten Bruchzähigkeit und der durch Versiege¬ lung eingebrachten bleibenden Druckspannungen ein stoßabsorbierender, sehr leichter Werkstoff, der in Verbindung mit einer leicht anlötbaren Rückplatte aus AI als Leicht-Panzerungselement z.B. zur Abwehr von Projektilen verwendet werden kann.9.Sealed, infiltrated RBSN is a shock-absorbing, very light material due to its improved fracture toughness and the permanent compressive stresses introduced by sealing. In combination with an easily solderable backplate made of AI, it is used as a light armor element e.g. can be used to ward off projectiles.
Die erfindungsgemäßen Verbundkörper eignen sich auf¬ grund der oben näher erläuterten Eigenschaften ganz besonders als Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von Metallen, als verschleißfeste Komponenten im Motoren-, Maschinen- und Apparatebau, als Material (Vorkörper) zur funkenerosiven Bearbeitung von Präzisionsteilen und als metallisierbares Element für Verbindungen (z.B. Lötverbindungen) mit Metallteilen und als Leicht-Panze- rungselement, z.B. in Verbindung mit einer Rückplatte aus Aluminium.On the basis of the properties explained in more detail above, the composite bodies according to the invention are particularly suitable as indexable inserts for machining metals, as wear-resistant components in engine, machine and apparatus construction, as material (preform) for spark-erosive machining of precision parts and as a metallizable element for connections (eg soldered connections) with metal parts and as a light armored element, eg in connection with a back plate made of aluminum.
Für die Verwendung als metallisierbares Element für Verbindungen mit Metallteilen, also zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen dem infiltrierten RBSN-Teil (Verbundkörper) und einer metallischen Träger¬ konstruktion verfährt man vorzugsweise so, daß man an der Metall/Verbundkörper (Keramik) -Verbindungsstelle die beim Infiltrieren des RBSN-Teiles verwendete Metall¬ schmelze als Schicht aufrechterhält und das metallische Teil dann durch eine beliebige übliche Verbindungstech¬ nik, z.B. durch Löten, Schweißen usw.., verbindet. In einer zweckmäßigen Ausführungsform fungiert dabei die mit dem Porengerüst im Verbundkörper (RBSN-Körper) zusammenhängende Metallschicht selbst als Trägerkon¬ struktion.For use as a metallizable element for connections with metal parts, that is to say for the production of a firm connection between the infiltrated RBSN part (composite body) and a metallic support construction, the procedure is preferably such that the metal / composite body (ceramic) connection point metal melt used when infiltrating the RBSN part is maintained as a layer and the metallic part is then replaced by any conventional connection technology, for example by soldering, welding, etc., connects. In an expedient embodiment, the metal layer which is connected to the pore structure in the composite body (RBSN body) itself acts as a support structure.
Die Figur 2a und 2b zeigt einige Ausführungsformen der Verbindungsmδglichkeiten (joining) von erfindungsgemäßen RBSN-Teilen (21) mit einer metallischen Stütze (22) . Die metallische Stütze (22) kann ihrerseits auf ein metallisches Teil (23) aufgelötet werden (Figur 2c) oder in ein solches eingeschrumpft werden (Figur 2d) . Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiteFIGS. 2a and 2b show some embodiments of the connection possibilities (joining) of RBSN parts (21) according to the invention with a metallic support (22). The metallic support (22) can in turn be soldered onto a metallic part (23) (Figure 2c) or shrunk into one (Figure 2d). The following examples illustrate the invention widely
Die Versuche zur Infiltration mit AI wurden in einem A1_0,-Tiegel durchgeführt, in dem ein zylindrisches RBSN-Plättchen von einer gerade in den Tiegel passend AI-Scheibe abgedeckt wurde. Nach Erreichen der Schmel temperatur des AI (•*--■■ 700°C) wurde das RBSN-Plättchen offensichtlich vom AI allseitig benetzt, d.h. es schw nicht auf der flüssigen AI-Schmelze auf, was aufgrund der Dichteverhältnisse eigentlich zu erwarten gewesen wäre: AI hat eine spezifische Dichte von fast 2,7 g/c während die verwendeten RBSN-Proben geringfügig leich waren (2,4 bis 2,6 g/cm3) . Zur Infiltration mit Si wurde folgendes Verfahren verwendet: Auf den RBSN-Zyl der wurde Si-Pulver isostatisch aufgepreßt. Nach Erre chen der Schmelztemperatur des Si (•*** 1500°C) umhüllte das flüssiges Si die RBSN-Probe vollständig. Die groß technisch einfachste und sicherste Methode ist eine mechanische Fixierung der RBSN-Teile im Tiegel, bei¬ spielsweise durch von oben aufgesetzte Alo0-,-Stifte,The experiments for infiltration with Al were carried out in an A1_0, crucible, in which a cylindrical RBSN plate was covered by an Al disk which fit straight into the crucible. After reaching the melting temperature of the AI (• * - ■■ 700 ° C), the RBSN plate was obviously wetted on all sides by the AI, ie it did not float on the liquid AI melt, which would have been expected due to the density ratio : AI has a specific density of almost 2.7 g / c while the RBSN samples used were slightly light (2.4 to 2.6 g / cm 3 ). The following method was used for infiltration with Si: Si powder was pressed isostatically onto the RBSN cylinder. After reaching the melting temperature of the Si (• * ** 1500 ° C), the liquid Si completely enveloped the RBSN sample. The industrially simplest and safest method is a mechanical fixing of the RBSN parts in the crucible, spielsweise by top patch Al o 0 -, - pens,
**•* "^ daß ein Auftrieb in jedem Fall verhindert würde.** • * "^ that buoyancy would be prevented in any case.
Bei den nachstehend beschriebenen Beispielen 1 bis 12 wurde jeweils im Vakuum bis zur Schmelztemperatur des AI bzw. Si aufgeheizt und ein Argondruck zwischen 5 u 80 bar aufgegeben. Der jeweilige Argon-Druck wurde au bis zum Abkühlen auf die Erstarrungstemperatur gehalt um ein Ausschwitzen der metallischen Phase aus dem RBSN-Körper zu verhindern. Glühversuche in Stickstoff bei geringeren Drücken zeigen jedoch, daß die infiltr te Phase auch bei Drücken unter dem Infiltrierdruck abgekühlt werden kann, denn sogar bei 1 bar N„ bei 1000°C trat infiltriertes AI nicht mehr aus dem RBSN- Körper aus. Allerdings war in diesem Fall eine AIN-De schicht vorhanden. Alle Proben der folqenden Beispiel - m -In Examples 1 to 12 described below, each was heated in vacuo to the melting temperature of Al or Si and an argon pressure between 5 and 80 bar was applied. The respective argon pressure was maintained until it cooled to the solidification temperature in order to prevent the metallic phase from exuding from the RBSN body. However, glow tests in nitrogen at lower pressures show that the infiltrated phase can also be cooled at pressures below the infiltrating pressure, because even at 1 bar N at 1000 ° C., infiltrated AI no longer escaped from the RBSN body. However, an AIN de-layer was present in this case. All samples of the following example - m -
wurden geröntgt und mit EDAX untersucht. Es wurden keine Verbindungen bzw. Reaktionen festgestellt.were X-rayed and examined with EDAX. No connections or reactions were found.
B e i s p i e lExample
Kommerzielles, reaktionsgebundenes Siliciumnitrid (RBSN) (Annawerk) mit einer spezifischen Dichte von 2,59 g/cm3 und einer Porenverteilung mit einem Häufig¬ keitsmaximum von 0,1 μm und einer gemessenen offenen Porosität von 17,9 % wurde in Form einer Scheibe von 15 mm Durchmesser und 6 mm Höhe in einen zylindrischen Tiegel aus A1_0_ gelegt und mit einer Aluminiumlegie¬ rung (2,5 Gew.-% Mg, 5 Gew.-% Si und 1 Gew.-% Zn) ebenfalls in Form einer Scheibe abgedeckt. Dieses System wurde anschließend in einem Drucksinterofen unter Vakuum mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 15°C/min von Raumtemperatur auf 825°C aufgeheitzt und 50 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Danach wurde innerhalb von 15 Minuten ein Argondruck von 40 bar aufgebracht und 15 Minuten gehalten. Anschließend wurde bei konstantem Druck mit 15°C/min bis 550°C abgekühlt, danach wurde der Druck abgelassen und die Probe durch Abschalten des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt.Commercial, reaction-bound silicon nitride (RBSN) (Annawerk) with a specific density of 2.59 g / cm 3 and a pore distribution with a maximum frequency of 0.1 μm and a measured open porosity of 17.9% was in the form of a disk 15 mm in diameter and 6 mm in height placed in a cylindrical crucible made of A1_0_ and with an aluminum alloy (2.5% by weight of Mg, 5% by weight of Si and 1% by weight of Zn) also in the form of a disc covered. This system was then heated in a pressure sintering oven under vacuum at a heating rate of 15 ° C./min from room temperature to 825 ° C. and held at this temperature for 50 minutes. An argon pressure of 40 bar was then applied within 15 minutes and held for 15 minutes. The mixture was then cooled at 15 ° C./min to 550 ° C. at constant pressure, the pressure was then released and the sample was cooled to room temperature by switching off the oven.
Nach dieser Behandlung waren auch die feinsten im Rasterelektronenmikroskop erkennbaren Poren vollständig mit AI infiltriert.After this treatment, even the finest pores visible in the scanning electron microscope were completely infiltrated with Al.
Die Bruchzähigkeit, gemessen nach der ICL-Methode, betrug 4,2 MPa m. Das verwendete RBSN ohne AI besitzt eine Bruchzähigkeit von 2,7 MPa*/m.The fracture toughness, measured by the ICL method, was 4.2 MPa m. The RBSN used without AI has a fracture toughness of 2.7 MPa * / m.
Gleiche Versuche wurden auch bei 5, 20, 60 und 80 bar durchgeführt (siehe auch Tabelle 1) . " \ζ -The same tests were also carried out at 5, 20, 60 and 80 bar (see also Table 1). "\ ζ -
B e i s p i e l 2Example: 2
Das RBSN aus Beispiel 1 wurde, wie in Beispiel 1 be¬ schrieben, statt mit der Al-Legierung mit technisch reinem AI (99,9 %) bei 30 und 80 bar infiltriert. Die Poren waren danach vollständig mit AI ausgefüllt.As described in Example 1, the RBSN from Example 1 was infiltrated with technically pure Al (99.9%) at 30 and 80 bar instead of with the Al alloy. The pores were then completely filled with AI.
B e i s p i e l 3Example 3
Kommerzielles RBSN (Hoechst CeramTec) mit einer spezifi¬ schen Dichte von 2,50 g/cm3 und einem Sinterhilfsmittel¬ zusatz von <~~* 5 Gew.-% A1-0- und 5 Gew.-% Y^O-, wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, zusammen mit der Alumi¬ niumlegierung im Vakuum auf 775°C aufgeheizt; nach Erreichen dieser Temperatur wurde ohne Haltezeit im Vakuum innerhalb von 15 Minuten ein Ar-Druck von 80 bar aufgegeben. Nach Erreichen von 80 bar, also nach 15 Minuten, wurde - wie in Beispiel 1 - unter Aufrechter¬ haltung des Druckes bis 550°C abgekühlt, danach der Druck auf Atmosphärendruck reduziert und das System auf Raumtemperatur abgekühlt.Commercial RBSN (Hoechst CeramTec) with a specific density of 2.50 g / cm 3 and a sintering aid additive of <~~ * 5% by weight A1-0- and 5% by weight Y ^ O-, was, as described in Example 1, heated together with the aluminum alloy in a vacuum to 775 ° C; after reaching this temperature, an Ar pressure of 80 bar was applied in vacuo within 15 minutes without a holding time. After reaching 80 bar, that is to say after 15 minutes, the pressure was cooled to 550 ° C. while maintaining the pressure, as in Example 1, then the pressure was reduced to atmospheric pressure and the system was cooled to room temperature.
Wie in Beispiel 1 war die RBSN-Probe vollständig mit AI infiltriert.As in Example 1, the RBSN sample was completely infiltrated with Al.
B e i s p i e l 4Example 4
RBSN aus einer Versuchsserie (Iscar) mit einer spezifi¬ schen Dichte von 2,48 g/cm3 wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben, mit einer Al-Legierung (2,5 Gew.-% Mg, 5 Gew.-% Si und 1 Gew.-% Zn) bei einem Ar-Druck von 20 bar infiltriert. Größere Poren bis herab zu 0,1 μm waren danach infiltriert, während Poren unter ca. 0,1 μm noch offen waren. Bei Verwendung von reinem AI - -RBSN from a test series (Iscar) with a specific density of 2.48 g / cm 3 was, as described in Example 2, with an Al alloy (2.5 wt.% Mg, 5 wt.% Si and 1% by weight of Zn) infiltrated at an Ar pressure of 20 bar. Larger pores down to 0.1 μm were then infiltrated, while pores below 0.1 μm were still open. When using pure AI - -
(99,9 %) unter sonst gleichen Infiltrationsbedingungen, verschob sich der Durchmesser der noch nicht infiltrier¬ ten Poren zu etwas größeren Werten (0,2 μm) . Bei Infil¬ trationsdrucken von 30 und 60 bar ergab sich eine vollständiσe Infiltration.(99.9%) under otherwise identical infiltration conditions, the diameter of the not yet infiltrated pores shifted to somewhat larger values (0.2 μm). Complete infiltration was obtained at infiltration pressures of 30 and 60 bar.
B e i s p i e l 5Example 5
Die in den Beispielen 1, 3 und 4 verwendeten RBSN-Qua- litäten wurden - wie in Beispiel 1 - mit einem Ar-Druck von 5 bar beaufschlagt. Eine Infiltration war danach weder mit AI noch mit einr Al-Legierung (siehe Beispiel 3) festzustellen.As in Example 1, the RBSN qualities used in Examples 1, 3 and 4 were subjected to an Ar pressure of 5 bar. Infiltration was then found neither with Al nor with an Al alloy (see Example 3).
B e i s p i e l 6Example 6
Das RBSN aus Beispiel 1 wurde, wie in Beispiel 1 be¬ schrieben, mit einer Al-Scheibe (99,9 % AI) bedeckt, deren Menge nach der Druckinfiltration gerade den seitlichen Raum um die Probe, einschließlich der Poren in der Probe, ausfüllte. Nach einer Infiltrationszeit von 15 Minuten bei einem Ar-Druck von 40 bar, wurde der Ar-Druck kontinuierlich innrhalb von,15 Minuten auf 0 reduziert, während gleichzeitig ein Stickstoff (N_)-As described in Example 1, the RBSN from Example 1 was covered with an Al disk (99.9% Al), the amount of which, after the pressure infiltration, just filled the lateral space around the sample, including the pores in the sample . After an infiltration time of 15 minutes at an Ar pressure of 40 bar, the Ar pressure was continuously reduced to 0 within 15 minutes, while a nitrogen (N_) -
2.Second
Druck derart aufgebaut wurde, daß die Summe der partia- len Ar- und N2-Drücke dabei konstant 40 bar betrug. DerN -Druck von 40 bar wurde 1 Stunde bei 825°C gehalten, danach wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, abgekühlt.Pressure was built up in such a way that the sum of the partial Ar and N 2 pressures was constant at 40 bar. The N pressure of 40 bar was kept at 825 ° C for 1 hour, after which it was cooled as described in Example 1.
Die vollständig mit AI infiltrierte Probe enthielt nach dieser Behandlung an der aus dem Al-Bad herausstellenden, nur dünn mit AI benetzten Oberseite eine AlN-Schicht, die bis ca. 50μm in die ursprünglich mit AI gefüllten Porenkanäle hineinreichte. Der Übergangsbereich bestand aus einem cermet-artigen Gefüge aus AI und AlN.After this treatment, the sample completely infiltrated with Al contained an AlN layer on the upper side that only protrudes from the Al bath and is only thinly wetted with Al Pore channels reached into it. The transition area consisted of a cermet-like structure made of Al and AlN.
B e i s p i e l 7Example 7
Das RBSN von Beispiel 1 wurde, wie in Beispiel 2 be¬ schrieben, nur mit einem Ar-Druck von 40 bar und reinem AI infiltriert. Die vollständig infiltrierte Probe wurde geschliffen und damit das überstehende AI entfernt, Die so behandelte Probe wurde anschließend unter N„ bei 1 bar auf 500°C mit 25°C/Minute und anschließend mit 0,5°C/Minute bis auf 1200°C aufgeheizt und dort 24 Stunden gehalten. Nach Ofenabkühlung (> 15°C/Minute) auf Raumtemperatur wurde eine ähnliche AIN-Versiegelung wie an der Probe aus Beispiel 5 festgestellt. Ein bei dieser Arbeitsweise vermutetes "Ausschwitzen" des flüssigen AI trat nicht auf.As described in Example 2, the RBSN of Example 1 was infiltrated only with an Ar pressure of 40 bar and pure Al. The completely infiltrated sample was ground and thus the supernatant AI was removed. The sample treated in this way was then reduced to 500 ° C. at 25 ° C./minute and then at 0.5 ° C./minute to 1200 ° C. under 1 bar heated up and held there for 24 hours. After furnace cooling (> 15 ° C./minute) to room temperature, an AIN seal similar to that of the sample from Example 5 was found. A "sweating" of the liquid AI suspected in this way of working did not occur.
In einem Abrasivverschleißtest auf 600 mesh SiC-Papier (1 m Weglänge bei einer Flächenpressung von 1000 bar) war die so oberflächenversiegelte Probe um den Faktor 5 verschleißfester als die entsprechende unbehandelte RBSN-Probe.In an abrasive wear test on 600 mesh SiC paper (1 m path length at a surface pressure of 1000 bar), the sample sealed in this way was 5 times more wear-resistant than the corresponding untreated RBSN sample.
B e i s p i e l 8Example 8
Das RBSN von Beispiel 1 wurde in Form einer zylindri¬ schen Scheibe in reines Siliziumpulver (Si: 99,99 %) in einer Gummiform eingepackt. Danach wurde das Si-Pulver bei einem isostatischen Druck von 500 bar auf die Scheibe aufgepreßt. Dieses System wurde in einem A1„0-.- Tiegel mit 15°C/Minute im Vakuum in einem Drucksinter- ofen auf 1575°C aufgeheizt. Darauf wurde ein Ar-Druck - Ifi -The RBSN of Example 1 was packed in the form of a cylindrical disk in pure silicon powder (Si: 99.99%) in a rubber mold. The Si powder was then pressed onto the disk at an isostatic pressure of 500 bar. This system was heated in an A1 "0 -.- crucible at 15 ° C / minute in vacuo in a pressure sintering oven to 1575 ° C. Then there was an Ar print - Ifi -
von 80 bar innerhalb von 30 Minuten aufgegeben und 15 Minuten gehalten. Anschließend wurde bei konstantem Ar-Druck (80 bar) auf 1350°C abgekühlt und nach Errei¬ chen dieser Temperatur der Druck auf Normaldruck und die Temperatur mit > 15°C/Minute auf Raumtemperatur abgekühlt.of 80 bar within 30 minutes and held for 15 minutes. The mixture was then cooled to 1350 ° C. at constant Ar pressure (80 bar) and, after this temperature had been reached, the pressure was cooled to normal pressure and the temperature to> 15 ° C./minute to room temperature.
Die Probe war nach dieser Behandlun-g ähnlich wie die Probe aus Beispiel 1 mit Si infiltriert. Nichtinfil¬ trierte offene Poren konnten im SEM nicht festgestellt werden. Die ISB-Bruchzähigkeit betrug 4,1 MPa/ϊή und der Verschleißwiderstand war gegenüber unbehandeltem R3SN um ein Vielfaches verbessert. Die Härte (HV, 100 X) betrug 1530 GPa gegenüber nur 510 für nicht infiltrier¬ tes RBSN.After this treatment, the sample was infiltrated with Si similarly to the sample from Example 1. Uninfiltrated open pores could not be found in the SEM. The ISB fracture toughness was 4.1 MPa / ϊή and the wear resistance was improved many times over untreated R3SN. The hardness (HV, 100 X) was 1530 GPa compared to only 510 for non-infiltrated RBSN.
B e i s p i e l 9Example: 9
RBSN wurde, wie in Beispiel 8 beschrieben, mit Drücken von 5, 20 und 30 bar behandelt. Die Proben waren bei 5 bar nicht und bei 20 bar nur teilweise infiltriert. Erst ein Druck von 30 bar führte zu einer vollständigen Infiltrierung.RBSN was treated as described in Example 8 at pressures of 5, 20 and 30 bar. The samples were not infiltrated at 5 bar and only partially infiltrated at 20 bar. Only a pressure of 30 bar led to complete infiltration.
B e i s p i e l 10Example 10
Das RBSN aus Beispiel 1 wurde, wie in Beispiel 8 be¬ schrieben, aber mit einem Druck von 40 bar, mit Si völlig infiltriert. Nach Überschleifen wurde die Probe im selben Drucksinterofen bei 40 bar „ oberflächlich bei 1575°C 2 Stunden nitridiert. Die Probe bestand danach im Oberflächenbereich völlig aus Si 3-,N4,, während auch in den inneren Si-Kanälen Si 3_N4,-Ausscheidunσen im - I5 -The RBSN from Example 1 was completely infiltrated with Si, as described in Example 8, but at a pressure of 40 bar. After grinding, the sample was nitrided in the same pressure sintering furnace at 40 bar “on the surface at 1575 ° C. for 2 hours. The sample then consisted entirely of Si 3-, N4 ,, in the surface area, while also in the inner Si channels Si 3_N4, -ausscheidunσen im - I 5 -
Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zu erkennen waren.Transmission electron microscope (TEM) could be seen.
Eine Glühbehandlung einer so oberflächenversiegelten Probe bei Normaldruck (1 bar) an Luft bei 1500°C führte nicht zu einem Ausschmelzen der bei dieser Temperatur flüssigen Si-Phase.An annealing treatment of a sample sealed in this way at normal pressure (1 bar) in air at 1500 ° C. did not lead to melting out of the Si phase which was liquid at this temperature.
B e i s p i e l 11Example: 11
Siliziumpulver (mittlerer Durchmesser 5 μm) wurde mit 20 Vol.-% Siliziumcarbidplättchen ( ~K -SiC Platelets, <100 μm Durchmesser, ca. 5 μm dick, von American Matrix Inc.) vermischt, bei 2000 bar isostatisch zu Stäbchen (3 x 3 x 30 mm) verpreßt und anschließend bei 1420°C in einem druck- und atmosphärenkontrollierten Ofen 10 Stunden nitridiert unter Bildung einer mit SiC-Plätt- chen verstärkten RBSN-Matrix. Die so erhaltenen Körper wurden danach, wie in Beispiel 9 beschrieben, mit Si infiltriert und oberflächenversiegelt. In einem Abrasiv- test auf 600 Mesh-SiC-Papier, der bei reinem RBSN zu starken Oberflächenschäden führte, konnte kein meßbarer Verschleiß festgestellt werden. Die ICL-Bruchzähigkeit betrug 7,5 MPaVln.Silicon powder (average diameter 5 μm) was mixed with 20 vol.% Silicon carbide platelets ( ~ K -SiC platelets, <100 μm diameter, approx. 5 μm thick, from American Matrix Inc.), isostatically into rods at 2000 bar (3 x 3 x 30 mm) and then nitrided at 1420 ° C in a pressure and atmosphere controlled oven for 10 hours to form an RBSN matrix reinforced with SiC platelets. The bodies thus obtained were then, as described in Example 9, infiltrated with Si and surface-sealed. In an abrasive test on 600 mesh SiC paper, which led to severe surface damage with pure RBSN, no measurable wear was found. The ICL fracture toughness was 7.5 MPaVln.
B e i s p i e l 12Example 12
Das nach Beispiel 1 infiltrierte RBSN wurde 24 Stunden bei Normaldruck (1 bar) an Luft bei 1150°C geglüht, wobei mit 10°C/Minute auf diese Temperatur aufgeheizt wurde. Ein "Ausschwitzen" trat (infolge der Al^O-,-Ver¬ siegelung) nicht auf. - 10 ~ The RBSN infiltrated according to Example 1 was annealed for 24 hours at normal pressure (1 bar) in air at 1150 ° C., heating to this temperature at 10 ° C./minute. There was no "exudation" (due to the Al ^ O sealing). - 10 ~
An der folgenden Tabelle sind für die Beispiele 1, 3 und 4 die Festigkeits-, Bruchzähigkeits- und Härtewerte angegeben. The following table shows the strength, fracture toughness and hardness values for Examples 1, 3 and 4.
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0001
TABELLE 1TABLE 1
RBSN- Infiltration Festigkeit Bruchzähigkeit, MPav/m Härte Matrix Infiltrierte Druck MPa ISB 2) ICL3) HV 10 (100 N) Phase barRBSN- infiltration strength fracture toughness, MPav / m hardness matrix infiltrated pressure MPa ISB 2) ICL3) HV 10 (100 N) phase bar
gemäß nicht infiltriert 227 - 15 2,7 - 0,15 510 Beispiel Al-Legierung 5 230 - 17 2,6 - 0,2 520 1 20 320 12 3,5 i 0,2 3,96 - 0,14 1000 60 463 - 15 3,9 ~ 0,1 4,79 - 0,11 1150 80 450 - 18 4,52+0,ll 5,23 - 0,15 1170according to not infiltrated 227 - 15 2.7 - 0.15 510 Example Al alloy 5 230 - 17 2.6 - 0.2 520 1 20 320 12 3.5 i 0.2 3.96 - 0.14 1000 60 463 - 15 3.9 ~ 0.1 4.79 - 0.11 1150 80 450 - 18 4.52 + 0, ll 5.23 - 0.15 1170
AI (99,9 %) 80 478 - 15 5,0 - 0,2 5,58 - 0,14 1100 Si (99,99 %) 80 427 - 20 3,9 - 0,2 4,74 - 0,11 1530AI (99.9%) 80 478 - 15 5.0 - 0.2 5.58 - 0.14 1100 Si (99.99%) 80 427 - 20 3.9 - 0.2 4.74 - 0. 11 1530
gemäß nicht infiltriert nicht gemessen 550 Beispiel Al-Legierung 80 nicht gemessen 5,0 - 0,08 1340according to not infiltrated not measured 550 Example Al alloy 80 not measured 5.0 - 0.08 1340
3 gemäß nicht infiltriert nicht gemessen 216 Beispiel Al-Legierung 60 nicht gemessen 4,15 - 0,1 9003 according to not infiltrated not measured 216 Example Al alloy 60 not measured 4.15 - 0.1 900
4 Si (99,99 %) 80 nicht gemessen 3,6 0,2 9604 Si (99.99%) 80 not measured 3.6 0.2 960
1) 2,5 Gew.-% Mg, 5 Gew.-% Si und 1 Gew.-% Zn, Rest AI 2) Indentation-Strength in Bending (3 Punkt-Versuch) 1) 2.5% by weight of Mg, 5% by weight of Si and 1% by weight of Zn, balance AI 2) Indentation-Strength in Bending (3-point test)
- 11 -- 11 -
B e i s p i e l 13Example: 13
Das RBSN aus Beispiel 1 wurde wie in Beispiel 1 beschrie¬ ben mit den in Tabelle 2 aufgeführten Metall-Legierungen bei einer Temperatur von 1575°C 5 min bei einem Druck von 80 bar infiltriert. Um ein Aufschwimmen auf der Schmelze zu verhindern, wurden die zylindrischen RBSN- Proben am Boden der Al 0-.-Tiegel festgeklemmt. Vor dem Aufschmelzen lag die Metall-Legierung als zylindrische Scheibe auf der RBSN-Probe.The RBSN from Example 1 was infiltrated as described in Example 1 with the metal alloys listed in Table 2 at a temperature of 1575 ° C. for 5 min at a pressure of 80 bar. In order to prevent floating on the melt, the cylindrical RBSN samples were clamped to the bottom of the Al 0 -.- crucible. Before melting, the metal alloy lay as a cylindrical disc on the RBSN sample.
In allen Fällen wurden die Poren völlig gefüllt, ohne daß eine meßbare Reaktion (eigentlich erwartet) zwischen RBSN und der Legierung auftrat.In all cases, the pores were completely filled without a measurable reaction (actually expected) between RBSN and the alloy.
TABELLE 2TABLE 2
Nr. LegierungNo alloy
1 Ti + 39 Gew.-% AI1 Ti + 39 wt .-% AI
2 Ti - 6 AI - 4 V2 Ti - 6 AI - 4 V
3 Maraging Stahl 18 Ni (250)3 Maraging steel 18 Ni (250)
4 Inconel 601 (60,5 Ni - 23 Cr - 14,1 Fe - 0,5 Cu - 1,35 AI - 0,05 C - 0,5 Mn4 Inconel 601 (60.5 Ni - 23 Cr - 14.1 Fe - 0.5 Cu - 1.35 AI - 0.05 C - 0.5 Mn
5 Co Alloy 21 (Co - 27 Cr - 5 Mo - 2,8 Ni - 0,2 C)5 Co Alloy 21 (Co - 27 Cr - 5 Mo - 2.8 Ni - 0.2 C)
Die mechanischen Eigenschaften des mit Legierung Nr. 1 infiltrierten RBSN waren:The mechanical properties of the alloy # 1 infiltrated RBSN were:
4-Punkt-Biegefestigkeit : 510 MPa; K (ICL) : 4,9 + 0,5 MPa Tm; Härte HV 10 : 15,24 GPa. - ^ -4-point bending strength: 510 MPa; K (ICL): 4.9 + 0.5 MPa Tm; Hardness HV 10: 15.24 GPa. - ^ -
B e i s p i e l 14Example 14
Um ein Abtragen (Abschleifen etc.) der erstarrten Metallschmelze von den RBSN-Proben zu vermeiden, wurde eine einfache Tauchvorrichtung gemäß Figur 1 verwendet, mit deren Hilfe die infiltrierten Proben aus dem flüssi¬ gen Metallbad herausgezogen wurden. Dabei tropfte ein großer Teil der Schmelze von der Probe ab. Die siebarti¬ ge Tauchvorrichtung bestand aus einem mit großen Löchern perforierten Al-0-.-Tiegel. Der Versuch wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben, mit reinem AI nach Art des Beispiels 1 durchgeführt.In order to avoid removal (grinding, etc.) of the solidified metal melt from the RBSN samples, a simple immersion device according to FIG. 1 was used, with the aid of which the infiltrated samples were pulled out of the liquid metal bath. A large part of the melt dripped off the sample. The sieve-like immersion device consisted of an Al-0 -.- crucible perforated with large holes. As described in Example 2, the experiment was carried out with pure AI in the manner of Example 1.
B e i s p i e l 15Example 15
Eine zylindrische RBSN-Probe (RBSN wie in Beispiel 3) mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Höhe von 8 mm wurde in einen Al»0-.-Tiegel mit 15 mm Innendurchmesser fest eingesetzt und mit einer ebenfalls 15 mm breiten" . und 5 mm hohen Scheibe aus reinem AI abgedeckt. Danach wurde wie in Beispiel 3 verfahren mit der Ausnahme, daß die Haltezeit bei 775°C nur 5 min betrug. Nach Vollen¬ dung des Zyklus wies die infiltrierte RBSN-Probe eine Al-Schicht (22) von etwa 3 mm Stärke auf, wie in Figur 2b dargestellt. Es ist offensichtlich, daß diese Schicht nicht nur als Verbindungsschicht, sondern auch selbst als Funktionsteil (z.B. (33) in Figur 2c) dienen kann. A cylindrical RBSN sample (RBSN as in Example 3) with a diameter of 15 mm and a height of 8 mm was firmly inserted in an Al »0 -.- crucible with a 15 mm inner diameter and with a 15 mm wide " . And 5 mm high disc made of pure Al, followed by the same procedure as in Example 3, except that the holding time was only 5 min at 775 ° C. After the cycle was completed, the infiltrated RBSN sample had an Al layer (22 ) of about 3 mm in thickness, as shown in Figure 2b It is obvious that this layer can serve not only as a connecting layer, but also itself as a functional part (eg (33) in Figure 2c).

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Keramischer Verbundkörper, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er aus einer Matrix aus reaktionsgebundenem Si-.N. (RBSN) besteht, deren Poren gefüllt sind mit mindestens einem Element oder einer Legierung ausgewählt aus der Gruppe AI, Si, Al-Legierung, Si-Legierung, Superlegierung auf Co- oder Ni-Basis, Ti-Legierung, intermetallische Verbindung und Übergangslegierung.1. Ceramic composite body, so that it consists of a matrix of reaction-bonded Si-.N. (RBSN), whose pores are filled with at least one element or an alloy selected from the group Al, Si, Al alloy, Si alloy, superalloy based on Co or Ni, Ti alloy, intermetallic compound and transition alloy.
2. Verbundkörper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Poren durch eine Al-Legierung gefüllt sind, die 0,5 bis 15 Gew.-% Si und/oder Mg oder/und Zn enthält.2. Composite body according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the pores are filled with an Al alloy containing 0.5 to 15 wt .-% Si and / or Mg or / and Zn.
Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er zusätzlich 5 bis 40 Vol.-% Plättchen, Par¬ tikel, Whisker oder/und Fasern enthält.Composite body according to claim 1 or 2, so that it additionally contains 5 to 40% by volume of platelets, particles, whiskers and / or fibers.
4. Verbundkörper nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Plättchen, Partikel, Whisker oder/und Fasern aus SiC und/oder A1_0_ bestehen.4. Composite body according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the platelets, particles, whiskers and / or fibers consist of SiC and / or A1_0_.
5. Verbundkörper nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest die im Oberflächenbereich liegende porenfüllende Phase in das entsprechende Nitrid oder Oxid umgewandelt vorliegtund Bruchspannungen ausübt. 5. Composite body according to one of the preceding claims, characterized in that at least the pore-filling phase lying in the surface area is converted into the corresponding nitride or oxide and exerts breaking stresses.
6. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aus RBSN bestehende Matrix unter einem Edelgasdruck von mehr als 10 bar mit der flüssigen zu infiltrierenden Phase behandelt wird.6. A method for producing a composite body according to any one of claims 1 to 5, that the matrix consisting of RBSN is treated with the liquid phase to be infiltrated under an inert gas pressure of more than 10 bar.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man den RBSN-Matrixkörper mit Hilfe einer mit Durchlässen für die flüssige Phase versehenen Tauchvorrichtung in die flüssige zu infiltrierende Phase eintaucht, anschließend den Edelgasdruck aufbringt und danach die Tauchvorrichtung wieder aus der flüssigen Phase entfernt und abtropfen läßt.7. The method according to claim 6, characterized in that the RBSN matrix body is immersed with the aid of a dipping device provided with passages for the liquid phase in the liquid phase to be infiltrated, then applies the inert gas pressure and then the dipping device is again removed from the liquid phase and dripped leaves.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Poren der Matrix durch Inberührungbringen mit reinem oder 0,5 bis 15 Gew.-% Si oder/und Mg oder/und Zn enthaltendem Aluminium bei einer Temperatur zwischen 700 und 1300°C unter einem Edelgasdruck von mehr als 10 bar gefüllt werden.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the pores of the matrix by contacting with pure or 0.5 to 15 wt .-% Si or / and Mg and / and Zn containing aluminum at a temperature between 700 and 1300 ° C. be filled under an inert gas pressure of more than 10 bar.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Temperatur von 775 bis 875 °C angewendet wird.9. The method according to claim 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a temperature of 775 to 875 ° C is applied.
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Poren der Matrix durch Inberührungbringen mit reinem Si bei einer Temperatur zwischen 1470 und 1800°C unter einem Edelgasdruck von mehr als 10 bar gefüllt werden. -lέ-10. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the pores of the matrix are filled by contacting with pure Si at a temperature between 1470 and 1800 ° C under an inert gas pressure of more than 10 bar. -lέ-
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Temperatur von 1500 bis 1650 °C angewendet wird.11. The method according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a temperature of 1500 to 1650 ° C is applied.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Matrix in ein Pulverbett aus der zu infil¬ trierenden Phase eingepackt, anschließend im Drucksinterofen evakuiert, erhitzt und anschlies- send der Edelgasdruck aufgelegt wird.12. The method according to any one of claims 6 and 8 to 11, so that the matrix is packed in a powder bed from the phase to be infiltrated, then evacuated in the pressure sintering oven, heated and then the inert gas pressure is applied.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Matrix in ein Pulverbett aus AI oder Si eingepackt und im Falle von AI auf Temperaturen zwischen 700 und 1300°C und im Falle von Si auf Temperaturen zwischen 1500 und 1800°C erhitzt wird.13. The method of claim 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the matrix is packed in a powder bed made of Al or Si and heated in the case of Al to temperatures between 700 and 1300 ° C and in the case of Si to temperatures between 1500 and 1800 ° C.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Edelgasdruck von 20 bis 100 bar angewendet wird.14. The method according to any one of claims 6 to 13, so that a noble gas pressure of 20 to 100 bar is applied.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Edelgasdruck von 30 bis 60 bar angewendet wird.15. The method according to claim 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an inert gas pressure of 30 to 60 bar is applied.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine RBSN-Matrix verwendet wird, in der ein schweres Element oder eine Verbindung desselben in solcher Menge dispergiert vorliegt, daß die Dichte - -16. The method according to any one of claims 12 to 15, characterized in that an RBSN matrix is used in which a heavy element or a compound thereof is dispersed in such an amount that the density - -
der Matrix größer als die von flüssigem Si oder AI ist.the matrix is larger than that of liquid Si or Al.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Matrix durch Befestigungskörper aus A1_0-. unter die Oberfläche der Si-Schmelze drückt.17. The method according to any one of claims 13 to 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the matrix by fastening body from A1_0-. presses under the surface of the Si melt.
18. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers ge¬ mäß Anspruch 5, nach einem der Ansprüche 6 bis 17 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Nitridierung bei den Drücken und Temperaturen durchführt, die bei der Infiltration der Matrix angewendet werden und das Edelgas unter Konstanthaltung des Gesamtdruckes graduell durch Stickstoff ersetzt.18. A method for producing a composite body according to claim 5, according to one of claims 6 to 17, characterized in that the nitridation is carried out at the pressures and temperatures which are used in the infiltration of the matrix and the noble gas gradually by maintaining the total pressure constant Nitrogen replaced.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man bei N_„_-Drücken von 1 bis 5 bar nitridiert.19. The method according to claim 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that nitriding at N _ "_- pressures of 1 to 5 bar.
20. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers ge¬ mäß Anspruch 5, nach einem der Ansprüche 6 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei AI-infiltriertem RBSN durch Glühen an Luft bei Temperaturen zwischen 600 und 1200°C bei Normaldruck die Oberfläche durch Oxidation und die dadurch erzeugten Oberflächendruckspannungen versiegelt wird.20. A method for producing a composite body ge according to claim 5, according to one of claims 6 to 17, characterized in that in Al-infiltrated RBSN by annealing in air at temperatures between 600 and 1200 ° C at normal pressure, the surface by oxidation and thereby generated surface compressive stress is sealed.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Edelgas Argon verwendet. -IS-21. The method according to any one of claims 6 to 20, characterized in that argon is used as the noble gas. -IS-
22. Tauchvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einem Behälter (4) mit Durchlässen (5) für die zu infiltrierende Schmelze (2) , einer Einführöffnung für den RBSN-Matrixkörper (1) , einer Haltevorrich¬ tung (8, 9) für den Matrixkörper und mit einer Vorrichtung (6) zum Ein- und Ausbringen der Vor¬ richtung aus der Schmelze der zu infiltrierenden Phase.22. Dipping device for carrying out the method for producing a ceramic composite body according to one of claims 1 to 5, consisting of a container (4) with passages (5) for the melt to be infiltrated (2), an insertion opening for the RBSN matrix body (1 ), a holding device (8, 9) for the matrix body and with a device (6) for introducing and removing the device from the melt of the phase to be infiltrated.
23. Tauchvorrichtung nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Behälter (4) die Form eines oben offenen Zylinders oder eines Tiegels besitzt, dessen Grundfläche und Seitenflächen mit Öffnungen ver¬ sehen sind.23. Diving device according to claim 22, so that the container (4) has the shape of an open-top cylinder or a crucible, the base and side surfaces of which are provided with openings.
24. Tauchvorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Grund- und Seitenflächen des Behälter aus einem Gitter bestehen.24. Diving device according to claim 22 or 23, so that the base and side surfaces of the container consist of a grid.
25. Verwendung eines Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Wendeschneidplatte zur Bearbeitung von Metallen, als verschleißfeste Komponente im Motoren-, Apparate- und Maschinenbau oder als Material zur funkenerosiven Bearbeitung von Präzisionsteilen.25. Use of a composite body according to one of claims 1 to 5 as an indexable insert for machining metals, as a wear-resistant component in engine, apparatus and machine construction or as a material for spark-erosive machining of precision parts.
26. Verwendung eines Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als leichtes Panzerungselement in Verbindung mit einer Rückplatte aus Aluminium. -23-26. Use of a composite body according to one of claims 1 to 5 as a light armor element in connection with a back plate made of aluminum. -23-
27. Verwendung eines Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als metallisierbares Element für Verbindungen mit Metallteilen.27. Use of a composite body according to one of claims 1 to 5 as a metallizable element for connections with metal parts.
28. Verwendung nach Anspruch 27 zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen dem Verbundkörper und einer metallischen Trägerkonstruktion, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man an der Metall/Verbundkörper-Verbindungs¬ stelle die beim Infiltrieren des RBSN-Teiles verwendete Metallschmelze als Schicht aufrechter¬ hält und das metallische Teil dann durch eine übliche Verbindungstechnik mit dieser Schicht verbindet.28. Use according to claim 27 for producing a firm connection between the composite body and a metallic support structure, characterized in that the metal melt used in infiltrating the RBSN part is maintained as a layer at the metal / composite body connection point and the metallic part then connects to this layer using a conventional joining technique.
29. Verwendung nach Anspruch 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mit dem Porengerüst im Verbundkörper zusammenhängende Metallschicht selbst als Träger¬ konstruktion fungiert. 29. Use according to claim 28, so that the metal layer which is connected to the pore structure in the composite body itself functions as a support structure.
PCT/EP1989/000920 1988-08-05 1989-08-03 Ceramic composite material, process for producing it and use thereof WO1990001472A1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP3826753.5 1988-08-05
DE3826753 1988-08-05
DEP3837378.5 1988-11-03
DE3837378A DE3837378A1 (en) 1988-08-05 1988-11-03 CERAMIC COMPOSITE, METHOD FOR ITS MANUFACTURE AND USE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1990001472A1 true WO1990001472A1 (en) 1990-02-22

Family

ID=25870878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1989/000920 WO1990001472A1 (en) 1988-08-05 1989-08-03 Ceramic composite material, process for producing it and use thereof

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE3837378A1 (en)
WO (1) WO1990001472A1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991018846A1 (en) * 1990-05-29 1991-12-12 Nils Claussen Reaction-bonded mullite-containing ceramic, its formation and use
WO1992010441A2 (en) * 1990-12-04 1992-06-25 United Technologies Corporation Composite monolithic lap and a method of making the same
EP0518077A1 (en) * 1991-06-08 1992-12-16 VAW Aluminium AG Nitride matrix metal-ceramic composites containing intercalations of a three-dimensional interconnected aluminium-containing metal phase
EP0648717A2 (en) * 1993-10-12 1995-04-19 Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. Reaction sintered ceramics and method of producing the same
WO2007059568A1 (en) * 2005-11-22 2007-05-31 Composite Alloy Products Pty Ltd A method of manufacturing metallic composites in an inert atmosphere and composites produced thereby
US7335331B1 (en) 2005-03-01 2008-02-26 Husnay Dana M Method for making ceramic plates
CN103143695A (en) * 2013-03-13 2013-06-12 江苏时代华宜电子科技有限公司 Technology and die-casting device for aluminium silicon carbide accurate die-casting forming

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4028217A1 (en) * 1990-06-01 1991-12-05 Krupp Widia Gmbh CERAMIC COMPOSITE BODY, METHOD FOR PRODUCING A CERAMIC COMPOSITE BODY AND THE USE THEREOF
DE4202804A1 (en) * 1992-01-31 1993-08-05 Man Technologie Gmbh Fibre composite ceramic article with durable surface - made by applying ceramic foil or consolidation material onto article surface
AT406837B (en) * 1994-02-10 2000-09-25 Electrovac METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING METAL-MATRIX COMPOSITES
FR2827375B1 (en) 2001-07-12 2004-01-16 France Etat MULTI-LAYER COMPOSITE SHIELDING
US20060163773A1 (en) * 2005-01-24 2006-07-27 General Electric Company Method for performing silicon melt infiltration of ceramic matrix composites
DE102011080299B4 (en) * 2011-08-02 2016-02-11 Infineon Technologies Ag Method of manufacturing a circuit carrier, and method of manufacturing a semiconductor device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399076A (en) * 1965-04-08 1968-08-27 Mallory & Co Inc P R Method of wetting silicon nitride
US3599601A (en) * 1968-05-28 1971-08-17 Nippon Carbon Co Ltd Internally heated autoclave for metal impregnation
FR2235896A1 (en) * 1973-07-05 1975-01-31 Eaton Corp
EP0034329A1 (en) * 1980-02-15 1981-08-26 Forschungszentrum Jülich Gmbh Armouring
WO1984002723A1 (en) * 1982-12-30 1984-07-19 Eltech Systems Corp Aluminum production cell components
EP0193292A2 (en) * 1985-02-04 1986-09-03 Lanxide Technology Company, Lp. Composite ceramic articles and methods of making the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS539254B2 (en) * 1973-03-26 1978-04-04
DE3610274A1 (en) * 1986-03-04 1987-09-10 Claussen Nils CERAMIC MOLDED BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE3724995A1 (en) * 1987-02-26 1988-09-08 Radex Heraklith Process for manufacturing a composite body and the composite body itself

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399076A (en) * 1965-04-08 1968-08-27 Mallory & Co Inc P R Method of wetting silicon nitride
US3599601A (en) * 1968-05-28 1971-08-17 Nippon Carbon Co Ltd Internally heated autoclave for metal impregnation
FR2235896A1 (en) * 1973-07-05 1975-01-31 Eaton Corp
EP0034329A1 (en) * 1980-02-15 1981-08-26 Forschungszentrum Jülich Gmbh Armouring
WO1984002723A1 (en) * 1982-12-30 1984-07-19 Eltech Systems Corp Aluminum production cell components
EP0193292A2 (en) * 1985-02-04 1986-09-03 Lanxide Technology Company, Lp. Composite ceramic articles and methods of making the same

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991018846A1 (en) * 1990-05-29 1991-12-12 Nils Claussen Reaction-bonded mullite-containing ceramic, its formation and use
WO1992010441A2 (en) * 1990-12-04 1992-06-25 United Technologies Corporation Composite monolithic lap and a method of making the same
WO1992010441A3 (en) * 1990-12-04 1992-08-06 United Technologies Corp Composite monolithic lap and a method of making the same
EP0518077A1 (en) * 1991-06-08 1992-12-16 VAW Aluminium AG Nitride matrix metal-ceramic composites containing intercalations of a three-dimensional interconnected aluminium-containing metal phase
WO1992022515A1 (en) * 1991-06-08 1992-12-23 Vaw Aluminium Ag Composite metal-ceramic bodies consisting of a nitride matrix incorporating a three-dimensionally cross-linked aluminium-containing metal phase
EP0648717A2 (en) * 1993-10-12 1995-04-19 Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. Reaction sintered ceramics and method of producing the same
EP0648717A3 (en) * 1993-10-12 1996-04-10 Isuzu Ceramics Res Inst Reaction sintered ceramics and method of producing the same.
US7335331B1 (en) 2005-03-01 2008-02-26 Husnay Dana M Method for making ceramic plates
WO2007059568A1 (en) * 2005-11-22 2007-05-31 Composite Alloy Products Pty Ltd A method of manufacturing metallic composites in an inert atmosphere and composites produced thereby
CN103143695A (en) * 2013-03-13 2013-06-12 江苏时代华宜电子科技有限公司 Technology and die-casting device for aluminium silicon carbide accurate die-casting forming
CN103143695B (en) * 2013-03-13 2014-11-26 江苏时代华宜电子科技有限公司 Technology and die-casting device for aluminium silicon carbide accurate die-casting forming

Also Published As

Publication number Publication date
DE3837378A1 (en) 1990-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69520456T2 (en) COMPOSITE CERMETIC ITEM AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE69011538T2 (en) Process for the production of self-supporting bodies with controlled porosity and graded properties as well as bodies made therewith.
DE69013174T2 (en) Process for the production of self-supporting bodies and products obtained in this way.
DE69225312T2 (en) TOOL STEEL WITH HIGH RESISTANCE TO THERMAL FATIGUE
EP0534191B1 (en) Cermets and their production and use
DE3850523T2 (en) Composites with metal matrix.
DE69907346T2 (en) Composite material based on silicon carbide and manufacturing process therefor
EP0800495B1 (en) Production of an aluminide-containing ceramic moulding
CA2312607C (en) Metal porous bodies, method for preparation thereof and metallic composite materials using the same
DE69013697T2 (en) Process for the production of self-supporting bodies and products manufactured by the process.
DD283368A5 (en) PROCESS FOR THE PREPARATION OF A SELF-SUPPORTING BODY
DE602005001248T2 (en) Method for reducing the oxygen content of a powder and the product made therefrom.
DE68910274T2 (en) Directional solidification of composite bodies with a metal matrix.
AT7492U1 (en) WEAR PART OF A DIAMOND-CONTAINING COMPOSITE
WO1990001472A1 (en) Ceramic composite material, process for producing it and use thereof
WO1996020902A9 (en) Production of an aluminide-containing ceramic moulding
DD256871A5 (en) PROCESS FOR PREPARING SELF-CARRYING KOERPER
EP0902771B1 (en) Metal-ceramic shaped body and process for manufacturing the same
DE1263576B (en) Process for the production of cermets
DE68913153T2 (en) Process for the production of composite bodies with metal matrix by voluntary infiltration from the outside inwards.
DE69130237T2 (en) Process for the production of composite material
DE69309917T2 (en) Manufacture of cement bodies by reactive infiltration
EP1709209B1 (en) Light metal alloy sintering method
DE10297020T5 (en) Multi-component ceramic powder, method for producing multi-component ceramic powder, sintered body and method for producing a sintered body
DE3884691T2 (en) Ceramic composite.

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1989908700

Country of ref document: EP

AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1989908700

Country of ref document: EP