DE2356921A1

DE2356921A1 - Verfahren zur herstellung von siliciumnitrid-keramiken

Info

Publication number: DE2356921A1
Application number: DE2356921A
Authority: DE
Inventors: Norman Lawrence Parr
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1973-11-14
Publication date: 1974-05-30
Also published as: GB1393579A; DE2356921C2

Description

"betreffend

Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid-Keramiken

Es ist "bekannt, Siliciumnitrid-Keramikköfper herzustellen, indem zuerst Siliciumnitrid hergestellt, dieses dann gebrochen und gemahlen und pulverförmiges Siliciumnitrid unter Druck gesintert wird. Alle diese Verfahren sind sehr aufwändig, die erhaltenen Keramikkörper nicht sehr dicht.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Verringerung der Kosten zur Herstellung von Siliciumnitrid-Formkörpern, wobei diese möglichst nahe an die theoretische Dichte herankommen und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zwischenstufen des Aufbrechens und Mahlens von Siliciumnitrid, welches sich bekanntlich durch außerordentliche Härte auszeichnet, vermieden werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Formkörper dadurch hergestellt, daß man zuerst Siliciumpulver entsprechend formt unter Verdichtung, dann den Grünling in einer Stickstoffatmosphäre bis zur vollständigen-Nitrierung des Siliciums brennt (Reaktionssintern), woraufhin der-Reaktionssinterkörper in die Endform drucksintert. Es wurde nun festgestellt, daß die Herstellung hoch" dichter Körper nach der Erfindung zu Pro-

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dukten führt, die gegenüber hohen Temperaturen stabil sind und darüberhinaus sich auch bei erhöhten Temperaturen durch geringes Kriechen und gute Schlagfestigkeit ausseichnen.

Da es sich bei dem Ausgangsmaterial um feinteiliges Silicium handelt und die Herstellung durch Reaktionssintern gelingt, so wird Silicium und Stickstoff zu Siliciumnitrid umgewandelt, dabei tritt keine Dinensionsänderung auf. Man hat merklichen Spielraum in der Formgebung der Endprodukte während der anfänglichen Pulververdichtung oder- in dem in etwa die Endform gebildet wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Drucksintern der Körper mit einem Flußmittel infiltriert. Das Flußmittel ist vorzugsweise Magnesiumoxid in einer Menge von 1 bis 5 $

Zusätzliches Material wie Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Graphit, Bornitrid, Aluminium, Titan oder Eisen können dem Siliciumpulver vor dem ersten Verdichten zugefügt werden, um spezielle Eigenschaften des Fertigprodukts zu verbessern.

Das Drucksintern geschieht bei erhöhten Temperaturen,maximal 1600° bis 1850⁰C.

Die vollständige Umwandlung des Siliciumpulver-Pormlings zu einem ineinander greifenden Kristallaggregat von Siliciumnitrid erreicht man in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur unmittelbar unter dem Schmelzpunkt von Silicium, bis die vollständige Umwandlung in Siliciumnitrid stattgefunden hat. Dies dauert im allgemeinen etwa 12 Stunden, abhängig von der Querschnitt sflache der Presslinge. Die Reaktion setzt bei 1200°c ein, ist jedoch schneller bei Temperaturen in der Nähe von 1400 c. Obwohl die Reaktion exotherm ist, ist es insbesondere bei großen Querschnittsflächen vorzuziehen, nicht über 135O⁰C zu gehen, um ein örtliches Schmelzen von Siliciumpulver zu Klumpen, die einem Reaktionssintern unzugänglich wären, zu ver-

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hindern. Die Nitrierung kann vorzugsweise auch 2-stufig ausgeführt v/erden (GB-PS 887 942). Obwohl keine Dimensionsänderungen oder merkliche Verziehungen während des Reaktionssinterns stattfinden, ist es notwendig, ausreichenden Materialüberschuß vorzusehen, um das Schrumpfen während des folgenden Drucksinterns zu kompensieren. Es kann auch notwendig sein, Überschußmaterial an bestimmten Flächen vorzusehen, die schließlich abgearbeitet v/erden, damit der erhaltene Formkörper hohe Oberflächengüte aufweist.

Der Siliciumnitridkörper wird dann in einer Graphitform, überzogen mit einer Bornitridanstrichsmasse, unter leichtem Druck verdichtet, während die Temperatur auf maximal 1600° bis 185O⁰O gesteigert und gleichzeitig der Pressdruck auf 2,35 kg/mm (1,5 t/sq_.in) erhöht wird. Diese Bedingungen werden dann kurze Zeit, abhängig von der Materialstärke, in der Form aufrechterhalten und dann langsam aufgehoben. Es schließt sich dann ein Tempern zur Aufhebung der Restspannung an. Durch Verdichten des Siliciumpulvers zu einem Körper in etwa Endform und durch Anwendung von Graphitformen und möglicherweise einer einfachen Schiaiedeoperation ist es möglich, Formkörper weit-gehendst der Endform herzustellen, so daß die aufwändigen Nacharbeitskosten minimal gehalten werden.

Das Verfahren kann vereinfacht v/erden durch Infiltrieren eines Flußmittels in den porösen-Sinterkörper vor der Stufe des Drucksint erns. Als Flußmittel eigenen sich Magnesiumoxid, Magnesiumnitrid, Calciumoxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid, Berylliumoxid, Berylliumnitrid und Calciumnitrid.

Eine Abwandlung äes erfindungsgemäßen Verfahrens zur"Herstellung verschiedenster Materialien auf der Basis der Siliciumnitrid-Technologie für ungewöhnliche Kombinationen von physikalischen und mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Komponenten für tribologische und Hochtemperatursysteme, liegt darin, daß zusätzliches Material dem Siliciumpulver vor dem Reaktionssintern einverleibt wird. - 4 -

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Beispiele für diese Materialien sind Dispersionen von 1 bis 50 Vol.-?' solcher Stoffe in Siliciumnitrid, wie Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Graphit, Bornitrid, Aluminium, Titan oder Eisen in feinteiliger oder grobkörniger Form in regelloser Anordnung oder als orientierte Drähte oder Pasern oder aber auch in Sandwichs truktur.

Durch selektrive Anordnung von Verstärkungsmaterialien während der Anfangsstufen der Herstellung ist es möglich, Teile mit lokal besseren Eigenschaften, wie Oberfiächenhärte, elektrische Leitfähigkeit, thermisches Isolationsvermögen, herzustellen oder mit speziellen Eigenschaften hinsichtlich der Verbindung von Keramik und Metall. Es ist auch möglich, die Struktur dieser Produkte zu modifizieren und die Eigenschaften durch weitere Warmbearbeitung zu beeinflussen, welche auch dahin abzielen kann, um aus dem Material besondere Formen zu erreichen.

Auf speziellem Wunsch eines Abnehmers wurden Körper mit praktisch theoretischer Dichte aus Siliciumnitrid,enthaltend 1 bis 5 YoI.-90 Magnesiumoxid, hergestellt, mit zusätzlich Dispersionen von ) 10 bis 30 Vol.-^o Siliciumcarbid für tribologische und Hochtemperatureigenschaften|init 10 bis 30 Vol.-$ Graphit für Lagereigenschaften _| mit 10 bis 30 <fo Bornitrid für tribologische und Verschleißeigenschaften und schließlich 10 bis 30 fo Eisen für Schlagfestigkeit und Eigenschaften bei. Raumtemperatur.

Es ist offensichtlich, daß man durch geringfügige Abwandlungen obigen Verfahrens spezielle Legierungen und Verbundkörper für besondere Anforderungen herstellen kann.

Patentansprüche 81/XIX

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Siliciumnitrid ausgehend von Siliciumpulver durch Reaktionssintern in Stickstoff atmosphäre, dadurch gekennzeichnet , daß man Silxciumpulver zu der gewünschten Form verdichtet, dann in Stickstoffatmosphäre bis zur vollständigen Nitrierung reaktionssintert und anschließend den Sinterkörper unter Druck sintert

, . etwa , ., .

bis zur endgültigen Form. ·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geken'.n zeichne t , daß man den reaktionsgesinterten Formkörper mit einem Flußmittel infiltriert und dann drucksintert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man als Flußmittel 1 "bis 5 Vol.-$ Magnesiumoxid anwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man dem Siliciumpulver zusätzlich Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Graphit, Bornitrid, Aluminium, Titan und/oder Eisen.insbesondere in einer Menge von 10 bis 30 zusetzt. ■ ' · ■

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4? dadurch gekennzeichnet, daß man zum Drucksintern den reaktionsgesinterten Formling unter Druck auf eine Temperatur von maximal 1600 bis 185O⁰C erhitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den reaktionsgesinterten Pressling in einer Graphitform unter leiöxtem Druck vorpresst und bei steigendem

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Pressdruck bis 2,35 kg/mm² die Temperatur auf maximal 1600°- 1850⁰G steigert.

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