DE69011191T2

DE69011191T2 - Verbundwerkstoff auf Sialonbasis und Methode zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69011191T2
Application number: DE69011191T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Goto; Michiyasu C O Intellec Komatsu; Akihiko Tsuge; Takeyuki C O Intellec Yonezawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2010-05-12
Also published as: EP0397525A1; US5112780A; DE69011191D1; EP0397525B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompositwerkstoff auf Sialonbasis mit einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und Bruchzähigkeit und ein Verfahren zu seiner Herstellung,
Im allgemeinen sind zwei Sialone bekannt: β-Sialon, das durch die Formel Si6-zAlzOzN8-z (wobei 0< z≤4,2 ist) beschrieben wird und das durch Zugabe von Al&sub2;O&sub3;, AlN, SiO&sub2; und dergleichen zu Si&sub3;N&sub4; und Erhitzen der erhaltenen Mischung, um diese Zusatzstoffe in fester Form in Si&sub3;N&sub4; zu lösen (das heißt, eine feste Lösung herzustellen), erhalten wird, und α-Sialon, das durch die Formel Mx(Si,Al)&sub1;&sub2;(O,N)&sub1;&sub6; (wobei 0< x≤2 ist; M wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca, Mg, Y und Seltenerdenmetalle darstellt) beschrieben wird und bei dem ein Metall in fester Form in dem Kristallgitter von Si&sub3;N&sub4; gelöst ist. Ein Sinterkörper aus Sialon weist eine ausgezeichnete Wärme- und Oxidationsbeständigkeit auf, und seine Festigkeit wird bei hohen Temperaturen, die 1300ºC übersteigen, nicht vermindert. Selbst wenn ein Sinterkörper aus Sialon bei einer hohen Temperatur oxidiert wird, werden seine Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Deshalb ist zu erwarten, daß Sinterkörper aus Sialon als mechanische Materialkomponenten verwendet werden können, die für den Gebrauch bei hohen Temperaturen erforderlich sind. Ein typisches Beispiel einer solchen mechanischen Komponente ist eine Keramikgasturbine.
Obwohl ein Sinterkörper aus Sialon eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, hat er geringe mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit, was zu einem entscheidenen Nachteil in der praktischen Anwendung führt. Es wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt, um die mechanische Festigkeit und die Bruchzähigkeit von Sinterkörpern aus Sialon zu verbessern. Unter all diesen wurden einige Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis entwickelt, die SiC-Fasern in Sialonen enthalten (vgl. veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 62-12670)
Obwohl die Bruchzähigkeit etwas verbessert werden konnte, konnte in solch einem Kompositwerkstoff auf Sialonbasis die mechanische Festigkeit nicht ausreichend verbessert werden, so daß die Verbesserung der mechanischen Festigkeit ungelöst blieb. Es entstand ein starker Bedarf an weiteren Verbesserungen der Bruchzähigkeit bei praktischen Anwendungen.
Obwohl Versuche unternommen wurden, die mechanische Festigkeit und die Bruchzähigkeit von Sialonen zu verbessern, wurde die beste Lösung bis jetzt noch nicht gefunden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kompositwerkstoff auf Sialonbasis mit einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und Bruchzähigkeit, der für praktische Anwendungen genutzt werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kompositwerkstoff auf Sialonbasis bereitgestellt, der im wesentlichen aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Sialon als Hauptbestandteil besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes auf Sialonbasis durch Zubereiten eines Pulvergemisches als Ausgangsmaterial, das im wesentlichen aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; als Sialonkomponente besteht, in einer ersten Stufe, und Sintern des Pulvergemisches in einer zweiten Stufe, angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kompositwerkstoff auf Sialonbasis, der im wesentlichen aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Sialon als Hauptbestandteil besteht, bereitgestellt. Das heißt, die SiC-Fasern und die Hf-Komponente werden in dem obigen Zusammensetzungsverhältnis zu dem Sialon hinzugefügt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf Zusatzkomponenten durchgeführt, die fähig sind, die mechanische Festigkeit von Sialonen zu erhöhen, und haben dabei festgestellt, daß deren mechanische Festigkeit bei Zugabe einer Hf-Komponente zu jedem beliebigen Sialonmaterial stark anstieg. Es wird angenommen, daß die Zugabe der Hf-Komponente das Wachstum von Sialonkörnchen verhindert, so daß gleichmäßige feine Körnchen hergestellt werden. Darüberhinaus ist das Hf selbst als eine Zusatzkomponente in Form von sehr feinen Körnchen einer Hf-Verbindung vorhanden, wobei diese Körnchen in einem Sinterkörper dispergiert sind. Deshalb wird die zweite Phase der Korngrenze mit einer niedrigen Schmelztemperatur nicht gebildet und es wird verhindert, daß die Wärme- und Oxidationsbeständigkeit des Kompositwerkstoffes durch die zweite Phase der Korngrenze vermindert werden.
Das Ausgangsmaterial der Hf-Komponente ist nicht auf eine spezifische Komponente beschränkt, falls sie Hf enthält. Beispiele dieses Ausgangsmaterials sind Hf-Verbindungen (z.B. HfO&sub2;, HfC, HfN, HfB&sub2; und HfSi&sub2;) und metallisches Hf. Unter diesen Materialien werden HfO&sub2;, HfC und HfN bevorzugt. Wenigstens zwei dieser Materilien können miteinander vermischt sein. Das heißt, die Hf-Komponente bedeutet Hf selbst oder eine Hf-Verbindung. Die Menge der Hf-Komponente liegt im Bereich von 0,3 bis 10 Gew.-% und vorzugsweise 1,0 Gew.- bis 7 Gew.-%. Wenn die Menge der Hf- Komponente weniger als 0,3 Gew.-% beträgt, kann ein ausreichender Additionseffekt der Hf-Komponente nicht erhalten werden. Wenn jedoch der Gehalt der Hf-Komponente 10 Gew.-% übersteigt, werden unerwünschterweise große Körnchen der Hf-Verbindung erhalten, so daß eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit nicht erreicht werden kann. Außerdem bringt die Zugabe in solch großen Mengen einen ökonomischen Nachteil mit sich.
Obwohl die Zugabe einer Hf-Komponente die mechanische Festigkeit des Sialons bedeutend verbessert, verändert sich die Bruchzähigkeit des Sialons kaum, wenn nur die Hf-Komponente hinzugefügt wird.
Wenn die Erfinder der vorliegenden Erfindung SiC-Fasern, die als eine Zusatzkomponente zur Verbesserung der Bruchzähigkeit bekannt sind, zusätzlich zu der Hf-Komponente dem Sialon hinzufügten, konnte die Bruchzähigkeit des Kompositwerkstoffes aus Sialon, verglichen mit einem herkömmlichen Kompositwerkstoff aus Sialon, der nur SiC-Fasern enthielt, bedeutend verbessert werden. Das heißt, die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, daß bei einem Kompositwerkstoff aus Sialon, bei dem sowohl SiC-Fasern als auch eine Hf-Komponente dem Sialon hinzugefügt wurden, die Bruchzähigkeit bedeutend verbessert ist, verglichen mit einem Kompositwerkstoff aus Sialon, dem nur SiC-Fasern hinzugefügt wurden. Diese Tatsache basiert scheinbar auf dem folgenden Mechanismus.
Um die Bruchzähigkeit des Sialons nach dem Hinzufügen von SiC- Fasern zu verbessern, ist ein Haftvermögen einer Grenzfläche zwischen dem Sialon und den SiC-Fasern ein wichtiger Faktor. Die Verbesserung der Bruchzähigkeit des Sialons nach Hinzufügen der SiC-Fasern zum Sialon kann erreicht werden, wenn die SiC- Fasern, die in dem Sialon dispergiert sind, mit einer angemessenen Kraft herausgezogen werden können. Zu diesem Zweck muß ein angemessenes Haftvermögen der Grenzfläche zwischen dem Sialon und den SiC-Fasern vorhanden sein. Wenn die Haftkraft, die auf der Grenzfläche wirksam ist, übermäßig groß ist, kann der Effekt des Herausziehens nicht verstärkt werden, so daß die Bruchzähigkeit nicht verbessert werden kann. Wenn die Haftkraft, die auf der Grenzfläche wirksam ist, zu gering ist, kann das Wachstum eines Risses, der sich in dem Sialon bildet, nicht unterdrückt werden, so daß auch in diesem Fall die Bruchzähigkeit nicht verbessert werden kann.
Die Hf-Komponente als eine Zusatzkomponente in dem Kompositwerkstoff auf Sialonbasis gemäß der vorliegenden Erfindung dient dazu, der Grenzfläche zwischen dem Sialon und den SiC-Fasern ein angemessenes Haftvermögen zu verleihen. Das heißt, feine Körnchen einer Hf-Verbindung, die in dem Sialon gebildet sind, sind an der Grenzfläche zwischen den Sialonkörnchen und den SiC-Fasern vorhanden und verleihen das oben beschriebene angemessene Haftvermögen.
Im allgemeinen ist es relativ schwer, ein Sialonmaterial zu sintern, so daß ein Hochtemperatursintern erforderlich ist, um einen Sialonkompositwerkstoff zu verdichten. Die SiC-Fasern als eine Zusatzkomponente können während eines solchen Hochtemperatursinterns abgebaut werden. Wenn eine Hf-Komponente dem Sialon zugegeben wird, kann seine Sintertemperatur erniedrigt werden. Deshalb kann die Zugabe einer Hf-Komponente den Abbau der SiC- Fasern minimieren und die Bruchzähigkeit des Sinterkörpers verbessern.
Die SiC-Fasern als eine der oben beschriebenen Zusatzkomponenten, können einzelne kristalline SiC-Whisker oder polykristallines SiC sein, wobei ihre Länge in Längsrichtung nicht auf einen spezifischen Wert begrenzt ist. Wenn die Länge der SiC- Fasern erhöht ist, kann die Bruchzähigkeit des Sinterkörpers ansteigen. Die mechanische Festigkeit kann abnehmen. Deshalb wird die Länge der SiC-Fasern vorzugsweise unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen festgelegt, in denen die Kompositwerkstoffe verwendet werden. Wenn zum Beispiel ein Sinterkörper unter einer Bedingung verwendet wird, bei der die Bruchzähigkeit die Hauptbedeutung besitzt, werden vorzugsweise lange Fasern, wie zum Beispiel SiC-Endlosfasern, verwendet. Wenn jedoch die mechanische Festigkeit die Hauptbedeutung besitzt, werden vorzugsweise kurze SiC-Whisker verwendet.
Außerdem können die SiC-Fasern Kompositfasern sein, in denen SiC-Schichten um C-Fasern als Kernfasern herum durch ein CVD- Verfahren oder dergleichen ausgebildet sind. Der Gehalt an SiC- Fasern liegt im Bereich von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-%. Wenn der Gehalt weniger als 5 Gew.-% beträgt, kann ein Additionseffekt nicht erhalten werden. Wenn jedoch der Gehalt an SiC-Fasern 40 Gew.-% übersteigt, ist es schwierig, zu verdichten. In diesem Fall ist die Dichte des erhaltenen Sinterkörpers unerwünscht niedrig, so daß Eigenschaften, wie die mechanische Festigkeit beeinträchtigt werden.
Bei dem Kompositwerkstoff auf Sialonbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Sialon als der Hauptbestandteil α-Sialon oder β-Sialon sein. Das β-Sialon ist besser als das α-Sialon, um einen Kompositwerkstoff auf Sialonbasis mit einer besseren Bruchzähigkeit zu erhalten. β-Sialon ist ein Sinterkörper mit einer Zusammensetzung, die durch die folgende Formel definiert ist:
Si6-zAlzN8-z
(wobei 0< z≤4,2 ist)
und kann im allgemeinen durch Sintern einer Mischung aus Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, AlN, SiO&sub2; und dergleichen erhalten werden. α-Sialon ist ein Sinterkörper mit einer Zusammensetzung, die durch die folgende Formel definiert ist:
Mx(Si, Al)&sub1;&sub2;(O,N)&sub1;&sub6;
(wobei 0< x≤2 ist; M wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca, Mg, Y und Seltenerdenelemente darstellt) und kann im allgemeinen durch Sintern einer Mischung aus Si&sub3;N&sub4;, AlN, Y&sub2;O&sub3; und dergleichen erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Verunreinigungen und Zusätze in dem Sialon als dem Hauptbestandteil in Mengen vorhanden sein, die klein genug sind, um den Effekt der vorliegenden Erfindung nicht zu beeinträchtigen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes auf Sialonbasis gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun im weiteren beschrieben. Dieses Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes auf Sialonbasis umfaßt das Zubereiten eines Pulvergemisches als ein Ausgangsmaterial, das im wesentlichen aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; als Sialankomponente besteht, in einer ersten Stufe und Sintern des Pulvergemisches in einer zweiten Stufe. Der Kompositwerkstoff auf Sialonbasis, der wie oben beschrieben hergestellt wurde, enthält als Hauptbestandteil β-Sialon. Das heißt, das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Komponenten, nämlich Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; als Materialien verwendet werden, um als Hauptbestandteil β-Sialon zu erhalten.
Das β-Sialon, das durch die Formel Si6-zAlzN8-z (wobei 0< z≤4,2 ist) beschrieben ist, hat eine Kristallstruktur, in der Al&sub2;O&sub3; in fester Form in Si&sub3;N&sub4; gelöst ist. Wenn die zwei Komponenten, d.h. Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3;, verwendet werden, kann das β-Sialon auf ideale Weise hergestellt werden. In der Praxis ist es jedoch schwierig, nur Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; zu sintern, so daß weitere Komponenten, wie AlN und SiO&sub2;, die oben beschrieben sind, ebenfalls verwendet werden. Diese weiteren Komponenten bleiben als Korngrenzenphasen in dem Sinterkörper aus Sialon zurück und vermindern die Oxidationsbeständigkeit des Sinterkörpers. Deshalb wird die Verwendung dieser Komponenten nicht bevorzugt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat die obige Situation berücksichtigt und das β-Sialon als Hauptbestandteil wird durch die Verwendung von zwei Komponenten, d.h. Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3;, erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Hf-Komponente als eine Zusatzkomponente die mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit des Sialons verbessern, seine Sintertemperatur erniedrigen und das Lösen in fester Form von Al&sub2;O&sub3; in Si&sub3;N&sub4; erhöhen. Es ist deshalb möglich, das Sialon als Hauptbestandteil aus Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; zu bilden. In diesem Fall wird die Oxidationsbeständigkeit durch die Korngrenzenphase, die in dem Sinterkörper verbleibt, nicht verringert. Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Pulvermischung eines Ausgangmaterials aus SiC-Fasern, einer Hf-Komponente, Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; in einer ersten Stufe hergestellt. Um einen Kompositwerkstoff auf Sialonbasis mit einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und einer ausgezeichneten Bruchzähigkeit zu erhalten, liegt zu dieser Zeit der Gehalt an den SiC-Fasern im Bereich von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-%, und die Menge an der Hf-Komponente im Bereich von 0,3 bis 15 Gew.- %, vorzugsweise 1,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-%, wenn dieser Gehalt als sein Oxid berechnet ist. Außerdem liegt der Gehalt an Al&sub2;O&sub3; im Bereich von 5 bis 30 Gew.-%. Der Rest ist vorzugsweise Si&sub3;N&sub4;.
In der zweiten Stufe wird die in der ersten Stufe hergestellte Pulvermischung gesintert. Für dieses Sintern kann ein Warmpressen oder ein Normaldrucksinterverfahren verwendet werden. Die Dichte des erhaltenen Sinterkörpers, der durch ein Warmpreßverfahren geformt worden ist, ist höher als die Dichte des erhaltenen Sinterkörpers, der durch das Normaldrucksintern geformt worden ist.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, verglichen mit einem herkömmlichen Verfahren, bei dem andere Komponenten, wie AlN und SiO&sub2; zusammen mit den zwei Komponenten, d.h. Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3;, verwendet werden, ein Kompositwerkstoff auf Sialonbasis mit exzellenten Eigenschaften, wie zum Beispiel Oxidationsbeständigkeit, einfach erhalten werden.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail anhand ihrer Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Um die einzelnen Pulvermischungen herzustellen, wurden Pulver der Hf-Verbindungen und Sialonkomponenten, die die Zusammensetzungsverhältnisse gemäß Tabelle 1 aufwiesen, mit einer Plastikkugelmühle etwa 12 Stunden lang gemischt. Das Pulver der Sialonkomponente wurde vorher, wie folgt, hergestellt.
Für eine α-Sialonkomponente wurden 63,0 Mol-% Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,7 um, 33,3 Mol-% AlN-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,8 m und 3,7 Mol-% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,9 um gemischt, um ein Pulver herzustellen, das durch die Formel Y0,4(Si,Al)&sub1;&sub2;(O,N)&sub1;&sub6; beschrieben ist.
Für eine β-Sialonkomponente wurden ein Pulver, das durch die Zusammensetzung Si&sub4;Al&sub2;O&sub2;N&sub6; beschrieben ist, und ein Pulver, das durch die Zusammensetzung Si&sub5;AlON&sub7; beschrieben ist, verwendet. Das Si&sub4;Al&sub2;O&sub2;N&sub6;-Pulver wurde unter Verwendung eines synthetischen β-Sialonpulvers SZ-2 (Warenzeichen), das von Ube, Industries, Ltd. erhältlich ist, oder durch Mischen eines Si&sub3;N&sub4;- Pulvers mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,7 um, eines AlN-Pulvers mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,8 um und eines Al&sub2;O&sub3;-Pulvers mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,9 um erhalten. Das Si&sub5;AlON&sub7;-Pulver wurde durch Mischen der oben genannten Pulver erhalten.
SiC-Endlosfasern wurden in der jeweils in Tabelle 1 angegebenen Menge in jeder Pulvermischung in einer Richtung ausgerichtet und bei einem Druck von etwa 1000 kg/cm² verpreßt. Dadurch wurden jeweils Grünkörper mit einer Länge von 50 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 7 mm erhalten. Jeder Grünkörper wurde in eine Kohlepreßform überführt und unter einer Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1700ºC und einem Druck von 300 kg/cm² während 30 Minuten warmgepreßt. Dadurch wurden Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, die mit den Probennummern 1 bis 20 bezeichnet sind, hergestellt. Diese Proben hatten eine Zusammensetzung, die in den Bereich der Erfindung fällt.
Jede erhaltene Probe wurde zu einem Probestück mit einer Größe von 4 mm x 3 mm x 40 mm verarbeitet, worauf die Festigkeit jeder Probe bei Raumtemperatur und bei 1300ºC gemäß einem Dreipunktbiegeversuch unter Erfüllung des JPS (Japanischen Industriestandards) gemessen wurde. Die Bruchzähigkeit jeder Probe wurde bei Raumtempertur mittels des SENB-Verfahrens (Single Edge Notched Beam Method) durch Ausbilden einer Kerbe mit einer Breite von 0,1 mm und einer Tiefe von 0,75 mm in jeder Probe gemessen. Bei den Festigkeits- und Bruchzähigkeits-messungen wirkte eine Dehnungsbeanspruchung in der gleichen Richtung, in der die SiC-Endlosfasern ausgerichtet waren. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, wurden die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis bei hohen Temperaturen nicht abgebaut und wiesen eine ausgezeichnete Bruchzähigkeit und ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf.

Vergleichsbeispiel 1

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurden mit den Probennummern 21 bis 29 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, deren Zusammensetzungen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, unter Verwendung der Zusatzkomponenten gemäß Tabelle 2 und von Pulvern der Sialonkomponenten gemäß Tabelle 2 als Ausgangsmaterial hergestellt.
Es wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Wie Tabelle 2 zu entnehmen ist, haben die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis eine geringere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit als die Sinterkörper, die in Beispiel 1 erhalten wurden. Tabelle 1 Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Endlosfaser Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Endlosfaser Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Tabelle 2 Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Endlosfaser Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2)

Beispiel 2

Um Ausgangspulver herzustellen, wurden Pulver der Zusatzkomponenten und Sialonkomponenten, die die in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzungsverhältnisse aufwiesen, etwa 12 Stunden lang in einer Plastikkugelmühle gemischt. Die Pulver der Sialonkomponenten wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt.
Das Sintern wurde mittels eines Warmpressens ausgeführt. Das heißt, jedes Pulver wurde bei einem Druck von etwa 1000 kg/cm² kaltgepreßt, um einen Grünkörper zu erhalten. Jeder Grünkörper wurde in eine Kohlepreßform überführt und unter einer Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1750ºC und einem Druck von 300 kg/cm² 30 Minuten lang gesintert. Dadurch wurden Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, die mit den Probennummern 30 bis 49 bezeichnet sind, hergestellt. Diese Proben wiesen Zusammensetzungen auf, die in dem Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Mit den erhaltenen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 1 durchgeführt. Tabelle 3 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 3 zu entnehmen ist, wurden die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis bei hohen Temperaturen nicht so abgebaut und wiesen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und eine ausgezeichnete Bruchzähigkeit auf.

Vergleichsbeispiel 2

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 2 wurden mit den Probennummern 50 bis 57 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, deren Zusammensetzungen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, unter Verwendung von Zusatz- und Sialonkomponenten gemäß den in Tabelle 4 gezeigten Zusammensetzungsverhältnissen hergestellt. Mit den erhaltenen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 2 durchgeführt. Tabelle 4 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 4 zu entnehmen ist, haben die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis eine geringere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit als die Sinterkörper, die in Beispiel 2 erhalten wurden. Tabelle 3 Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Whisker Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Whisker Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Tabelle 4 Zusatzkomponente Probe Nr. Sialonkomponente Gew.-% SiC-Whisker Probe Nr. Sialonkomponente mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2)

Beispiel 3

Zur Herstellung eines Ausgangspulvers wurden Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,7 um, Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 0,9 um und HfO&sub2;-, HfN- und HfC-Pulver mit einer durchschnittlichen Körnchengröße von 1 um in einem Zusammensetzungsverhältnis gemäß Tabelle 5 gemischt, wobei jedes Mischen etwa 12 Stunden lang in einer Plastikkugelmühle erfolgte. SiC-Endlosfasern mit Zusammensetzungen gemäß Tabelle 5 wurden in eine Richtung in dem entsprechenden Materialpulver entsprechend Beispiel 1 ausgerichtet. Dabei wurden mit den Probennummern 58 - 69 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis hergestellt, die als Hauptbestandteil β-Sialonkomponenten enthalten. Diese Proben weisen Zusammensetzungen auf, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Mit diesen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 1 durchgeführt. Tabelle 5 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 5 zu entnehmen ist, wiesen die Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis eine ausgezeichnte Bruchzähigkeit und eine ausreichende mechanische Festigkeit auf.

Vergleichsbeispiel 3

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 3 wurden mit den Probennummern 70 bis 72 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, deren Zusammensetzungen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, unter Verwendung von Zusatz- und Sialonkomponenten mit Zusammensetzungsver-hältnissen gemäß Tabelle 6 als Ausgangsmaterialien hergestellt.
Mit den erhaltenen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 3 durchgeführt. Tabelle 6 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 6 zu entnehmen ist, haben die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis eine geringere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit als die Sinterkörper, die in Beispiel 3 erhalten wurden. Tabelle 5 Zusatzkomponente Sialonkomponente Probe Nr. SiC-Endlosfaser (Gew.-%) mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Tabelle 6 Zusatzkomponente Sialonkomponente Probe Nr. SiC-Endlosfaser (Gew.-%) mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2)

Beispiel 4

Um die Ausgangspulver herzustellen, wurden Pulver der Zusatzund Sialonkomponenten mit Zusammensetzungsverhältnissen gemäß Tabelle 7 12 Stunden lang mit einer Plastikkugelmühle gemischt. Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 2 wurden mit den Probennummern 73 bis 84 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, die als Hauptbestandteil β-Sialonkomponenten enthielten, hergestellt. Die Proben wiesen Zusammensetzungen auf, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Mit den erhaltenen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 1 durchgeführt. Tabelle 7 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 7 zu entnehmen ist, wurden die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis bei hohen Temperaturen nicht so abgebaut und wiesen ausgezeichnte mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Bruchzähigkeit auf.

Vergleichsbeispiel 4

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 4 wurden mit den Probennummern 85 bis 87 bezeichnete Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis, deren Zusammensetzungen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, unter Verwendung von Zusatz- und Sialonkomponenten mit Zusammensetzungsver-hältnissen gemäß Tabelle 8 als Ausgangsmaterialien hergestellt.
Mit den erhaltenen Proben wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 4 durchgeführt. Tabelle 8 zeigt die Testergebnisse. Wie Tabelle 8 zu entnehmen ist, wiesen die so erhaltenen Kompositwerkstoffe auf Sialonbasis eine geringere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit auf als die Sinterkörper, die in Beispiel 4 erhalten wurden. Tabelle 7 Zusatzkomponente Sialonkomponente Probe Nr. SiC-Endlosfaser (Gew.-%) mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2) Tabelle 8 Zusatzkomponente Sialonkomponente Probe Nr. SiC-Endlosfaser (Gew.-%) mechanische Festigkeit (Raumtemperatur) (kg/mm²) mechanische Festigkeit (1300ºC) (kg/mm²) Bruchzähigkeit (MPam1/2)

Claims

1. Kompositwerkstoff auf Sialon-Basis, im wesentlichen bestehend aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Sialon als Hauptbestandteil.

2. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbestandteil aus α- oder β-Sialon besteht.

3. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Fasern in dem Kompositwerkstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% enthalten sind.

4. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Komponente in dem Kompositwerkstoff in einer Menge von 1 Gew.-% bis 7 Gew.-% enthalten ist.

5. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Komponente eine Hf-Verbindung oder metallisches Hf enthält.

6. Kompositwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Verbindung aus mindestens einer solchen, ausgewählt aus der Gruppe HfO&sub2;, HfC, HfN, HfB&sub2; und HfSi&sub2;, besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs auf Sialonbasis durch Zubereiten eines Pulvergemischs als Ausgangsmaterial, im wesentlichen bestehend aus 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% SiC-Fasern, 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Hf-Komponente, berechnet als Hf-Oxid, und zum Rest aus Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; als Sialonkomponente, in einer ersten Stufe und Sintern des Pulvergemischs in einer zweiten Stufe.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente aus β-Sialon besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Fasern in dem Kompositwerkstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% enthalten sind.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Komponente in dem Kompositwerkstoff in einer Menge von l Gew.-% bis 7 Gew.-% enthalten ist.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Komponente eine Hf-Verbindung oder metallisches Hf enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hf-Verbindung aus mindestens einer solchen, ausgewählt aus der Gruppe HfO&sub2;, HfC, HfN, HfB&sub2; und HfSi&sub2;, besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe das in der ersten Stufe erhaltene Pulvergemisch heißgepreßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sialonkomponente im wesentlichen aus 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und zum Rest aus Si&sub3;N&sub4; besteht.