DE69501970T2

DE69501970T2 - Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis

Info

Publication number: DE69501970T2
Application number: DE1995601970
Authority: DE
Inventors: Hideki Kita; Wenjea J Tseng; Toshiyuki Yamada
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2015-01-28
Also published as: EP0666246A3; DE69501970D1; EP0666246B1; EP0666246A2

Description

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Industrielle Anwendbarkeit und Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis, das durch reaktives Sintern hergestellt wird und insbesondere auf ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis, dessen Gewebe, Gefüge und/oder Granularität fein oder sehr fein ist und dessen mechanische Festigkeit groß ist.

Stand der Technik

Wie in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 14635/1981 offenbart ist, existiert ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis, das eine hohe Dichte aufweist, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Erhalten eines gebrannten bzw. kalzinierten Produktes durch Zufügen von wenigstens einem Metallpulver oder Oxidpulver zu einem Si-Pulver (Siliciumpulver), wobei das Metallpulver oder Oxidpulver aus Fe (Eisen), Co (Cobalt), Ni (Nickel), Mn (Mangan), W (Wolfram), Mo (Molybden), Ti (Titan), Al (Aluminium), Mg (Magnesium) und Zr (Zirconium) ausgewählt wird, und Brennen bzw. Kalzination unter einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1300 und 1550 ºC, Eintauchen des gebrannten bzw. kalzinierten Produkts in eine Lösung, die das genannte Metall enthält und erneutes Sintern dieses Produkts bei einer Temperatur von 1350 bis 1550 ºC, während ein Dampf, der Silicium aufweist, angeboten wird.
Ist das geformte Produkt, gemäß dem vorgenannten Verfahren gesintert worden, wandeln sich die zugefügten Metalle oder die zugefügten Oxide davon während der Sinterung in eine flüssige Phase und/oder eine gasförmige Phase um, und Poren, Füllungen bzw. Aufblähungen, Bruchstellen bzw. Fehlstellen oder dergleichen werden innerhalb des erzielten Sinterprodukts erzeugt werden. Also ist dieses Verfahren nicht sinnvoll für Hochtemperatursintern und insbesondere für dickwandige Produkte verwendbar.
In der japanischen Patenanmel dung mit der Offenlegungsnummer 127266/1985 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis offenbart, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Herstellen eines geformten Produkts aus einer Mischung aus Si (Silicium)-Pulver und SrZrO&sub3;-Pulver (Strontiumzirconat) oder ein Pulver eines Vorproduktes davon, Nitrieren bzw. Nitrigieren des geformten Produkts, und danach Erhitzen desselben bei einer Temperatur von 1600 ºC oder mehr, um ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis zu erhalten.
Sofern das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis durch das vorbenannte Herstellungsverfahren präpariert wurde, zersetzt sich das zugefügte Strontiumzirconat, welches mit Si&sub3;N&sub4; (Siliciumnitrid) reagiert, welches aus Silicium umgewandelt wurde, in Poren, Aufblähungen, Risse, Fehlstellen oder dergleichen innerhalb des gesinterten Produkts. Also ist auch dieses Verfahren nicht sinnvoll für die Kalzinierung bzw. das Brennen von dickwandigen Produkten zu verwenden.
In der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 89462/1988 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis offenbart, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Herstellung eines Rohmaterials aus gemischtem Pulver durch Hinzufügen und Vermischen mit einem Siliciumpulver mit einem Oxid wenigstens einer Art eines Elementes, das aus der Gruppe IIA der Periodischen Tafel der Gruppe IIIA der Periodischen Tafel, Zr (Zirconium) und Al (Aluminium) und/oder ein oxidisches Vorprodukt ausgewählt wird, Herstellen eines geformten Produkts, das aus gemischten Pulvern der Rohmaterialien bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1500 ºC unter der Stickstoffatmosphäre mit einem Druck von 10 Atmosphären oder mehr gebildet wird, und anschießendem Behandeln desselben bei einer Temperatur zwischen 1600 und 2200 ºC unter Stickstoffatmosphäre von einem Atmosphärendruck oder mehr.
Ein keramisches reaktives Sinterprodukt, das in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 114169/1988 offenbart ist, weist einen Ausgangsteil bzw. Basisteil des keramischen reagierten bzw. umgewandelten Sinterproduktes und eine Oberflächenschicht auf, in der Poren mit Oxidsinterzusätzen bzw. -zuhilfenahmen oder Sinterhilfen imprägniert sind.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 52678/1989 offenbart, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Formen bzw. Formpressen eines geformten bzw. formgepreßten Produktes aus einem gemischten Pulver, das im wesentlichen 40 bis 80 Gewichtsprozent eines Siliciumnitridpulvers, 20 bis 45 Gewichtsprozent eines Siliciumpulvers und 0,5 bis 15 Gewichtsprozent einer Verbindung bzw. einer Mischung von Elementen der Gruppe IIIA aus der Periodischen Tafel enthält, Kalzinieren des geformten bzw. formgepreßten Produkts bei einer Temperatur zwischen 1150 und 1400 ºC unter einer Stickstoffatmosphäre, wobei diese mit einem Druck von 2 bis 10 mal dem atmosphärischen Druck gepreßt werden, um das Silicium in Stickstoff zu formen bzw. auszuformen und danach Rekalzinierung dieses Produktes in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1700 bis 2100 ºC, um eine erhöhte Dichte zu erreichen.
Es existiert ein Bericht, der sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumnitrids bezieht, in dem Si, Al&sub2;O&sub3; (Aluminiumoxid) und Y&sub2;O&sub3; (Yttriumoxid) als die wesentlichen Rohmaterialien benutzt werden, in dem ferner ein zweistufen Kalzinationsschritt, in dem eine extrem geringe Menge von Fe (Eisen) zu dem wesentlichen Rohmaterial hinzugefügt wird, das zu einer Reaktion geführt wird und gesintert wird, und zwar nach dem es unter geringem Druck kalziniert wurde, angewendet wird, um hierdurch ein Gewebe bzw. ein Gefüge des Siliciumnitrids mit einer relativen Dichte in einer Höhe von 96 Gewichtsprozent zu erreichen. Wie auch immer kann nicht erwartet werden, daß eine hohe Festigkeit bei einem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis erreicht wird, das eine relative Dichte von 96 Gewichtsprozent aufweist.
Außerdem ist es in Hinblick auf die Festigkeit und den thermischen Expansionskoeffizienten wenig sinnvoll, konventionelle Sinterprodukte auf Siliciumnitridbasis als Bauteile zu verwenden, die eine hohe Verbiegungsfestigkeit und eine hohe thermische Ausdehnung benötigen, wie beispielsweise eine Kolbennocke bzw. ein Kolbenzapfen einer Maschine . Siliciumnitrid, das gemäß dem Stand der Technik durch Reagieren und Sintern eines Siliciumpulvers hergestellt wird, hat eine Körnungsdimension bzw. Korngröße in der Größenordnung von einigen wenigen um. Zusätzlich wird derzeit ein teures Siliciumpulver, das eine hohe Reinheit des Siliciums aufweist, benutzt. Sinterkörper auf Siliciumnitridbasis, die aus einer Pulvermischung aus Siliciumnitrid, Silicium, das 1 Gewichtsprozent Fe (Eisen) enthält und Sinterhilfen sind aus der WO-A-8204245 bekannt.

Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe

Mit Bezugnahme auf das vorgehend dargestellte ist es, um die vorgenannten Probleme zu lösen, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis und ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das ein günstiges Siliciumpulver, das keine hohe Reinheit aufweist, ein Si&sub3;N&sub4;-Pulver, ein Al&sub2;O&sub3;-Pulver und ein Y&sub2;O&sub3;-Pulver als Rohmaterialien verwendet, wobei das Sinterprodukt selbst keine Poren und verbleibendes Silicium aufweist, so daß das Gewebe bzw Gefüge fein ist und eine exzellente mechanische Festigkeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verbleiben einige Poren in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis. Wie auch immer ist die Porengröße (der innere Durchmesser der Pore) sehr klein und eine ausreichende Festigkeit wird erzielt, so daß es möglich wird, ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis bei geringen Kosten zu erhalten. Die Festigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis wird weiterhin dadurch gesteigert, wenn dieses unter geringem Druck nach dem Reagieren und Sintern kalziniert wird.
Ein geformtes bzw. preßgeformtes Erzeugnis wird aus einer Mischung eines kostengünstigen Si (Silicium) als Rohmaterial, das Fe (Eisen) als Verunreinigung, Si&sub3;N&sub4; (Siliciumnitrid) als eine assistierende Komponente zum effektiven Sintern des Siliciumnitrids und AlN (Aluminiumnitrid) enthält. Das geformte Produkt wird unter einer Atmosphäre, die wenigstens eine Stickstoffkomponente enthält, erhitzt, wobei das Silicium in Siliciumnitrid umgewandelt wird, das weiter erhitzt wird, um das Siliciumnitrid zu sintern, so daß ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis erzielt wird, das frei von Poren oder verbleibendem Silicium ist und ein feines Gewebe bzw. Gefüge und hohe Festigkeit aufweist.
Durch Hinzufügen, eines Rohmaterials, das effektiv zur Umwandlung von Si in Si&sub3;N&sub4; und zur Herstellung von Siliciumnitrid in α-Phase zur Veredelung bzw. Konversion verwendbar ist, zu feinpulverisiertem Silicium ist es möglich ein Sinterprodukt aus Siliciumnitridbasis zu erhalten, das eine hohe Festigkeit und ein feinkörniges bzw. sehr feines Gewebe bzw. Gefüge aufweist und das frei von Problemen in Sachen Poren und verbleibendem Silicium ist, was einen Nachteil eines Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis, das Silicium als Rohmaterial zur Herstellung benutzt, aufwirft, nämlich daß dieses kein verbleibendes Silicium, in dem möglicherweise eine Eisenkomponente gleichmäßig dispergiert ist, aufweist, und zwar aus den folgenden Gründen:
(a) Die Porengröße (5 um des Innendurchmessers der Pore) in dem geformten bzw. formgepreßten Produkt wird klein und der Innendurchmesser der Pore in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis wird auch klein.
(b) Die Eisenkomponente bzw. die Eisenkomponenten, die in dem Rohmaterial des Si enthalten sind, verhilft bzw. verhelfen zu einer gleichmäßigen bzw. glatten Nitrierung bzw. Nitridierung von Silicium und vermindert die Menge des verbleibenden Siliciums.
(c) Der Korndurchmesser der von Fe-Verbundkornungen wird klein und die Verbindungen bzw. Mischungen von Fe-Kornungen sind gleichmäßig in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis verteilt.
(s) ZnO (Zinkoxid), das zum Rohmaterial des geformten bzw. formgepreßten Produkts hinzugefügt wurde, vergrößert die Menge des Siliciumnitrids in α-Phase, das durch Konvertierung des Siliciums in Siliciumnitrid hergestellt wird, um die Festigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis zu erhöhen.
(e) AlN (Aluminiumnitrid) wird zugefügt, um dadurch die Struktur einer Korngrenzenphase bzw. Kornphasengrenze (grain boundary phase) und auch der chemischen Zusammensetzung zu ändern, wobei als Ergebnis das Gewebe bzw. das Gefüge geändert wird.

Ausführungsbeispiel

Das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Benutzung eines Siliciumrohmaterials, das Fe gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 aufweist bzw. enthält. Das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis weist Zusammensetzungen bzw. Verbindungen auf, die Elemente aus Si, N, Al, O, Y, Zn (Zink) und Fe aufweisen und sofern die Gewichte der Rohmaterialien, die die genannten Elemente aufweisen, von Si, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3; Oxiden von Zn und Fe als a, b, c, d, e und f zugeordnet werden, werden die folgenden Ausdrücke erfüllt:
6 ≤ 100 (c+d+e) / (1.67 a+b+c+d+e+f) ≤ 12.0
1 ≤ (c+d) / e
0.001 ≤ 100 e / (1.67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7.5
0.02 ≤ 100 f / (1.67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7.5 (3)
Die oben angegebenen Relationen bzw. Beziehungen (3) werden ungefähr aus Datensätzen (mit der Ausnahme des Datensatzes B1), die in Tabelle 1 gezeigt sind, erreicht.
In den vorbenannte Zusammensetzungen bzw. Verbindungen des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis kann anstelle des genannten Elements Zn wenigstens ein ausgewähltes Element aus Ca (Kalzium), Ni, Cu (Kupfer), Cr (Chrom), Co, Mg, Mn, Sn (Zinn), Ho (Holmium), Cd (Kadmium) und Pb (Blei) hinzugefügt werden.
Die meisten der Eisenverbundkörner bzw. -verbundkörnchen, die in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis enthalten sind, haben einen Korn- bzw. Körnchendurchmesser von 0,5 um oder weniger. Für ein Eisenverbundkorn, das 0,5 pm oder mehr an Korndurchmesser aufweist, das in dem Sinterprodukt aus Siliciumnitridbasis enthalten ist, gilt, daß dieses 0,1 % oder mehr einer Fläche in einem zweidimensionalen Bereich von 200 um mal 200 um bedeckt, und bei einer Fläche, die durch Zellen besetzt ist (10 um mal 10 um), die durch gleichmäßigem Dividieren der longitudinalen und lateralen Komponente der Fläche von 200 um mal 200 um durch 20 erhaltbar ist, bedecken die Eisenverbundkörner 15 % oder weniger.
Das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein sehr feinkörniges oder feines Gewebe bzw. Gefüge auf. Die Porosität des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis liegt bei 0,5 % oder weniger und ein mittlerer Innendurchmesser der Pore liegt bei um oder weniger. Das Siliciumnitrid, das in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis enthalten ist, liegt als säulenartige Körner vor, und gemäß des Analyseergebnisses liegt der Durchmesser zwischen 0,2 und 1,2 um und eine Länge von 7,5 pm oder weniger ist für 80 % oder mehr der Anzahl an säulenförmigen Körnern, wie in Fig. 3 dargestellt, vorhanden. In anderen Worten ausgedrückt, ist ein Wert des Verhältnisses der Länge zum Durchmesser jedes säulenartigen Korns zwischen 1 und 20, ein Wert des Verhältnisses Länge zu Durchmesser von ungefähr 70 % oder mehr der Anzahl aller säulenartigen Körner liegt zwischen 4,5 und 20, und noch spezieller liegt der Wert Länge zu Durchmesser von ungefähr 50 % der Anzahl sämtlicher säulenartiger Körner zwischen 4,5 und 10, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Um ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird ein geformtes bzw. formgepreßtes Produkt aus einem Pulver aus einer Zusammensetzung bzw. einer Verbindung oder Rohmaterialien, die die Elemente Si, N, Al, O, Y, Zn und Fe aufweisen und ein vorbestimmtes Zusammensetzungsverhältnis aufweisen, geformt bzw. formgepreßt. Das geformte bzw. formgepreßte Produkt wird bei einer Temperatur von 1700 ºC oder weniger in einer Atmosphäre, die Stickstoff enthält, erhitzt, um Si in Si&sub3;N&sub4; umzuwandeln, welches dann bei einer Temperatur von 1700 bis 2000 ºC kalziniert wird.
Das Mischungsverhältnis der Zusammensetzungen bzw. Verbindungen, die Elemente aus Si, N, Al, O, Y, Zn und Fe aufweisen, werden derart bestimmt, daß, wenn die Gewichte der Rohmaterialien Si, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, Oxide von Zn und Fe a, b, c, d, e und f zugeordnet werden, die folgenden Ansprüche bzw. Ungleichungen bzw. Gleichungen erfüllt sind:
6.0 ≤ 100 (c+d+e) / (1.67 a+b+c+d+e+f) ≤ 12.0
20 ≤ a / (a+b) ≤ 90
1 ≤ (c+d) / e
0.5 ≤ 100 e / (a+b+c+d+e) ≤ 7.5
0.02 ≤ 100 f / (1.67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7.5 (3a)
Das Pulver, das die entsprechenden Zusammensetzungen aufweist und benutzt wird, um das geformte bzw. formgepreßte Produkt herzustellen, hat einen mittleren Korndurchmesser von 1 um oder weniger (gemäß einem Laserdefraktionsverfahren) . Das Si-Pulver, das benutzt wird, um das geformte bzw. formgepreßte Produkt herzustellen, beinhaltet 0,07 Gewichtsprozent (vergleichsweise) oder mehr eines Eisenbestandteils als Verunreinigung. Ein oder mehr Elemente, die aus den Elementen Ca, Ni, Cu, Cr, Co, Mg, Sn, Ho, Cd und Pb ausgewählt wurden, können anstelle des Elements Zn benutzt werden.

[Beispiel 1] (Vergleichsbeispiel)

59.2 Teile (ungefähr 60 Gewichtsprozent) eines Siliciumpulvers, das einen mittleren Korndurchmesser von 0,3 um aufweist und 0,28 Gewichtsprozent von Fe beinhaltet, 30.9 Teile eines Siliciumnitridpulvers in α-Phase mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,3 um, 6.49 Teile eines Y&sub2;O&sub3;-Pulvers mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,1 um, 3.89 Teile von Al&sub2;O&sub3;-Pulvers mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,7 pm, und 1.29 Teile eines ZnO-Pulvers mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 um wurden in einem Behältnis, das aus Harz hergestellt ist, zusammen mit Methanol, einem Dispergiermittel bzw. Dispergator und rundlichen K-rpern aus Harz verbracht. Die Mischung wurde dann mittels Kugelmahlen für 28 Stunden beaufschlagt, um einen Schlamm bzw. Brei bzw. eine Aufschlämmung mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,5 um herzustellen.
Danach wurde der Schlamm bzw. Brei getrocknet und zerquetscht, zerdrückt, zerrieben bzw. zerstoßen, um ein platten- bzw. tafelartiges Produkt mit einer Länge von 10 mm, einer Tiefe von 80 mm und einer Dicke von 5 mm durch eine einachsige Preßmaschine zu formen bzw. formzupressen. Das plattenartige Produkt wurde mittels CIP (kalter isostatischer Druck) behandelt und zwar unter einem Druck von 2000 kgf/cm², um das geformte bzw. formgepreßte Produkt herzustellen. Danach wurde das geformte bzw. formgepreßte Produkt zunächst für 10 Stunden bei einer Temperatur von 1400 ºC in einer Stickstoffatmosphäre und bei einem Druck von 9.5 kgf/cm² kalziniert und dann für 5 Stunden bei einer Temperatur von 1900 ºC kalziniert, um das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis Al zu erhalten (das als Beispiel eines typischen Verbindungs- bzw. Mischungsverhältnisses in Tabelle 1 gezeigt ist).
Als Vergleichsbeispiel wurde Rohmaterial mit verschiedenen Verunreinigungen des Siliciums benutzt, um ein geformtes bzw. preßgeformtes Produkt herzustellen, das gemäß einem Verfahren, das ähnlich zu dem Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel) ist, gesintert wurde, um eine Anzahl von gesinterten Produkten B1 herzustellen (wie als typisches Beispiel in Figur 3 gezeigt ist).
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde die Antibiegungsfestigkeit durch eine 4-Punkt-Biegung (JIS R1601) gemessen und zwar in Bezug auf das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis A1 gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Sinterprodukt B1 gemäß dem Vergleichsbeispiel. Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß die Verbiegungsfestigkeit und/oder/bzw. Biegungsbruchfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis Al gemäß der vorliegenden Erfindung sehr exzel 1 ent im Verhältnis zu dem Sinterprodukt B1 gemäß dem Vergleichsbeispiel ist. Im folgenden ist von Verbiegungsfestigkeit die Rede, womit auch Biegungsbruchfestigkeit gemeint sein kann. Wie in Figur 1 dargestellt, reduziert sich die Verbiegungsfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis um die Hälfte, sofern die Menge des in dem Rohmaterial enthaltenden Fe des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis weniger als ungefähr 0,08 Gewichtsprozent ist, während die Verbiegungsfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis bei ungefähr 1000 MPa liegt, wenn die Menge des im Rohmaterial enthaltenden Fe des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis bei ungefähr 0,08 Gewichtsprozent oder mehr und bevorzugt in Überschuß von 0,1 Gewichtsprozent liegt, was sehr exzellent ist.
Außerdem wurden Rohmaterialien verwandt, die eine an deren mittleren Korndurchmesser des Siliciumpulvers, das 0,28 (± 0,02) Gewichtsprozent von Fe enthält, aufweisen, und eine Anzahl von Sinterprodukten auf Siliciumnitridbasis CO wurden aus einem geformten bzw. formgepreßten Produkt (das Mischungsverhältnis ist das gleiche, wie das des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis A1) auf ähnliche Weise wie die oben beschriebene Weise ähnlich zu dem Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel) hergestellt. Wie in Figur 2 dargestellt, wurde die Verbiegungsfestigkeit der erhaltenen Sinterprodukte auf Siliciumnitridbasis CO gemessen. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß eine große Verbiegungsfestigkeit erreicht wurde, wenn die mittleren Korndurchmesser des Siliciumpulvers, das 0,28 (± 0,02) Gewichtsprozent von Fe enthält, weniger als ungefähr 1 um war, während die Verbiegungsfestigkeit verglichen zu den wohlbekannten Sinterprodukten auf Siliciumnitridbasis nicht bemerkenswert war, wenn der mittlere Korndurchmesser des Siliciumdurchmesser des Siliciumpulvers, das 0,28 (± 0,02) Gewichtsprozent von Fe enthält, ungefähr 1 um überstieg.
Außerdem wurden Rohmaterialien, die unterschiedliche Mischungsverhältnisse zwischen Silicium und Siliciumnitrid aufwiesen und Mengen von Zusätzen von Y&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3; und ZnO aufwiesen, benutzt, und Sinterprodukte auf Siliciumnitridbasis D1 bis D5 und E1 bis E3 wurden aus einem geformten bzw. formgepreßten Produkt hergestellt, die ähnliche Verbindungen bzw. Zusammensetzungen wie die des Beispiels 1 (Vergleichsbeispiel) und zwar auf eine ähnlichen Art und Weise wie die oben genannte Art und Weise hergestellt. Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde festgestellt, daß die Verbiegungsfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis D1 bis D5 und E1 bis E3 sehr stark durch die Menge der Zusätze von ZnO beeinflußt.
Wie in Figur 5 dargestellt, wurde festgestellt, daß die Verbiegungsfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis gemäß der vorliegenden Erfindung bei ungefähr 1000 MPa liegt, was sehr exzellent im Vergleich zu Sinterprodukten der verglichenen Beispiele ist. Die Biegungsfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis wird materialbedingt verringert, wenn die Menge des Fe, das im Rohmaterial des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis enthalten ist weniger als 0,005 Gewichtsprozent beträgt, und auch sogar dann materialbedingt verringert, wenn die Menge des im Rohmaterial des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis enthaltenen Fe ungefähr 15 Gewichtsprozent übersteigt.

Effekt bzw. Auswirkung der Erfindung

Das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis und das Verfahren zur Herstellung des sel ben gemäß der vorliegenden Erfindung sind angewandt worden und haben die folgenden Auswirkungen: Das ist zum einen: da das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis Si-Pulver und Si&sub3;N&sub4;-Pulver verwendet, ist es möglich, ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis mit geringen Kosten zu erhalten. Da Sinterhilfsstoffe oder Sinterhilfen bzw. -assistenten, wie in den Ansprüchen definiert, benutzt werden und die Rate bzw. Menge der Assistenten bzw. Hilfen relativ zum Gesamtgewicht wie in den Ansprüchen 1 oder 2 definiert, ausgewählt ist, ist es möglich, die relative Dichte zu verbessern, um ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis zu erhalten, das eine hohe Festigkeit aufweist. Da es möglich ist, Siliciumpulver mit einer geringen Reinheit zu verwenden, ist es möglich, die Materialkosten und die Herstellungsausgaben zu verringern. Als erstes ist der thermische Schwund bzw. das thermische Lunkern für das geformte bzw. formgepreßte Produkt, das aus einer Mischung gebildet wird, gering. Wie auch immer ist es im zweiten Schritt der Hitzebehandlung des gesinterten Produkts möglich, die Poren des gesinterten Produkts klein zu machen und die Festigkeit des gesinterten Produkts zu erhöhen.
Es ist möglich, ein Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis zu erhalten, das eine hohe Festigkeit aufweist, wobei kostengünstige Siliciumpulver, die eine große Menge von Fe als hauptsächliches Rohmaten al , das im allgemeinen als Verunreinigung bzw. als verunreinigt angesehen wird, benutzbar sind.
Da das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis gemäß der vorliegenden Erfindung reaktives Sintern benutzt, beträgt der Schrumpfungs- bzw. Lunkembetrag, der durch die Kalzinierung des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis hervorgerufen wird, 25 bis 30 % . Außerdem ist das endgültige Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis weniger deformiert und die Eigenschaften analog eines Netzes (near-net properties) (die mechanischen Eigenschaften ändern sich nicht empfindlich aufgrund geringer Unterschiede in den Zusammensetzungsverhältnissen) sind exzellent und die Herstellungskosten können verringert werden.
Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis bzgl. der Dimensionsstabilität und der mechanischen Festigkeit bei geringeren Kosten herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, das das Verhältnis zwischen der Mengen von Fe, das in dem Rohmaterial des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis enthalten ist und der Biegungsfestigkeit bzw. Biegebruchfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis, zeigt.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Kornungsgröße oder dem Korndurchmesser von Siliciumpulver als Rohmaterial des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis und der Biegungsfestigkeit bzw. Biegebruchfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis darstellt.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in der die Ergebnisse der Analyse der physikalischen Größe der säulenartigen Körner bzw. säulenartigen Kornung des Siliciumnitrids, das in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis enthalten ist, dargestellt sind.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Analyse der säulenartigen Körner in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis zeigt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Fe-Anteil, das im Silicium des Rohmaterials enthalten ist, und deren Verbiegungsfestigkeit bzw. Biegebruchfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis darstellt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Wert des Verhältnisses von Y&sub2;O&sub3; zu AlN des Rohmaterials und deren Biegungsfestigkeit bzw. Biegebruchfestigkeit des Sinterprodukts auf Siliciumnitridbasis gemäß sowohl der vorliegenden Erfindung und dem vergleichenden Beispiel zeigt.

Claims

1. Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis, das Eisen Fe, Yttrium Y und Aluminium Al aufweist bzw. enthält, dadurch gekennzeichnet, daß 0,005 bis 15 Gewichtsprozent von Fe-Verbundkörnern mit einer Korngröße von 0,2 um oder mehr, die in dem Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis enthalten sind, 0,1 bis 15 % einer Fläche in einem zweidimensionalen Bereich von 200 × 200 um besetzen, und daß die Fe-Verbundkörner 0,1 bis 15 % einer Fläche von Zellen (10 um × 10 um), die durch gleichmäßiges longitudinales und laterales Dividieren der Fläche von 200 um × 200 um durch 20 erzielt werden, besetzen, wobei ein Fe-Gehalt von ≤ 1 Gewichtsprozent in dem Si-Pulverbestandteil des Rohmaterials ausgeschlossen ist, und daß das gesinterte Produkt zusätzliche Verbindungen und/oder Zusammensetzungen aufweist, die Elemente aus Si, N, Al, O, Y, Zn und Fe enthalten, und daß, sofern Gewichte der Rohmaterialien aus Si, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, Oxide aus Zn und Fe, die diese Elemente enthalten, a, b, c, d, e und f entsprechend sind, die folgenden Ausdrücke erfüllt sind:

6 ≤ 100 (c+d+e) / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 12,0

1 ≤ (c+d) / e

0,001 ≤ 100 e / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7,5

0,02 ≤ 100 f / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7,5

2. Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis, das Eisen Fe, Yttrium Y und Aluminium Al enthält, dadurch gekennzeichnet, daß 0,005 bis 15 Gewichtsprozent von Fe-Verbundkörnern, von denen mehr als 80 % der Gesamtzahl der Verbundkörner, die eine Fe-Komponente enthalten, eine Korngröße von 0,2 bis 4 pm aufweisen und eine Fläche von % oder weniger durch die Verbundkörner, die Fe-Komponenten enthalten, in mehr als 80 % von Zellen (10 um × 10 um Einheit), die durch gleichmäßiges longitudinales und laterales Dividieren der Fläche von 200 um × 200 um durch 20 erzielt wird, besetzt sind, wobei ein Fe-Gehalt von ≤ 1 Gewichtsprozent des Si-Pulverkomponenten-Rohmaterials ausgeschlossen ist, und daß das gesinterte Produkt zusätzliche Verbindungen bzw. Zusammensetzungen aufweist, die Elemente aus Si, N, Al, O, Y, Zn und Fe enthalten, und daß, sofern die Gewichte des Rohmaterials von Si, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, Oxide von Zn und Fe, die diese Elemente enthalten, a, b, c, d, e und f jeweils sind, die folgenden Ausdrücke erfüllt sind:

6 ≤ 100 (c+d+e) / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 12,0

1 ≤ (c+d) / e

0,001 ≤ 100 e / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7,5

0,02 ≤ 100 f / (1,67 a+b+c+d+e+f) ≤ 7,5

3. Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis gemäß einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterprodukt auf Siliciumnitridbasis anstelle des Elements Zn wenigstens ein Element, das aus Ca, Ni, Cu, Cr, Co, Mg, Mn, Sn, Ho, Cd und Pb ausgewählt ist, enthält.