[go: up one dir, main page]

CZ9903572A3 - Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use - Google Patents

Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use Download PDF

Info

Publication number
CZ9903572A3
CZ9903572A3 CZ19993572A CZ357299A CZ9903572A3 CZ 9903572 A3 CZ9903572 A3 CZ 9903572A3 CZ 19993572 A CZ19993572 A CZ 19993572A CZ 357299 A CZ357299 A CZ 357299A CZ 9903572 A3 CZ9903572 A3 CZ 9903572A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
silicon nitride
sintered
mpa
sintered silicon
ppm
Prior art date
Application number
CZ19993572A
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Gerhard Wötting
Ernst Gugel
Hans Andreas Lindner
Peter Woditsch
Original Assignee
Bayer Aktiengesellschaft
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 Bayer Aktiengesellschaft filed Critical Bayer Aktiengesellschaft
Priority to CZ19993572A priority Critical patent/CZ9903572A3/en
Publication of CZ9903572A3 publication Critical patent/CZ9903572A3/en

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Slinovaný nitrid křemíku (Si3N4), který má obsah chloru v rozmezí 100 až 500 ppm, charakteristickou hodnotu n podkritického růstu trhliny 150, střední pevnost v ohybu při teplotě místnosti 1850 MPa a Weibullův modul 118. Slinovaný nitrid křemíku se vyrobí tak, že se prášek nitridu křemíku, který buď obsahuje chlor v množství 500 až 1500 ppm nebo se alternativně použije společně s chloridem kovu, disperguje společně se slinovacím aditivem ve vodě, smísí se s organickým procesním pomocným prostředkem, vodná disperse se rozemele na jemnost 90 % < m < 1 mm a potom se usuší tak, aby měl granulát nitridu křemíku obsah vlhkosti v rozmezí 1,0 až 4 % hmotnostní a aby střední velikost granulátu byla 40 až 80 mm, tento se potom slisuje a po vyhřátí organického procesního pomocného prostředku se za tlaku dusíku 0,1 L p L 1,0 MPa slinuje.Sintered silicon nitride (Si3N4) having a chlorine content in the range of 100 to 500 ppm, a characteristic n value of subcritical crack growth of 150, an average flexural strength at room temperature of 1850 MPa and a Weibull modulus of 118. Sintered silicon nitride is produced by dispersing silicon nitride powder, which either contains chlorine in an amount of 500 to 1500 ppm or is alternatively used together with a metal chloride, together with a sintering additive in water, mixing it with an organic processing aid, grinding the aqueous dispersion to a fineness of 90% < m < 1 mm and then drying it so that the silicon nitride granulate has a moisture content in the range of 1.0 to 4% by weight and an average granulate size of 40 to 80 mm, which is then compressed and, after heating the organic processing aid is sintered under a nitrogen pressure of 0.1 L p L 1.0 MPa.

Description

Vynález se týká slinovaného nitridu křemíku (Si^N4) , způsobu jeho výroby, konstrukčních prvků z něj vyrobených, obzvláště ventilů, způsobu jejich výroby a jeho použití.The invention relates to sintered silicon nitride (Si^N 4 ), a method of its production, structural elements made from it, in particular valves, a method of their production and its use.

Dosavadní stav technikyState of the art

Materiály z nitridu křemíku se dají využít v mnoha aplikacích. Konstrukční prvky mají však mimo nedostupnosti nedostatky, jako je nedostatečná spolehlivost v trvalém provozu, které brání širokému využití těchto konstrukčních prvků z nitridu křemíku v uvedených použitích, která by byla ekonomicky a ekologicky výhodná. Tak je v DE-A 4 312 251 nárokován vysoce pevný materiál z nitridu křemíku s definovanou pravděpodobností výpadku, není zde však sdělen žádný návod, jak je této pravděpodobnosti výpadku možno dosáhnout. Tato se odvozuje pouze z klasických zjišťování pevnosti v ohybu a z jejich statistického vyhodnocení.Silicon nitride materials can be used in many applications. However, in addition to their unavailability, the structural elements have disadvantages such as insufficient reliability in continuous operation, which prevent the widespread use of these silicon nitride structural elements in the above-mentioned applications, which would be economically and environmentally advantageous. Thus, DE-A 4 312 251 claims a high-strength silicon nitride material with a defined failure probability, but no instructions are given as to how this failure probability can be achieved. This is derived only from classical bending strength measurements and their statistical evaluation.

Spolehlivost keramických materiálů se určuje z krátkodobé pevnosti s její šíří rozptylu a z dlouhodobého chování za zatížení.The reliability of ceramic materials is determined from the short-term strength with its dispersion width and from the long-term behavior under load.

Krátkodobá pevnost při tom vyplývá z Griffithovy rovnice :The short-term strength results from the Griffith equation:

• φ · · * φ φ · · φ · • •ΦΦ 4 · · ♦ Φ · · ·• φ · · * φ φ · · φ · • •ΦΦ 4 · · ♦ Φ · · ·

ΦΦΦΦ Φ · · ····ΦΦΦΦ Φ · · ····

Φ ΦΦ · Φ ΦΦ ΦΦ Φ· Φ Φ Φ · Φ · Φ Φ Φ Φ · · «Φ ΦΦ · Φ ΦΦ ΦΦ Φ· Φ Φ Φ · Φ · Φ Φ Φ Φ · · «

ΦΦ ΦΦ · Φ « · Φ · · · · σ = - (1) a|c Υ přičemž σ značí pevnost v MPa ,ΦΦΦ · Φ « · Φ · · · · σ = - (1) a|c Υ where σ denotes the strength in MPa ,

Kjc značí lomovou houževnatost v MPa .Kj c denotes fracture toughness in MPa.

c značí kritickou délku trhliny v pm ac denotes the critical crack length in pm and

Y značí tvarový faktor kritické trhliny.Y denotes the shape factor of the critical crack.

Podle této rovnice je pevnost přímo závislá na délce trhliny, popřípadě defektu, v materiálu.According to this equation, strength is directly dependent on the length of the crack, or defect, in the material.

Rozptyl krátkodobé pevnosti, důležitý pro spolehlivost, je popsán Veibullovou statistikou a je označován Veibullovým modulem podle DIN 51 110 .The dispersion of short-term strength, important for reliability, is described by the Weibull statistic and is referred to as the Weibull modulus according to DIN 51 110.

Při namáhání pod pnutím, vedoucím ke katastrofálnímu lomu, platí naproti tomu v-k-koncept v = A . K1^ (2) přičemž v značí rychlost růstu trhliny v m/s ,In contrast, for stress under tension leading to catastrophic fracture, the vk-concept applies v = A . K 1 ^ (2) where v denotes the crack growth rate in m/s ,

Kj značí faktor intensity pnutí v MPa . m^/2 namáhání 1 = napětí v tahu a při druhu • · *· ♦ ·· ·· 99 • 9 9 · ··· · 9 « · · • · β · t « · · · · · • · 9 9 9 9 9 9 9 999 999Kj denotes the stress intensity factor in MPa . m^/2 stress 1 = tensile stress and at strain • · *· ♦ ·· ·· 99 • 9 9 · ··· · 9 « · · • · β · t « · · · · · • · 9 9 9 9 9 9 9 999 999

9 9 9 9 9 9 · · • · ·· · · · ·· · · 9 99 9 9 9 9 9 · · • · ·· · · · · · · 9 9

A, n parametr pro podkritický růst trhliny (doba životnosti) .A, n parameter for subcritical crack growth (lifetime).

Tento koncept je výstižný pro materiály a konstrukční prvky, které jsou zatěžovány střídavými namáháními pod popsaným maximálním namáháním, vedoucím podle Griffithovy rovnice ihned k selhání a tedy je relevantní pro keramické materiály a konstrukční prvky pro veliký počet technických aplikací, například pro ventily pístových motorů.This concept is appropriate for materials and structural elements that are loaded with alternating stresses below the described maximum stress, leading immediately to failure according to the Griffith equation, and is therefore relevant for ceramic materials and structural elements for a large number of technical applications, for example for piston engine valves.

Hodnota růstu trhliny se stanovuje podle popisu předběžné normy ENV 843-3 tak, že se zjišťují pevnosti v ohybu s různými rychlostmi namáhání.The crack growth value is determined according to the description of the preliminary standard ENV 843-3 by determining the bending strengths at different strain rates.

Stanovení pevnosti v ohybu je popsáno v DIN 51 110.The determination of bending strength is described in DIN 51 110.

Při tom použitá rychlost namáhání, která má vést v 5 až 10 s k lomu, činí obvykle asi 100 MPa/s . Při tom zjištěná pevnost v ohybu se označuje jako krátkodobá nebo inertní pevnost σθ .The applied stress rate, which should lead to fracture within 5 to 10 s, is usually about 100 MPa/s. The bending strength determined in this case is referred to as the short-term or inertial strength σθ.

Pro zjištění parametru růstu trhliny se provádí toto měření při redukované rychlosti namáhání. Při tom mají přítomné trhliny možnost růst, čímž nastává lom při menším namáhání , to znamená že nastává takzvaný podkritický růst trhliny. Když se nanese napětí na mezi pevnosti přes rychlost namáhání ve dvojité logaritmické míře a spojí se střední hodnoty vícenásobně provedených měření pro definovanou rychlost namáhání regresní přímkou, tak se získá ze stoupání přímky a úseku osy této přímky hodnota růstu trhliny na A . Typické keramické materiály mají hodnoty n 30 až 40 (viz Kingery, Introduction to Ceramics, John Viley & Sons, New York, 1976, str. 804) a jsou tak prokazatelně • · · ·· ·· frfr ♦ * « · ··« · · · · · • · · · · · · · · · · • · · * · ·· 9 9 999 999To determine the crack growth parameter, this measurement is carried out at a reduced strain rate. In this case, the cracks present have the opportunity to grow, which results in fracture at a lower strain rate, i.e., so-called subcritical crack growth occurs. If the stress at the tensile strength is plotted over the strain rate in a double logarithmic scale and the mean values of multiple measurements for a defined strain rate are connected by a regression line, the crack growth value at A is obtained from the slope of the line and the intercept of the axis of this line. Typical ceramic materials have n values of 30 to 40 (see Kingery, Introduction to Ceramics, John Viley & Sons, New York, 1976, p. 804) and are thus demonstrably • · · · · · · frfr ♦ * « · ··« ·

9 9 9 9 9 9 9 · ·· · · ·99 99 9 9 99 kvalifikovány jako podkritický růst trhliny, takže jejich doba životnosti je při praktickém použití omezená.9 9 9 9 9 9 9 · ·· · · ·99 99 9 9 99 qualified as subcritical crack growth, so their service life is limited in practical use.

Aby se splnily stále vzrůstající požadavky, obzvláště v automobilovém průmyslu, je potřeba materiálů a konstrukčních prvků z nitridu křemíku se zlepšenou spolehlivostí.To meet ever-increasing demands, especially in the automotive industry, there is a need for silicon nitride materials and components with improved reliability.

Úkolem předloženého vynálezu je tedy vyrobení slinovaného nitridu křemíku a spolehlivých konstrukčních prvků, obzvláště ventilů, na basi nitridu křemíku (Si^N^), které by měly tento profil vlastností a k tomu by byly jednoduše a tedy nenákladně vyrobitelné.The object of the present invention is therefore to produce sintered silicon nitride and reliable structural elements, in particular valves, based on silicon nitride (SiN), which would have this property profile and would also be simple and therefore inexpensive to produce.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Nyní bylo překvapivě zjištěno, že slinovaný nitrid křemíku s určitým obsahem chloru má zlepšené podkritické chování růstu trhliny při současné vyšší pevnosti v ohybu a vysokém Veibullově modulu.It has now surprisingly been found that sintered silicon nitride with a certain chlorine content has improved subcritical crack growth behavior while simultaneously having higher flexural strength and a high Weibull modulus.

Předmětem předloženého vynálezu tedy je slinovaný nitrid křemíku, který má obsah chloru v rozmezí 100 až 500 ppm, charakteristickou hodnotu n podkritického růstu trhliny s 50 , výhodně s 60 , střední pevnost v ohybu při teplotě místnosti 850 MPa a Veibullův modul s: 18 .The subject of the present invention is therefore sintered silicon nitride having a chlorine content in the range of 100 to 500 ppm, a characteristic value n of subcritical crack growth of s 50, preferably s 60, a mean flexural strength at room temperature of 850 MPa and a Weibull modulus of s: 18.

Obsah chloru slinovaného nitridu křemíku se při tom stanovuje tlakovým rozkladem pomocí kyseliny fluorovodíkové při teplotě v rozmezí 100 až 120 °C a následující potenciometrickou titrací chloridu pomocí dusičnanu stříbrného .The chlorine content of sintered silicon nitride is determined by pressure decomposition using hydrofluoric acid at a temperature in the range of 100 to 120 °C and subsequent potentiometric titration of the chloride using silver nitrate.

9 99 9

9999

9 99 9

9 9 » 9 9 * ·· 99 999 9 » 9 9 * ·· 99 99

999 9 9 99 9999 9 9 99 9

9 9 9 9 9 9 • · 99 9«· 9999 9 9 9 9 9 • · 99 9«· 999

9 9 9 99 9 9 9

999 99 99 99999 99 99 99

Slinovaný nitrid křemíku podle předloženého vynálezu obsahuje výhodně alkalické zeminy, Sc2O2 , Y202 > θχΐύγ vzácných zemin, TiO2 , Zr02 , HfO2 , a/nebo Α120^ jako slinovací aditiva, přičemž tato ve slinovaném materiálu vytvářejí koncentraci sekundární fáze 7,5 až 20 % objemových vedle krystalického nitridu křemíku a/nebo směsných krystalů nitridu křemíku.The sintered silicon nitride according to the present invention preferably contains alkaline earths, Sc 2 O 2 , Y 2 0 2 > θχ ΐύγ rare earths, TiO 2 , Zr0 2 , HfO 2 , and/or A1 2 0^ as sintering additives, which in the sintered material form a secondary phase concentration of 7.5 to 20% by volume in addition to crystalline silicon nitride and/or mixed silicon nitride crystals.

Tato koncentrace sekundární fáze se stanovuje tak, že se zjistí obsah celkového kyslíku slinutého nitridu křemíku extrakcí za horka. Z tohoto výsledku se odečte známá koncentrace kyslíku, která byla vnesena přidanými pomocnými slinovacími prostředky. Rozdíl představuje obsah kyslíku v nitridu křemíku po zpracování, který se vyskytuje ve formě oxidu křemičitého. Tato koncentrace oxidu křemičitého se přičítá ke koncentraci slinovacích pomocných prostředků, což představuje celkový podíl oxidických součástí vedle nitridu křemíku.This secondary phase concentration is determined by determining the total oxygen content of the sintered silicon nitride by hot extraction. From this result, the known oxygen concentration introduced by the added sintering aids is subtracted. The difference represents the oxygen content of the silicon nitride after processing, which is present in the form of silicon dioxide. This silicon dioxide concentration is added to the concentration of the sintering aids, which represents the total proportion of oxide components in addition to silicon nitride.

Pro podíl nitridu křemíku v materiálu se používá pro oFor the proportion of silicon nitride in the material, it is used for o

výpočet objemového podílu jeho čistá hustota 3,18 g/cm , pro sekundární fázi, která se tvoří reakcí slinovacích aditiv s oxidem křemičitým prášku nitridu křemíku při slinování , se čistá hustota vypočte pomocí rovnice i=ncalculation of the volume fraction its net density is 3.18 g/cm , for the secondary phase, which is formed by the reaction of sintering additives with silicon dioxide of silicon nitride powder during sintering, the net density is calculated using the equation i=n

Φκ = G-cel/Σ (Gi/ΦβΡ v g/cm3 (3) i=l přičemžΦ κ = G-cel/Σ (Gi/ΦβΡ in g/cm 3 (3) i=l where

G-cel značí celkovou hmotnost oxidických součástí v gG-cel indicates the total mass of oxide components in g

ΦΦ ΦΦ φ φ φ φ • ΦΦΦ • · φ · • φ φ φΦΦ ΦΦ φ φ φ φ • ΦΦΦ • · φ · • φ φ φ

ΦΦ φ φ φ φ φ · φ φΦΦ φ φ φ φ φ · φ φ

ΦΦΦ φΦΦΦ φ

značí hmotnost jednotlivých oxidických součástí v gdenotes the mass of individual oxide components in g

Φβ£ značí čisté hustoty jednotlivých oxidických součástíΦβ£ denotes the net densities of individual oxide components

Q v g/cm .Q in g/cm .

Tak se určí objemové podíly nitridu křemíku a sekundární fáze, přičemž poslední je pro materiál podle předloženého vynálezu v rozmezí 7,5 až 20 % objemových.Thus, the volume fractions of silicon nitride and the secondary phase are determined, the latter being in the range of 7.5 to 20% by volume for the material according to the present invention.

Nitrid křemíku podle předloženého vynálezu se vyznačuje vysokým stupněm zhutnění (nepatrná porosita) , takže se při dodatečném slinování při teplotě o až 50 °C vyšší, než je slinovací teplota, nemění ani hustota, ani elasticita materiálu.The silicon nitride according to the present invention is characterized by a high degree of densification (slight porosity), so that neither the density nor the elasticity of the material changes during subsequent sintering at a temperature of up to 50°C higher than the sintering temperature.

Předmětem předloženého vynálezu je dále způsob výroby slinovaného nitridu křemíku podle předloženého vynálezu, při kterém se prášek nitridu křemíku, který buď obsahuje chlor v množství 500 až 1500 ppm nebo alternativně k tomu se použije s chloridem kovu, disperguje společně se slinovacím aditivem ve vodě, smísí se s procesním pomocným prostředkem, vodná disperse se rozemele na jemnost 90 % < 1 pm a potom se tak usuší, výhodně sprejovým sušením nebo sušením ve vířivé vrstvě, aby měl granulát nitridu křemíku obsah vlhkosti v rozmezí 1,0 až 4 % hmotnostní, výhodně 1 až 3 % hmotnostní a aby střední velikost granulátu byla 40 až 80 pm, tento se potom slisuje a po vyhřátí organického procesního pomocného prostředku za tlaku dusíku 0,1 p =£ 1,0 MPa se slinuj e.The present invention further relates to a method for producing sintered silicon nitride according to the present invention, in which silicon nitride powder, which either contains chlorine in an amount of 500 to 1500 ppm or is alternatively used with a metal chloride, is dispersed together with a sintering additive in water, mixed with a processing aid, the aqueous dispersion is ground to a fineness of 90% < 1 pm and then dried, preferably by spray drying or fluidized bed drying, so that the silicon nitride granulate has a moisture content in the range of 1.0 to 4% by weight, preferably 1 to 3% by weight and the average granulate size is 40 to 80 pm, this is then compressed and, after heating the organic processing aid under a nitrogen pressure of 0.1 p =£ 1.0 MPa, it is sintered.

Lisování se provádí výhodně axiálně a/nebo isostaticky.The pressing is preferably carried out axially and/or isostatically.

• 0 • 0 · 0 0• 0 • 0 · 0 0

0 000 00

0 0 0 00 0 0 0

0 t0 tons

0 00 0

000 000000 000

00

0000

00 000 0

Při výhodné formě provedeni způsobu podle předloženého vynálezu se provádí lisování za tlaku < 250,0 MPa , vyhřívání organického procesního prostředku a vlhkosti ve vzduchu, ochranném plynu nebo za vakua při teplotě 650 °C a slinování za tlaku dusíku 0,1 p 1,0 MPa při teplotě á 2000 °C .In a preferred embodiment of the method according to the present invention, pressing is carried out at a pressure < 250.0 MPa, heating of the organic processing agent and moisture in air, protective gas or under vacuum at a temperature of 650 °C and sintering at a nitrogen pressure of 0.1 p 1.0 MPa at a temperature of 2000 °C.

Výhodně má použitý prášek nitridu křemíku obsah chloru v rozmezí 500 až 1500 ppm , což vede ve slinutém nitridu křemíku k obsahu chloru 100 až 500 ppm .Preferably, the silicon nitride powder used has a chlorine content in the range of 500 to 1500 ppm, which results in a chlorine content of 100 to 500 ppm in the sintered silicon nitride.

Jako prášek nitridu křemíku se může použít například Baysinid ST firmy Bayer AG, Deutschland. Pro případ, že obsah chloru v prášku nitridu křemíku je příliš malý, mohou se dodatečně přidat chloridy kovů, jako je například chlorid hořečnatý nebo chlorid barnatý.As silicon nitride powder, for example, Baysinid ST from Bayer AG, Germany, can be used. If the chlorine content of the silicon nitride powder is too low, metal chlorides, such as magnesium chloride or barium chloride, can be added additionally.

Slinovací aditiva, která jsou použitelná při způsobu podle předloženého vynálezu, jsou výhodně alkalické zeminy, Sc202 , Y2O3 » oxidy vzácných zemin, Ti02 , ZrO2 , Hf02 , B202 a/nebo A12Oj .The sintering additives which are useful in the process according to the present invention are preferably alkaline earths, Sc 2 0 2 , Y 2 O 3 » rare earth oxides, TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , B 2 0 2 and/or Al 2 O 3 .

Tato se výhodně přidávají v takových množstvích, aby se během slinování reakcí s kyslíkem, který je v prášcích nitridu křemíku vždy přítomný a předpokládaný jako oxid křemičitý, tvoří kapalnou fázi, která se vyskytuje ve slinutém materiálu jako převážně sklovitá sekundární fáze v koncentraci 7,5 až 20 % objemových.These are preferably added in such amounts that during sintering, by reaction with oxygen, which is always present in silicon nitride powders and assumed as silicon dioxide, a liquid phase is formed which occurs in the sintered material as a predominantly glassy secondary phase in a concentration of 7.5 to 20% by volume.

Organické procesní pomocné prostředky, které jsou použitelné při způsobu podle předloženého vynálezu, jsou výhodně dispergační pomocná činidla a/nebo lisovací pomocná činidla, přičemž poslední mají funkci pojiv a plastifiká44 • 4 · 4 · 44 4The organic processing aids which can be used in the process according to the present invention are preferably dispersing aids and/or molding aids, the latter having the function of binders and plasticizers.

4 4 4 4 ··4 4 4 4 ··

4 4 · ·4· 444 • 4 4 4 44 4 · ·4· 444 • 4 4 4 4

444 44 4 4 44 torů.444 44 4 4 44 tors.

Dispergační pomocná činidla jsou výhodně deriváty kyseliny citrónové a polyakrylové, jakož i aminoalkoholy v koncentraci 0,1 až 2,5 % hmotnostních, vztaženo na obsah pevné látky disperse.Dispersion aids are preferably citric acid and polyacrylic acid derivatives as well as amino alcohols in a concentration of 0.1 to 2.5% by weight, based on the solids content of the dispersion.

Jako lisovací pomocná činidla je možno použít velký počet látek, jako jsou například polyurethanové disperse, deriváty celulosy, škroby, polysacharidy, roztoky polyamidů, polyvinylalkohol, polyvinylacetát, polyethylenglykoly a/nebo stearáty. Tato činidla se používají výhodně v množství 0,2 až 5 % hmotnostních.A large number of substances can be used as molding aids, such as polyurethane dispersions, cellulose derivatives, starches, polysaccharides, polyamide solutions, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyethylene glycols and/or stearates. These agents are preferably used in amounts of 0.2 to 5% by weight.

Lisování za tlaku < 250,0 MPa se může provádět axiálním a/nebo isostatickým lisováním za sucha, například ve formě, odpovídající konstrukčnímu prvku.Pressing at a pressure < 250.0 MPa can be carried out by axial and/or dry isostatic pressing, for example in a mold corresponding to the structural element.

Tímto způsobem získané materiály nemají žádné granulátové relikty v materiálové struktuře. Proto se dosahuje reprodukovatelných pevností přes 85,0 MPa při Veibullově modulu 18 .The materials obtained in this way have no granulate relics in the material structure. Therefore, reproducible strengths of over 85.0 MPa at a Weibull modulus of 18 are achieved.

Dalším předmětem vynálezu jsou konstrukční prvky, obzvláště ventily, z nitridu křemíku podle předloženého vynálezu.Another subject of the invention are structural elements, in particular valves, made of silicon nitride according to the present invention.

Dalším předmětem předloženého vynálezu jsou k tomu ventily s pravděpodobností výpadku nižším než 10“ ze slinutého nitridu klřemíku.Another object of the present invention is to provide valves with a failure probability of less than 10% made of sintered silicon nitride.

Předmětem předloženého vynálezu je dále způsob výroby ventilů podle předloženého vynálezu, při kterém se ventily • · 9 * 9 · · 9« 99The subject of the present invention is further a method of manufacturing valves according to the present invention, in which the valves • · 9 * 9 · · 9« 99

99 9 9 9 9 9 9 99 999 9 9 9 9 9 9 99 9

99 999 999999 999 9999

99 99 99 99 999 99999 99 99 99 999 999

9999 999 9 99999 999 9 9

99 999 99 99 99 selektují pomoci oscilační analysy rozdělením frekvence resonančního frekvenčního peaku s 0,0125 % . Ostatní kroky postupu jsou analogické jako při způsobu výroby nitridu křemíku podle předloženého vynálezu, přičemž lisování se provádí ve formě odpovídající vyráběnému ventilu.99 999 99 99 99 are selected using oscillation analysis by dividing the frequency of the resonant frequency peak by 0.0125%. The other steps of the process are analogous to the method for producing silicon nitride according to the present invention, with the pressing being carried out in a form corresponding to the valve being produced.

Bylo zjištěno, že pomocí posledně jmenovaného způsobu je možno nezávisle na geometrickém tvaru ventilu rychle a jednoznačně detekovat bezchybné konstrukční prvky rozdělením frekvence resonančního frekvenčního peaku.It has been found that using the latter method, it is possible to quickly and unambiguously detect faultless structural elements by dividing the frequency of the resonant frequency peak, regardless of the geometric shape of the valve.

Tento druh selekce je však možný také pro konstrukční prvky s jiným geometrickým tvarem.However, this type of selection is also possible for structural elements with a different geometric shape.

Při způsobu podle předloženého vynálezu se zkoušený ventil na straně talíře umístí tak na třech elektrodynamických měničích, jednom vysílači a dvou přijímačích, že ventil je podepřen ve vzdálenosti asi 1 až 2 mm od kraje talíře v úhlovém odstupu sensorů vždy 120 ° . Variací frekvence v rozmezí 0,1 až 2 MHz vysílače se v keramickém ventilu nabudí oscilace ohybu stopky a oscilace ohybu talířové desky a snímá se oběma přijímači oscilace.In the method according to the present invention, the valve under test is placed on the side of the plate on three electrodynamic transducers, one transmitter and two receivers, such that the valve is supported at a distance of about 1 to 2 mm from the edge of the plate with an angular separation of the sensors of 120° each. By varying the frequency in the range of 0.1 to 2 MHz of the transmitter, the oscillation of the stem bending and the oscillation of the plate bending are excited in the ceramic valve and the oscillations are sensed by both receivers.

Makroskopické defekty, jako jsou trhliny, vměstky materiálu cizích součástí nebo nehomogenity se zřetelem na hustotu a/nebo modul elasticity se projevují v jednoznačně přiřazeném rozštěpení resonanční frekvence na dvoudílné vlastní oscilace, přičemž rozštěpení frekvence přibývá s přibývající velikostí chyby.Macroscopic defects such as cracks, material inclusions of foreign components or inhomogeneities with respect to density and/or modulus of elasticity are manifested in a uniquely assigned splitting of the resonant frequency into two-part natural oscillations, the frequency splitting increasing with increasing error size.

Dalším předmětem vynálezu je použití nitridu křemíku podle předloženého vynálezu a z něj vyrobených konstrukčních prvků ve stavbě motorů, obzvláště jako ventilů v pístových ·· ·· • · · · · • · ·· • · · · · • · · · • · · * ·Another object of the invention is the use of silicon nitride according to the present invention and structural elements made therefrom in engine construction, in particular as valves in piston ·· ·· • · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · * ·

·» ·· • · · · • · · · ··· ··· • · • · ·· motorech, v obecném strojírenství, v ukládacích technikách a při stavbě přístrojů.·» ·· • · · · · · · · · ·· ·· ··· • · • · ·· motors, in general mechanical engineering, in storage techniques and in instrument construction.

Z něho vyrobené části motorů se vyznačují především dlouhou trvanlivostí a velikou spolehlivostí. Tak vykazují motorové ventily z nitridu křemíku na testovacích místech, která jsou provozována za podmínek, které jsou daleko nad podmínkami, panujícími v normálních pístových motorech, výbornou odolnost bez selhání.Engine parts made from it are characterized above all by their long durability and high reliability. For example, engine valves made of silicon nitride have shown excellent durability without failure in test sites operated under conditions far exceeding those of normal piston engines.

Příklady provedení vynálezuExamples of embodiments of the invention

Identicky se vyrobí a charakterisují různá složení materiálu za použití různých výchozích prášků nitridu křemíku. Jako prášek nitridu křemíku se použije zcela chloru prostý LC12S (H.C. Starek, Deutschland) a chlor obsahující Baysinid^ST (Bayer AG, Deutschland) . Tyto produkty mají následující typické vlastnosti :Different material compositions are produced and characterized identically using different starting silicon nitride powders. The silicon nitride powder used is the completely chlorine-free LC12S (H.C. Starek, Germany) and the chlorine-containing Baysinid^ST (Bayer AG, Germany). These products have the following typical properties:

LC12S LC12S Baysinid^ST Baysinid^ST 2 Specifický povrch, m /g 2 Specific surface area, m/g 20 20 > 10 > 10 obsah 0 content 0 , % hmotn. , % wt. 2,0 2.0 1,2-1,4 1.2-1.4 obsah C table of contents C , % hmotn. , % wt. 0,2 0.2 < 0,05 < 0.05 obsah Fe Fe content , ppm , ppm 60 60 < 50 < 50 obsah Al contents Al , ppm , ppm 300 300 < 20 < 20 obsah Ca Ca content , ppm , ppm 30 30 < 20 < 20 obsah Cl content Cl , ppm , ppm < 100 < 100 700-1500 700-1500 podíl a-! share a-! 3n4 , % s 3 n 4 , % ca. 95 about 95 ca. 96 about 96 vztaženo related na α+β on α+β

φ φφφφ • φ φφφ φφφ φ φ φφ φφφφ • φ φφφ φφφ φ φ φ

ΦΦ ΦΦ ·· ·· • φ φ φ φ φφφ φ · · · φ φ φ φ φΦΦ ΦΦ ·· ·· • φ φ φ φ φφφ φ · · · φ φ φ φ φ

ΦΦ ΦΦ • ··ΦΦΦΦ • ··

Jako slinovací aditiva se použije oxid ytritý (Υ2θ3) (získatelný pod obchodním označením Grade C firmy H.C. Starek, Deutschland) , oxid hlinitý (AI2O3) (získatelný pod obchodním označením CT 3000 SG firmy Alcoa, Deutschland) , jakož i oxid hořečnatý (MgO) (získatelný jako MgO p.a. firmy Merck, Deutschland). Suroviny se vnesou do předložené vody p.a., do které se přidá dispergační pomocné činidlo (KV 5088 firmy Zschimmer & Schwarz, Deutschland) a disperguje se pomocí vysokorychlostního míchadla. Viskosita se upraví na 20 mPas , což odpovídá obsahu pevné látky okolo 64 % .The sintering additives used are yttrium oxide (Υ2θ3) (available under the trade name Grade C from H.C. Starek, Germany), aluminum oxide (Al2O3) (available under the trade name CT 3000 SG from Alcoa, Germany) and magnesium oxide (MgO) (available as MgO p.a. from Merck, Germany). The raw materials are introduced into the water p.a. provided, to which a dispersing aid (KV 5088 from Zschimmer & Schwarz, Germany) is added and dispersed using a high-speed mixer. The viscosity is adjusted to 20 mPas, which corresponds to a solids content of about 64%.

Vsázka se mele za použití míchadlového kulového mlýna tak dlouho, dokud se nedosáhne simultánně zjištěného rozdělení velikosti částic jmenovité hodnoty 90 % < 1 gm .The batch is ground using an agitator ball mill until a simultaneously determined particle size distribution of 90% < 1 gm is achieved.

nn

Potom se přidá 1 % Bayceramu 4305 jako pojivového a plastifikačního činidla, získatwelného u firmy Bayer AG, Deutschland a mele se ještě po dobu 5 minut.Then 1% of Bayceram 4305 as a binding and plasticizing agent, available from Bayer AG, Germany, is added and the mixture is ground for a further 5 minutes.

Takto získaná disperse se granuluje pomocí sprejového sušení, přičemž se podmínky vždy nastaví podle vsázky tak, aby byl podíl granulátu < 150 gm pokud možno nepatrný. Ze zpracované vsázky se oddělí granulát > 150 gm prosetím.The dispersion thus obtained is granulated by spray drying, the conditions always being adjusted to the batch so that the proportion of granulate < 150 gm is as small as possible. Granulate > 150 gm is separated from the processed batch by sieving.

Z tohoto granulátu se při tlaku > 250 MPa vylisují tvarová tělesa, zahřejí se na teplotu maximálně 650 °C a slinují se stejně jako je popsáno v DE-A 4 233 602 bez vložení do ochranného prášku v grafitových nádobách při teplotě 1800 °C ± 50 °C v dusíkové atmosféře.Shaped bodies are pressed from this granulate at a pressure of > 250 MPa, heated to a maximum temperature of 650 °C and sintered as described in DE-A 4 233 602 without inclusion in a protective powder in graphite vessels at a temperature of 1800 °C ± 50 °C in a nitrogen atmosphere.

Vlastnosti materiálu jsou uvedené v následující tabulce. Pevnost v ohybu a Veibullův modul se zjišťuje podle »· ·· · ·· ·· ·· ···· ···· · · · · ···· · · · · · · · • ·« ·· · · · · ··· ·*· • · · · · · · · ·The material properties are listed in the following table. The flexural strength and Weibull modulus are determined according to »· ·· · ·· ·· ·· ··· · ··· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ··

DIN 51 110 a parametr podkritického růstu trhliny podle evropské přednormy ENV 843-3 .DIN 51 110 and the subcritical crack growth parameter according to the European pre-standard ENV 843-3.

V následující tabulce byly použity následující zkratky :The following abbreviations have been used in the following table:

TGV odpovídá podílu prachových částic v suspensi po mletí, které jsou menší než 1 pm (% < 1 gm) ;The TGV corresponds to the proportion of dust particles in the suspension after grinding that are smaller than 1 pm (% < 1 gm);

GGV značí rozdělení velikosti granulátu, které se vyznačuje střední hodnotou rozdělení D50 v gm.GGV refers to the granulate size distribution, which is characterized by the mean value of the D50 distribution in gm.

Hustota slinutí je hustota slinutých těles, zjištěná podle vztlakového postupu ve vodě.Sintered density is the density of sintered bodies, determined according to the buoyancy process in water.

Obsah O a obsah Cl je obsah kyslíku a chloru, analysovaný ve slinutých tělesech. Z obsahu kyslíku se po odečtení známých podílů kyslíku, které byly vneseny slinovacími přísadami, vypočte podíl kyslíku, který byl vnesen přes prášek nitridu křemíku po zpracování. Za předpokladu, že se tento vyskytuje jako oxid křemičitý, se součtem tohoto vypočteného obsahu oxidu křemičitého ve slinutém materiálu a koncentrace přidaných slinovacích aditiv vypočte celková koncentrace ve hmotnostních procentech oxidických součásti. Tato se přepočte v souladu s výše uvedeným výkladem na objemové podíly sekundární fáze a krystalického nitridu křemíku. Ve sloupci sek.-fáz. je v tabulce uvedena takto zjištěná důležitá koncentrace sekundární fáze v objemových procentech.The O content and Cl content are the oxygen and chlorine contents analyzed in the sintered bodies. From the oxygen content, after subtracting the known oxygen contents introduced by the sintering additives, the proportion of oxygen introduced via the silicon nitride powder after processing is calculated. Assuming that this occurs as silicon dioxide, the total concentration in weight percent of the oxide component is calculated by adding this calculated silicon dioxide content in the sintered material and the concentration of the added sintering additives. This is converted into the volume fractions of the secondary phase and crystalline silicon nitride in accordance with the above explanation. The sec.-phase column in the table shows the important concentration of the secondary phase in volume percent thus determined.

I ηI η

r4r4

I •ΗI •Η

4J ra ο β jj ω β I—ί > Ή υ4J ra ο β jj ω β I—ί > Ή υ

Ή •η βΉ •η β

Ό 'Η >Oh, oh

Ο βThe β

ΛίLi

Η βH β

Λ (dΛ (d

Ε-Ι οE-I o

β ββ β

Τ) β ι—I X Ή >β ρ Λί βΤ) β ι—I X Ή >β ρ Λί β

γΗ 'βγΗ 'β

Η βH β

φφ

4-1 β4-1 β

ε <υ υε <υ υ

β •Η ββ •Η β

β >β >

podle vynálezu ano/ne according to the invention yes/no ne no ano yes ne no hodnota n value n t** CN t** CN 09 09 71 71 Weibullův modul Weibull modulus 22 22 22 22 28 28 pevnost v ohybu, MPa bending strength, MPa S68 S68 920 920 942 942 Slinuté těleso Sintered body obsah Cl, ppm Cl content, ppm 70 70 390 390 320 320 sekund. fáze, % ob j . seconds phase, % vol j . 14,2 14.2 12,9 12.9 13,9 13.9 obsah 0, % hmotn. content 0.% wt. 5,7 5.7 in in CO Γ0 WHAT Γ0 hustota slinutí g/cm3 sinter density g/cm 3 3,23 3.23 3,24 3.24 co CN fQ what CN fQ 1 s,'H <· ϋ c '5 & ,_j r* - 2 ε 2< § ‘Η o° 4? X & ω , 1 s,'H <· ϋ c '5 & ,_j r* - 2 ε 2< § ‘Η o° 4? x & ω , 1800/2/10,0 1800/2/10.0 1775/2/1,0 1775/2/1.0 1825/2,5/1,0 1825/2.5/1.0 GGV D - 50 gm GGV D - 50 gm lo lo 75 75 O co About what TGV - % < 1 gm TGV - % < 1 gm 91, 0 91, 0 92,0 92.0 10 H 0Ί 10 H 0Ί Složení vsázky % hmotn. Composition of the charge % wt. + o Cl 1*1 in O CJ i + < Μ ω M Γ—J υ β + o Cl 1*1 in O CJ i + < Μ ω M Γ—J υ β + O tn n 5* o H ΓΊ π >< , tn + . n + O Γ1 H rj CQ < ffl tn + O tn n 5* o H ΓΊ π >< , tn + . n + O Γ1 H rj CQ < ffl tn + 1*1 9. <n >H O “ ι-ϊ + < * ω ffl + 1*1 9 >H O “ ι-ϊ + < * ω ffl Vsázka č. Bet No. O About H H CN CN

ΗH

W &W &

U •Η βU •Η β

Η ωH ω

>4 β>4 β

PQ 'β βPQ 'β β

ΌOh

ΦΦ

ΦΦ

ΜM

Η ωH ω

ω ·« • · · • · · • · · · • · · ·· ·» ·· • · · · · · • · · ♦ · · • ·· ··· ··· • · · · ·· · · ·· οω ·« • · · • · · • · · · • · · ·· ·» ·· • · · · · · • · · ♦ · · • ·· ··· ··· • · · · ·· · · ·· ο

χ!χ!

Λί υLi y

•Η•H

4J4J

Ή βΗ β

λ:λ:

ΤΟTO

ΟThe

0» β0» β

4-14-1

Ο οThe the

X!X!

ββ

ΟThe

U •Η >U •Η >

ο βthe β

φ εφε

β ββ β

β μβ μ

οthe

I—I X!I—I X!

U βIn β

ωω

ΛΛ

Ο λ:The λ:

φ βφ β

•Η >ϋ 'β β•Η >ϋ 'β β

4-1 β4-1 β

Λ >φ βΛ >φ β

ω βω β

•ο φ•οφ

οthe

Ό βOh, oh

ΗH

Ή >β · Pt βΉ >β · Pt β

Χί Ή ϋ ι—I '>t Χί β β φ 4-> τ) φ β > 4-1 β W •β Ν βΧί Ή ϋ ι—I '>t Χί β β φ 4-> τ) φ β > 4-1 β W •β Ν β

Tí/ - 5^·2_ &4 44 44Ti/ - 5^·2_ &4 44 44

Claims (8)

1. Slinovaný nitrid křemíku, vyznačující se tím, že má obsah chloru v rozmezí 100 až 500 ppm, charakteristickou hodnotu n podkritického růstu trhliny Ξ: 50 , střední pevnost v ohybu při teplotě místnosti 850 MPa a Veibullův modul s: 18 .Sintered silicon nitride, characterized in that it has a chlorine content in the range of 100 to 500 ppm, a characteristic value of subcritical crack growth růstu: 50, a mean flexural strength at room temperature of 850 MPa and a Veibull modulus of: 18. 2. Slinovaný nitrid křemíku podle nároku 1 , vyznačující se tím, že obsahuje alkalické zeminy, SC2O3 , Y2O3 . oxidy vzácných zemin, T1O2 , ZrO2 , HfO2 , Β2θ3 a/neΑ^2θ3 Ja^° slinovací aditiva, přičemž tato ve slinovaném materiálu vytvářejí koncentraci sekundární fáze 7,5 až 20 % objemových vedle krystalického nitridu křemíku a/nebo směsných krystalů nitridu křemíku.Sintered silicon nitride according to claim 1, characterized in that it contains alkaline earths, SC 2 O 3, Y 2 O 3. rare earth oxides, T1O2, ZrO2, HfO2, and Β2θ3 / No b 2θ3 ° Α ^ J ^ ° and sintering additives, wherein the sintered material is in the form a secondary phase concentration of 7.5 to 20% by volume in addition to crystalline silicon nitride and / or mixed silicon nitride crystals. 3. Způsob výroby slinovaného nitridu křemíku podle nároku 1 nebo 2,vyznačující se tím, že se prášek nitridu křemíku, který buď obsahuje chlor v množství 500 až 1500 ppm nebo alternativně k tomu se použije společně s chloridem kovu, disperguje společně se slinovacím aditivem ve vodě, smísí se s organickým procesním pomocným prostředkem, vodná disperse se rozemele na jemnostA process for the production of sintered silicon nitride according to claim 1 or 2, characterized in that the silicon nitride powder, which either contains chlorine in an amount of 500 to 1500 ppm or, alternatively, is used together with the metal chloride, is dispersed together with the sintering additive. water, mixed with an organic processing aid, the aqueous dispersion is ground to fineness 90 % < 1 pm a potom se tak usuší, aby měl granulát nitridu křemíku obsah vlhkosti v rozmezí 1,0 až 4 % hmotnostní a aby střední velikost granulátu byla 40 až 80 pm, tento se potom slisuje a po vyhřátí organického procesního pomocného prostředku se za tlaku dusíku 0,1 p 1,0 MPa slinuje.90% < 1 µm and then dried so that the silicon nitride granulate has a moisture content of 1.0 to 4% by weight and a mean granulate size of 40 to 80 µm, which is then compressed and after heating the organic processing aid under a nitrogen pressure of 0.1 p, 1.0 MPa sintered. 4. Způsob podle nároku 3 , vyznačuj ící t i m , že se lisování provádí za tlaku < 250,0 MPa , vyhřívání organického procesního prostředku a vlhkosti ve vzduchu, ochranném plynu nebo za vakua při teplotě 650 °C a slinováni při teplotě £ 2000 °C .Process according to claim 3, characterized in that the pressing is carried out at a pressure of <250.0 MPa, heating of the organic process medium and moisture in air, a shielding gas or under vacuum at 650 ° C and sintering at a temperature of £ 2000 ° C. . 5. Konstrukční prvky ze slinutého nitridu křemíku podle nároku 1 nebo 2 .5. The sintered silicon nitride components of claim 1 or 2. 6. Ventily s pravděpodobností výoadku nižší než 10-8 ze slinutého nitridu křemíku podle nároku 1 nebo 2 .Valves with a probability of failure less than 10 -8 from sintered silicon nitride according to claim 1 or 2. 7. Způsob výroby ventilů podle nároku 6 , vyznačující se tím, že se ventily selektují pomocí oscilační analysy rozdělením frekvence resonančního frekvenčního peaku s 0,0125 % .Valve production method according to claim 6, characterized in that the valves are selected by oscillation analysis by dividing the frequency of the resonance frequency peak by 0.0125%. 8. Použití slinutého nitridu křemíku nebo konstrukčních prvků z něj podle nároků 1, 2 nebo 5 , pro konstrulci motorů, konstrukci strojů, ukládací technice a konstrukci přístrojů.Use of sintered silicon nitride or structural elements thereof according to claims 1, 2 or 5, for engine construction, machine construction, storage technology and instrument construction.
CZ19993572A 1998-03-27 1998-03-27 Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use CZ9903572A3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ19993572A CZ9903572A3 (en) 1998-03-27 1998-03-27 Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ19993572A CZ9903572A3 (en) 1998-03-27 1998-03-27 Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ9903572A3 true CZ9903572A3 (en) 2000-12-13

Family

ID=5466943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ19993572A CZ9903572A3 (en) 1998-03-27 1998-03-27 Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ9903572A3 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0140638B1 (en) High-strength zirconia type sintered body and process for preparation thereof
Mecartney Influence of an amorphous second phase on the properties of yttria‐stabilized tetragonal zirconia polycrystals (Y‐TZP)
Witek et al. Zirconia particle coarsening and the effects of zirconia additions on the mechanical properties of certain commercial aluminas
US4640902A (en) Low thermal conductivity Si3 N4 /ZrO2 composite ceramics
CA1257298A (en) Silicon nitride sintered bodies and process for manufacturing the same
EP2173684B1 (en) Grinding beads and method of producing the same
US5312785A (en) Sintered self-reinforced silicon nitride
US4690911A (en) Zirconia ceramics and process for producing the same
EP0435677A2 (en) Alumina-zirconia composite sintered product and method for making the same
EP0277178B1 (en) Alumina-zirconia ceramic
TWI436961B (en) Silicon nitride-melilite compound sintered compact
Arató et al. Mechanical properties in the initial stage of sintering
JPH10194824A (en) Alumina sintered body containing zirconia
CZ9903572A3 (en) Sintered silicon nitride, process for its production, structural elements made of it, especially valves, process for their production and its use
US5217931A (en) Ceramic sliding member and method of manufacturing the same
US6395661B2 (en) Sintered silicon nitride, components made therewith, specially valves, methods for the production and use thereof
EP0321955A2 (en) High-strength alumina sintered body and process for preparation thereof
EP0753492B1 (en) High-strength silicon nitride sintered body
EP1038854A1 (en) Cutting tool and wear-resistant material
Chen et al. Sintering of 3 mol% Y2O3-TZP and its fracture after ageing treatment
JP2671929B2 (en) Zirconia-based ceramic material and its manufacturing method
JP2004075425A (en) Partially stabilized zirconia sintered compact
Keizer et al. Influence of particle size and structure of ZrO2 on microstructure development and dielectric constant of PbZr0. 5Ti0. 5O3
USRE34028E (en) Alumina-zirconia ceramic
JPH06107454A (en) Alumina-based sintered body and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
PD00 Pending as of 2000-06-30 in czech republic