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DE2451581A1 - METHOD FOR MANUFACTURING SILICON NITRIDE OBJECTS - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING SILICON NITRIDE OBJECTS

Info

Publication number
DE2451581A1
DE2451581A1 DE19742451581 DE2451581A DE2451581A1 DE 2451581 A1 DE2451581 A1 DE 2451581A1 DE 19742451581 DE19742451581 DE 19742451581 DE 2451581 A DE2451581 A DE 2451581A DE 2451581 A1 DE2451581 A1 DE 2451581A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
silicon
nitrogen
silicon nitride
gaseous environment
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE19742451581
Other languages
German (de)
Inventor
John A Mangels
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Werke GmbH
Original Assignee
Ford Werke GmbH
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 Ford Werke GmbH filed Critical Ford Werke GmbH
Publication of DE2451581A1 publication Critical patent/DE2451581A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/591Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by reaction sintering

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Description

DR. A. KOHLEfR M. SCHRCEDERDR. A. KOHLEfR M. SCHRCEDER PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

1 »ι 1 »ι

TELEFON: 37 WT UZ ' θ MÜNCHEN UO TELEPHONE: 37 WT UZ ' θ MUNICH UO

TELESRAMMEi CARBOPAT MÖNCHEN PRANZ-UOSEI3H-STRAeS TELESRAMMEi CARBOPAT MÖNCHEN PRANZ-UOSEI 3 H-STRAeS

US-563 - S/Le , *H0 I ΟίΠUS-563 - S / Le, * H0 I ΟίΠ

FORD WERKE AG, KÖLNFORD WERKE AG, COLOGNE

Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen '---""■Process for making silicon nitride articles '--- "" ■

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen. Im allgemeinen wird ein derartiger Gegenstand gefertigt, indem Siliciummetallteilchen zu der allgemeinen Form des Gegenstandes geformt v/erden. Der so geformte Gegenstand ■wird in einer gasförmigen Umgebung, die genügend Stickstoff enthält, um das Silicium in Siliciumnitrid zu überführen, erhitzt. Die hier behandelte Verbesserung besteht darin, daß die gasförmige Umgebung aus einem Gemisch aus etv/s 0,5 bis etwa 4-,O Volumen^» Wasserstoff^ wobei der restliche Valumengehalt der gasförmigen Umgebung aus Stickstoff besteht, gebildet wird.The invention relates to an improved method of making silicon nitride articles. In general Such an article is made by adding silicon metal particles to the general shape of the article shaped v / ground. The object thus formed is placed in a gaseous environment containing sufficient nitrogen contains in order to convert the silicon into silicon nitride, heated. The improvement discussed here consists in the fact that the gaseous environment consists of a mixture of etv / s 0.5 to about 4-, 0 volume ^ »hydrogen ^ the remaining volume content of the gaseous environment consists of nitrogen.

Siliciumnitrid besitzt eine breite Vielzahl von Verwendungen aufgrund seiner physikalischen und chemischen Ei-Silicon nitride has a wide variety of uses due to its physical and chemical properties.

509819/ 1020509819/1020

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

genschaften. Um einige aufzuführen gehören zu diesen Verwendungen Thermoelement-Schutzrohre, Tiegel für Gießereizwecke, Substrate für elektronische Anwendungen und Strukturbestandteile für Gasturbinenmotoren. Siliciumnitrid kann durch eine Anzahl verschiedener Verfahrenstechniken erzeugt ' werden, wobei die jeweilige Technik eine unterschiedliche Enddichte ergibt. Auch besitzt jede Technik eine bestimmte Begrenzung hinsichtlich der endgültigen Form, die erzeugt werden kann. \ . properties. To name a few, these uses include thermocouple protection tubes, foundry crucibles, substrates for electronic applications, and structural components for gas turbine engines. Silicon nitride can be produced by a number of different processing techniques, each technique yielding a different final density. Also, each technique has a certain limitation on the final shape that can be created. \.

Einfache Formen mit 95 bis 100$iger theoretischer Dichte können durch Heißpressen von Siliciumnitridpulver unter Bildung des fertigen Gegenstandes hergestellt werden. Andererseits können komplexe Formen durch Gleitgußtechniken hergestellt werden, welche einen fertigen Gegenstand mit einer theoretischen Dichte im Bereich von 80 bis 85$ erzeugen. Bei der Gleitgußtechnik werden Siliciummetallteilchen zuerst in die gewünschte Form gegossen. Das Siliciummetall muß dann in einem Nitridiervorgang in das Siliciumnitrid überführt werden.Simple shapes with $ 95 to $ 100 theoretical density can by hot pressing silicon nitride powder under Formation of the finished item can be produced. On the other hand, complex shapes can be created by slip casting techniques which produce a finished article with a theoretical density in the range of $ 80 to $ 85. In the slide casting technique, silicon metal particles become first poured into the desired shape. The silicon metal must then be converted into the silicon nitride in a nitriding process be convicted.

Als Alternative zum Gleitguß werden Siliciumnitridgegenstäncle komplexer Gestalt mit theoretischen Dichten von 70 bis 75$ durch Spritzgußtechniken hergestellt. In dieser Technik wird ein Gemisch aus Siliciummetallteilchen und einem thermoplastischen Material gebildet. Dieses Gemisch wird unter Bildung der Form des Gegenstandes spritzgußgeformt. Zu anschließend©:!! Maßnahmen gehören das Erhitzen des Gegenstandes, um das thersiö= plastische Material auszubrennen, und eine Nitridierung des Gegenstandes zur Erzeugung des fertigen Siliciumnitridgegenstand es. Wenn die Spritzgußtechnik zur Bildung komplexer Formen angewendet wird, wurde allgemein festgestellt, daß die typische Festigkeit für den fertigen Siliciumnitridgegenstaiu'lAs an alternative to slide casting, silicon nitride articles are used complex shape with theoretical densities from $ 70 to $ 75 manufactured by injection molding techniques. In this technique, a mixture of silicon metal particles and a thermoplastic material is formed. This mixture is forming Injection molded to the shape of the item. To then ©: !! Measures include heating the object to get the thersiö = burn out plastic material, and a nitriding of the Object for producing the finished silicon nitride object. When the injection molding technology to form more complex Forming is used, it has generally been found that the typical strength for the finished silicon nitride counterstaiu'l

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etwa "bei 1200 kg/cm2 (17 000 psi) (Bruchmodul bei Vierpunktbiegung) liegt.is approximately "at 1200 kg / cm 2 (17,000 psi) (modulus of rupture at four point bend).

In der US-PS 3 591 337 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumnitridgegenstandes beschrieben,·bei dem sowohl Silicium als auch Siliciumnitridteilchen zur Herstellung des Gegenstandes verwendet werden. Diese Patentschrift beschreibt auch, daß der Gegenstand in einer 90 Volumen^ ; Stickstoff und 10 Volumen^ Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre nitridiert wird. Die britische Patentschrift 717 555 beschreibt Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen. In dieser Patentschrift wird ausgeführt, daß die Nitridierstufe entweder in praktisch reinem Stickstoff stattfinden kann, oder in einer Atmosphäre aus technischem Stickstoff-Temperwqsserstoff bestehend aus 93 Volumen^ Stickstoff und 7 Volumen^ Wasserstoff.U.S. Patent 3,591,337 discloses a method of manufacture of a silicon nitride article in which both Silicon as well as silicon nitride particles can be used to make the article. This patent specification also describes that the object is in a 90 volume ^; Nitrogen and 10 volumes ^ hydrogen containing atmosphere is nitrided. British patent 717 555 describes methods of making silicon nitride articles. In this patent it is stated that the nitriding stage either in practically pure nitrogen can take place, or in an atmosphere of technical nitrogen tempering hydrogen consisting of 93 volumes ^ nitrogen and 7 volumes ^ hydrogen.

Die vorliegende Erfindung'liefert eine Verbesserung gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik und gegenüber dem Verfahren der Nitridierung in einer Atmosphäre,die aus 100 Volumen^ Stickstoff besteht. Zwei grundlegende Vorteile werden durch Anwendung des verbesserten Nitridierungsverfahrens erreicht. Ein Vorteil besteht darin, daß der fertige Gegenstand eine höhere Festigkeit aufweist. Der zweite mit dem verbesserten Verfahren erreichbare Vorteil besteht darin, , "daß der fertige Gegenstand eine verbesserte Kriechbeständigkeit bzw. Dauerstandfestigkeit aufweist, was besonders günstig ist, wenn das Material für Hochtetnperaturanwendungen eingesetzt wird.The present invention provides an improvement over this the method according to the prior art and compared to the method of nitriding in an atmosphere consisting of 100 volumes ^ of nitrogen. Two basic advantages are achieved using the improved nitriding process. One advantage is that the finished Object has a higher strength. The second advantage that can be achieved with the improved method is, "that the finished article has improved creep resistance or has fatigue strength, which is particularly favorable when the material is used for high temperature applications will.

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung in einem Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Siliciumnitrid, wobei Siliciummetallteilchen zur Form eines fertigen Gegenstandes geformt werden. Die Formung des fertigen Gegenstandes kannThe invention relates to an improvement in a method for the production of articles from silicon nitride, wherein Silicon metal particles are molded into the shape of a finished article. The shaping of the finished article can

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dadurch herbeigeführt werden, daß Silieiurametallteilchen χ mit einem thermoplastischen Material vermischt werden und ' 4 das so gebildete Gemisch in eine die Konfiguration des fer- f tigen Gegenstandes "begrenzende Form gespritzt wird. Wenn _-,'-'-:M der Gegenstand auf dieee Weise ausgebildet ist," wird er auf .4^ j eine geeignete Temperatur erhitzt, um das thermoplastische Γ ίίΙ\ be brought about by that Silieiurametallteilchen χ be mixed with a thermoplastic material, and '4, the mixture thus formed "limiting form is injected into a configuration of the finished article term f If _-.'-'-: M of the object on dieee Way is trained, "he will be on. 4 ^ j heated to a suitable temperature to produce the thermoplastic Γ ίίΙ \

Material auszubrennen, wobei Siliciummetall zurückbleibt. ;: ^i'f Der so gebildete Siliciummetallgegenstand wird dann in ei-" .W ner gasförmigen Umgefoung9 die genügend Stickstoff zur Über- :;|! führung des Siliciums in Siliciumnitrid enthält, erhitzt.1 -.'*$ Burn out material, leaving silicon metal behind. ; : ^ I'f The silicon metal object thus formed is then ner in Egg ".W gaseous Umgefoung 9 enough nitrogen to excess:; | leadership of the silicon in silicon nitride contains heated, 1 - '* $!..

■ ■ ■ ■;. ί|■ ■ ■ ■ ;. ί |

Das hier beschriebene spezielle Verfahren dient sowohl zur >'| Verbesserung der Festigkeit als auch der Dauerstandf estig- .'■ keit des fertigen Gegenstandes gegenüber den Werten,die für diese Eigenschaften erzielbar sind, wenn die gasförmige ;;v Umgebung praktisch aus reinem Stickstoff besteht„ Die Ver- \:| besserung innerhalb des Verfahrens besteht darin, daß die / yf gasförmige Umgebung aus einem Gemisch aus etwa 0,5 bis etwa fii 4,0 Volumen^ Wasserstoff aufgebaut ist, wobei das restliche ;'|. Volumen des Gemische aus Stickstoff besteht» Der bevorzug- l-3 teste Bereich an Stielestoff in dem gasförmigen Umgebungs- · j% gemisch ist ein Wert von etwa 1 Volumen^ Wasserstoff, wobei- _;i^ das restliche Volumen aus Stickstoff besteht. '.- ---fThe special procedure described here is used both for>'| Improvement of the strength as well as the long-term strength of the finished object compared to the values that can be achieved for these properties when the gaseous; ; v Environment consists practically of pure nitrogen "The ver \: | improvement within the process consists in the fact that the gaseous environment is made up of a mixture of about 0.5 to about fii 4.0 volumes of hydrogen, with the remainder; '|. Volume of the mixtures of nitrogen is "The most OF PREFERRED l -3 area stems substance in the gaseous ambient · j% is a mixture of about 1 volume ^ is hydrogen, wobei- _; i ^ is the remaining volume of nitrogen. '.- --- f

Noch bessere Werte werden für das Ausmaß der Festigkeit des ':; fertigen Gegenstandes erhalten, wenn die gasförmige Umgebung> ,ί in statischem Zustand um den Gegenstand während der Nltri- , ■ ;·■: dierungvSstufe gehalten wird. Insbesondere wurden hervorra- -^; gende Ergebnisse erhalten, wenn die statische gasförmige Um-.,, gebung bei einem Druck-von etwa 0,2 a tu (3 psig) gehalten :'. wird. ■ ' V;.Even better values are given for the degree of strength of the ': ; finished object if the gaseous environment>, ί is kept in a static state around the object during the Nltri-, ■; · ■: dierungvSstufe. In particular, were excellent - ^; Low results obtained when the static gaseous environment was maintained at a pressure of about 0.2 a tu (3 psig): '. will. ■ 'V ;.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungbeschrieben. · ' ": Preferred embodiments of the invention are described below. · '" :

■ . . ,iff■. . , iff

'5 09819/1020'5 09819/1020

ORlGlWAL INSPECTEDORlGlWAL INSPECTED

In dieser Beschreibung wird das Verfahren zur Herstellung .· -ν,· des zu nitridierenden Siliciumgegenstandes anhand eines ; /:■: :J':'f Spritzgußverfahrens beschrieben. Es ist natürlich klar, daß ' ;' das verbesserte Verfahren der Erfindung auf jeden beliebigen ,'^ zu nitridierenden Gegenstand angewendet werden'kann, unab-' ' j/ hängig davon, wie er anfänglich hergestellt worden ist. Bei- "^ spielsweise kann das verbesserte Verfahren auf Siliciumge- > ι genstände angewendet werden, die durch Gleitguß (slip casting) *| oder durch andere Formungsmethoden hergestellt worden sind. ; \'A In this description, the method for producing. · -Ν, · the silicon object to be nitrided is based on a ; /: ■:: J ' : ' f injection molding process described. It is of course clear that ';' the improved method of the invention can be applied to any object to be nitrided, regardless of how it was initially made. Examples "^ game as the improved method can be applied to Siliciumge-> ι genstände be applied, by Gleitguß (slip casting) * | or have been made by other forming methods;. \ 'A

; v| Bei der Herstellung eines Gegenstandes nach dem Spritzguß- :A verfahren wird Siliciummetallpulver im allgemeinen einer ■;■? ausgewählten Teilchengrößenverteilung mit einem thermopla- :;| stischen Binder unter Bildung einer Formverbindung bzw. -masse| vermischt. In einer typischen Formmasse umfassen die SiIi- ,? ciummetallteilchen etwa 60 bis 66 Volumen^, wobei der Rest ,J, aus thermoplastischem Material besteht. "--1!; v | In the production of an object by injection molding : A process, silicon metal powder is generally a ■; ■? selected particle size distribution with a thermoplastic:; | elastic binder with the formation of a molding compound or compound | mixed. In a typical molding compound, the SiIi- ,? Calcium metal particles about 60 to 66 volumes ^ with the remainder, J, made of thermoplastic material. "--1!

'.'si'.'si

Die Teilchengrößenverteilung des Siliciummetalls ist für die % Durchführung eines Spritzgußverfahrens von Wichtigkeit. Zwei ; Parameter für die Größenverteilung sind im allgemeinen zu ver-r merken, nämlich die maximale Teilchengröße und die mittlere | Teilchengröße» Wenn das Siliciummetall zu grob wird (bei- ' ,' spielsweise einen,Durchmesser von mehr als etwa 200 Mikron 1 aufweist) wird es nicht vollständig nitridiert. Andererseits" ·£ ist, wenn das Siliciummetallpulver zu fein ist, das Material. , im allgemeinen nicht richtig zu formen. Im allgemeinen ist ;, ;| es zweckmäßig, daß eine maximale Teilchengröße im Bereich von 40 bis 62 Mikron und eine mittlere Teilchengröße im Be- I reich von 10 bis 13 Mikron vorliegen. ;·The particle size of the silicon metal is an injection molding process is of importance for the implementation%. Two ; Parameters for the size distribution are generally comparable to r Remember, that the maximum particle size and the average | Particle Size “If the silicon metal becomes too coarse (for example, greater than about 200 microns in diameter) it will not be fully nitrided. On the other hand, when the silicon metal powder is too fine, the material Range from 10 to 13 microns.; ·

Wenn die Formmasse gebildet ist, wird die Masse in den Zylinder einer Spritzgußmaschine eingeführt. Die Maschine er- ■■''-. hitzt das thermoplastische Material über seinen Schmelzpunkt. '.When the molding compound is formed, the compound is introduced into the cylinder of an injection molding machine. The machine ■■ '' -. heats the thermoplastic material above its melting point. '.

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Auf den Zylinder wird Druck angewandt, und die Formmasse, "','ff;, wird in eine kalte Form mit der Konfiguration des herzustellenden Gegenstandes geschossen. Das thermoplastische. ■ Material verfestigt sich zu der gewünschten Gestalt, wo-' hei die mitgeführten Siliciummetallteilchen in der ge- ' wünschten Gestalt festgelegt werden.Pressure is applied to the cylinder and the molding compound, "',' ff ;, is shot into a cold mold with the configuration of the item to be manufactured. The thermoplastic. ■ Material solidifies to the desired shape, i.e. the silicon metal particles carried along in the general desired shape can be determined.

Der so gebildete Gegenstand aus Siliciummetall und thermo- X plastischem Material-iwird dann in einem Ofen langsam auf ■> ' -; eine Temperatur von etwa 29O3C (55O0F) erhitzt. Das Erhitzungsschema kann drei Tage "betragen, so daß keine Spannungen in dem Gegenstand während des Erhitzungsvorgangs erzeugt, werden. Während dieses Erhitzungsvorgangs wird der thermoplastische Binder ausgebrannt. Dieser Vorgang hinterläßt Siliciummetall in der gewünschten Form. Das Silicium- . metall wird dann gemäß der Erfindung nitridiert.The object formed in this way from silicon metal and thermoplastic material is then slowly heated in an oven. heated to a temperature of about 29O 3 C (55O 0 F). The heating schedule can be three days so that no stresses are created in the object during the heating process. During this heating process, the thermoplastic binder is burned off. This process leaves silicon metal in the desired shape. The silicon metal is then made according to the invention nitrided.

Das Nitridierungsverfahren· der Erfindung wird in einem Ofen mit Widerstandsheizung, der mit einem Mullit-Muffelrohr zur Regelung der Atmosphäre versehen ist, durchgeführt. Die Enden des Muffelrohrs sind unter Verwendung von Metallenddeckeln * , verschlossen. Zwei Arten gasförmiger Umgebungen können zu- ',} sammen mit dem Ofen verwendet werden, nämlich eine strömende ,'/^ Atmosphäre oder eine statische Atmosphäre. In dem Fall, da } eine strömend^ Atmosphäre verwendet wird, können komplexe Atmosphären, die Stickstoff-und Wasserstoffgemische enthalten» ,/ aus den einzelnen reinen Gasen hergestellt werden, indem diese Gase in einem Gasproportionierer vermischt werden, wobei die Volumen der Gase unter Verwendung von Strömungsmessern geregelt werden. Das so^ hergestellte Gemisch wird durch einen ^ Trockenturm geführt, um jegliche Feuchtigkeit in dem Gas zu entfernen. . 'The nitriding process of the invention is carried out in a resistance heating furnace fitted with a mullite muffle tube to control the atmosphere. The ends of the muffle pipe are closed using metal end caps *. Two types of gaseous environments can be switched on '} together be used with the furnace, a flowing,' / ^ atmosphere or a static atmosphere. In the case that} is used a flowing ^ atmosphere can complex atmospheres containing nitrogen and hydrogen mixtures contain "/ are produced from the individual pure gases by these gases are mixed in a Gasproportionierer, wherein the volume of the gases using regulated by flow meters. The mixture so produced is passed through a drying tower to remove any moisture in the gas. . '

Es kann auch eine statische Atmosphäre in dem Heizofen ver-A static atmosphere can also be created in the heating furnace.

'5 09819/1020'5 09819/1020

CiRIGSNAL INSPECTEDCiRIGSNAL INSPECTED

wendet werden. Eine statische Atmosphäre ist eine Atmos- ' -ν..; phäre, in der ein konstanter Druck in dem Rohr durch Schlie-:ν^ ßen des Auslaßventils, gehalten wird. Im allgemeinen liegt . ■: der gewünschte Druck bei etwa 0,21 a.tü (3 psig). Wenn der . 'i Druck unter den gewünschten Druck abfällt, läßt man mehr w ;"':| des Gasgemischs in das Ofenrohr eintreten. Bei Verwendung *..-·, komplexer Atmosphären in einem statischen System wird die /'.■;> Atmosphäre im allgemeinen vorgemischt. ..*.-'" ■'",r:4?:' be turned. A static atmosphere is an Atmos- '-ν ..; phere, in which a constant pressure in the pipe by Schliemann: ν ^ SEN of the exhaust valve is held. Generally lies. ■: the desired pressure at about 0.21 a.tü (3 psig). If the. If the pressure drops below the desired pressure, more w ; "": | of the gas mixture is allowed to enter the furnace tube. When using * ..- ·, complex atmospheres in a static system, the / '. ■;> atmosphere in general premixed ... * .- '"■'", r: 4 ?: '

Bei Verwendung entweder der strömenden oder der statischen .■' Atmosphäre wandert das Gas, wenn die Atmosphäre einmal innerhalb des Muffe'lrohrs ist, zunächst über ein Getter- bzw. Fangmaterial. In den nachfolgend zu beschreibenden speziellen Fällen ist das Gettermaterial Silicium. Der Zweck des Getters :i besteht darin, jeglichen Überschuß an Sauerstoff aus dem Gas- '-■ system zu entfernen. Das Gas behandelt dann die zu nitridieren-u den Siliciumgegenstände. I ..;".■·■;■ "■,. - .*■ When using either the flowing or the static atmosphere, once the atmosphere is inside the socket pipe, the gas first migrates over a getter or trap material. In the special cases to be described below, the getter material is silicon. The purpose of the getter: i is any excess oxygen from the gas' - to remove system. The gas then treats the silicon objects to be nitrided. I ..; ". ■ · ■; ■" ■ ,. -. * ■

Es können verschiedene Zeit-Temperaturzyklen in der NXtri- ■ ί dierungsstufe angewendet werden. Zu typischen Beispielen für i Nitridierungszyklen gehören die Aussetzung des Gegenstandes f an eine stickstoffhaltige Atmosphäre während 36 Stunden bei J 126CPC (23000F) und anschließend während 4 Stunden bei 146O5C 1 (266O0F). Eine Alternative dazu ist die Behandlung während Λ, 36 Stunden bei 126tfC (230O0F) und anschließend während 24 Stunden bei 1460PC (266O0F). Im allgemeinen umfaßt das zwei-.■.·■'..£ stufige Nitridierungsverfahren einen Temperaturwert unter- : ;l halb des Schmelzpunktes des Siliciumraetalls und die zweite Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium zur Erreichung vollständiger^umwandlung von Silicium in Siliciumnitrid in vernünftigen Zeiten.Different time-temperature cycles can be used in the NXtridation stage. Typical examples of i Nitridierungszyklen include the suspension of the object f at a nitrogen-containing atmosphere during 36 hours at 126CPC J (2300 0 F) and then for 4 hours at 146O 5 C 1 (266O 0 F). An alternative to this is treatment for Λ.36 hours at 126tfC (230O 0 F) and then for 24 hours at 1460PC (266O 0 F). In general, the two-step nitridation process comprises a temperature value below : one half the melting point of the silicon metal and the second temperature above the melting point of silicon in order to achieve complete conversion of silicon to silicon nitride in reasonable times .

Es wurden verschiedene Versuche unter Verwendung unterschiedlicher Atmosphären, entweder statischer oder strömender, und 'Various attempts have been made using different Atmospheres, either static or flowing, and '

■5098 19/1020 0R1GINAL ,nspectED■ 5098 19/1020 0R1GINAL , nspectED

unterschiedlicher Gaszusammensetzungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche werden nachfolgend beschrieben. Bei Verwendung einer 100$igen Stickstoffatmosphäre zusammen mit einem 36/24 stund igen Nitridierungszyklus hatte der fertige Gegenstand eine Gewichtszunahme von 61$, eine-Endfestigkeit ' von 1390 kg/cm2 (19 700 psi) und eine Dichte von 2,35 g/cm5. Wenn das gleiche Material in einer Atmosphäre aus 1/2$ Wasserstoff und 99 .1/2$ Stickstoff behandelt wurde, besaß der Gegenstand nach Nitridierung eine Gewichtszunahme von 63$ und eine Festigkeit von 1670 kg/cm (23 700 psi). Die Wieder- : holung des Verfahrene mit einer Atmosphäre aus 1$ Wasserstoff ;i. und 99$ Stickstoff ergab eine Gewichtszunahmen"^, eine Pe-' stigkeit von 1930 kg/cm (27 415 psi) und eine Dichte von ■. 2,38 g/cm . Eine Atmosphäre aus 1,8$ Wasserstoff und 98,2$ ;· Stickstoff ergab eine Gewichtszunahme von 62$, eine Pestig- l keit von 1730 kg/cm2 (24 650 psi) und eine Dichte von 2,31 g/cm? Unter Verwendung einer Atmosphäre die 4»0$ Wasserstoff und . 96$ Stickstoff enthielt, ergab sich eine Gewichtszunahme von ,% 63$, eine Festigkeit von 1680 kg/cm (23 800 psi) und eine '/ Dichte von 2,40 g/cm . Diese sämtlichen Versuche erfolgten i unter Verwendung einer statischen Atmosphäre. ·:·different gas compositions carried out. The results of the tests are described below. Using a 100 $ nitrogen atmosphere along with a 36/24 hour nitriding cycle, the finished article had a weight gain of $ 61, a final strength of 1390 kg / cm 2 (19,700 psi) and a density of 2.35 g / cm 5 . When the same material was treated in an atmosphere of 1/2 $ hydrogen and 99.1 / 2 $ nitrogen, the article after nitriding had a weight gain of $ 63 and a strength of 1670 kg / cm (23,700 psi). The re: HOLUNG the muddled with an atmosphere of hydrogen 1 $; i. and 99 $ nitrogen gave weight gains "^, a strength of 1930 kg / cm (27,415 psi) and a density of 2.38 g / cm. An atmosphere of 1.8 $ hydrogen and 98.2 $; · nitrogen gave a weight increase of $ 62, a Pestig- l ness of 1730 kg / cm 2 (24,650 psi) and a density of 2.31 g / cm using an atmosphere 4 »0 $ hydrogen and?. Containing $ 96 nitrogen resulted in a weight gain of $ 63, strength of 1680 kg / cm (23,800 psi) and density of 2.40 g / cm All of these tests were conducted using a static atmosphere . ·: ·

Bei Verwendung einer strömend en Atmosphäre unter Anwendung :'■ des gleichen Nitridierungszyklus, ergab eine 100$lge Stick- \; stoffatmosphäre eine Festigkeit von 1220 kg/cm (17 350 psi) bei einer Dichte von 2,35 g/cm . Wenn die bei der Nitridierung angewendete Atmosphäre aus 1$ Wasserstoff und 99$ Stickstoff bestand, wurde eine Festigkeit von 1790 kg/cm (25 550 psi) aufgezeichnet bei einer Dichte von 2,32 g/cm .Using a flowing atmosphere, using : the same nitriding cycle, yielded 100 liters of stick- \; fabric atmosphere has a strength of 1220 kg / cm (17,350 psi) at a density of 2.35 g / cm. When the atmosphere used in the nitriding was 1 $ hydrogen and 99 $ nitrogen, a strength of 1790 kg / cm (25,550 psi) was recorded at a density of 2.32 g / cm.

j Im Hinblick auf die obigen Ergebnisse ist es offensichtlich, ' dgß zwei Dinge eintreten. Die Verwendung von 1/2 bis 4$ Wasserstoff in Kombination mit Stickstoff für eine Nitridlerungs- · atmosphäre erzeugt Festigkeitswerte in den nitridierten Ge-In view of the above results, it is evident that two things occur. The use of 1/2 to 4 $ hydrogen in combination with nitrogen for a nitride leaching atmosphere creates strength values in the nitrided parts.

ORiGINAL INSPECTED '5 09819/1020ORiGINAL INSPECTED '5 09819/1020

genständen oberhalb des Festigkeitswertes, der erreicht wird, wenn nur Stickstoff angewendet wird. Die erzielbare Festigkeit ist auch größer wenn die Atmosphäre statisch ist.objects above the strength value that is achieved, when only nitrogen is used. The strength that can be achieved is also greater when the atmosphere is static.

Die Kriech- bzw. Dauerstandfestigkeitseigenscha'fte^der wie ' oben beschrieben hergestellten Siliciumnitridmaterialien .wurden auch unter Verwendung eines Biegetestverfahrens gemessen. Die Spannungen wurden aus der bekannten Biegung des Teststücks berechnet* Die Ergebnisse zeigen eine Abnahme hinsichtlich der Dehngeschwindigkeit im stationären Zustand und der plastischen Verformung, wenn etwa 1/2 bis etwa 4 Volumen^ Wasserstoff mit dem Stickstoff zur Verwendung bei dem Nitrid ierungsvorgang vermischt sind. In einer strömenden Atmosphäre aus 100$ Stickstoff betrug die Dehngeschwindigkeit im stationären Zustand 20,3 x 10~^ cra/2,5cm/h (8,0 χ 1-0"^ in/in/hr) und die plastische Verformung nach 100 Stunden betrug 1,296. In dem Fall,wo 1/2$ Wasserstoff und 99 1/2 Volumen$ Stickstoff in statischem Zustand verwendet wurden, betrug die Dehngeschwindigkeit im stationären Zustand 8,9 x cm/2,5cm/h (3,5 χ 10""-* in/in/hr), und die plastische Verformung nach 100 Stunden betrug 0,55$. In dem Fall, wo 1 Volumen$ Wasserstoff und 99 Volumen^ Stickstoff unter statischen Bedingungen angewendet wurden, betrug die Dehngeschwindigkeit 4,6 χ 10~5, cm/2,5cm/h (1,8 χ 10~5 in/in/hr), und die plastische Verformung nach 100 Stunden betrug 0,33$. In dem Fall, wo 1,8 Volumen^ Wasserstoff und 98,2 Volumen^ Stickstoff als Atmosphäre verwendet wurden, betrug die Dehngeschwindigkeit im stationären Zustand 3,8 χ ^0~^ cm/2,5cm/h (1,5 x 10"-^ in/in/hr), und die plastische Verformung nach 100 Stunden betrug 0,27$. In dem Fall, wo 4,0 Volumen$ Wasserstoff und 96 Volumen$ Stickstoff in statischem Zustand verwendet wurden, betrug die Dehngeschwindigkeit im stationären Zustand 3*3 x 10~5 cm/2,5cm/h (1,3 x 10"^ in/in/hr),The creep properties of the silicon nitride materials prepared as described above were also measured using a flexural test method. The stresses were calculated from the known deflection of the test piece. * The results show a decrease in steady state strain rate and plastic deformation when about 1/2 to about 4 volumes of hydrogen are mixed with the nitrogen for use in the nitriding process. In a flowing atmosphere of $ 100 nitrogen, the steady state strain rate was 8.0 χ 1-0 "^ in / in / hr and the plastic deformation after 100 Hours was 1.296 In the case where 1/2 $ hydrogen and 99 1/2 volume $ nitrogen were used in the static state, the rate of expansion in the steady state was 8.9 x cm / 2.5 cm / h (3.5 χ 10 "" - * in / in / hr), and the plastic deformation after 100 hours was $ 0.55. In the case where 1 volume of hydrogen and 99 volumes of nitrogen were applied under static conditions, the strain rate was 4, 6 χ 10 ~ 5 , cm / 2.5cm / h (1.8 10 ~ 5 in / in / hr), and the plastic deformation after 100 hours was $ 0.33. In the case where 1.8 volume ^ Hydrogen and 98.2 volumes ^ nitrogen were used as the atmosphere, the steady state strain rate was 3.8 χ ^ 0 ~ ^ cm / 2.5 cm / h (1.5 x 10 "- ^ in / in / hr) , and the plastic deformation after 100 hours was $ 0.27. In the case where 4.0 $ volume hydrogen and 96 volume $ nitrogen were used in a static state, the strain rate was at steady state 3 * 3 × 10 -5 cm / 2.5 cm / h (1.3 x 10 "^ in / in / hr),

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und die plastische Verformung nach 100 Stunden "betrug 0,. Es ist wichtig darauf hinzuweisen/ daß die Werte der Dehngeschwindigkeit und der plastischen Verformung ein Minimum im Bereich von 0,5 "bis 4 Volumen^ Wasserstoff erreichen. Dies ist der gleiche Bereich, in dem die Festigkeit ein Maximum erreicht.and the plastic deformation after 100 hours "was 0.. It is important to note / that the values of the stretch rate and plastic deformation a minimum in the range of 0.5 "to 4 volumes ^ of hydrogen. This is the same area where the strength reaches a maximum.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand "bevorzugter Ausführungsformen "beschrieben, ohne darauf begrenzt zu sein. The invention has been described above on the basis of "preferred embodiments" without being limited thereto.

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Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen, f bei dem Siliciummetallteilchen zu der allgemeinen Form des Gegenstandes geformt werden, wobei der so geformte Silicium-' :! gegenstand in einer gasförmigen Umgebung die genügend Stickstoff zur Überführung des Siliciums in Siliciumnitrid enthält, erhitzt wird, dadurch gekennzeich- % net , daß im Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit . | und Dauerstandfestigkeit des fertigen Gegenstandes gegenüber den für diese Eigenschaften erhältlichen Werten, wenn die gasförmige Umgebung praktisch aus reinem Stickstoff besteht, ";, die gasförmige Umgebung aus einem Gemisch aus etwa 0,5 bis etwa 4,0 Volumen^ Wasserstoff, wobei das restliche Volumen aus Stickstoff besteht, gebildet wird.1. A method of making silicon nitride articles in which silicon metal particles are molded into the general shape of the article, the silicon thus formed:! is object in a gaseous environment containing sufficient nitrogen to convert the silicon into silicon nitride, heated, characterized gekennzeich-% net that in the method for improving the strength. | and the fatigue strength of the finished article in relation to the values available for these properties when the gaseous environment consists practically of pure nitrogen, "; the gaseous environment consists of a mixture of about 0.5 to about 4.0 volumes of hydrogen, the remaining volume consists of nitrogen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-' zeichnet , daß das Gemisch der gasförmigen Umgebung etwa 1 Volumen^ Wasserstoff und 99 Volumen^ Stickstoff enthält. "2. The method according to claim 1, characterized in that the mixture of the gaseous environment Contains about 1 volume ^ hydrogen and 99 volumes ^ nitrogen. " 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeic'hnet , daß die gasförmige Umgebung um den ; Gegenstand in einem praktisch statischen Zustand während der Umwandlung des Siliciums in Siliciumnitrid gehalten wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the gaseous environment around the; Object is maintained in a virtually static state during the conversion of the silicon to silicon nitride. 4. Verfahren nach Anspruch 3, .dadurch gekenn- . zeichnet , daß die statische gasförmige Umgebung bei einem Druck von etwa 0,2 atu (3 psig) gehalten wird.4. The method according to claim 3. draws that the static gaseous environment at a pressure of about 0.2 atu (3 psig) is maintained. 5. Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitridgegenständen, bei dem Siliciummetallteilchen mit einem thermoplastischen Material unter Bildung einer durch Spritzguß verformbaren Masse vermischt werden, wobei die durch'Spritzguß verformbare Masse5. A method of making silicon nitride articles in which silicon metal particles are coated with a thermoplastic Material are mixed to form a deformable mass by injection molding, the deformable mass by injection molding ORIGINAL INSPECTED "5 09819/1020ORIGINAL INSPECTED "5 09819/1020 in eine Form unter Bildung der allgemeinen Gestalt des gewünschten fertigen Gegenstandes gespritzt wird, der geformte Gegenstand auf eine ausreichende Temperatur zum Ausbrennen des thermoplastischen Materials unter Hinterlassung eines Gegenstandes aus praktisch reinem Silicium erhitzt wird und der Siliciumgegenstand in einer gasförmigen Umgebung,die genügend Stickstoff zur Überführung des Siliciums in Siliciumnitrid enthält, erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet ,-daß in dem Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit un3 Dauerstandfestigkeit des fertigen Gegenstandes gegenüber den für diese Eigenschaften erhältlichen.Werten, falls die gasförmige Umgebung aus praktisch reinem Stickstoff besteht, eine gasförmige Umgebung aus einem Gemisch aus etwa 0,5 "bis etwa 4,0 Volumen^ Wasserstoff, wobei das restliche Volumen aus Stickstoff besteht, gebildet wird.into a shape to form the general shape of the desired finished article is injected, the molded article to a temperature sufficient to burn out the thermoplastic material is heated to leave an article of substantially pure silicon and the silicon object in a gaseous environment that contains enough nitrogen to convert the silicon into silicon nitride contains, is heated, characterized in -that in the process of improving the Strength and creep strength of the finished object compared to the values available for these properties if the gaseous environment consists of practically pure nitrogen A gaseous environment consists of a mixture of about 0.5 "to about 4.0 volumes ^ of hydrogen, with the remainder Volume consists of nitrogen, is formed. 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das gasförmige Umgebungsgemisch etwa 1 Volumen^ Wasserstoff und 99 Volumen^ Stickstoff enthält.6. The method according to claim 5 »characterized in that the gaseous ambient mixture is about Contains 1 volume ^ hydrogen and 99 volumes ^ nitrogen. 7. Verfahren nach Anspruch 5'oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß das gasförmige Umgebungsgemisch um den Gegenstand in einem praktisch statischen Zustand während der Überführung des Siliciums in Siliciumnitrid gehalten wird.7. The method according to claim 5 'or 6, characterized that the gaseous ambient mixture around the object is in a practically static state is held while the silicon is being converted to silicon nitride. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ,daß das statische gasförmige Umgebungsgemisch bei einem Druck von etwa 0,2 a-tü (3 psig) gehalten wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the static gaseous ambient mixture is maintained at a pressure of about 0.2 a-tü (3 psig). '5 09819/1020'5 09819/1020
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FR2560593A1 (en) * 1984-03-03 1985-09-06 Kurosaki Refractories Co PROCESS FOR PRODUCING A SINTERED SILICON NITRIDE PRODUCT

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