Способ изготовления изделий из нитрида кремния Советский патент 1993 года по МПК C04B35/58 

00

о

Назначение: изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения изделий из тугоплавких соединений методами порошковой металлургии, а также к способам использования продуктов, получаемых методом СВС с восстановительной стадией. Сущность изобретения: размол порошка нитрида кремния перед его гранулированием и прессованием совмещают со смешиванием с активатором спекания, в качестве которого используют мелкодисперсный рентгеноаморфный нитрид кремния, получаемый из оксида кремния в присутствии магния в среде азота методом СВС с восстановительной стадией, При спекании эта добавка плавится, обеспечивая присутствие жидкой фазы, а затем кристаллизуется в форме /3-фазы. Прирост плотности при введении описанной добавки составил 250 кг/м , а прирост прочности на изгиб 142 МПа. 2 табл. СЛ С

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения изделий из тугоплавких соединений методами порошковой металлургии, а к способам использования продуктов, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с восстановительной стадией.

Цель изобретения - повышение плотности и прочности спекаемых изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления изделий из нитрида кремния, включающем размол и гранулирование порошка, его прессование и спекание в среде азота в порошок вводят 5-20 мас.%

мелкодисперсного нитрида кремния, полученного из оксида кремния в присутствии магния в среде азота методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с восстановительной стадией. При его использовании получают порошкообразный материал, по химическому составу близкий к нитриду кремния, но рентгеноаморфный. Частицы этого порошка ультра- мелкодисперсны, имеют разветвленную форму и удельную поверхность 50 м2/г. Этот продукт отличается от обычного нитрида кремния и по физическим свойствам - температура плавления его 1550°С. Из порошка в таком метастабильном состояоде

С©

СО

нии изготовить качественное изделие не удается из-за низкой прессуемости порошка, а также деформации прессовок при спекании вследствие подплавления. Рентгеновский анализ спеченного продукта показывает наличие в нем посторонних фаз, а микротоердость составляет 8 ГПа, что значительно ниже, чем у а - или /3 -нитрида кремния.

Экспериментально установлено, что добавка описанного продукта к обычному порошку нитрида кремния существенно улучшает спекаемость. Происходит это благодаря плавлению метастабильной добавки (т.е. спекание происходит в присутствии исчезающей жидкой фазы), интенсификации в ее присутствии процессов массопе- реноса и перекристаллизации нитрида кремния (). Результатом является повышение плотности и прочности после спекания. При этом повышение плотности достигается без введения в нитрид кремния значительного количества оксидов, прослойки которых разупрочняют спеченный материал (особенно при высоких температурах). Сам продукт - добавка в присутствии обычного нитрида кремния кристаллизуется при спекании в нормальной для этих условий а -модификации SiaNi (установлено рентгенографически).

Для реализации предлагае мого способа возможно использование обычной технологии изготовления спеченных изделий из нитрида кремния, включающей размол в шаровой мельнице, гранулирование размолотого порошка на растворе синтетического каучука в бензине, прессование заготовок в стальной пресс-форме с последующим гидростатическим их обжатием, а затем - спекание в среде азота с помещением изделий в порошковую засыпку, содержащую нитрид кремния и 5% оксида магния, Смешивание порошка обычного нитрида кремния с мелкодисперсным нитридом кремния, получаемым из оксида кремния в присутствии магния в среде азота методом СВС с восстановительной стадией, вполне возможно совместить с размолом порошка.

Оптимальное содержание добавляемого мелкодисперсного нитрида кремния лежит в пределах 5-20 мас.%. При меньших количествах добавки ее действие недостаточно эффективно, а при больших - при спекании имеет место деформация .изделия, налипание засыпки и снижение прочности, т.е. порошок по технологическим параметрам приближается к свойствам продукта- добавки.

Пример. Состав порошков, использованных для изготовления образцов, приведен в табл.1.

В табл:2 перечислены смеси, из которых

изготавливали образцы (штабики 45x5x6) для прочностных испытаний (трехточечный изгиб), эти же образцы использовали для контроля плотности методами взвешивания с замером линейных параметров образцов,

а также гидростатическим взвешиванием. Разность в величине плотности, получаемой этими двумя методами, не превышала 5%. Порошки всех составов подвергали сухому размолу - смешиванию в течение 24 ч в

шаровой мельнице с твердосплавными шарами. После размола удельная поверхность нитрида кремния увеличилась до 5,7-7 м2/г, а содержание железа-до 0,5%.

Все смеси гранулировали, замешивая

их на 5%-ном растворе каучука в бензине и протирая через сито с размером ячеек 0,2 мм. Гранулированные порошки прессовали в стальной пресс-форме иод давлением 140 МПа в форме прямоугольного

штабика, а затем допрессовывали гидростатически в резиновой оболочке при давлении 500 МПа. Плотность прессованных образцов 1920-2000 кг/м3. Спекание вели вереде азота высокой чистоты при давлении

0,02 МПа, помещая прессовки в засыпку из нитрида кремния +5% оксида магния.

Спекание вели по режиму: выдержка при температуре 600°С в течение 1 ч (выжигание синтетического каучука); выдержка

при температуре 1550°С в течение 0,Зч (пропитка прессовок оксидом магния); выдержка при температуре 1750°С в течение 0,3 ч (обеспечение перекристаллизации нитрида кремния).

в табл.2 сведены результаты испытаний спеченных образцов. Все значения в табл.2 являются средними по 5 образцам, разброс во всех случаях не превышал ±5%.

Если считать существенным повышение

прочности не менее, чем на 40% по сравнению с прототипом, то добавки указанного . мелкодисперсного нитрида кремния в количестве менее чем 5% технического смысла не имеют. При количестве добавки больше

20%, несмотря на уплотнение изделия, его прочность снижается, т.е. полезность такой добавки также невелика.

Если выдерживать обозначенные в формуле настоящей заявки пределы по содержанию добавки (мелкодисперсного нитрида кремнмя, полученного в присутствии магния в среде азота методом СВС с восстановительной стадией), то предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет существенно повысить прочность и плотность изделий из нитрида кремния.

Формула изобретения Способ изготовления изделий из нитрида кремния, включающий размол и гранулирование порошка, его прессование и спекание в среде азота в засыпке, содержащей оксид магния, отличающийся тем,

что, с целью повышения плотности и прочности изделий, при размоле в порошок вводят 5-20 мас.% мелкодисперсного нитрида кремния, полученного из оксида кремния в присутствии магния в среде азота методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с восстановительной стадией.

Таблица 1

Таблица 2