Шихта для получения нитрида кремния в режиме горения в атмосфере азота Советский патент 1993 года по МПК C01B21/68 

Изобретение относится к получению тугоплавких неорганических нитридов, в част- ности, получения нитрида кремния - модификация с формой частиц, близкой к сферической, пригодного для спекания при изготовлении конструкционной керамики и режущего инструмента.

Целью изобретения является увеличение выхода ft -SisN/i со сферичной формой частиц, пригодного к спеканию и получению высококомпактных изделий с высокими физико-механическими характеристиками в режиме горения.

Поставленная цель достигается тем, что шихта включает кремний в количестве45-52 мас.%, нитрид кремния в количестве 40-45

мас.% и 3-15 масс.% цинка или соединения цинка из группы, включающих хлорид, карбонат или оксид цинка.

. Шихту готовят следующим образом: берут порошки исходных компонентов - элементарного кремния КРО ГОСТ 2169-69 с размером частиц менее 10 мкм, порошок SlsN4 с содержанием а фазы 70%, остальное / - фаза в количестве 30-60 мас.% И добавляют от 3-15 масс.% порошкообразного металлического цинка или его соединений ZnO, ZnCte, ZnC03, подвергают интенсивному перемешиванию в шаровой мельнице в течение 60-90 минут, а затем приготовленную шихту загружают на графитовую подложку и помещают в реактор СВС.

00

со о ю

00

со

Синтез нитрида кремния ведут таким образом: подают в реактор азот под давлением 100 атм, Затем проводят локальное воспламенение шихты с помощью вольфрамовой спирали. За счет тепловыделения экзотермической реакции фронт горения самопроизвольно распространяется по всей длине загрузки. Температура синтеза не превышает 1600°С и находится в интервале 1450- 1550°С в зависимости от состава шихты. После окончания процесса реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, давление азота сбрасывают до атмосферного. Конечный продукт извлекают и анализируют.

Разбавление шихты порошков SiaN необходимо для предотвращения спекания частиц образующегося нитрида кремния и хорошей газопроницаемостью азота в объем шихты, а также для понижения температуры синтеза.

Цинк и его соединения играют роль катализатора и способствуют:

- формированию частиц сферической формы:

-формированию /3-фазы SlsN4.

В отсутствие цинка или его соединений продукт синтеза представляет собой смесь а и/3 фаз SI3N4, а форма частиц Д -SisN4 представляет удлиненные кристаллы в виде призм.

Присутствие цинка или его соединений в шихте в количестве менее 3% масс, приводит к появлению в продукте реакции а -фазы. Содержание свыше 15% не оказывает влияния на форму частиц и содержание количества /J -SJ3N4.

Основную роль в формировании формы частиц и фазового состояния оказывает цинк и его соединения. Механизм действия цинка, как катализатора в настоящее время изучается.

В таблице представлены характеристики, полученного из шихты по изобретению.

0

5

0

5

0

5

0

5

Таким образом, предложенный способ из представленных в таблице данных следует, что изобретение позволяет получить /3 -SisN4 со 100%-ным выходом со сферической формой частицы; пригодный для получения методом горячего прессования изделий с высокими физико-механическими характеристиками.

Методом горячего прессования готовят на основе / (полученному по любому из приведенных примеров) штабики для измерения 7Изг. и плотности.

Прессование проводят при двух режимах.

1.ТСпек.1650°С. Время нагружения - 20 мин. Давление прессования - 30 МПа. Плотность изделий-3,5 г/см3, 7изг. 65 кг/мм2.

2.ТСпек.1850°С, время нагружения -20 мин., давление прессования - 30 МПа. Плотность изделий -3,6 г/см , С7изг. 85 кг/мм .

Для известного в тех же условиях порошка , (7изг. составляло 30-40 кг/мм .

Таким образом изобретение позволяет получить высококомпактные керамические изделия с высокими физико-механическими характеристиками.

Формула из обретения Шихта для получения нитрида кремния в режиме горения в атмосфере азота, включающая порошок кремния и нитрида кремния, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода (3 -модификации нитрида кремния со сферической формой частиц, она дополнительно содержит цинк или соединение цинка из группы, включающий хлорид, карбонат или оксид цинка при следующем содержании компонентов, мас.%:

Кремний45-52

Нитрид

кремния40-45

Цинк или соединение

цинка3-15

Использование: получение конструкционной керамики и режущего инструмента. Сущность изобретения: готовят шихту из следующих порошков, мае. %: кремний - 45- 52, нитрид кремния - 40-45, цинк или соединение цинка из группы, включающей хлорид, карбонат или оксид цинка - 3-15. Порошок SJ3N4 содержит 70% а-фазы, остальное - (3 - фаза. Смесь перемешивают 60-90 мин и помещают на графитовую подложку в реактор самовоспламеняющегося высокотемпературного синтеза. В реактор подают газообразный азот под давлением 100 атм, смесь воспламеняют. Температура синтеза 1450-1550°С. Затем продукт реакции .охлаждают, понижают давление азота до атмосферного. Содержание /3 -Si3N i в продукте реакции 94,5-100%, выход частиц со сферической формой 85,5-97%. 1 табл. сл С