Шихта для получения нитрида кремния в азотсодержащем газе Советский патент 1993 года по МПК C01B21/68 

Изобретение относится к области получения тугоплавких неорганических нитридов, а частности, получения нитрида кремния ft -модификации с формой частиц близкой к сферической, пригодного для спекания при изготовлении конструкционной керамики и режущего инструмента.

Цель изобретения - увеличение выхода SiaN / -модификации со сферической формой частиц.

Поставленная цель достигается тем, что шихта в качестве неорганической добавки содержит 60-82 мас.% кремния и 18-40 мас.% цинка или хлорида цинка, имеющих низкую температуру кипения.

Шихту готовят следующим образом.

Берут порошок элементарного кремния КРО ГОСТ 2106-69 с размером частиц менее , 10 мкм и порошок металлического цинка или хлорида цинка, имеющие низкие температуры кипения, в количестве 18-40% от массы

кремния и подвергают смешиванию в течение 15-30 мин.

В том случае, когда цинка или хлорида цинка вносят в количестве 18-25%, процесс синтеза /J-Si3N4 предпочтительнее проводить путем нагревания шихты в замкнутом объеме при температуре 1200-1400°С и давлении азотсодержащего газа (N2: NHa) при 0-10 атм в течение 2-4 ч.

При введении в шихту 25-40% Zn или ZnCIa процесс термообработки предпочтительнее вести в режиме горения. В первом случае синтез ведут следующим образом. Приготовленную шихту помещают в реакционный сосуд, заполняют азотом или аммиаком до давления 4-10 атм и помещают в печь, разогревают ее до температуры синтеза 1200-1400°С и выдерживают при этой температуре 4 ч. После проведения азотирования реакционную массу охлаждают, давление в реакционном сосуде сбрасывают до

со

со

00

го

iOJ CJ

ICO

атмосферного. Продукт реакции анализируют и подвергают рентгенофазвому анализу.

Во втором случае приготовленную шихту загружают на графитовую подложку и помещают в реактор СВС, заполняют азотом или аммиаком до давления 100 атм. Шихту воспламеняют локально с помощью спирали. Благодаря большой экзотермичности фронт реакции распространяется по всей загрузке самопроизвольно. После оконча- ния процесса реакционная масса охлаждается, давление сбрасывают до атмосферного. Продукт подвергают рентге- нофазному и химическому анализам.

Добавление цинка или хлорида цинка обеспечивает: разрыхление загрузки, способствующее доступу азота в объем загрузки и полному азотированию кремния; повышение выхода / -фазы и формирование частиц 51зМ4 в сферическую форму (Ксфвр. 0,95-0,98),

Сферичность частиц определяют отношением длины к их ширине К l/d при просмотре порошка под микроскопом в количестве не менее 1000.

Пример 1. Берут порошок кремния, смешивают его с цинком в количестве 18% от массы кремния в течение 30 мин 20 г шихты загружают в реакционный сосуд, заполняют азотом до добавления 4 атм, поме- щают в трубчатую печь и высокотемпературное азотирование проводят при температуре 1200°С в течение 4 ч, а затем охлаждают. После охлаждения реакционной массы давление азота сбрасывают до атмосферного. Продукт подвергают отмывке соляной кислоты для удаления цинка, сушат при 100°С и анализируют с помощью рентгенофазного, химического и микроскопического анализов. .... Порошок нитрида кремния представляет собой фазовочистый нитрид кремния.

Химический анализ: Siceoe 0,1%, 0 0.8%, N - 38.7%, Fe - 0,01, Zn - 0,055 мас.%.

Выход частиц сферической формы 98,9%. Коэффициент сферичности КСф -0.98.

Пример 2, Берут порошок кремния, смешивают с хлоридом цинка в количестве 40 мас.% от массы кремния в течение 30

мин, загружают на графитовую подложку и помещают в реактор. Заполняют реактор азотом до давления 100 атм и воспламеняют шихту с помощью вольфрамовой спирали, реакция протекает самопроизвольно. После окончания процесса реакционную массу охлаждают и анализируют химически, рентгенографически и микроскопически,

Порошок представляет собой фазовочистый нитрид кремния /3 -модификации.

Химический анализ: - 0,08%, ,08%, N - 38,8%. Fe - 0,01%, Zn - 0.04 мас.%.

Выход частиц сферической формы 98,9%. Коэффициент сферичности ,97.

В таблице представлены данные химического и рентгенофазового анализа порошка нитрида кремния, полученного из шихты по изобретению.

Таким образом, как видно из приводимых примеров, изобретение позволяет получать SI3N4 в / -модификации с выходом сферических частиц, равным 98,6-98,7% в одну стадию.

Предложенный способ позволяет получать 51з№ /3-модификации в одну стадию.

Из порошка нитрида кремния /3-модификации, полученному по любому из приве- денных примеров методом горячего прессования, были приготовлены изделия для получения физико-механических свойств.

Режим спекания 1850°С. Время нагру- жения 20 мин, Рдав 30 МПа. Изделие имеет плотность d 3,6 г/см3, отг 90 кг/мм2.

Следовательно, шихта по изобретению пригодна для получения аысокоплотных изделий с высокими физико-механическими характеристиками,

Формула изобретения

Шихта для получения нитрида кремния в азотсодержащем газе, включающая порошок кремния и неорганической добавки, о т- личающаяся тем, что, с целью увеличения выхода нитрида кремния/5-модификации со сферической формой частиц, она содержит в качестве неорганической добавки цинк или хлорид цинка при следующем содержании компонентов, мас.%:

Кремний60-82

Цинк или хлорид цинка18-40

Использование; получение конструкционной керамики и режущего инструмента. Сущность изобретения: смешивают 60-82 мас.% порошка кремния и 18-40 мае.% цинка или хлорида цинка 15-30 мин и азотируют в замкнутом объеме при 1200- 1400°С 2-4 ч. Выход / -Sl2N j 100%, из них со сферической формой частиц - 98,7-98,9%. 1 табл.