Способ изготовления изделий из нитрида кремния

 

,SU„„1011045

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

З ) . С 04 В 35/58

6 1 с .x Ag wPyg,p qy :д t

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

a «»

ГОСУДАРСТЭЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2763350/29-33 (22) 28.04.79 (31) 7804990-5 (32) 02 05.78 (33) Швеция (46) 07.04.83. Бюл. }} 13 (72) Ян Адлерборн, Ханс Ларкер ж Ян Нильссон (Швеция) (71) АСЕА АБ (Швеция) (53) 666-798.2(088.8) (56) 1. Патент ФРГ 1} 2349277, кл. С 04 В 35/58, опублик. 1975.

2. Патент ФРГ И 2548740, кл. С 04 В 35/58, опублик. 1976 (прототип). (54) (57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ путем формования заготовки иэ нитридкремниевого порошка, размещения, ее в оболочке из стекла, дегаэации оболочки с последующим изостатическим горячим прессованием с использованием газа в качестве передающей давление среды, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и обеспечения воэможности изготовления. ° изделий сложной Формы, оболочку выполняют газопроницаемой, поднимают температуру до перехода оболочки в газонепроницаемое состояние при давлении газа, по меньшей мере равном давлению газа в порах заготовки, после чего температуру и давление под.нимают до значений, необходимых для горячего грессования.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что газопроницаемую, оболочку выполняют окунанием заготовки в суспензию стекол или напылением, или размещением вокруг заготовки нескольких элементов из стекла.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что оболочку на заготовке выполняют двухслойной, .причем температура оплавления внешйего слоя ниже, чем слоя, прилегающе.го к,.заготовке.

Способ по и. 3, о т л и ч а юшийся тем, что температура. оплавления внешнего слоя 600-1000, а слоя прилегающего к заготовке,1200(1650 С.

1011045

Изобретение относится к способам изготовления йзделий из нитрида кремния с. использованием изостатического прессования и может быть использовано в технологии получения .высокотемпературных плотных материалов.

Известен способ изготовления высокоплотных изделий из нитрида кремния путем,изостатического горячего прессования предварительно отформованных заготовок, помещаемых в оболочку, которую выполняат из молибденовой фольги, дегазируют и эвакуируют, после чего осуществляют горячее прессование (1 .

Однако при этом оболочка уплотняется во время дегазации, что приводит к возникновению в ней дефектов.

Наиболее близким.к предлагаемому техническим решением является способ изготовления изделий из нитрида крем-. ния изостатическим горячим прессованием предварительно отформованных заготовок с использованием передающей давление газообразной среды.

Согласно известному способу изготавливают заготовки из нитрида кремния с плотностью порядка 653 от теоретической, помещают их в ампулу, выполненную из викорового или кварцевого стекла, проводят дегазФ1ию при Р = 0,1 Па, запаивают ампулу при температуре около 125(f С, делая ее непроницаемой для среды, передающей давление, в качестве которой используют азот, и проводят изостатическое горячее прессование при давлении 200-300 ИПа и температуре 16001900 С j 2).

Однако этот способ достаточно трудоемок, требует предварительного изготовления ампул, их запаивания для изоляции заготовки от среды.

Кроме того, при использовании аМпулы из стекла, которое должно быть достаточно тугоплавким, чтобы не расплавиться при высокой температуре. спекания невозможно предотвратить при эатвердевании стекла его скопле-: ние в полостях или на выступающих частях заготовки, в результате чего при охлаждении вследствие разницы коэффициента термического расширения нитрида кремния и стекла на выступающих частях заготовки возникают трещины, поэтому известный метод применим только для изготовления изде" лий простой формы.

Цель изобретения - упрощение процесса и обеспечение возможности изготовления изделий сложной формы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления изделий иэ нитрида кремния путем формования заготовки иэ нитридкремниевого порошка, размещения ее в оболочке иэ стекла, дегазации оболочки с по10 следующим горячим прессованием с использованием газа в качестве передающей давление среды, оболочку выполняют газопроницаемой, поднимают температуру до перехода оболочки в га15 зонепроницаемое состояние при давлении газа, по меньшей мере равном давлению газа в порах заготовки, после чего температуру и давление поднимают до значений, необходимых для

20 горячего прессования.

При этом газопроницаемую оболочку выполняют окунанием заготовки в суспензию стекол или напылением, или размещением вокруг заготовки нескольких

25 элементов из стекла °

Оболочка также может быть выполнена двухслойной, причем температура оплавления внешнего слоя ниже, чем слоя, прилегающего к заготовке.

30 Температура оплавления составляет для внешнего слоя 600-1000 С, а для слоя, прилегающего к заготовке,12001650 С.

Предлагаемый способ вследствие

З5 того, что изделие, например, окунают в суспенэию стекла позволяет создавать оболочку очень небольшой толщины, в точности повторяющую все изгибы сформованной заготовки, что уст40 раняет скопление стекла в ее углублениях и растрескивание при охлаждении.

Поскольку процесс спекания нитрида о I кремния идет при 1600-1900 С и при этом необходимо избежать диссоциации

4> нитрида кремния с выделением азота, поверх тугоплавкого пористого слоя наносят слой из .суспензии легкоплавкого стекла, который, становясь непроницаемым для передающей давление 0 сРеды, не препятствует дегазации порошковой заготовки. Далее в процессе подъема температуры стекло внешнего слоя реагирует со стеклом внутреннего слоя, становясь более тугоплавким, при дальнейшем нагреве внутренний слой создает также оболочку, непроницаемую для среды, причем до того,- как внешний слой начинает стекать с заготовки.

10110

В качестве газа, используемого для создания давления, применяется аргон, гелий, а также азот. При этом в качестве газа, используемого s процессе перехода оболочки в газонепроницаемое состояние предпбчтительным является азот.

Пористый слой из суспензии стекла или при напылении желательно наносить слоем 0,05-1 мм, причем частицы мате- 10 риала, из которого создается слой, имеют размер 0,1-100 мкм.

Возможно также выполнение слоя из отдельных элементов стекла, размещенных вокруг оболочки, которые при 15 повышении температуры соединяются друг с другом и в конце концов сплавляются.

Материалом тугоплавкой оболочки . может быть стекло "Викорн» содержа- 2о щее 96,7 мас.Ф SiO<, 2,93 В2 О и

0,43 A8 0q, а также кварцевое стекло, возможным также является использование тугоплавких металлов / H,M/.

Материалом оболочки внешнего слоя . может быть стекло "Апрекс", содержащее мас.Ф: Si0 80,3; В20> 12,2;

А8 03 2,8; Na>0 4,0; К О 0,4; СаО

0,3, а также силикат алюминия (58 ъ 2® AR» 93 В.20З 53 СаО и зв

8Ф МдО) или другие смеси SIO с оксидами.

Давление при спекании нитрида кремния зависит от того, добавлены ли в состав добавки, промотирующие процесс спекания (HgO), и может составлять 7j 100 МПа (200-300 ИПа) без добавок или 7 20 МПа при наличии добао вок. Температура спекания 1600-1900 С. фиг. 1-6 поясняют предлагаемый спо.щ соб.

Пример 1. Порошок нитрида кремния с размером частиц С 7 мкм, содержащий около 0,53 свободного кремния и около 0,13 оксида магния, уплотняют в эластичной капсуле при давлении порядка 600 МПа.

Заготовку 1, имеющую, например, форму цилиндра с дискообразными торцами (фиг. 1), погружают в суспензию

SO викорового стекла, сушат до образования слоя 2 и помещают в высокотемпературную печь, снабженную трубкой для отвода газа. Заготовку дегазируют 2 ч, после чего печь заполняют азотом и повышают температуру до

1200 С, сохраняя давление, через 2 ч температуру постепенно (в течение

45 4

3-х ч) поднимают с 1200 до 1650 С, доводя . при этом давление азота до

0,7 МПа, причем давление вне оболочки поддерживают, по крайней мере равным давлению в порах заготовки.

При 1650 С оболочка становится непроницаемой для азота и в печь допол-. нительно вводят азот или гелий до

P = 200-300 МПа, после чего повышают температуру до 1800 С и поддерживают о ее 2 ч. Изделие после .охлаждения извлекают, разбивая стекло.

Пример 2. Брикетированную заготовку 1 цилиндрической формы размещают между двумя элементами из стекла 2 (фиг 2) того же состава, что и в примере 1. Далее процесс ведут по примеру 1, причем в ходе повышения температуры с 1200 до 165lf C c одновременным увеличением давления пластина из стекла размягчается и изменяет форму (фиг. 3), становясь газонепроницаемой.

П р и м, е р 3.. Брикетированную заготовку той же формы, что и в примере 1 (фиг. 4) покрывают пористым слоем 2 из тугоплавкого стекла и слоем 3 стекла с более низкой температурой плавления последовательным ее погружением в суспензию викорового стекла и стекла "Пирекс" и сушкой после каждого погружения. Заготовку дегазируют как в примере 1, наполняют печь азотом до атмосферного давления о и поднимают температуру до 600 С в течение 2-х ч. Затем за 3 ч поднимают о температуру с 600 до 1000 С пфи одновременном введении азота в количестве, необходимом для создания давления 0,7 МПа, причем давление вне оболочки все время поддерживают, по меньшей мере равным давлению остаточных газов в порах заготовкиа

При 1000 С внешний слой становится непроницаемым для азота и в печь вводят дополнительное количество азота о или гелия до P = 100 МПа при 1200 С.

После чего температуру медленно поднимают до образования второго газонепроницаемого слоя до того, как первый (внешний) начнет плавиться. Затем проводят. спекание, как в примере l.

Пример 4. Заготовку 1 покрывают слоем 2 тугоплавкого стекла и помещают между двумя элементами 3

ФюХ

Составитель н. Соболева

Редактор Н. Гришанова Техред А. Бабинец Корректор: А. Дзятко

Тираж 620 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 2512/44

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, .4

% 1011 из более легкоплавкого стекла (Фиг.5), помещают в печь и проводят процесс .аналогично примеру 3, причем в ходе процесса .пластина 3 изменяет Форму и соединяется с нижней пластиной % (фиг.,б) .

045 4

Если при формовании заготовки используют временное связующее (метил целлюлозу, нитрат целлюлозы и др.), то оно удаляется до или после нанесения пористого слоя обычно нагреванием заготовки до 400-700 С,