DE4141366A1

DE4141366A1 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF SILICON NITRIDE INTERBODIES WITH A MODIFIED SURFACE

Info

Publication number: DE4141366A1
Application number: DE19914141366
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr Herrmann; Christine Taut; Peter Dr Thiele; Lothar Geyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-12-14
Filing date: 1991-12-14
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2011-12-15
Also published as: DE4141366C2

Abstract

Sintered Si nitride body is mfd. with a modified surface which consists of concn. of oxides or nitrides or SiC or their cpds., which form a cpd. with Si3N4 and its grain boundary phases. This modification is carried out with the aid of ion beams, using Si, Al, rare earth metals or C. The coated body is annealed a) in air at 500-1100 deg.C for oxides b) in N2 atmos. at 0.05-200 MPa and 500-1300 deg.C with nitrides c) in inert gas at 500-1300 deg.C with SiC. ADVANTAGE - Passivation of surfaces by diffusion barriers.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Konstruktionskeramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitridsinterkörpern mit modifizierter Oberfläche, die z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Maschinenbau für Verschleißteile zur Anwendung kommen.The invention relates to the field of construction ceramics and relates to a method for producing Silicon nitride sintered bodies with modified surface, the z. B. in aerospace engineering or mechanical engineering are used for wearing parts.

Die Herstellung von Siliziumnitridkeramiken mit hohem kovalentem Bindungsanteil erfordert im Verdichtungsprozeß die Anwesenheit einer flüssigen Phase. Diese liegt nach dem Sinterprozeß in Form von Glas oder teilkristallin im Werkstoff vor und stellt den bevorzugten Angriffspunkt für Korrosionsprozesse dar.The production of silicon nitride ceramics with high covalent Binding share requires in the compression process Presence of a liquid phase. This is after Sintering process in the form of glass or semi-crystalline in the material and presents the preferred target for corrosion processes represents.

Zur Minimierung dieser Korrosionsprozesse wurde versucht, die Korngrenzenphasen zu kristallisieren oder die Zusammensetzung der Korngrenzenphase dahingehend zu beeinflussen, daß oxidische Phasen kristallisieren können, die mit Siliziumdioxid und Siliziumnitrid im Gleichgewicht stehen oder die Oberfläche der Siliziumnitridformkörper in Richtung auf defektarme Oberflächen zu beeinflussen oder Passivierungsschichten aufzubringen.To minimize these corrosion processes, attempts have been made to to crystallize the grain boundary phases or the composition to influence the grain boundary phase that oxidic phases can crystallize with silicon dioxide and silicon nitride are in equilibrium or the Surface of the silicon nitride molded body in the direction of to influence defective surfaces or passivation layers to apply.

Die Aufbringung von Passivierungsschichten erfolgt im allgemeinen über CVD- oder PVD-Prozesse (J. Desmaison, Werkstoffe und Korrosion, 41 [1990], 749-750).Passivation layers are generally applied on CVD or PVD processes (J. Desmaison, Werkstoffe and corrosion, 41 [1990], 749-750).

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß die so erreichte Passivierung der Oberfläche durch Probleme der Haftfestigkeit der Schichten und Rißbildungen bei Hochtemperaturbelastung eingeschränkt ist.A disadvantage of these processes is that they are achieved in this way Passivation of the surface due to problems with adhesive strength of the layers and cracks when exposed to high temperatures is restricted.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit dieser Keramiken mit den bekannten Verfahren nicht im gewünschten Maße erreicht werden kann.The problem specified in the invention is the problem based on the fact that the high temperature oxidation resistance these ceramics with the known methods not in the desired Dimensions can be achieved.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind die folgenden. Bei der erfindungsgemäßen Beschichtung mit Si, Al, C usw. erfolgt eine Umwandlung dieser Schichten in Oxide, Nitride oder Carbide, die ihrerseits als Diffusionsbarriere wirken oder den Charakter der Schicht in Richtung Passivierung günstig beeinflussen.The advantages achievable with the invention are as follows. In the coating according to the invention with Si, Al, C etc. these layers are converted into oxides, Nitrides or carbides, which in turn act as a diffusion barrier act or the character of the layer towards passivation influence favorably.

Gegenüber dem Stand der Technik erfolgt die Minimierung der Oberflächenschädigung dieser Keramiken durch Hochtemperaturoxidation nicht auf dem Wege der gasphasengestützten Aufbringung von Passivierungsschichten, sondern durch die Kombination von ionengestützter Beschichtung der Keramik mit anschließender Glühung in verschiedenen Atmosphären und bei verschiedenen Temperaturen.Compared to the prior art, the Damage to the surface of these ceramics by high temperature oxidation not by gas-phase application of passivation layers, but through the Combination of ion-supported coating of the ceramic with subsequent annealing in different atmospheres and at different temperatures.

Im weiteren soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.The invention is further intended to be based on an exemplary embodiment to be discribed.

Ein Siliziumnitridsinterkörper, bestehend aus 91,6 Ma% Si₃N₄, 1,6 Ma% Al₂O₃ und 6,8 Ma% Nd₂O₃ ist bei 1850°C und 5 MPa in Stickstoffatmosphäre durckgesintert worden und hat bei einer relativen Dichte von <98% die Abmessungen 13× 13×5 mm. Seine Oberfläche wurde geläppt und hat einen Mittenrauhwert von (0,010±0,005) µm.A silicon nitride sintered body consisting of 91.6% by mass Si₃N₄, 1.6 Ma% Al₂O₃ and 6.8 Ma% Nd₂O₃ is at 1850 ° C and 5 MPa has been sintered in a nitrogen atmosphere and has with a relative density of <98% the dimensions 13 × 13 × 5 mm. Its surface has been lapped and has one Average roughness value of (0.010 ± 0.005) µm.

Ein so hergestellter Sinterkörper ist in einer Magnetronanlage mit einem Arbeitsdruck von 0,35 Pa Ar und einer Gleichstromleitung von 500 W mit Al beschichtet worden. Die erzielte Schichtdicke betrug 1,0 µm. Anschließend erfolgte die Glühung der Proben in einer N₂/H₂-Atmosphäre (H₂-Gehalt = 5%) bei 1300°C.A sintered body produced in this way is in a magnetron system with a working pressure of 0.35 Pa Ar and a DC line of 500 W has been coated with Al. The achieved layer thickness was 1.0 µm. Then followed the annealing of the samples in an N₂ / H₂ atmosphere (H₂ content = 5%) at 1300 ° C.

Die Oxidation wurde bei 1300°C 100 h durch Auslagerung an Luft durchgeführt.The oxidation was carried out at 1300 ° C for 100 h by aging Air carried.

In der Oberfläche konnte die Bildung einer Al-reichen SiAlON-Phase nachgewiesen werden.The formation of an Al-rich could be in the surface SiAlON phase can be detected.

Die Oxidationsrate bei unbeschichteten Sinterkörpern betrug 0,57 mg/cm², bei den entsprechend dem Beispiel modifizierten Sinterkörpern 0,21 mg/cm².The oxidation rate for uncoated sintered bodies was 0.57 mg / cm², in the modified according to the example Sintered bodies 0.21 mg / cm².

Auch nach der Oxidation traten bei allen erfindungsgemäßen Proben weder Risse noch Abplatzungen an der Oberfläche auf.Even after the oxidation occurred in all of the invention Do not test for cracks or flaking on the surface.

Claims

Process for the production of silicon nitride sintered bodies with a modified surface, which consists of an enrichment of oxides or nitrides or SiC or their compounds which form a compound with Si₃N₄ and their grain boundary phase, and this modification is carried out with the aid of ion beams using Si, Al, rare earth metals or carbon, characterized in that after the ion beam-assisted modification of the surface with Si, Al, rare earth metals or carbon, the coated sintered body is annealed according to the following regimes:

a) for oxides, annealing in air at temperatures from 500 to 1100 ° C,
b) in the case of nitrides, annealing in a nitrogen-containing atmosphere at a pressure of 0.05 to 200 MPa at temperatures of 500 to 1300 ° C,
c) with SiC or its compound in inert gas at temperatures from 500 to 1300 ° C.