Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Sintern
von Siliziumnitridkörpern und insbesondere bezieht sie
sich auf Gefäße zum Umschließen von Siliziumnitridkörpern
während eines Sintervorgangs.
Die gegenwärtige Praxis bei der Herstellung von
gesinternten Siliziumnitridkeramiken weist die Anwendung eines
Gefäßes aus feuerfestem Material auf (typischerweise aus
Graphit gebildet), in dem der Siliziumnitridartikel vor
dem Sintern angeordnet ist. Ein Setzpulver aus
Siliziumnitrid oder Bornitrid oder einer Mischung daraus wird in
das Gefäß geschüttet, um die gesinterten
Siliziumnitridartikel abzudecken, um sie vor thermischer Zersetzung und
einer Reaktion mit den Ofenmaterialien zu schützen. Ohne
diesen Schutz hat die Erfahrung gezeigt, daß ein
Siliziumnitridartikel sich bei 1800ºC teilweise in Silizium und
Stickstoff zersetzen wird. Wenn darüber hinaus der
Artikel in einem Graphitofen gesintert wird, wird das
Silizium mit dem Kohlenstoff im Graphit reagieren, um
Siliziumcarbid zu bilden, welches bei 1800ºC stabil ist. Wenn
Setzpulver bzw. Abdeckpulver verwendet wird, zersetzt
sich das Pulver selbst aufgrund der hohen Temperatur im
Ofen, und das Pulver reagiert vorzugsweise mit dem
Ofenmaterial anstelle dem Siliziumnitridartikel.
Das oben beschriebene Verfahren der Anwendung eines
Setzpulvers ist jedoch als nicht wünschenswert befunden
worden, da das Pulver vom Artikel nach dem Sintern entfernt
werden muß. Manchmal sintert das Pulver auf einem
Siliziumnitridartikel zusammen oder es versintert mit dem
Artikel, wodurch somit eine übermäßige Kraft erforderlich
ist, um das gesinterte Material zu entfernen. Manchmal
kann das gesinterte Material nicht einmal mit Kraft
entfernt werden, und der Artikel muß weggeworfen werden.
Das Recycling bzw. die Rückführung des Setzpulvers ist
auch nicht ohne Probleme. Erstens gibt es bei der
Anwendung einen inhärenten Verlust des Setzpulvers (aufgrund
eines Vorbeilaufens usw.), was den Betrieb teurer macht.
Es ist bekannt, daß man so viel Pulver an Gewicht
verliert, wie der Siliziumnitridartikel selbst. Zusätzlich
muß beim Recycling das Setzpulver oft zerstoßen bzw.
gemahlen und gesiebt werden, um die gesinterten Stücke vor
der Wiederverwendung aufzubrechen.
Yttrium oder andere Sinterhilfsmittel werden manchmal dem
Setzpulver zugegeben, da, wenn der Siliziumnitridartikel
diese Sinterhilfsmittel enthält, die Sinterhilfsmittel
aus dem Artikel durch das Setzpulver während des Sinterns
"herausgezogen" werden, außer wenn das Setzpulver auch
die Hilfsmittel enthält. In Fällen, wo Sinterhilfsmittel
dem Setzpulver zugegeben werden, wird das Setzpulver
typischerweise chemisch analysiert, um sicherzustellen, daß
die Sinterhilfsmittel in den ordnungsgemäßen Mengen
vorhanden sind.
JP-A-63 230 393 offenbart ein Graphitgefäß, welches
zuerst mit Siliziumoxid zur Reaktion gebracht wird, und
zwar auf einer höheren Temperatur, um eine
Siliziumcarbidbeschichtung auf dem Graphit zu bilden, und wird dann
mit einem Nitrid besprüht und wieder wärmebehandelt, um
eine Siliziumnitridlage auf der Siliziumcarbidlage zu
bilden. Probleme rühren sowohl aus den Beschichtungen als
auch deren Haftfähigkeit her.
Die vorliegende Erfindung trachtet danach, eine
Vorrichtung vorzusehen, die leicht herzustellen und anzuwenden
ist, und die verhindert, daß sich Siliziumnitridartikel
thermisch zersetzen oder mit den Ofenmaterialien während
des Sinterns reagieren; die Vorrichtung soll eine
Schutzabdeckung für einen Siliziumnitridartikel während
Sintervorgängen vorsehen und leicht wieder verwendbar sein,
ohne eine zusätzliche Manipulation oder Handhabung der
Vorrichtung; sie soll keine zusätzlichen Betriebsschritte
erfordern, wie eine Nachreinigung des gesinterten
Artikels. Die Erfindung trachtet auch danach, ein Schutzgefäß
vorzusehen, um reaktionsgebundene Siliziumnitridteile,
wie beispielsweise mechanische Dichtungen zu enthalten
bzw. zu umfassen.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1, einem
verschließbaren Behälter zum Umfassen bzw. Umschließen eines
Sihzium enthaltenden Artikels während des Sinterns in einem
Ofen, um den Siliziumnitridartikel vor einer thermischen
Zersetzung und vor Verunreingungsreaktionen mit den
Ofenmaterialien zu schützen, weist sie ein verschließbares
mit Wänden versehenes Gefäß aus Siliziumnitrid mit einer
Öffnung auf, um das innenseitige Hineinstellen des
Siliziumnitridartikels in das mit Wänden versehene Gefäß zu
gestatten. Der Behälter ist vorzugsweise aus
reaktionsgebundenem Siliziumnitrid und kann kastenförmig oder
zylinderförmig sein. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß ein
Loch in dem mit Wänden versehenen Gefäß gelassen wird,
und zwar für eine Gasverbindung zwischen dem Inneren und
dem Äußeren des Behälters.
Der verschließbare Behälter kann weiter langgestreckte
Tragstücke aufweisen, die auch aus Siliziumnitrid oder
reaktionsgebundenem Siliziumnitrid gebildet werden, um
den zu sinternden Siliziumnitridartikel zu tragen. Der
Sinterkasten oder das verschließbare Gefäß können auch
eine flache Tragplatte aufweisen, und zwar zum
Hineinstellen oben auf die langgestreckten Tragstücke, um den
Siliziumnitridartikel zu tragen.
Die Natur und das Ausmaß der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
speziellen Ausführungsbeispiele davon klar, und zwar in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen die
Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 eine Explosionsperspektivansicht eines
Sinterkastens, der gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert oder aufgebaut ist, wobei ein
Siliziumnitridartikel zwischen dem Deckel des Sinterkastens
und einem flachen Tragstück positioniert ist;
Fig. 2 eine Querschnittsseitenansicht eines
zusammengebauten Sinterkastens, der gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, der vertikal in Hälften
geschnitten ist, und zwar durch einen Schnitt
senkrecht zu zwei Seiten des Sinterkastens, wobei
weiter langgestreckte Tragstücke gezeigt werden,
eine flache Tragplatte und ein Siliziumnitridar
tikel, und zwar als innerhalb des Sinterkastens am
Platz positioniert; und
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines
Sinterkastens, der gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist, und zwar entlang der Linien 3-3 der
Fig. 2 aufgenommen.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung als ein Sinterkasten gezeigt, der im allgemeinen
durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Der Sinter
kasten ist derart gezeigt, daß er aus einem flachen
Tragstück hergestellt ist, welches als Basis 12 bezeichnet
wird, und aus einem kastenförmigen Deckel 14, beide aus
reaktionsgebundenem Siliziumnitrid gebildet. Der Deckel
14 weist eine Oberwand 16 und vier vertikale Seitenwände
18 und 20 auf, die im wesentlichen senkrecht zur Oberwand
16 sind, um den Sinterkasten 10 aus rektionsgebundenem
Siliziumnitrid zu bilden. Am Boden des Deckels 14 ist
eine Bodenöffnung 22 wie von den Bodenkanten der
Seitenwände 18 und 20 definiert.
Die Basis 12 ist derart gezeigt, daß sie eine flache
Bodenleiste bzw. -kante 24 besitzt, um den Deckel 14
aufzunehmen, und eine Plattform 28 darauf, auf der ein
Siliziumnitridartikel 36 zum Sintern angeordnet ist. In der
Praxis wird der Siliziumnitridartikel 36 in dem
Sinterkasten 10 angeordnet und dann wird der Sinterkasten in
einen (nicht gezeigten) Sinterofen gesetzt, um den
Artikel 36 zu sintern. Wie bei irgendeinem herkömmlichen
Sinterverfahren ist die Temperatur des Sinterofens erhöht,
vorzugsweise innerhalb einer Stickstoffatmosphäre Die
Plattform 28 besitzt eine flache Oberseite 26, die
bemessen ist, um innerhalb und unter die Bodenöffnung 22 des
Deckels 14 zu passen. Vorzugsweise ist die Passung der
Plattform 28 in der Öffnung 22 derart, daß der Deckel 14
leicht auf der Basis 12 mit wenig oder gar keiner Kraft
angeordnet werden kann.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Basis 12 vier Schlitze
auf, die sich nach oben durch die Bodenleiste 24 und
die Plattform 26 erstrecken, einen auf jeder Seite. Die
Schlitze 30 sehen eine atmosphärische Verbindung zwischen
der Innenseite des Sinterkastens 10 und der
Sintergasatmosphäre innerhalb des Ofens vor, wenn er verschlossen
ist, wodurch es Gasen gestattet wird, in den und aus dem
Sinterkasten 10 während des Sinters zu fließen. Die
atmosphärische Verbindung ist wichtig, wenn der Sinterkasten
in einem Ofen ist, in dem der atmosphärische Druck durch
Unterducksetzen oder Evakuieren verändert wird, um ein
Teilvakuum zu erzeugen.
Die atmosphärische Verbindung zwischen der Innenseite und
der Außenseite des Sinterkastens kann auf verschiedenen
Wegen durchgeführt werden. Beispielsweise können Schlitze
in den Kanten der Seitenwände beim Öffnen des Deckels
vorgesehen sein anstatt Schlitze in der Basis 12
vorzusehen. Alternativ wird in Betracht gezogen, daß der
Dekkel 14 einige kleine Löcher besitzen kann, die sich durch
die Seitenwände erstrecken. Irgendwelche solche Öffnungen
oder Spalte zwischen dem Deckel und der Basis werden
ausreichen, solang sie klein genug sind, daß eine thermische
Zersetzung des Siliziumnitridartikels vermieden wird, und
klein genug, um im wesentlichen eine Reaktion zwischen
dem Siliziumnitridartikel und den Ofenmaterialien während
des Sinterns zu verhindern. Jedoch müssen die Öffnungen
groß genug sein, um einen Gasaustausch und atmosphärische
Druckveränderungen innerhalb des Kastens zu gestatten,
ohne den Deckel abzuheben bzw. nach außen zu drücken
(während des Senkens des Druckes außerhalb des Kastens)
oder den Sinterkasten einzudrücken bzw. implodieren zu
lassen (während einer Drucksteigerung außerhalb des
Kastens).
Mit Bezug auf Fig. 1 sind drei langgestreckte Tragstücke
34, die aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid gebildet
sind, zwischen der Basis 12 und der flachen Tragplatte 35
gezeigt. An der Position bleiben die langgestreckten
Tragstücke 34 auf der flachen Oberseite 26, und die
flache Tragplatte 35 ruht wiederum auflanggestreckten
Tragstücken 34. Die langgestreckten Tragstücke 34 und eine
flache Tragplatte 35 können verwendet werden, um den
Siliziumnitridartikel zu tragen, der durch das
Bezugszeichen 36 bezeichnet wird, obwohl der Siliziumnitridartikel
36 direkt auf der Plattform 28 ruhen kann, und zwar ohne
Verwendung der Tragstücke 34 oder der Tragplatte 35. Es
ist jedoch herausgefunden worden, daß die langgestreckten
Tragstücke 34 und die flache Tragplatte 35 nützliche
Mittel zur Trennung des Artikels 36 von der Basis 12 während
des Sinterns vorsehen, um sicherzustellen, daß kein
"Festkleben" des Artikels 36 an der Basis 12 auftritt,
was während des Sintervorgangs auftreten kann.
Es sei auch bemerkt, daß der Artikel 36 ein Grünkörper-
Siliziumartikel sein kann, d. h. einer der noch nicht
nitriert worden ist. Es wird in Betracht gezogen, daß im
Fall der Anwendung eines herkömmlichen Kiln- bzw.
Brennofens die Artikel 36 in einem Sinterkasten der
vorliegenden Erfindung zu Beginn des Prozesses als ein
Grünkörperartikel angeordnet werden können. Der Grünkörper
innerhalb des Sinterkastens kann sich durch den konti
nuierlichen Ofen von einer ersten Station zu einer
Nitrierstation bewegen, und kann sich dann zu einer
Sinterstation bewegen, ohne die Atmosphäre zu unterbrechen.
In dem Fall, daß es erwünscht ist, einen
Grünkörperartikel durch diese Schritte zu bewegen, ohne die Atmosphäre
zu unterbrechen, wäre es vorteilhaft, die
Grünkörperartikel in den Sinterkasten zu legen, bevor sie in den
kontinuierlichen Ofen gesetzt werden und vor dem Nitrieren.
Mit Bezug auf Fig&sub5; 2 ist eine Querschnittsansicht des
Sinterkastens 10 der Fig. 1 veranschaulicht, der einen
Artikel 36 enthält, und zwar vertikal in eine Hälfte
geschnitten und senkrecht zu den zwei Seiten des
Sinterkastens. Die gleichen Bezugszeichen werden sowohl in den
Fig. 1, 2 als auch 3 verwendet.
Fig. 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des
Sinterkastens 10 entlang der Linien 3-3 der Fig. 2 und zeigt
klar ein Detail des Unterteils des Sinterkastens.
Wie oben erwähnt, können der Sinterkasten und optionale
langgestreckte Tragstücke und eine flache Tragplatte aus
reaktionsgebundenem Siliziumnitrid gebildet werden und
werden durch in der Technik bekannte Techniken
vorbereitet. Beispielsweise wird eine Mischung aus
Siliziumpartikeln und Nitriermitteln in die gewünschten Formen
verdichtet, um den Sinterkasten zu bilden, und werden
nitriert durch Aussetzen des verdichteten Siliziums einer
Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, während der
Kompaktkörper auf ungefähr 1400ºC aufgeheizt wird. Vorzugsweise
wird im wesentlichen das gesamte Silizium des
Sinterkastens und der Hilfsstücke in Siliziumnitrid umgewandelt,
insbesondere an den Stellen des Sinterkastens, die den
Artikel berühren, um ein mögliches "Ankleben" des
Siliziumnitridartikels an dem nicht reagierten Silizium des
Sinterkastens oder an Hilfsstücken während des Sinters zu
vermeiden. Für eine maximale Stabilität wird es
bevorzugt, daß der Hauptteil des Sinterkastens oder des
Materials, aus dem der Sinterkasten hergestellt ist, keine
Sinterhilfsmittel enthält. Der Sinterkasten und die
Hilfsteile sollten dick genug sein, um eine strukturelle
Stabilität bei wiederholten Sintervorgängen vorzusehen.
Sinterkästen mit Wanddicken von 3-6 mm (1/8 -1/4") sind
als zufriedenstellend befunden worden.
Verschiedene Formen von Sinterbehältern und Hilfsstücken
werden bei dieser Erfindung geeignet sein, genauso wie
andere Variationen der Konstruktion. Beispielsweise kann
der Sinterkasten umgekehrt im Vergleich zu dem in den
Fig. 1-3 gezeigten verwendet werden, so daß der
Sinterkasten auf der Oberseite 16 ruhen könnte, der Artikel 36
könnte in dem Deckel 14 angeordnet werden, und die Basis
12 könnte dann auf dem Deckel 14 angeordnet werden, um
die Öffnung 22 zu verschließen. Anders gesagt, könnte der
Basisteil dann die Öffnung zum Hineinsetzen eines
Siliziumnitridartikels aufweisen und eine vertikale Wand oder
Wände um die Seiten des Artikels zu umgeben, und der
Dekkelteil könnte im allgemeinen flach sein und verwendet
werden, um auf der Basisteilöffnung angeordnet zu werden,
um die Öffnung zu verschließen. Zusätzlich könnte der
Sinterbehälter zylindrisch oder dreieckig usw. geformt
werden. Wenn der Behälter zylinderförmig ist, könnte der
Deckelteil zylinderförmig mit einer kreisförmigen Öffnung
sein, und der Basisteil könnte flach und kreisförmig mit
einem kreisförmigen erhöhten Teil sein, um zu der Öffnung
in dem Deckel zu passen.
Reaktionsgebundene Siliziumnitridsinterkästen sind fest
und stabil und können viele Sintervorgänge überdauern.
Während der Sintervorgänge, wenn beispielsweise der Ofen
aus Graphit gebildet ist, wirkt die Außenseite des
Sinterkastens als eine Opferreaktionsfläche, so daß der
darinnen enthaltene Siliziumsnitridartikel nicht mit dem
Ofenmaterial reagiert. Als ein Opfer- bzw.
Verschleißstück wandelt sich die Außenseite des Sinterkastens um,
wodurch eine Lage aus Siliziumcarbid gebildet wird.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Sinterbehälter vorgesehen, der die Anwendung von Setzpulver
eliminiert und einen vollständigen Schutz des
Siliziumnitridartikels während des Sinterns vorsieht, was
verhindert, daß die Artikel thermisch zersetzt werden oder
mit den Ofenmaterialien reagieren. Zusätzlich kann der
Behälter schnell und einfach verwendet werden, ist wieder
verwendbar (wodurch Kosten gespart werden) und erfordert
keine zusätzlichen Betriebsschritte, wie beispielsweise
eine Reinigung des gesinterten Artikels, um ihn vom
Pulver nach dem Sintern zu befreien.
Die industrielle Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung
weist Turbinenschaufeln, Motorkomponenten, Ventile,
Schäfte und andere traditionelle Anwendungen von
Siliziumnitridkeramikkomponenten auf.