The known physical, mechanical and chemical properties of reaction-sintered silicon nitride are summarized. This material deserves interest especially because of its unusually good resistance to thermal shock and corrosion at high temperatures. Two types are distinguished: reaction-sintered (porous) and hot-pressed (dense) Si3N4. Only the reaction-sintered material which is being produced today in large scale as crucibles, pipes, nozzles and tiles is considered

Huebner, K. H.

Saure, F.

German

NASA Technical Reports Server

:*•
20 NOVEMBER 1971
I A H R G A N f. ZEITUNG VerfahrenstechnikCheminche Api
iliciumnitrid — ein kerarnischer Werkstoff mit hervorragender
Temperaturschock- und Korrosionsbestandigkeit
\'on Karl Heinz Ili ibncr imrl I r i fdr lch Saurf
s riem Ln tv . ' i ( k r r a t f i r i u m dc.<. <K .s< MI//.*/.".T< irris D''(]i:s\it der /.lecm.s.sa nil rar
i i f jhl ick tier hrulc bekannten physikalischen und chemnt in- . i •
' • n . Dies'*: /irrami/:'."' WerkflOl ...... \ "' 'i. •
• • imlirl: guirn TemperaluTwechscIbestiindigkeil und wrarn $em< : Korrosionsbestam
• ' r s t immten Metallsdimthen Autmerksamkeit Die Ahhnndlur .y heschr
sogcrionn/r ,reaklionsge*intflte' .Mu/ena/ . da.1; heulc her";ts 5er , rnrmif . •
•. ,• / n i/1 n, Din-en und Rolin
A s u n t n i n r y js ( / jvrn ahi ' :-'v.-n pliy^^-a ' . mcdir;n;rn ' . and i i ivnuca l ;•: ~<{>enn-
n-aclian sinletrd Silicon nilndc. toda\. Tins material dr .spfvr ' /of tovr 'a /n interes.' •
o< jjs unusuc/ excellent tli'*:m<:l shock and corrosion resistance at high temperatures
li vC-i/ / be ri; •/ IH-Q t/un/i','t'.s/' (/io reaction s i n t ^ r i - d Ipaon-! end /iol prersed Si,l ,
Idrns i - / . In the article wr consider only the reaction sintered mater.r:! 'Fodtrr th i s w i / / h«
••lured l ' \ - ser ies in Torn; n' r rur ih lcr , pipes, nozzles ind ( i ic«
I . I ' inU'i tuiu)
Si i i c iumni t rn : Si3N, i s t d i - - f t , > misdie Vfrb indunt i
M - i t dom Endo des •. ":i( |cn . i c i l i r h u n d i ' r t s bckannt ( ! ] .
oi etwa -0 Jahren boqdnn m a n , die (cc/inisc/ien
AnM'endu/igsmdgJidike/ten cingchonder zu untcr
hen.
'hnl ichcn WerkstoHeigenschalten
: k i h r t r i ! . ' u l u i c ' t u j i ' s p i i n r i t f ^ n E rwar tun -
n. di ' sicli i ' n i rh t c T f i i l M o n : Man d a c h t > > an
Mcit ter liir Gasturbmen und andert-
: t i t k . I x - a n s p m c h t o Masdiinonbautoilt: (2). In der Fol-
:
 v. n i d i ' i i dcm S i l i c i u i n n i t r i d inatcrialgercditf
\i: w c i i ( i v i n c | S ' , n: \ \ "cf] rn soincr cln -
:nnrlic;k(:it und M M I K T tur cm kpnimisches
M c i t c r i c i l ganz hor\ orragendon Thcrmoadtockbestan-
digkeit dient os heute als Material fiir Formtcile, die
i t ' i L a h o r a l o i i u n i und in der Produktion bei der Ver-
ninrj \on bost immtc-n Metallschmelzen bn
\K eii'klnsches Isolationsmctterial kann Si-
( i u m n i t r i d d ' T l eingesetzt werdon. wo konvuntio-
' . p i a i i i i s ( i i ( W c r k s t n f i r i n f o l c j r i h r c r n i r d r n j i ' - i
duelbestandigkeit v p r ? ; ; i - .
aus Si l i t i u n ' t i i t r i ' l \ v r i ( l " i i \m Prod.ik
ler l i u r n i r ' . i r p u l i l i k D o i i ' s r h l a n d vor
•I Sl n i l ! •: /icf.'.l ' i ('!(|i '.
• • " • I l l I")ic l e i \ n s f u h r u n q c n Ix 'sdinuikt- ' :
X ' f i f i i h t c n A n d i - r c Vf r .ubo i tu i iqs -
M i i ' ! l n ) d i ' i //(. 'j 'ZJprcsscri und d,is Flanimsfn '
• n c f h w r i ! f | f ) ) i ' i ) f 1 mi For.sr/ni;i(7s
Enlwicklungstladtuu
'
von I - o r m k i i r p r r n
•\us(|,m
in dm nv
( a l i e n l ie i i > t \ v a !)!'- ' l i e i ] ' H < n : i r r i n - oU ' - t
Icitcrri ; r i < " O u a i : 4 . ; < ! i n sind aus Griinden. die spu t -v
im Zusammenhang mit dcm Sintern nor1 e r ! - i
werden, schwkinger zu verarbeiten. Die Korni .
wird durch Mahlon den Erfordernissen r'.er Pre l - -
- . i k und des Sintcrns ongepaCt
; i ) i i i i t wi rd d<is Ausgangsnia 'enal nadi dm
( t u n k > i . iniischon Ycrf t ihren d u r c h Sdi.'.'dcergii
Strangpressan, Slamptcn ode: Ttodkcnpici • •
:• \uswahl unter den genannten Verfahren r;
i-T He r s t e l l e r nach d^r Grolio und Gestalt rk '
Formte i l s , nach den geforderten MaBtoleranzen uno
nd'.h wirtschaftlich'1!! Gesichtspunkton. Lange Rohje
werden rne i s t durdi Stran(jprcs.--i r h(;rgcste!lt: •
pakte rormkci rper mit cngen MaQtolcran?- n werden
in Stahliormcn geprefH.
in Zusammenhang mit der Formgebung b-^sitzt Si-
l i c u i i i i i i r r i d liir den Keramiker einn bcmorkenswert'1
- i scha l t - /r?i Gepc;isa(z zu vn-lcn andcr<-n ktv..
mi at lien Wi'tkstofien tindct barn Sintern nur enn
vernarl ihisRighaT k h - i n c \ 'nlurrn:n<mdcrung stal l . Bei
der P roduk t ion vnr. S i l ic iumni tnd-FormtPi len k ii.n
f cmnn u n i e r n u n s t i f i e n Voraussetzungen Mafl/oyoran-
. c / i ro;i 0 , 1 " : niuie , iu(wondige mechanisdi? Nach
' " i i N ' - : ! : i i . ( | ' ! ' • • - q e s n i ' e r t p n F o : : n h i l t e n
/.u: l . i l < - i i l . i « I U I K I ties P : - ::gs wi rd
f i i n , p i : ' v i T i u l i ' ' i l | . < , • » ) . N'acii dp;n i ' l t
•
'.'00 und •'(»(* (
S / ( H l f / \
' I
'. li uikfiir' '•'. til ?'o<i|i-t.
• M I N i 93 J
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19840008268 2020-03-20T23:35:05+00:00Z
•'\M> 1 Spulkdmn •
Das \" i t i i d i e Ic I) des :p"rs "Ho1 '! '
d u i r h e inen ReaktionssinlerprozeO, cU-i m cinoi
Stickstoffatmi nadi d < - - asql
'i Si
ab lau f t .
DIP Reaklion des Siliciums mil Stickstofl beginnt
beim Aufhcizen ?twa bei eincr Temperatur von
1000 CC. Unterhalb d»s bei 1420 • ndenSchmeiz-
punkls des Siliciums entstehen c i u f den Kornober-
fladien Whisker aus Si l iciumnitr id, dio sich unt'-r-
einander verbinden und dem Korper eine z.unehmende
mechanische F f s t i g k e i t verleihen. Beim Aulheizcn
dart die Schmelztemperatut rics Siliciums {142n°C)
erst uhersdnittcn wi-rdr-n, warn sidi cin mcchnnisrli
hinreidiend stabiles ( i t - r u s t uns Si l ic iumnitr id g > ' h i l -
<1et hat [2].
Der Sintcrvorgang wird bci k o r n p l i / i o r t i ' n ro rn i -
teilen manchmal unlerbrochen, um irn , ,vornitn/lifi
ten" Zustand merhanischc Schlcilarbciten dur rh /u -
fuhren. Man vnr rnek l r t auf d j i^c \Ycisn oincn Toil
der aufwendigen SchlHfarbei ten am harten ausge-
sinterten Teil. Die Abbildunrjen 1 und 2 reiqen BPJ-
spiele.
Das Sintern wi rd danach iortgcsetzl, bis ein Um-
wandlungsgrad von ii! „ c rn- : r r c i n e s Material wird
nur langsarn n i t n d i e r t . \ ' f r u i u > . imgi inyt-n und Z»
von Eisi'n, A l u m i n i u m und Caldum sowie Sauerstoti-
spnrcn in der Stidcstoffatmosphiire beschleunigen als
Katalysatorcn den Vorgang [8].
Die Kornprbfle dos Ausgangsmaterials besitzt ebfi.-
fal ls einen erheblidien Einf luR auf die Reaktions-
gesdiwindigkeit, weil der Durdimesser und die Ge-
stalt der PorenkaniUr damit verkniipft sind. Durch
f l i c < . c Porenkanale h indu rd i d i f f u n d i e r t der Stidtstoff
•
.
•
f 0.17
0.23
.
• 10*
' (.! I'l '
wahrcnd des Smterns an dif
- l i rkwandigen Formkorporn ist der Ze i tb f -da r i
es Diiiusionsvorgangs mafinebend f v . r die R< '<k-
tionsrji schwindigkeit [ f i ] .
Die Kinetik des Ni t r id iercn<- v. u rc io vnn K. ./
linger mit thermogravimetrisrhen Methodon
sucht [8j. Unterhalb des Si l icmmsri implzpunkts
oinf Fcst-Gas-Reaktion, oberhalb Pino riiissiti
Reaktion vor Das g c f u n d f i i '
au I I n n . d.id cs sich in hciden rdllcn um n i n e I 'n-
grenzrcaktion hando l t .
3. IZigenschaiten
3.1. Kris ta l ls t ruktur
r."iii) S i l i c i u m n i t r i d smd xw^ i Phascn bokanr/
mil n und fi h f z e i f h n e t werden. Lange Zeit n . s h i -
an, dafi es sich um eine Tic i tempcratur- und :
temperalurmodifikation h a n d * ' ' B^ide i 'hasen :
VIM del S t r u k t u r her sehr -ihnluti. Die .S//i
atnrnc sind tclraedrisch mil Stickstotlatpmcn /•••
n n - r ! ' dahi-i gchort jedes Stickstoilatom glcicii
ZLI clrei Tetraedern. Dip L'ntorschiede zwis rhrv
bciden Phasen liegen in der ra'jm'.ichen Anordnung
der Tetraedcr. Die grofie Ahnl ichkei t zngt sidi
hci den fas t gleichen \ \ ' e i ton dor Raum-
Nach neueren Untersucliungen h a n d f l t «>s sidi beiru
a- und / ' -S i ,N, um Phasen mit einem hohcn und einem
nirdrigcn ,SauerstoHpotential" [10]. Nadi dicsen
Untersuchungen, die sidi auf Sauerstoffanalysen und
Dichtebestimmungen stiitzen, is 'f-Si,v
n d b e r n d die dicmische Zusammensetzung S i , , . - N -
bei .ise handelt es sidi s t d r h i o m c ' i i--
S i , N . . [lie Hildung von a- und ;--Si}\ t hiinat vo
: m t Stickstofipartlaldrucken i / <
i f i tnn^rh i iT i - nb. Die Annahmc der / / o i u '
den M lir n> ringen IhermischenAusdehungtl
ten 7un i ' -k , - ; i h ih ren ist Der Ausdehnungskneff i . ^nt
l i c i l t in i l cn r > i k t « i .1 u n t c r den U ' e i t en . die m
r .Mdkci . i i insd icn X V e r k s t o l f i - n r ' . l a se tn
Zahlenwi rte sind in Tabcl l t - 1 d t i r r ; e s t e l l t
932 ll nanq i
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I MHz)
. - . • l . i k K n ton • '
1 Ml l/.|
2(1 C
1000 C
c.'i in'
2.8 • 10 '•
•• / f - i f ^ l l i t r I SO
1600
10"
(l 'I
II) '•'
10"
IT
i K i t ; Zah lenv-c r i < d e r FJie/jnoscftocfcbesfandig-
i c q e n n i d i ) vo i Man kann au l Ro tg lu t e r h i t z t e
i . > r m t < l i t in k a l t e i n VYasser absdireckrn. ' > h n e daB
Risst- im Material i iu f t re ten .
3.3. Chemisches Verhalten
S i l i c i u m n i t r i d bebi tzt bereits bei 800 "C einen
::H'fibau'ii Parlialdnick des Stickslolis (vql . Abb ,ii
I'm temperaturbeanspruchte Hochvakuumbauteile ist
dpr VVerkstoff daher n i c h t geeignet.
Die 7ersetzungstemperatur in reiner St ickstoff-
. I ' l i i u s p h d n - bci oincm Druci; von 1 at l i o l r d n t 1900 C.
Das V e r h a l t e n IHM hdhcrcn Temperature!! q
*T f l c n i l . u l l sau t 'TKloH wi rc l durch em"
,' cms Silicnundioxid stark beeinfluBt. In Abb 4
i . f . l thermoyravimt ' t r ischr Messungen dargestellt .
iic zt-iqen, daf\ der Korper nach dem .Anoxydieren
•Mich bei Temperatur°n von 1400 'C norh bestandig
•
tine Reihe von Mctallschmelzen (Alumin ium, Zinn
/ ' ink. Blei. Silber und Cadmium) r e a g i e r t n i c h t
: u i t S i l i c iumni t r id ; die Schmelzen bcnetzen das Ma-
nidit. Bei Kup/er- und Magnesiumschmelzen
t 'rfolg ' n i i r eine lungsanie Reaklion, wenn kein
•Illli l\lnll /.IM|'Ji|' ' i ll I b' i I cl II'I I 'I
li> inrnli l t i I'l 'I'-'l' n Mlmi - ' l / ' i i d ' - t M.i . iM" l.i:,< n i"
• • I. (J l f ' ; / / ( H'l'i \.'fllt<l<lnilli
ridcn S / / :
' ^ l i t MiiH-ialmiiii ' s i in bob - i K i . i i - / ' ' i i t r < i l i ' p i i
a n Rf-nl , 'n/ j .s i /uri i i c w i r K t « - i n « .
IM i i i u | l u ( | i ' | ) ' K o r r o ' - i t i n A l k u l i l i y d r < i \ n i i - ( i i i ' i l i ' i i n ,
rigen L«suii(n-r idi iyxam. in di i . S i . ' i n n / / . dagc
qcn lusdi an. l)i" Koirosionsgeachwindigkeil hangt in
/en von der R a u n u l i d i t * - . der Kornqrof ie und
i l i ' i n S t i f l t s t o f fgoha l t a b [ 1 4 ]
< i"<U' i i Salzschmclzen <ms A l k t i l i n i i r a i i ' t i , A l l ; 00 °C bostandig.
In den Tabellen ! und 2 smd die w i c h t i n s t c n t.iqon-
schaf ton von reaktionagesintertem Si l i c iumni t r id in
Zahlen zusammengelaBt dargestellt Zum Vergloicb
wurde Aluminiumoxid in der Modihkation von didit
gesintertem «-Al.,O., mil herangezogen
4. Anwendung von reaktionsgesintertem
Siliciumnitrid
Als M a t e r i a l iu i L n h m i / i ' m t i kommt Siliciumnitrid
in H ' - t r a r i i t , wenn u n l e r bcs tn in i i l ' - i i Korrosionsbedin-
c |unq '>n c i n i - i iohi ' I i -mpera turbcs tandiyl ; ' - i l in
b m d u r i f j m i ! "in"i q u t t - i i T i ' i npc rak i r^cchaa l ln - f t l i i n -
digkeit ver langt wird. Beispielsweise kann eine A h i -
miniumsdimelze m 'men kal ten Siliciumnitrid-Tiegel
' i d i i l l t wcrden , ohne daR der Tiegel sjiringt. In Abb. 5
sind einige Formteile dargestell t , die heut2 serien-
maBiy gefer t ig t werden.
Unte r Prodnktionsbedingunyen wi rd S i l i c i u m m t r i d
in der Aluminiuminduslrie t ' ingesetzt. GieBlrn-hicr .
Hohre und Flatten, die mil der Schmelze in Beriih-
rung kommen, haben Standzeiten von mehreren Mo-
i i t t t i ' i i erreicht. Es w u r d e n sugar sdion I 'umpcn f in
ilussigcs Alumin ium aus S i l i c iumni t r id hergestell l
I 1 6 J . '
Em wniteres Ein&atzgebiet smd elcklnsch isohe-
rcnde Fuhrungsteilc von Induktionshurte- und Lot-
anlagen, die auf VerschleiB und Temperaturwedisel
beansprucht werden.
l > i < o t l c n c ' Poroa i td l <ics i« 'dkt ionsgesinter ten M a -
te r ia l s stort nicht hoi den genannten Anwendungen
fur Metallschmelz-'n. die in die engen Poren mil
einem Durchmesser unter 1 / / in nicht eindringen.
N i c h t g e e i g n e t i s t reaktionsgesintertes Sili-
c i u m n i t r i d fur Rohr?. die gasdicht sein mussen.
I
900 ixc isac HOP
-
•
t i:
Znt [h]
von /irquisi/ S.V 34 an Lul'
\ \> \ i .'i 1itg*l und K o h r r uus l)r
•, I l l t i - i I I I ! ( in .1 hfi fat-nil' '*';
. • . icl!1
I l i > l i : i ' i ' i l ' | i ' / , i h l l r l i \ n v \ ' n l i M ; I I |
•
• i ks io i l i "r is . irU'ii, d.ili r l :c-
s(hi M« 'd ' -n i : i . -K: -n - , ic! i( j w<r
Srhriftlum
I
K. II. Jad
• •
•
I
h.-m 20 r I
niifr. Lori-:
-; 1
•• Ji
. n / //.
Kochtemperaturbestandige Tantalverbindungen
\On K u r t Swars '
Anhanil ri<" : ' i - i n - r < - n L in - r i i in r wiriLfine ' In-;
 : < h ! tier \ \ irht:
IK-II Tantalverbindungen gvuctn-n /iV cln ra-N, In /: '\<: (. i;/ii/ /a s/ .-.
tinhcn nhi-r Zustandsdiagrontme phybikalisdie und chr-ininhi' !-;••
rie^tflit. 1 ^ehrftotffysleme siino^teruckaldttigt.
• • n u ; / In j - . i n ^ l impffManl r e f rac to ry t a n t a l u m roni / in t inc ia i s •.(, '
For tin t\ V-; u t i ' i r i na t i un ::• < j i \ - f n about p/ia.sc diagram*,
physical, and chemical properties Important rtouiticomponent svslcms an Minunar .
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K c i p i l " l n . i in ic ( | t i ) i - r i r I i l i ' t . i l u t
2. Tan ta ln i t r idc
2.1. Thorsiihl
( i | '< ' i !u!l l ' L'-iHO
l i -
r / l cHi /> •
' . \ « - ( | h l l l \ \ i l S S i ' I ' . l i i l l
Sluridc !> • • ! _'Jnii Ins 'J
Brim 'iluli' n -in il< ji Lull
luti vollslftpiiici in Ic
f M s l n - i ! . ' in Mi -~d ik i i . s l . i l l (•/-
I , i - i ' -
S l ( i l ' I . l N I l l l l C l l l r d l l C I I H ' f
i /!! , . ' . . I d " . , mil.
T > n i i . i i i i i i M < l < ' . 1 -
ubi-r Mi ' Kohl ,
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Silicon nitride: A ceramic material with outstanding resistance to thermal shock and corrosion

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