DE102012012227A1 - Producing silicon carbide based ceramic sintered body that is useful e.g. for fabricating semiconductors, comprises sintering powder body in inert gas atmosphere, and performing gas pressure sintering in nitrogen-containing atmosphere - Google Patents

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Abstract

The process comprises sintering a powder body in an inert gas atmosphere at a pressure of 1-100 mbar and at a temperature of 2000-2200[deg] C, and performing a gas pressure sintering or a sintering-hot-isostatic press in a nitrogen-containing atmosphere. The powder body: comprises silicon carbide (88 wt.%), a boron-containing additive such as boron carbide in which boron is present in an amount of 0.1-1.5 wt.%, carbon (0.5-3 wt.%) and/or a carbon source material that supplies free carbon in the sintering process, and a nitrogen-containing additive. The process comprises sintering a powder body in an inert gas atmosphere at a pressure of 1-100 mbar and at a temperature of 2000-2200[deg] C, and performing a gas pressure sintering or a sintering-hot-isostatic press in a nitrogen-containing atmosphere. The powder body: comprises silicon carbide (88 wt.%), a boron-containing additive such as boron carbide in which boron is present in an amount of 0.1-1.5 wt.%, carbon (0.5-3 wt.%) and/or a carbon source material that supplies free carbon in the sintering process, a nitrogen-containing additive in which nitrogen is present in an amount of 0.01-2.3 wt.%, an aluminum-containing additive in which aluminum is present in an amount of 0.01-2 wt.%, and a temporary process auxiliary material; and is prepared by mixing starting materials together in an aqueous solution and drying to form a shaped body. The aluminum-containing additive is included in the powder body only when the powder body contains the nitrogen-containing additive. An independent claim is included for a silicon carbide based ceramic sintered body.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der keramischen Werkstoffe, insbesondere der Werkstoffe auf der Basis von dichtem Siliziumcarbid (SiC) mit definiertem elektrischem Widerstand. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sinterkörpers auf Basis von Siliziumcarbid, ausgehend von gut verfügbaren Rohstoffen technischer Qualität, sowie so erhältliche dichte keramische Sinterkörper, die sich insbesondere durch einen gezielt einstellbaren elektrischen Gleichstromwiderstand im Bereich von 102 bis 108 Ω·cm, sowie gute mechanische Eigenschaften auszeichnen.The present invention is in the field of ceramics, in particular dense silicon carbide (SiC) based materials with defined electrical resistance. It relates in particular to a process for producing a ceramic sintered body based on silicon carbide, starting from readily available raw materials of industrial quality, and thus obtainable dense ceramic sintered bodies, which in particular by a specifically adjustable electrical DC resistance in the range of 10 2 to 10 8 Ω · cm , as well as good mechanical properties.

Dichte, auf SiC basierende keramische Werkstoffe und daraus hergestellte Struktur- oder Konstruktions-Komponenten haben sich seit den grundlegenden Entwicklungen von Prochazka und Greskovich in den 70-iger Jahren des letzten Jahrhunderts aufgrund ihrer herausragenden Kombination von technisch interessanten Eigenschaften in weiten Bereichen der Technik etabliert. Diese technisch relevanten Eigenschaften umfassen eine hohe Festigkeit bis zu hohen Temperaturen von 1500°C und mehr, eine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, eine umfassende Korrosionsbeständigkeit vom stark saueren bis in den stark basischen Bereich, eine geringe Wärmedehnung, eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, gute tribologische Eigenschaften und üblicherweise elektrische Halbleiter-Eigenschaften (= ca. 102–105 Ω·cm). Deshalb finden derartige Komponenten vielfältigen Einsatz als Dichtringe von Gleitringdichtungen, als Gleitlager, als verschleißbeständige Komponenten in der Aufbereitungstechnik, als Konstruktionsteile von Hochtemperatur- und Chemie-Anlagen, in der Halbleiterfertigung etc. Allerdings gibt es immer wieder Restriktionen bezüglich bestimmter Anwendungen, resultierend daraus, dass der SiC-Werkstoff zwar bezüglich seiner mechanischen, chemischen und/oder thermischen Eigenschaften gut geeignet wäre, jedoch die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand unpassend sind. Für diese Fälle wird eine Vorgehensweise benötigt, den elektrischen Widerstand gezielt einzustellen, ohne die sonstigen wichtigen Eigenschaften in unakzeptablem Umfang zu beeinflussen bzw. zu verändern.Dense, SiC-based ceramic materials and structural or structural components made from them have been established in wide areas of technology since the basic developments of Prochazka and Greskovich in the 1970's due to their outstanding combination of technically-interesting properties. These technically relevant properties include a high strength up to high temperatures of 1500 ° C and more, a high hardness and wear resistance, a comprehensive corrosion resistance from the strongly acidic to the strongly basic range, a low thermal expansion, a very good thermal conductivity, good tribological properties and usually electrical semiconductor properties (= about 10 2 -10 5 Ω · cm). Therefore, such components are widely used as seals of mechanical seals, as sliding bearings, as wear-resistant components in processing technology, as structural parts of high-temperature and chemical plants, in semiconductor production, etc. However, there are always restrictions on certain applications, resulting from that Although the SiC material would be well suited in terms of its mechanical, chemical and / or thermal properties, but the electrical conductivity or electrical resistance are inappropriate. For these cases, a procedure is needed to set the electrical resistance targeted, without affecting the other important properties in an unacceptable extent or change.

Siliziumcarbid-Komponenten mit bestimmten elektrischen Eigenschaften sind an sich bekannt und werden als elektronische Bauelemente vielfältig eingesetzt. So beschreibt DE 19842078 B4 (Winnacker) hochohmige Substratmaterialien mit elektrischen Widerständen von > 1012 Ω·cm, basisierend auf hochreinem SiC, das mit Al, B und/oder Ga, sowie V, Ti, Cr und/oder Mo sowie N dotiert wird, um die elektronischen Leitungsbänder zu blockieren. Diesen Werkstoffen und daraus gefertigten Komponenten ist gemeinsam, dass ihr spezifischer elektrischer Widerstand durch gezielte Dotierung von hochreinem SiC-Ausgangsmaterial erfolgt und mit einer Beeinflussung der elektronischen Leitfähigkeitsbänder erklärt wird. Ein solches Vorgehen ist für die großtechnische Herstellung von SiC-Werkstoffen und Komponenten aufgrund der beschränkten Verfügbarkeit und der hohen Kosten des benötigten hochreinen SiC nicht akzeptabel. Sie müssen vielmehr aus technischen Rohstoffen mit einem um das Vielfache höheren Verunreinigungsgehalt hergestellt werden.Silicon carbide components with certain electrical properties are known per se and are widely used as electronic components. So describes DE 19842078 B4 (Winnacker) high-resistance substrate materials with electrical resistances of> 10 12 Ω · cm, based on high-purity SiC, which is doped with Al, B and / or Ga, and V, Ti, Cr and / or Mo and N, around the electronic conduction bands to block. These materials and components made from them have in common that their specific electrical resistance is achieved by targeted doping of high-purity SiC starting material and is explained by an influence on the electronic conductivity bands. Such an approach is not acceptable for the large scale production of SiC materials and components due to the limited availability and high cost of the high purity SiC required. Rather, they must be made from engineering raw materials with a much higher impurity content.

In EP 0219933 B1 (Boecker) wird ebenfalls ein gesinterter SiC-Werkstoff mit hohem elektrischem Widerstand offenbart. Der Werkstoff weist Bornitrid-Präzipitate (BN-Präzipitate) in den SiC-Körnern und nicht-gebundenen Kohlenstoff zwischen den SiC-Körnern des gesinterten Werkstoffes auf, was ihm einen elektrischen Gleichstrom-Widerstand von 108 Ω·cm und mehr verleiht. Die Herstellung der Werkstoffe erfolgt durch Sintern in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, wobei zum Erreichen der gewünschten hohen elektrischen Widerstände Sintertemperaturen von mindestens 2250°C benötigt werden. Damit wird nur eine Anleitung zur Realisierung hoher Widerstandswerte, aber keine Lehre zur gezielten Beeinflussung des elektrischen Widerstandes bis in den Bereich „geringer Widerstand” gegeben. Zudem kann je nach Größe der BN-Präzipitate angenommen werden, dass diese einen negativen Effekt auf die Festigkeit der SiC-Werkstoffe haben.In EP 0219933 B1 (Boecker) also discloses a sintered SiC material with high electrical resistance. The material has boron nitride precipitates (BN precipitates) in the SiC grains and unbound carbon between the SiC grains of the sintered material, giving it a DC electrical resistance of 10 8 Ω · cm and more. The materials are produced by sintering in a nitrogen-containing atmosphere, sintering temperatures of at least 2250 ° C. being required to achieve the desired high electrical resistances. This is only a guide to the realization of high resistance values, but no teaching specifically for influencing the electrical resistance in the range "low resistance" given. In addition, depending on the size of the BN precipitates, it can be assumed that they have a negative effect on the strength of the SiC materials.

JP 2001130971 A (Odaka) beschreibt ebenfalls einen gesinterten SiC-Werkstoff hoher Dichte und einem hohen Volumenwiderstand, der durch Sintern einer Mischung von SiC, einem nicht-metallischen Sinterhilfsmittels und Si3N4 erhalten wird. Als weitere Forderung wird ein Gesamt-Verunreinigungsgehalt von 10, ppm festgelegt, der die Verwendung von hochreinem SiC-Pulver erfordert. Wie bereits oben erwähnt, ist dies für die großtechnische Herstellung von SiC-Werkstoffen und Komponenten aufgrund der beschränkten Verfügbarkeit und der hohen Kosten des benötigten hochreinen SiC nicht akzeptabel. JP 2001130971 A (Odaka) also describes a sintered SiC material of high density and high volume resistivity, which is obtained by sintering a mixture of SiC, a non-metallic sintering aid and Si 3 N 4 . As another requirement, a total impurity level of 10 ppm is specified which requires the use of high purity SiC powder. As mentioned above, this is not acceptable for the large scale production of SiC materials and components due to the limited availability and high cost of the high purity SiC required.

JP 2006240909 A (Yoshioka) offenbart SiC-Werkstoffe hoher Dichte, deren Volumenwiderstand im Bereich 106–1013 Ω·cm gezielt eingestellt werden kann. Als Sinteradditive werden freier Kohlenstoff, B oder B-Verbindungen und Si3N4 verwendet. Die Sinterung erfolgt unter Atmosphärendruck ohne spezielle Kontrolle der Gasatmosphäre. JP 2006240909 A (Yoshioka) discloses SiC materials of high density, whose volume resistivity in the range 10 6 -10 13 Ω · cm can be targeted. As sintering additives, free carbon, B or B compounds and Si 3 N 4 are used. The sintering takes place under atmospheric pressure without special control of the gas atmosphere.

In EP 0626358 B1 (Chia) wird dagegen ein gesinterter SiC-Werkstoff und dessen Herstellung offenbart, der einen geringen elektrischen Widerstand bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften aufweisen soll. Als Sinteradditive werden B, Al und C eingesetzt, wobei sowohl das B als auch das Al in Form geeigneter Verbindungen eingebracht werden kann. Die Sinterung erfolgt im Vakuum oder in inerter Atmosphäre bei einem Gasdruck unter, gerade bei oder über Atmosphärendruck, wobei die Proben jeweils mit zusätzlichem Sinterhilfsmittel bestäubt wurden. Der resultierende Werkstoff weist anspruchsgemäß eine Gleichstrom-Leitfähigkeit von mindestens 0,05 (Ω·cm)–1 und höher auf, was einem maximalen elektrischen Gleichstrom-Widerstand von 20 Ω·cm entspricht. Die Gegenwart von Stickstoff, sei es als Bestandteil der zu sinternden Mischung oder des Sintergases, ist zu vermeiden. Das vorgeschlagene Bestäuben mit Sinterhilfsmitteln ist unwirtschaftlich, da es eine intensive Reinigung oder sogar eine Schleifbearbeitung der Oberflächen der gesinterten Komponenten erfordert. In EP 0626358 B1 (Chia), however, a sintered SiC material and its production is disclosed, which should have a low electrical resistance coupled with good mechanical properties. As sintering additives B, Al and C are used, whereby both the B and the Al can be introduced in the form of suitable compounds. The sintering is carried out in vacuum or in an inert atmosphere at a gas pressure below, just at or above atmospheric pressure, the samples were each dusted with additional sintering aid. The resulting material is claimed to have a DC conductivity of at least 0.05 (Ω · cm) -1 and higher, which corresponds to a maximum DC electrical resistance of 20 Ω · cm. The presence of nitrogen, whether as a constituent of the mixture to be sintered or of the sintering gas, should be avoided. The proposed dusting with sintering aids is uneconomical because it requires intensive cleaning or even grinding of the surfaces of the sintered components.

US 5011639 (Urasato) offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten SiC-Werkstoffes mit sehr hohem elektrischem Volumenwiderstand von 1010–1013 Ω·cm. Das Sintern erfolgt dabei in einer Sinteratmosphäre, die 0,01 bis 2 Vol-% Stickstoff enthält. Anspruchsgemäß wird das SiC-Pulver in Form von β-SiC durch Pyrolyse eines Methyl-Wasserstoff-Silans speziell hergestellt, was auf Grund des damit verbundenen hohen Aufwands für die großtechnische Herstellung von SiC-Bauteilen und -Komponenten nicht akzeptabel ist. US 5,011,639 (Urasato) discloses a method of producing a sintered SiC material having a very high volume electrical resistivity of 10 10 -10 13 Ω · cm. The sintering takes place in a sintering atmosphere containing 0.01 to 2% by volume of nitrogen. According to the claim, the SiC powder in the form of β-SiC is specially prepared by pyrolysis of a methylhydrogen silane, which is unacceptable because of the associated high expense for the large-scale production of SiC components and components.

US 2010/0130344 A1 (Mikijelj) beschreibt einen dichten SiC-Werkstoff mit sehr hohem elektrischem Widerstand, der spezifizierte Mengen an B als Sinterhilfsmittel, sowie N und O, aber keinen freien Kohlenstoff enthält. Dadurch wird ein druckloses Sintern erschwert, so dass die Verdichtung durch Heißpressen erfolgt, was als wirtschaftlich sehr nachteilig zu werten ist und das Spektrum von herstellbaren Teilen beschränkt. Es ist bekannt, dass dieses Verdichtungsverfahren zwar zu weitgehend dichten Werkstoffen mit erwünschten Eigenschaften führt, aber nur die Herstellung von einfachen geometrischen Formen wie Scheiben, Zylindern oder kurzen, rohrförmigen Körpern gestattet. Wird jedoch ein komplexeres Bauteil benötigt, so muss dieses sehr aufwändig unter Einsatz von Diamantwerkzeugen durch Schleifen, Bohren oder sonstiger spezieller Bearbeitungsverfahren aus diesen geometrisch einfachen Formen herausgearbeitet werden, was aufwändig ist und hohe Kosten verursacht. Große, komplex geformte Teile sind somit mit dem Heißpressverfahren überhaupt nicht herstellbar, was dessen technische und wirtschaftliche Nutzbarkeit enorm beeinträchtigt. Es lassen sich gemäß US 2010/0130344 A1 zudem nur SiC-Werkstoffe mit hohem elektrischem Widerstand, nicht jedoch mit niedrigem elektrischem Widerstand erhalten. US 2010/0130344 A1 (Mikijelj) describes a dense SiC material with very high electrical resistance, which contains specified amounts of B as a sintering aid, as well as N and O, but no free carbon. As a result, pressureless sintering is made difficult, so that the compaction is carried out by hot pressing, which is considered to be very economically disadvantageous and limits the range of manufacturable parts. While it is well known that this densification process results in substantially dense materials having desirable properties, it allows only the production of simple geometric shapes such as disks, cylinders or short tubular bodies. However, if a more complex component is required, this must be worked out very elaborately using diamond tools by grinding, drilling or other special processing methods from these geometrically simple forms, which is complex and causes high costs. Large, complex-shaped parts are therefore not produced at all by the hot pressing process, which hampers its technical and economic usability enormously. It can be according to US 2010/0130344 A1 In addition, only SiC materials with high electrical resistance, but not obtained with low electrical resistance.

EP 0771769 A2 (Easler) offenbart die Herstellung keramischer Körper hoher Dichte durch Pyrolyse einer Mischung, die eine Kohlenstoffquelle, α-SiC-Pulver, eine Borquelle und eine Aluminiumquelle enthält. Dabei kommt es entscheidend auf die gleichzeitige Verwendung von Bor und Aluminium an. Für Mischung dieser Komponenten wird ein synergistischer Effekt ausgelobt, der zur gewünschten hohen Dichte des α-SiC-Körpers führt. Die Herstellung der Mischung aus den Ausgangsstoffen erfolgt nach üblichen Verfahren, wobei die Aufbereitung in organischen Lösemitteln als bevorzugt ausgelobt wird. In den Beispielen erfolgt die Aufbereitung in einem Gemisch aus Toluol und Ethanol. Den Sinterbedingungen kommt nur untergeordnete Bedeutung zu. Es kann sowohl unter Druck, als auch drucklos gesintert werden. Das Sintern kann in einer inerten Atmosphäre und/oder im Vakuum durchgeführt werden, wobei eine inerte Atmosphäre im Sinne der EP 0771769 A2 auch eine Stickstoffatmosphäre umfasst. Unter Vakuum versteht EP 0771769 A2 den weiten Bereich von 13,3 Pa bis 26,6 kPa, entsprechend 0,13 bis 266 mbar. Der offenbarte kombinierte Prozess aus Sintern in inerter Atmosphäre und im Vakuum wird so durchgeführt, dass sich Sintern unter Argon und Sintern im Vakuum abwechseln. Sintern unter Argon geringen Drucks wird nicht beschrieben. Es finden sich auch keine Angaben dazu, ob und wie mit dem beschriebenen Verfahren SiC-Werkstoffe mit gezielt eingestelltem elektrischem Widerstand erhalten werden können. EP 0771769 A2 (Easler) discloses the preparation of high density ceramic bodies by pyrolysis of a mixture containing a carbon source, α-SiC powder, a boron source and an aluminum source. The crucial factor here is the simultaneous use of boron and aluminum. For mixing these components, a synergistic effect is induced which leads to the desired high density of the α-SiC body. The preparation of the mixture of the starting materials is carried out by customary processes, wherein the treatment in organic solvents is preferred. In the examples, the treatment is carried out in a mixture of toluene and ethanol. The sintering conditions are of minor importance. It can be sintered under pressure as well as without pressure. The sintering can be carried out in an inert atmosphere and / or in a vacuum, wherein an inert atmosphere in the sense of EP 0771769 A2 also includes a nitrogen atmosphere. Under vacuum understands EP 0771769 A2 the wide range from 13.3 Pa to 26.6 kPa, corresponding to 0.13 to 266 mbar. The disclosed combined process of sintering in an inert atmosphere and in a vacuum is performed so that sintering under argon and sintering alternate in vacuum. Sintering under argon of low pressure is not described. There is also no information as to whether and how SiC materials with specifically adjusted electrical resistance can be obtained by the method described.

Weitere Verfahren, um SiC-basierende Werkstoffe mit geringem elektrischen Widerstand darzustellen, nutzen Zusätze leitfähiger zweiter- oder mehrerer (anorganischer) Stoffe, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die bekannteste Route dazu ist die sogenannte Silizierung, bei der ein vorverdichteter, aber noch poröser SiC-basierender Körper mit flüssigem oder gasförmigem Si oder mit Si-Verbindungen oder -Legierungen in Kontakt gebracht wird. Diese Stoffe dringen in die vorhandene Porosität ein und füllen diese, gegebenenfalls unter Reaktion mit anderen Phasen, wie freiem Kohlenstoff, vollständig aus, wodurch ein dichter Körper entsteht. Über das verbleibende freie Silizium von meist mindestens 8 Vol.-% erhält der dichte Körper einen geringen elektrischen Widerstand (= ca. 100–10–3 Ω·cm). Das freie Silizium ist jedoch dahingehend nachteilig, als dieser Werkstofftyp für diverse Einsatzfälle, z. B. für Temperaturen oberhalb 1380°C oder in stark basischen Medien nicht mehr geeignet ist.Other methods of presenting SiC-based materials with low electrical resistance use additions of conductive second or more (inorganic) materials that have electrical conductivity. The best known route to this is the so-called silicization, in which a precompressed, but still porous SiC-based body is brought into contact with liquid or gaseous Si or with Si compounds or alloys. These substances penetrate into the existing porosity and fill it, possibly in reaction with other phases, such as free carbon, completely, creating a dense body. About the remaining free silicon of usually at least 8 vol .-%, the dense body receives a low electrical resistance (= about 10 0 -10 -3 Ω · cm). However, the free silicon is disadvantageous to the extent that this type of material for various applications, eg. B. for temperatures above 1380 ° C or in strongly basic media is no longer suitable.

Weitere derartige Verfahren verwenden hohe Anteile an graphitisiertem Kohlenstoff (Partikel, Kurzfasern, Nanotubes etc.) oder sonstige thermisch beständige leitfähige anorganische Verbindungen wie Carbide, Nitride, Carbonitride, Boride, Silizide etc. von Ti, Zr, Hf, W, Mo, Nb, Ta etc.. Diesen Phasen ist gemeinsam, dass sie mindestens in einer solchen Konzentration zugesetzt werden müssen, dass sich eine sogenannte Perkolation einstellt, d. h. eine durchgängige Kontakt- oder Skelett-Struktur, was im Allgemeinen mindestens einer Konzentration von 32 Vol.-% entspricht. Damit ist klar, dass diese Phasen die Eigenschaften des SiC-basierenden Werkstoffes deutlich beeinflussen und dieser für eine Vielzahl der gewünschten Anwendungen nicht mehr in Frage kommt. Other such processes use high levels of graphitized carbon (particles, short fibers, nanotubes, etc.) or other thermally stable conductive inorganic compounds such as carbides, nitrides, carbonitrides, borides, silicides, etc. of Ti, Zr, Hf, W, Mo, Nb. Ta etc. These phases have in common that they must be added at least in such a concentration that sets a so-called percolation, ie a continuous contact or skeleton structure, which generally corresponds to at least a concentration of 32 vol .-% , It is therefore clear that these phases clearly influence the properties of the SiC-based material and that it is no longer suitable for a large number of the desired applications.

Weitere Ansätze nutzen oxidische Sinteradditive wie Seltene Erdoxide (SEO), z. B. Y2O3, Nd2O3, Yb2O3 und andere, meist in Kombination mit Al2O3 oder AlN, um SiC zu verdichten und bestimmte Eigenschaften einzustellen. Diese Additive sind in der Lage, bei hohen Temperaturen unter Mitwirkung des in SiC immer in gewissem Umfang enthaltenen Sauerstoffs eine flüssige Phase auszubilden, die eine Sinterung und Verdichtung durch sogenanntes Flüssigphasen-Sintern ermöglicht. Auf diese Weise können hochfeste, zähe, SiC-basierende Werkstoffe realisiert werden. So offenbart EP 1070686 B1 (Schwetz) ein solches Vorgehen, mit dem SiC-basierende Werkstoffe mit recht hohen spezifischen elektrischen Widerständen erhalten werden können. Dabei wird ein Pulverformkörper hergestellt und bei einem Argondruck von 2 bis 10 bar gasdruckgesintert. Nachteilig sind hier einerseits die Notwendigkeit, Seltene Erdoxide zuzugeben, deren Verfügbarkeit auf dem Weltmarkt gerade in den letzten Jahren stark zurückgegangen ist, und andererseits das vergleichsweise aufwändige Sintern unter Druck. Zudem verlieren diese Werkstoffe durch den Verbleib einer amorphen oder teilkristallinen Korngrenzphase zwischen den SiC-Körnern oberhalb 1000°C rasch an Festigkeit und die umfassende Korrosionsbeständigkeit der mittels B und C als Sinteradditive „trocken”, d. h. mittels Diffusionsprozessen gesinterten SiC-Werkstoffe geht verloren.Other approaches use oxidic sintering additives such as rare earth oxides (SEO), z. As Y 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Yb 2 O 3 and others, usually in combination with Al 2 O 3 or AlN to compress SiC and adjust certain properties. These additives are capable of forming a liquid phase at high temperatures, with the participation of the oxygen always contained to some extent in SiC, which enables sintering and densification by so-called liquid-phase sintering. In this way, high-strength, tough, SiC-based materials can be realized. So revealed EP 1070686 B1 (Schwetz) such a procedure, with the SiC-based materials can be obtained with quite high electrical resistivities. In this case, a powder molded body is produced and gas pressure sintered at an argon pressure of 2 to 10 bar. Disadvantages here are, on the one hand, the need to admit rare earth oxides, whose availability on the world market has declined sharply in recent years, and, on the other hand, the comparatively complicated sintering under pressure. In addition, these materials lose by the fate of an amorphous or semi-crystalline grain boundary phase between the SiC grains above 1000 ° C rapidly strength and the comprehensive corrosion resistance of B and C as sintering additives "dry", ie sintered by diffusion SiC materials is lost.

Somit ist im Stand der Technik keine Anweisung zu finden, in SiC-basierende gesinterte Werkstoffe unter Verwendung der typischen Sinterhilfsmittel B (Bor) und C (Kohlenstoff), die auch die typischen mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften „trocken” gesinterter SiC-Werkstoffe aufweisen, durch geringe Zusätze, welche die genannten typischen Eigenschaften dieser Werkstoffe kaum beeinflussen, den spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur gezielt zwischen „hoch” und „gering” einzustellen.Thus, there is no indication in the prior art of SiC-based sintered materials using the typical sintering aids B (boron) and C (carbon) which also have the typical "dry" sintered SiC materials mechanical, chemical and thermal properties , By small additions, which hardly affect the mentioned typical properties of these materials to set the specific electrical resistance at room temperature targeted between "high" and "low".

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung SiC-basierender Werkstoffe zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, ausgehend von gut verfügbaren Rohstoffen technischer Qualität dichte keramische Sinterkörper herzustellen, und dabei durch einfache Maßnahmen den elektrischen Gleichstromwiderstand der Werkstoffe im Bereich von 102 bis 108 Ω·cm (25°C) gezielt einzustellen. Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung, SiC-basierende Werkstoffe zur Verfügung zu stellen, die einen elektrischen Gleichstromwiderstand im Bereich von „stark isolierend” (= ca. 108 Ω·cm) bis „gut leitfähig” (= ca. 102 Ω·cm) und gleichzeitig gute mechanische Eigenschaften aufweisen, die deren Einsatz unter hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen erlauben. Insbesondere sollen diese Werkstoffe bzw. daraus gefertigte Bauteile oder Komponenten aus Rohstoffen technischer Reinheit und durch ein einfaches wässriges Aufbereitungsverfahren der Ausgangsmischung und ein technisch und wirtschaftlich günstiges Sinterverfahren kostengünstig und wettbewerbsfähig herzustellen sein. Derartige gesinterte Struktur- oder Konstruktionsbauteile sind für viele Bereiche der Technik, wie den Hochtemperatur-Ofenbau, den Maschinen-, Geräte- und Apparatebau mit dem Spezialbereich der Dichtungstechnik, die Halbleiter- und Sputtertechnik, aber auch für die Elektronik und die Chemie- und Sensortechnik von großer Bedeutung.The object of the present invention was to provide a process for the production of SiC-based materials, which makes it possible to produce dense ceramic sintered bodies from readily available raw materials of technical quality, and by simple measures the DC electrical resistance of the materials in the range of 10 2 to 10 8 Ω · cm (25 ° C) targeted. A further object of the invention is to provide SiC-based materials which have an electrical direct current resistance in the range from "strongly insulating" (= approx. 10 8 Ω.cm) to "highly conductive" (= approx. 10 2 Ω. cm) and at the same time have good mechanical properties which allow their use under high mechanical and / or thermal loads. In particular, these materials or components or components made therefrom from raw materials of technical purity and by a simple aqueous treatment process of the starting mixture and a technically and economically favorable sintering process should be inexpensive and competitive to produce. Such sintered structural or design components are for many areas of technology, such as the high-temperature furnace construction, the machinery, equipment and apparatus construction with the special field of sealing technology, the semiconductor and sputtering, but also for electronics and chemical and sensor technology of great importance.

Es wurde nun gefunden, dass sich keramische Werkstoffe auf Basis von Siliziumcarbid mit gezielt eingestelltem elektrischem Gleichstromwiderstand bei 25°C im Bereich von 102 bis 108 Ω·cm und vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhalten lassen, wenn eine definierte Mischung an Ausgangsstoffen unter geringem Druck in einer Inertgasatmosphäre gesintert wird.It has now been found that ceramic materials based on silicon carbide with specifically adjusted electrical DC resistance at 25 ° C. in the range of 10 2 to 10 8 Ω · cm and advantageous mechanical properties can be obtained if a defined mixture of starting materials under low pressure in sintered in an inert gas atmosphere.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sinterkörpers auf Basis von Siliziumcarbid, umfassend das Sintern eines Pulverformkörpers, enthaltend

  • a. mindestens 88 Gew.-% Siliziumcarbid,
  • b. mindestens ein borhaltiges Additiv, in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, berechnet als Bor,
  • c. Kohlenstoff und/oder mindestens ein Kohlenstoffquellenmaterial, das beim Sinterprozess freien Kohlenstoff liefert, in einer Menge, die 0,5 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff entspricht,
  • d. mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv in einer Menge von 0 bis 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff,
  • e. und mindestens ein aluminiumhaltiges Additiv in einer Menge von 0 bis 2,0 Gew.-%, berechnet als Aluminium, mit der Maßgabe, dass ein aluminiumhaltiges Additiv nur dann enthalten sein darf, wenn der Pulverformkörper auch mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv enthält,
wobei sämtliche Mengenangaben auf die Summe der Bestandteile des Pulverformkörpers bezogen sind, und wobei das Sintern in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 1 bis 100 mbar durchgeführt wird.The subject of the present invention is therefore a process for producing a ceramic sintered body based on silicon carbide, comprising sintering a powder shaped body containing
  • a. at least 88% by weight of silicon carbide,
  • b. at least one boron-containing additive, in an amount of 0.1 to 1.5 wt .-%, calculated as boron,
  • c. Carbon and / or at least one carbon source material that provides free carbon in the sintering process in an amount corresponding to 0.5 to 3 wt.% Carbon,
  • d. at least one nitrogen-containing additive in an amount of 0 to 2.3% by weight, calculated as nitrogen,
  • e. and at least one aluminum-containing additive in an amount of 0 to 2.0 wt .-%, calculated as aluminum, with the proviso that an aluminum-containing additive may be included only if the powder molded body also contains at least one nitrogen-containing additive,
wherein all quantities are based on the sum of the constituents of the powder molding, and wherein the sintering is carried out in an inert gas atmosphere at a pressure of 1 to 100 mbar.

Bei den Mengenangaben handelt es sich um die Gesamtmengen der jeweiligen Komponenten. Enthält der Pulverformkörper beispielsweise mehrere borhaltige Additive, so muss die Gesamtmenge aller borhaltigen Additive im Bereich von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, berechnet als Bor, liegen, nicht etwa die Menge jedes einzelnen borhaltigen Additivs. Mit anderen Worten darf die Gesamtmenge an Bor im Pulverformkörper 1,5 Gew.-% nicht überschreiten.The quantities are the total quantities of the respective components. For example, if the powder molded article contains a plurality of boron-containing additives, the total amount of all boron-containing additives must be in the range from 0.1 to 1.5% by weight, calculated as boron, not the amount of each individual boron-containing additive. In other words, the total amount of boron in the powder molded article may not exceed 1.5% by weight.

Unter einem keramischen Sinterkörper ist jeder dreidimensionale Körper zu verstehen, der durch Sintern eines keramischen Pulverformkörpers und gegebenenfalls mechanische und/oder chemische Nachbehandlung erhalten wird. Es kann sich um eine einfache geometrische Form, wie eine Scheibe, einen Zylinder oder einen kurzen, rohrförmigen Körper handeln. Der Sinterkörper kann jedoch auch eine an den jeweiligen Einsatzzweck angepasste komplexe Geometrie aufweisen. In der Literatur wird oftmals statt von einem keramischen Sinterkörper allgemein von einem keramischen Werkstoff gesprochen, so dass auch im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beide Begriffe synonym gebraucht werden.A ceramic sintered body is understood to mean any three-dimensional body which is obtained by sintering a ceramic powder molded body and, if appropriate, mechanical and / or chemical aftertreatment. It may be a simple geometric shape, such as a disk, a cylinder or a short, tubular body. However, the sintered body may also have a complex geometry adapted to the respective application. In the literature is often spoken of a ceramic material instead of a ceramic sintered body, so that both terms are used synonymously in the context of the present application.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein einfaches Sinterverfahren, bei dem die erwünschte Form des keramischen Sinterkörpers und damit des gewünschten Bauteils oder der gewünschten Komponente aus einem nach verschiedenen, bekannten Verfahren hergestellten Vorkörper (synonym: „Grünling”, „Grünkörper”, „Pulverformkörper”) bereits im ungesinterten Zustand („Grünzustand”) erzeugt wird. Im einfachsten Fall wird dazu der Pulverformkörper, z. B. durch Formpressen, bereits in der gewünschten Form erzeugt. Um komplexere Formen zu realisieren, kann der Pulverformkörper mit einfachen Werkzeugen durch Drehen, Bohren, Fräsen, Sägen etc. nachbearbeitet werden. Übliche Verfahren zur Herstellung der Pulverformkörper sind das axiale oder isostatische Pressen, das Extrudieren, das Schlickergießen, das Spritzgießen etc. Die Pulverformkörper werden um die bei der Sinterung eintretende Schwindung größer gestaltet, so dass nach dem Sintern ein endkonturnaher Körper vorliegt, der nur noch an Funktionsflächen, sowie zur Einstellung ganz exakter Abmessungen oder von Form- und Lagetoleranzen bearbeitet werden muss. Dieser deutlich geringere Bearbeitungsaufwand ist ein großer technischer und wirtschaftlicher Vorteil gegenüber dem Heißpress-Verfahren und auch dem heiß-isostatischen Pressen (HIP). Der elektrische Gleichstromwiderstand bei 25°C Isst sich erfindungsgemäß sehr einfach durch Wahl der Ausgangsstoffe in einem Bereich von 102 bis 108 Ω·cm einstellen. Die so erhältlichen keramischen Sinterkörper zeichnen sich neben den gewünschten elektrischen Eigenschaften insbesondere durch eine Dichte von mindestens 94% der theoretischen Dichte, bestimmt mittels des Wasserverdrängungsverfahrens nach Archimedes, und vorteilhafte mechanische Eigenschaften aus. SiC-Sinterkörper ab einem Verdichtungsgrad von mindestens 94% der theoretischen Dichte weisen gemäß Theorie keine offene Porosität mehr auf und werden daher auch als „dicht” bezeichnet.The method according to the invention is a simple sintering method in which the desired shape of the ceramic sintered body and thus of the desired component or the desired component is made of a preform produced by various known methods (synonym: "green body", "green body", " Pulverformkörper ") already in the unsintered state (" green state ") is generated. In the simplest case, the powder molded body, z. B. by molding, already produced in the desired shape. In order to realize more complex shapes, the powder molding can be finished with simple tools by turning, drilling, milling, sawing, etc. Conventional methods for producing the powder molded articles are axial or isostatic pressing, extrusion, slip casting, injection molding, etc. The powder molded articles are made larger by the shrinkage occurring during sintering, so that after sintering a body close to the final contours is present Function surfaces, as well as to set very precise dimensions or shape and position tolerances must be edited. This significantly lower processing cost is a great technical and economic advantage over the hot pressing process and also the hot isostatic pressing (HIP). The electrical DC resistance at 25 ° C is according to the invention very easy to adjust by selecting the starting materials in a range of 10 2 to 10 8 Ω · cm. The ceramic sintered bodies obtainable in this way are distinguished not only by the desired electrical properties but also by a density of at least 94% of the theoretical density, determined by means of the Archimedes water displacement method, and advantageous mechanical properties. SiC sintered bodies from a degree of compaction of at least 94% of the theoretical density have no open porosity according to theory and are therefore also referred to as "dense".

Erfindungsgemäß werden geeignete Pulverformkörper unter vergleichsweise milden Bedingungen gesintert. Das Sintern erfolgt in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 1 bis 100 mbar. Unter einer Inertgasatmosphäre ist dabei eine Atmosphäre zu verstehen, die keinen Bestandteil enthält, der unter Sinterbedingungen mit einem der Bestandteile des Pulverformkörpers abreagiert. Insbesondere ist die Sinteratmosphäre frei von reaktiven Gasen, insbesondere frei von N2, H2 und O2. Vorzugsweise wird in einer Atmosphäre der Edelgase Helium, Neon und/oder Argon gearbeitet. Besonders bevorzugt erfolgt das Sintern in einer Argonatmosphäre.According to the invention, suitable shaped powder articles are sintered under comparatively mild conditions. The sintering takes place in an inert gas atmosphere at a pressure of 1 to 100 mbar. Under an inert gas atmosphere is an atmosphere to understand that contains no ingredient that reacts under sintering conditions with one of the constituents of the powder molding. In particular, the sintering atmosphere is free of reactive gases, in particular free of N 2 , H 2 and O 2 . Preferably, helium, neon and / or argon are used in an atmosphere of noble gases. Particularly preferably, the sintering takes place in an argon atmosphere.

Der erfindungsgemäß vorgesehene niedrige Gasdruck beim Sintern hat sich bewährt und fördert die Temperaturhomogenität im Sinterofen und die konvektive Wärmeübertragung. Ein deutlich höherer Druck führt zu noch stärkerer Konvektion und damit zu Wärmeverlusten durch Förderung des Wärmetransports auch zur üblicherweise gekühlten metallischen Ofenwandung. Des Weiteren kommt es zu einer Sinterbehinderung durch Einschluss von Inertgas in sich schließende Poren. Geringere. Drucke als 1 mbar schließen einen konvektiven Wärmetransport aus und fördern Temperaturgradienten, da der hauptsächliche Wärmetransport bei der Sinterung durch Strahlung erfolgt und es dadurch sehr leicht zu Abschattungen im Bereich des Sintergutes kommen kann.The inventively provided low gas pressure during sintering has been proven and promotes the temperature homogeneity in the sintering furnace and the convective heat transfer. A significantly higher pressure leads to even more convection and thus to heat loss by promoting the heat transfer to the usually cooled metallic furnace wall. Furthermore, there is a sintering obstruction due to the inclusion of inert gas in closing pores. Lower. Prints as 1 mbar preclude convective heat transport and promote temperature gradients, since the main heat transfer occurs during sintering by radiation, which can very easily lead to shading in the area of the sintered material.

Der Sinterdruck beträgt erfindungsgemäß vorzugsweise 2 bis 80 mbar, besonders bevorzugt 3 bis 60 mbar, ganz besonders bevorzugt 4 bis 40 mbar und insbesondere bevorzugt 5 bis 25 mbar.The sintering pressure according to the invention is preferably 2 to 80 mbar, particularly preferably 3 to 60 mbar, very particularly preferably 4 to 40 mbar and particularly preferably 5 to 25 mbar.

Es hat sich gezeigt, dass sich unter den erfindungsgemäßen Bedingungen SiC-Sinterkörper erhalten lassen, die eine Dichte von mindestens 94% der theoretischen Dichte aufweisen und damit als „dicht” bezeichnet werden können.It has been found that it is possible to obtain SiC sintered bodies under the conditions according to the invention which have a density of at least 94% of the theoretical density and can therefore be referred to as "dense".

Wird statt in Inertgasatmosphäre in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre gesintert, konnte unter atmosphärischem N2-Druck selbst bei 2200°C keine Dichte ≥ 94% der theoretischen Dichte erzielt werden. Unter reduziertem Gasdruck wird bei gleichen Sintertemperaturen in N2-Atmosphäre immer eine geringere Sinterdichte als in Inertgas-Atmosphäre erhalten. Dies zeigt die technologischen Vorteile des Sinterns unter reduziertem Inertgasdruck, auch unter dem Aspekt der Energieeffizienz, da unter atmosphärischen Gasdrucken die Wärmeverluste wesentlich höher sind, erkennbar an den deutlich höheren notwendigen elektrischen Leistungen zum Erreichen der Zieltemperatur. Dies zeigt, dass das Sintern von SiC-Pulverformkörpern in N2-haltiger Atmosphäre kein probates Mittel ist, bestimmte N2-Gehalte in den Sinterkörpern einzustellen, da es zu einer Sinterbehinderung kommt, verbunden mit Problemen, das angestrebte Spektrum an Eigenschaften zu erreichen und es außerdem noch energetisch ungünstiger ist. If sintered in a nitrogen-containing atmosphere instead of in an inert gas atmosphere, no density ≥ 94% of the theoretical density could be achieved under atmospheric N 2 pressure even at 2200 ° C. Under reduced gas pressure is always obtained at the same sintering temperatures in N 2 atmosphere, a lower sintering density than in an inert gas atmosphere. This shows the technological advantages of sintering under reduced inert gas pressure, also under the aspect of energy efficiency, since at atmospheric gas pressures the heat losses are significantly higher, recognizable by the much higher electrical power required to reach the target temperature. This shows that the sintering of SiC powder molded articles in N 2 -containing atmosphere is not an effective means to adjust certain N 2 contents in the sintered bodies, since it comes to a sintering obstruction, combined with problems to achieve the desired range of properties and it is also still energetically unfavorable.

Vorzugsweise wird das Sintern bei einer für einen Sinterprozess vergleichsweise niedrigen Temperatur durchgeführt. Vorzugsweise liegt die Sintertemperatur bei 2000°C bis 2200°C, besonders bevorzugt bei 2025°C bis 2150°C und ganz besonders bevorzugt bei 2050°C bis 2125°C.Preferably, the sintering is performed at a comparatively low temperature for a sintering process. Preferably, the sintering temperature is from 2000 ° C to 2200 ° C, more preferably from 2025 ° C to 2150 ° C, and most preferably from 2050 ° C to 2125 ° C.

Sintertemperaturen < 2000°C führen bei mit üblichen B- und C-Konzentrationen versetzten SiC-Sinteransätzen in der Regel zu Dichten < 3,0 g/cm3, d. h. zu SiC-Sinterkörper, die eine Dichte kleiner 94% der theoretischen Dichte aufweisen, und damit nicht als dicht bezeichnet werden können. Sintertemperaturen > 2200°C können dagegen bereits zu exzessivem Kornwachstum führen, das die mechanischen Eigenschaften der SiC-Sinterkörper verschlechtert.Sintering temperatures <2000 ° C usually lead to densities <3.0 g / cm 3 , ie to SiC sintered bodies having a density of less than 94% of the theoretical density in the case of SiC sintered mixtures mixed with customary B and C concentrations. and thus can not be described as dense. In contrast, sintering temperatures> 2200 ° C. can already lead to excessive grain growth, which deteriorates the mechanical properties of the SiC sintered bodies.

Übliche Haltezeiten bei den spezifizierten Sintertemperaturen sind, je nach Größe, Komplexität und insbesondere Wandstärke des zu sinternden Pulverformkörpers 30 min bis 5 h, bevorzugt 1 bis 3 h.Usual hold times at the specified sintering temperatures are, depending on the size, complexity and in particular wall thickness of the powder shaped body to be sintered, for 30 minutes to 5 hours, preferably 1 to 3 hours.

Bevorzugt erfolgt das Sintern in Ofenanlagen, die alle thermischen Prozesse in einem Zyklus ermöglichen, ohne das zu sinternde Material von einem Aggregat in ein anderes umsetzen zu müssen. Unter den thermischen Prozessen soll das „Entbindern”/Ausheizen der temporären Prozesshilfsmittel, gegebenenfalls die Pyrolyse von Kohlenstoffquellenmaterial („C-Lieferanten”) und schließlich der Sinterprozess selbst verstanden werden. Diese Vorgehensweise trägt dazu bei, kostengünstig zu agieren und Ausschuss und Schädigungen weitgehend zu vermeiden. Erfindungsgemäß erfolgt das Sintern daher bevorzugt in einem einzigen thermischen Prozess, d. h. das Sintern des Pulverformkörpers entspricht einem kombinierten Binderausbrand-, Pyrolyse- und Sinterzyklus.Preferably, the sintering takes place in furnace systems, which allow all thermal processes in a cycle, without having to convert the material to be sintered from one unit to another. Thermal processes should be understood to mean the "debinding" / annealing of the temporary process auxiliaries, if appropriate the pyrolysis of carbon source material ("C suppliers") and finally the sintering process itself. This approach helps to operate cost-effectively and to largely avoid rejects and damage. According to the invention, the sintering is therefore preferably carried out in a single thermal process, d. H. the sintering of the powder shaped body corresponds to a combined Binderausbrand-, pyrolysis and sintering cycle.

Der erfindungsgemäß zu sinternde Pulverformkörper enthält mindestens 88 Gew.-% Siliziumcarbid. Vorzugsweise enthält er mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 91,5 Gew.-% Siliziumcarbid.The powder molded article to be sintered according to the invention contains at least 88% by weight of silicon carbide. Preferably, it contains at least 90% by weight, more preferably at least 91.5% by weight of silicon carbide.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Siliziumcarbid um α-SiC, besonders bevorzugt um α-SiC technischer Qualität, das Verunreinigungen ausgewählt aus Fe, Mg, Ti und Ca in einer Gesamtkonzentration von 250 ppm bis 750 ppm enthält. Dabei ist das Siliziumcarbid vorzugsweise bereits auf mindestens eine Feinheit von 10 m2/g (nach BET) und/oder einen d-95 Kennwert der Teilchengrößen-Verteilung von ≤ 5 μm (bestimmt mittels Laserbeugung) voraufbereitet.Preferably, the silicon carbide is α-SiC, more preferably a technical grade α-SiC containing impurities selected from Fe, Mg, Ti and Ca in a total concentration of 250 ppm to 750 ppm. In this case, the silicon carbide is preferably already pre-processed to at least a fineness of 10 m 2 / g (according to BET) and / or a d-95 characteristic of the particle size distribution of ≦ 5 μm (determined by means of laser diffraction).

Der erfindungsgemäß zu sinternde Pulverformkörper enthält weiterhin mindestens ein borhaltiges Additiv in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, berechnet als Bor. Vorzugsweise enthält er das mindestens eine borhaltige Additiv in einer Menge von 0,2 bis 1,2 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 1,0 Gew.-%, jeweils berechnet als Bor.The powder molded article to be sintered according to the invention also contains at least one boron-containing additive in an amount of from 0.1 to 1.5% by weight, calculated as boron. It preferably contains at least one boron-containing additive in an amount of from 0.2 to 1.2 Wt .-%, particularly preferably 0.3 to 1.0 wt .-%, each calculated as boron.

Vorzugsweise wird als borhaltiges Additiv ein Borcarbid eingesetzt, besonders bevorzugt ein feinteiliges, technisches B4C-Pulver mit einem d-95 Kennwert der Teilchengrößen-Verteilung von ≤ 10 μm, bestimmt mittels Laserbeugung.A boron carbide is preferably used as the boron-containing additive, particularly preferably a finely divided, technical B 4 C powder with a d-95 characteristic of the particle size distribution of ≦ 10 μm, determined by means of laser diffraction.

Schließlich enthält der erfindungsgemäß zu sinternde Pulverformkörper freien Kohlenstoff und/oder mindestens ein Kohlenstoffquellenmaterial, das beim Sinterprozess freien Kohlenstoff, liefert, in einer Menge, die 0,5 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,75 bis 2,75 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,0 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff entspricht.Finally, the powder molded article to be sintered according to the invention contains free carbon and / or at least one carbon source material which gives free carbon during the sintering process, in an amount which amounts to 0.5 to 3% by weight, preferably 0.75 to 2.75% by weight. %, particularly preferably 1.0 to 2.5 wt .-% corresponds to carbon.

Als „frei” oder auch „ungebunden” wird Kohlenstoff bezeichnet, der nicht mit einem anderen Element chemisch verbunden ist, wie dies etwa im Siliziumcarbid der Fall ist.Carbon is referred to as "free" or "unbound", which is not chemically bonded to another element, as is the case in silicon carbide, for example.

Der freie Kohlenstoff kann beispielsweise in Form von elementarem Kohlenstoff, etwa in Form von Graphit zugegeben werde. Vorzugsweise kommt jedoch ein Kohlenstoffquellenmaterial zum Einsatz, d. h. eine kohlenstoffhaltige Verbindung, die unter Sinterbedingungen pyrolysiert und dabei freien Kohlenstoff freisetzt. Beispielsweise können phenolische Harze oder kommerziell erhältliche wässrige C-Pasten eingesetzt werden. The free carbon can be added, for example, in the form of elemental carbon, for example in the form of graphite. Preferably, however, a carbon source material is used, ie a carbon-containing compound which pyrolyzes under sintering conditions and thereby releases free carbon. For example, phenolic resins or commercially available aqueous C-pastes can be used.

Neben den zwingenden Bestandteilen kann der erfindungsgemäß zu sinternde Pulverformkörper gegebenenfalls noch mindestens ein temporäres Prozesshilfsmittel enthalten. Dieses erleichtert die Herstellung des Pulverformkörpers aus der Mischung der Ausgangsstoffe. Als temporäre Prozesshilfsmittel kommen die üblichen, dem Fachmann bekannten Stoffe in Frage, beispielsweise organische Polymere, wie Polyvinylacetate oder Polyethylenglykole. Es sei darauf hingewiesen, dass die temporären Prozesshilfsmittel gegebenenfalls zum Anteil an freiem Kohlenstoff im Pulverformkörper beitragen und in diesem Fall bei der Ermittlung der Menge an freiem Kohlenstoff zu berücksichtigen sind. Abgesehen davon bleiben die Prozesshilfsmittel bei der Ermittlung der Mengen der Bestandteile des Pulverformkörpers außer Betracht. Mit anderen Worten beziehen sich die Mengenangaben der Bestandteile des Pulverformkörpers auf die Summe der Bestandteile des Pulverformkörpers ohne die gegebenenfalls vorhandenen temporären Prozesshilfsmittel.In addition to the mandatory constituents, the powder molding to be sintered according to the invention may optionally contain at least one temporary processing aid. This facilitates the production of the powder molded article from the mixture of the starting materials. Temporary process auxiliaries are the customary substances known to the person skilled in the art, for example organic polymers, such as polyvinyl acetates or polyethylene glycols. It should be noted that the temporary process auxiliaries may contribute to the proportion of free carbon in the powder molding and, in this case, should be taken into account when determining the amount of free carbon. Apart from that, the processing aids are not considered in the determination of the amounts of the components of the powder molding. In other words, the quantities of the constituents of the powder molded article relate to the sum of the constituents of the powder molded article without the optionally present temporary process auxiliaries.

Zur Einstellung des gewünschten elektrischen Gleichstromwiderstands im keramischen Sinterkörper enthält der Pulverformkörper vorzugsweise weiterhin mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv in einer Menge von bis zu 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff. Vorzugsweise liegt der Gehalt des stickstoffhaltigen Additivs bei 0,01 bis 2,3 Gew.-%, besonders bevorzugt bei 0,1 bis 2,2 Gew.-%, jeweils berechnet als Stickstoff. Dabei werden als stickstoffhaltiges Additiv vorzugsweise Si3N4 und/oder AlN, besonders bevorzugt Si3N4, eingesetzt. Erfindungsgemäß darf die Menge an stickstoffhaltigem Additiv den Grenzwert von 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff, im Pulverformkörper nicht überschreiten, da sich gezeigt hat, dass bei Einsatz höherer Mengen die resultierenden Sinterkörper nicht mehr dicht sind.To set the desired DC electrical resistance in the ceramic sintered body, the powder molded article preferably further contains at least one nitrogen-containing additive in an amount of up to 2.3% by weight, calculated as nitrogen. Preferably, the content of the nitrogen-containing additive is 0.01 to 2.3 wt .-%, particularly preferably 0.1 to 2.2 wt .-%, each calculated as nitrogen. In this case, the nitrogen-containing additive used is preferably Si 3 N 4 and / or AlN, particularly preferably Si 3 N 4 . According to the invention, the amount of nitrogen-containing additive must not exceed the limit of 2.3 wt .-%, calculated as nitrogen, in the powder molded article, since it has been found that when using higher amounts, the resulting sintered bodies are no longer tight.

Bereits ein Gehalt von 0,5 Gew.-% Si3N4-Pulver im Pulverformkörper erhöht den spezifischen elektrischen Widerstand des daraus hergestellten Sinterkörpers um ca. 2 Zehnerpotenzen im Vergleich zur Verwendung eines entsprechenden Pulverformkörpers ohne Zusatz eines stickstoffhaltigen Additivs. Zusatz von 1 und 2 Gew.-% Si3N4-führen zu einer Steigerung des elektrischen Widerstandes um ca. 3 Zehnerpotenzen, ohne die guten mechanischen Eigenschaften des Sinterkörpers negativ zu beeinflussen. Eine Erhöhung der Konzentration des Si3N4-Zusatzes auf 4 bzw. 6 Gew.-% vermindert jedoch überraschenderweise den spezifischen elektrischen Widerstand wieder. Eine Erklärung für die Ursachen dieses ungewöhnlichen Verhaltens konnten die durchgeführten Untersuchungen nicht liefern. Möglicherweise steht dies im Zusammenhang mit einem Überschreiten der Löslichkeitsgrenze von N in SiC. Noch höhere Zusatzmengen an Si3N4-Pulver führen dazu, dass keine dichten Sinterkörper mehr erhalten werden. Daher beträgt die maximale Menge an stickstoffhaltigem Additiv im Pulverformkörper 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff.Even a content of 0.5 wt .-% Si 3 N 4 powder in the powder molded body increases the electrical resistivity of the sintered body produced therefrom by about 2 orders of magnitude compared to the use of a corresponding powder molded article without the addition of a nitrogen-containing additive. Addition of 1 and 2 wt .-% Si 3 N 4 lead to an increase in electrical resistance by about 3 orders of magnitude without affecting the good mechanical properties of the sintered body negative. However, increasing the concentration of the Si 3 N 4 additive to 4 or 6% by weight surprisingly reduces the specific electrical resistance again. An explanation for the causes of this unusual behavior could not provide the investigations carried out. This may be related to exceeding the solubility limit of N in SiC. Even higher addition amounts of Si 3 N 4 powder cause that no dense sintered bodies are obtained. Therefore, the maximum amount of nitrogen-containing additive in the powder molded body is 2.3 wt .-%, calculated as nitrogen.

Sofern der Pulverformkörper mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv enthält, kann er weiterhin mindestens ein aluminiumhaltiges Additiv in einer Menge von bis zu 2,0 Gew.-%, vorzugsweise von 0,01 bis 2,0 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,1 bis 1,9 Gew.-%, jeweils berechnet als Aluminium, enthalten. Vorzugsweise kommt als aluminiumhaltiges Additiv Al und/oder AlN zum Einsatz. AlN fungiert dabei naturgemäß sowohl als stickstoffhaltiges Additiv, als auch als aluminiumhaltiges Additiv. Enthält der Pulverformkörper lediglich ein aluminiumhaltiges Additiv, jedoch keine Stickstoffquelle, so lassen sich bei Zugabe geringer Mengen des aluminiumhaltigen Additivs keine Effekte auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Sinterkörper erzielen und bei Zugabe hoher Mengen des aluminiumhaltigen Additivs keine dichten SiC-Sinterkörper mehr erhalten.If the powder molded article contains at least one nitrogen-containing additive, it may further contain at least one aluminum-containing additive in an amount of up to 2.0% by weight, preferably from 0.01 to 2.0% by weight, more preferably from 0.1 to 1.9 wt .-%, each calculated as aluminum. The aluminum-containing additive used is preferably Al and / or AlN. Naturally, AlN acts both as a nitrogen-containing additive and as an aluminum-containing additive. Contains the powder molded body only an aluminum-containing additive, but no nitrogen source, can be achieved with the addition of small amounts of the aluminum-containing additive no effects on the mechanical and electrical properties of the sintered body and on the addition of high amounts of the aluminum-containing additive no dense SiC sintered body more.

Besonders bevorzugt wird als aluminiumhaltiges Additiv ein passiviertes Aluminiumpulver, ganz besonders bevorzugt ein passiviertes Al-Pulver mit einer Feinheit von ≤ 10 μm (d-95 Kennwert der Teilchengrößen-Verteilung von ≤ 10 μm, bestimmt mittels Laserbeugung) zum Einsatz. Der Einsatz passivierter Al-Pulver erlaubt eine wässrige Aufbereitung eines Gemischs der Ausgangsstoffe bei der Herstellung des Pulverformkörpers.Particularly preferred aluminum-containing additive is a passivated aluminum powder, very particularly preferably a passivated Al powder with a fineness of ≦ 10 μm (d-95 characteristic of the particle size distribution of ≦ 10 μm, determined by means of laser diffraction). The use of passivated Al powder allows aqueous treatment of a mixture of the starting materials in the preparation of the powder molded body.

In einer besonderen Ausführungsform besteht der eingesetzte Pulverformkörper ausschließlich aus den genannten oben genannten Bestandteilen in den angegebenen Mengen. Mit anderen Worten ergänzen sich in diesem Fall die Mengen an Siliziumcarbid, borhaltigen Additiven, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffquellenmaterial, und gegebenenfalls stickstoffhaltigen Additiven und aluminiumhaltigen Additiven zu 100%, wobei lediglich temporäre Prozesshilfsmittel als weitere Bestandteile des Pulverformkörpers zugelassen sind.In a particular embodiment, the powder molded body used consists exclusively of the aforementioned abovementioned constituents in the stated amounts. In other words, in this case, the amounts of silicon carbide, boron-containing additives, carbon and / or carbon source material, and optionally nitrogen-containing additives and aluminum-containing additives add up to 100%, with only temporary process auxiliaries being permitted as further constituents of the powder molding.

Die Herstellung des Pulverformkörpers kann nach den bekannten Verfahren erfolgen. Dazu werden die Ausgangsstoffe in der Regel in einem flüssigen Medium gemeinsam aufbereitet und gemischt, wobei ein sogenannter Schlicker entsteht, der Schlicker dann gegebenenfalls getrocknet und der Schlicker oder das beim Trocknen entstehende Granulat zu einem Formkörper geformt. The preparation of the powder molded article can be carried out by the known methods. For this purpose, the starting materials are generally prepared and mixed together in a liquid medium, wherein a so-called slip is formed, the slip then optionally dried and formed the slurry or the resulting granules during drying to form a shaped body.

Die bei der gemeinsamen Aufbereitung erhaltenen homogenisierten und dispergierten Schlicker können entweder auf direktem Wege zur Herstellung schlickergegossener Formkörper verwendet werden oder auf einfache und kostengünstige Weise, durch z. B. Sprühtrocknen, Wirbelschicht-Trocknen oder ein anderes geeignetes technisches Verfahren in ein gut weiter verarbeitbares Granulat überführt werden, das dann in die gewünschte Form gebracht wird.The homogenized and dispersed slip obtained in the combined treatment can either be used directly for the production slip-molded molded body or in a simple and cost-effective manner, by z. As spray drying, fluidized bed drying or other suitable technical process can be converted into a well-processed granules, which is then brought into the desired shape.

Prinzipiell können für die Formgebung neben dem bereits erwähnten Schlickergießen auch das Foliengießen, Extrudieren oder Spritzgießen angewandt werden. Größere, flächige Bauteile werden bevorzugt durch axiales (Matrizen-)Pressen geformt, größere komplex geformte Bauteile werden jedoch bevorzugt durch isostatisches Pressen (CIP) der granulierten Rohstoffmischung vorgeformt und durch eine sogenannte Grünbearbeitung mit konventionellen Werkzeugstahl- oder Hartmetall-Werkzeugen durch Drehen, Bohren, Fräsen, etc. möglichst endkonturnah gestaltet, allerdings um den Faktor der beim Sintern auftretenden Schwindung vergrößert. Auch dies sind technisch und wirtschaftlich günstige Verfahren und können bei der wirtschaftlichen Herstellung der SiC-basierenden Sinterkörper eingesetzt werden.In principle, in addition to the already mentioned Schlickergießen also the film casting, extrusion or injection molding can be applied for the shaping. Larger, flat components are preferably formed by axial (die) pressing, but larger complex shaped components are preferably preformed by isostatic pressing (CIP) of the granulated raw material mixture and by a so-called green machining with conventional tool steel or carbide tools by turning, drilling, Milling, etc. designed as near net shape, but increased by the factor of shrinkage occurring during sintering. These are also technically and economically favorable methods and can be used in the economical production of the SiC-based sintered bodies.

Vorzugsweise wird die Aufbereitung der Ausgangsstoffe wässrig durchgeführt.Preferably, the treatment of the starting materials is carried out aqueous.

Nach dem Sintern unter den erfindungsgemäßen Bedingungen können sich zur Herstellung der Endprodukte aus den Sinterformkörpern noch verschiedene Nachbehandlungsschritte anschließen. So kann beispielsweise ein Sintern bei Normaldruck, ein Gasdruck-Sintern oder ein Sinter-Heißisostatisches-Pressen in N2 oder einer N2-enthaltenden Atmosphäre durchgeführt werden. In der Regel ist dies jedoch zum Erzielen der gewünschten Eigenschaften der Sinterformkörper nicht notwendig.After sintering under the conditions according to the invention, various post-treatment steps may follow for the production of the end products from the sintered shaped bodies. Thus, for example, sintering at atmospheric pressure, gas pressure sintering or sintering-hot isostatic pressing in N 2 or an N 2 -containing atmosphere can be performed. As a rule, however, this is not necessary for achieving the desired properties of the sintered shaped bodies.

Im Regelfall werden nur noch eng tolerierte Dimensionen, geforderte Form- und Lagetoleranzen, sowie Oberflächenzustände, insbesondere durch Schleifen erzeugt, was auf Grund der Härte der gesinterten SiC-Teile die Verwendung von Diamantwerkzeugen erfordert. Aufgrund der Möglichkeit, über die Grünbearbeitung komplexe Teile mit nur geringem Aufmass gegenüber den Endabmessungen zu realisieren, ergeben sich dafür deutlich geringere Hartbearbeitungs-Aufwände und ganz wesentliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber einem Heißpress- oder HIP-Verfahren.As a rule, only closely toleranced dimensions, required shape and position tolerances, and surface conditions, in particular by grinding, are generated, which requires the use of diamond tools due to the hardness of the sintered SiC parts. Due to the possibility of realizing complex parts by green machining with only a small measure compared to the final dimensions, this results in significantly less hardworking effort and very significant economic advantages over a hot-pressing or HIP process.

Die resultierenden keramischen Sinterkörper auf Basis von Siliziumcarbid zeichnen sich neben ihrer hohen Dichte und dem gezielt eingestellten elektrischen Gleichstromwiderstand auch durch vorteilhafte mechanische Eigenschaften und damit insgesamt durch ein einzigartiges Eigenschaftsprofil aus.The resulting ceramic sintered bodies based on silicon carbide are distinguished not only by their high density and the specifically set electrical DC resistance but also by advantageous mechanical properties and thus by a unique property profile.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind daher keramische Sinterkörper auf Basis von Siliziumcarbid, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich sind.Another subject of the invention are therefore ceramic sintered bodies based on silicon carbide, which are obtainable by the method according to the invention.

Vorzugsweise weisen diese eine Dichte von mindestens 94% der theoretischen Dichte, bestimmt mittels des Wasserverdrängungsverfahrens nach Archimedes, und einen elektrischen Gleichstromwiderstand bei 25°C von 102 bis 108 Ω·cm, sowie besonders bevorzugt weiterhin eine 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von ≥ 300 MPa, einen statischen E-Modul von ≥ 375 GPa, eine Bruchzähigkeit KIC von ≥ 2,3 MPa·m0,5, sowie eine Härte HK0,5 von ≥ 22 GPa auf.Preferably, they have a density of at least 94% of the theoretical density, as determined by the Archimedes water displacement method, and a DC electrical resistance at 25 ° C. of 10 2 to 10 8 Ω · cm, and more preferably a 4-point bending strength at room temperature of ≥ 300 MPa, a static modulus of ≥ 375 GPa, a fracture toughness K IC of ≥ 2.3 MPa · m 0.5 , and a hardness HK0.5 of ≥ 22 GPa.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind keramische Sinterkörper auf Basis von Siliziumcarbid, die eine Dichte von mindestens 94% der theoretischen Dichte, bestimmt mittels des Wasserverdrängungsverfahrens nach Archimedes, und einen elektrischen Gleichstromwiderstand bei 25°C von 102 bis 108 Ω·cm, sowie weiterhin eine 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von ≥ 300 MPa, einen statischen E-Modul von ≥ 375 GPa, eine Bruchzähigkeit KIC von ≥ 2,3 MPa·m0,5, sowie eine Härte HK0,5 von ≥ 22 GPa aufweisen.Another object of the invention are ceramic sintered bodies based on silicon carbide, which has a density of at least 94% of the theoretical density, determined by the water displacement method according to Archimedes, and a DC electrical resistance at 25 ° C of 10 2 to 10 8 Ω · cm, as well furthermore, a 4-point bending strength at room temperature of ≥ 300 MPa, a static modulus of ≥ 375 GPa, a fracture toughness K IC of ≥ 2.3 MPa · m 0.5 , and a hardness HK0.5 of ≥ 22 GPa exhibit.

Die Bestimmung der 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur (RT-BF) erfolgt nach DIN EN 843-1 an stabförmigen Prüfkörpern der Abmessung 4 × 3 × 45 mm in 4-Punkt-Biegung mit Stützabstand 40/20 mm. Die Mindestanzahl zu prüfender Biegefestigkeitsproben wird mit 8 festgelegt.The determination of the 4-point bending strength at room temperature (RT-BF) is carried out after DIN EN 843-1 on rod-shaped test specimens measuring 4 × 3 × 45 mm in 4-point bending with a support distance of 40/20 mm. The minimum number of flexural strength samples to be tested is set at 8.

Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls (E-Modul) erfolgt simultan mit der Bestimmung der 4-Punkt-Biegefestigkeit über die Durchbiegung der Probe bei der Biegeprüfung und der in Standardwerken der Festigkeitslehreausgeführten Berechnung. Dieser sogenannte statische E-Modul ist einfach zu ermitteln und für Vergleichsmessungen ähnlicher Materialien gut geeignet.The determination of the modulus of elasticity (modulus of elasticity) is carried out simultaneously with the determination of the 4-point bending strength over the bending of the sample in the bending test and in standard works of the Strength Teaching Calculation. This so-called static modulus of elasticity is easy to determine and well suited for comparative measurements of similar materials.

Die Bruchzähigkeit KIC wird nach dem in einem weltweiten Vergleichsversuch als am zuverlässigsten eingestuften SEVNB-Verfahren bestimmt, beschrieben in ”J. Kübler: Fracture Toughness of Ceramics using SEVNB Method: Round Robin”; VAMAS Report Nr. 37 (ISSN 1016-2186) .The fracture toughness K IC is determined by the most reliable SEVNB method in a global comparison experiment, described in "J. Kübler: Fracture Toughness of Ceramics using SEVNB Method: Round Robin "; VAMAS Report No. 37 (ISSN 1016-2186) ,

Die Härte wird an polierten Anschliffen nach DIN EN 843-4 unter Verwendung eines Kleinlast-Härteprüfers und eines Knoop-Eindruckdiamanten bei einer Last von 5 kp (HK0,5) ermittelt, da dieses Verfahren zu deutlich besser ausgebildeten Härteeindrucken mit weniger Ausbrüchen als die häufig verwendeten Vickers-Eindruckdiamanten führt, und dadurch besser und zuverlässiger auswertbar ist.Hardness is softened on polished surfaces DIN EN 843-4 using a low load hardness tester and a Knoop indenting diamond at a load of 5 kp (HK0.5) as this method results in much better formed hardness impressions with fewer bursts than the commonly used Vickers indentation diamonds, and thus better and more reliably evaluable is.

Die Bestimmung des spezifischen elektrischen Gleichstromwiderstands bei Raumtemperatur (25°C) erfolgt an speziellen Prüfkörpern der Abmessung 20 × 20 × 3 mm gemäß ASTM D 257 mit der folgenden Anordnung:

  • – Messgeometrie: mit Schutzringelektrode
  • – Elektrodendurchmesser der „guarded electrode”: 10 mm
  • – Innendurchmesser der „guard electrode”: 12 mm.
  • – Spaltbreite zwischen den Elektroden: 1 mm.
The determination of the specific DC electrical resistance at room temperature (25 ° C) is carried out on special test specimens of dimensions 20 × 20 × 3 mm according to ASTM D 257 with the following arrangement:
  • - Measuring geometry: with guard ring electrode
  • - Electrode diameter of the "guarded electrode": 10 mm
  • - Inner diameter of the guard electrode: 12 mm.
  • - gap width between the electrodes: 1 mm.

Die Elektroden werden mit Leitsilber aufgetragen. Die Fläche der kleinen Messelektrode („guarded electrode”) ist zu korrigieren. Zur Messung wird ein Spannungsmessgerät „Electrometer high resistance meter, Keithley 6517A” sowie die Probenhalterung „Resistivity Test Fixture Keithley 8009” verwendet, die durch eine aufwändige Abschirmung (Triax-Kabel) zur Messung hoher Widerstände ausgelegt sind. Die Messspannung beträgt 10 V, in Einzelfällen erfolgen auch Messungen bei 1 V, sowie bei 100, 200 und 250 V. Es werden jeweils 2 Proben des gleichen Materials vermessen, um Fehlmessungen durch schlechte Kontaktierung etc. ausschließen zu können Die ermittelten Einzelwerte werden, wenn die Abweichung nicht > 5% beträgt, gemittelt.The electrodes are applied with conductive silver. The area of the guarded electrode must be corrected. The measurement uses an "Electrometer high resistance meter, Keithley 6517A" voltage measuring device and the "Resistivity Test fixture Keithley 8009" sample holder, which are designed for high resistance measurements by means of an elaborate shielding (triax cable). The measuring voltage is 10 V, in individual cases also measurements are made at 1 V, as well as at 100, 200 and 250 V. 2 samples of the same material are measured in order to rule out incorrect measurements due to poor contact etc. The determined individual values are, if the deviation is not> 5%, averaged.

Die effektive Elektrodenfläche wird folgendermaßen berechnet: A = π·(D1 + B·g)/4 The effective electrode area is calculated as follows: A = π × (D 1 + B × g) / 4

Hieraus ergibt sich für die spezifische Volumenleitfähigkeit: σv = 1/R·t/A From this results for the specific volume conductivity: σ v = 1 / R · t / A

Die Umrechnung der spezifische Volumenleitfähigkeit in den spezifischen elektrischen Widerstand erfolgt nach: R = 1/σv [Ω·cm] The conversion of the specific volume conductivity into the specific electrical resistance occurs according to: R = 1 / σ v [Ω · cm]

Mit: t: Dicke der Probe

A:
effektive Elektrodenfläche (vgl. hierzu ASTM D 257 Table 1 )
D1:
Durchmesser der Messelektrode
g:
Spaltbreite
B:
Korrektur abhängig von g/t (vgl. hierzu ASTM D 257 Appendix X2.2.3. ).
With: t: thickness of the sample
A:
effective electrode area (cf ASTM D 257 Table 1 )
D1:
Diameter of the measuring electrode
G:
gap width
B:
Correction dependent on g / t (cf ASTM D 257 Appendix X2.2.3. ).

Die 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur liegt bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen und erfindungsgemäßen Sinterkörpern vorzugsweise jeweils bei 300 bis 650 MPa.The 4-point flexural strength at room temperature in the case of the sintered bodies obtainable by the process according to the invention is preferably in each case from 300 to 650 MPa.

Der statische E-Modul beträgt vorzugsweise jeweils 375 bis 425 GPa.The static modulus is preferably 375 to 425 GPa each.

Die Bruchzähigkeit KIC beträgt vorzugsweise jeweils 2,3 bis 5 MPa·m0,5 The fracture toughness K IC is preferably 2.3 to 5 MPa · m 0.5 each

Die Härte HK0,5 beträgt vorzugsweise jeweils 22 bis 27 GPa.The hardness HK0.5 is preferably 22 to 27 GPa each.

Die erfindungsgemäßen, drucklos gesinterten SiC-Werkstoffe sind in der Regel weitgehend homogen ohne röntgenographisch nachweisbare kristalline oder glasartige Sekundärphasen.The pressureless sintered SiC materials according to the invention are generally largely homogeneous without any detectable crystalline or glassy secondary phases by X-ray analysis.

Vorzugsweise weisen sie als mineralische Phase hauptsächliche α-SiC mit den Polytypen 4H, 6H und 15R auf. Vorzugsweise ist deren Gefüge feinkörnig mit einer maximalen Korngröße von ca. 25 μm, resultierend aus den relativ „sanften” Sinterbedingungen. Insbesondere diese Gefügebeschaffenheit, zusammen mit der hohen Sinterdichte ≥ 94% der theoretischen Dichte führen zu den insgesamt guten mechanischen Eigenschaften. Preferably, they have as the mineral phase mainly α-SiC with the polytypes 4H, 6H and 15R. Preferably, their microstructure is fine-grained with a maximum grain size of about 25 microns, resulting from the relatively "gentle" sintering conditions. In particular, this texture, together with the high sintering density ≥ 94% of the theoretical density lead to the overall good mechanical properties.

Die erfindungsgemäßen keramischen Sinterkörper auf Basis von Siliziumcarbid lassen sich daher in den verschiedensten Anwendungen einsetzen.The ceramic sintered bodies according to the invention based on silicon carbide can therefore be used in a wide variety of applications.

Sinterkörper mit mittlerem spezifischen Widerstand (ca. 103–106 Ω·cm) können beispielsweise als Gleitlager und Gleitringdichtungen, als Wärmetauscher-Komponenten, Brennhilfsmittel etc. eingesetzt werden. Insbesondere für tribologisch beanspruchte Teile wie Gleitlager und Gleitringdichtungen sind auch Sinterkörper mit geringerem elektrischen Widerstand geeignet (ca. 103–102 Ω·cm), um statische Aufladungen und Elektrokorrosionseffekte zu vermindern. Auch für Elektrolytzellen, Sputtertargets etc. sind solche Sinterkörper erwünscht.Sintered bodies with average specific resistance (about 10 3 -10 6 Ω · cm) can be used for example as sliding bearings and mechanical seals, as heat exchanger components, kiln furniture, etc. In particular, for tribologically stressed parts such as slide bearings and mechanical seals and sintered body with lower electrical resistance are suitable (about 10 3 -10 2 Ω · cm) to reduce static charges and Elektrokorrosionseffekte. Also for electrolyte cells, sputtering targets, etc., such sintered bodies are desired.

Die Sinterkörper mit hohem elektrischem Widerstand (ca. 107–108 Ω·cm) können beispielsweise im Bereich des Hochtemperatur-Ofenbaus eingesetzt werden, um wenig festen Graphit oder teures, wenig festes Bornitrid zu ersetzen. Aufgrund der deutlich höheren Festigkeit der erfindungsgemäßen Sinterkörper gegenüber den genannten etablierten Werkstoffen, können Strukturteile kleiner und leichter ausgeführt werden und erhöhen dadurch das Nutzvolumen und die Prozesseffizienz.The sintered bodies with high electrical resistance (about 10 7 -10 8 Ω · cm) can be used for example in the field of high-temperature furnace construction to replace low-strength graphite or expensive, low-solid boron nitride. Due to the significantly higher strength of the sintered body according to the invention over the said established materials, structural parts can be made smaller and lighter and thereby increase the useful volume and the process efficiency.

Sinterkörper mit hohem elektrischem Widerstand haben aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit und dem zu Silizium passenden Wärmedehnungskoeffizienten auch ein Potenzial als Träger (Substrat) und Kühlkörper („Heat sinks”) für elektronische Bauelemente.Sintered bodies with a high electrical resistance also have potential as substrates (substrate) and heat sinks for electronic components due to their good thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion which matches silicon.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung der erfindungsgemäß erhältlichen und erfindungsgemäßen keramischen Sinterkörper mit geringem elektrischem Widerstand bei Raumtemperatur (ca. 102–103 Ω·cm) und daraus gefertigter Komponenten als Gleitlager und Gleitringdichtungen, insbesondere im sogenannten Mischreibungsbereich und unter Trockenlauf, sowie in sonstigen tribologischen Anwendungen zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen, für Elektrolyse-Zellen, Elektroden und ähnliche Einrichtungen und Apparaturen, sowie für Sputtermaterialien, und zur Herstellung komplex geformter Komponenten durch elektroerosive Bearbeitung (Erodieren/EDM).Another object of the invention is therefore the use of ceramic sintered body according to the invention with low electrical resistance at room temperature (about 10 2 -10 3 Ω · cm) and components made therefrom as plain bearings and mechanical seals, especially in the so-called mixed friction region and under dry running , as well as in other tribological applications to avoid electrostatic charges, for electrolysis cells, electrodes and similar devices and apparatus, as well as for sputtering materials, and for the production of complex shaped components by electrical discharge machining (erosion / EDM).

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäß erhältlichen und erfindungsgemäßen keramischen Sinterkörper mit hohem elektrischem Widerstand bei Raumtemperatur (ca. 107–108 Ω·cm) und daraus gefertigter Komponenten als Konstruktionsbauteile für den Hochtemperatur-Ofenbau, die Halbleiter-Herstellung, sowie Wärmesenken in elektrischen und elektronischen Anwendungen.A further subject of the invention is the use of the ceramic sintered bodies according to the invention with high electrical resistance at room temperature (about 10 7 -10 8 Ω · cm) and components produced therefrom as structural components for high-temperature furnace construction, semiconductor production, and heat sinks in electrical and electronic applications.

Die nachfolgenden Beispiele dienen dazu, den Gegenstand der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern. Sie stellen jedoch keinerlei Beschränkung des der Erfindung zugrunde liegenden Grundkonzepts dar.The following examples serve to further explain the subject matter of the present invention. However, they do not represent any limitation of the basic concept underlying the invention.

BeispieleExamples

Die im Folgenden angegebenen Mengenangaben verstehen sich – soweit nichts anderes vermerkt ist – in Gewichtsprozent.The amounts indicated below are in percentages by weight unless stated otherwise.

Werkstoff #0:Material # 0:

Als Ausgangsmaterial zur Herstellung dieses Werkstoffes wurde ein von der Firma H. C. Starck GmbH, Goslar, erhältlicher press- und sinterfähiger SiC-Ansatz, der bereits Sinterhilfsmittel und Prozesshilfsmittel enthält, mit der folgenden Spezifikation eingesetzt: Basispulver: α-SiC, Spez. Oberfläche (BET) = 14 m2/g Sinteradditiv B (als 64C) 0,5 Gew.-% C – gesamt 32,5 Gew.-% C – frei (pyrolysiert) 2,6 Gew.-% Fe 0,02 Gew.-% Al 0,02 Gew.-% Ca < 0,01 Gew.-% The starting material for the production of this material was a press and sinterable SiC batch available from HC Starck GmbH, Goslar, which already contains sintering auxiliaries and process auxiliaries, having the following specification: Base powder: α-SiC, spec. surface area (BET) = 14 m 2 / g sintering additive B (as 64C) 0.5% by weight C - total 32.5% by weight C - free (pyrolyzed) 2.6% by weight Fe 0.02% by weight al 0.02% by weight Ca <0.01% by weight

Im Folgenden wird dieser Rohstoff auch als Premix, Pmx oder S-SiC Pmx-1 bezeichnet.Hereinafter, this raw material is also referred to as Premix, Pmx or S-SiC Pmx-1.

Zur Herstellung von Probekörpern zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur (25°C) wurde der Premix uniaxial zu rechteckigen Platten von 70 × 60 × 7 mm verpresst, diese Platten in PVC-Beutel unter Anlegen eines Vakuums eingeschweißt und isostatisch bei 2000 bar nachverdichtet. Die resultierenden Pulverformkörper wurden in einem Inertgasofen in einem kombinierten Binderausbrand-, Pyrolyse- und Sinterzyklus bei 2100°C 1,5 h unter 10 mbar Ar-Atmosphäre gesintert, wobei als Brennhilfsmittel Graphit verwendet wurde. Werkstoff #0 wird im Folgenden auch als Bezugswerkstoff bezeichnet.For the preparation of specimens for determining the mechanical properties and the electrical resistivity at room temperature (25 ° C), the premix was uniaxially pressed into rectangular plates of 70 × 60 × 7 mm, these plates are sealed in PVC bags under application of a vacuum and isostatic densified at 2000 bar. The resulting powder molded articles were sintered in an inert gas furnace in a combined Binderausbrand-, pyrolysis and sintering cycle at 2100 ° C for 1.5 h under 10 mbar Ar atmosphere using graphite as a kiln. Material # 0 is also referred to below as a reference material.

Nach dem Sintern wurde mittels des Wasserverdrängungsverfahrens nach Archimedes die Sinterdichte bestimmt und in Bezug zur angenommenen theoretischen Dichte von 3,19 g/cm3 die prozentuale theoretische Dichte berechnet. Es resultiert eine Sinterdichte von 3,15 g/cm3, was 98,7% der theoretischen Dichte entspricht.After sintering, the sintering density was determined by means of the Archimedes water displacement method and the percent theoretical density calculated in relation to the assumed theoretical density of 3.19 g / cm 3 . The result is a sintered density of 3.15 g / cm 3 , which corresponds to 98.7% of the theoretical density.

Durch Trennen und Schleifen mittels Diamantwerkzeugen wurden die zur Werkstoff-Charakterisierung benötigten Prüfkörper hergestellt. An diesen Prüfkörpern wurden die 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur (RT-BF), der Elastizitätsmodul (E-Modul), die Bruchzähigkeit KIC, die Härte HK0,5 und der spezifische elektrische Gleichstromwiderstand bei 25°C (Spez. el. R.) wie jeweils oben angegeben bestimmt.The test specimens required for material characterization were produced by cutting and grinding using diamond tools. On these test specimens, the 4-point bending strength at room temperature (RT-BF), the modulus of elasticity (modulus of elasticity), the fracture toughness K IC , the hardness HK0.5 and the specific electrical DC resistance at 25 ° C (Spec. El. R.) as indicated above.

Die für den Sinterkörper #0 ermittelten Werte sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Diese zeigen ein typisches Spektrum an Eigenschaften für einen qualitativ hochwertigen gesinterten SiC-Werkstoff.The values determined for the sintered body # 0 are summarized in Table 1. These show a typical spectrum of properties for a high-quality sintered SiC material.

Werkstoff #0:1–#0.6 (#0.5: erfindungsgemäß; #0.1–#0.4 und #0.6 nicht erfindungsgemäß)Material # 0: 1- # 0.6 (# 0.5: according to the invention; # 0.1- # 0.4 and # 0.6 not according to the invention)

Um den Einfluss der Sinterbedingungen auf die Eigenschaften des resultierenden Sinterkörpers zu demonstrieren, wurde das bei der Herstellung von Werkstoff #0 beschriebene Vorgehen wiederholt, wobei jeweils die Sinterbedingungen variiert wurden. Es wurden Testsinterungen in einem Laborofen unter atmosphärischem und reduziertem N2- und Ar-Gasdruck ausgeführt. Die jeweiligen Sinterbedingungen und das Ergebnis dieser Tests sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengestellt: Tabelle 2: Sinterdichte in Abhängigkeit von den Sinterbedingungen Werkstoff # Rohstoff Sinterbedingungen Sinterdichte Th. D. T [°C], t [h], Gasdruck [bar], Gasart g/cm3 % 0.1 S-SiC Pmx-1 2200°C, 1 h, 1 bar, Ar 3,04 95,3 0.2 S-SiC Pmx-1 2200°C, 1 h, 1 bar, N2 2,94 92,2 0.3 S-SiC Pmx-1 2100°C, 1 h, 1 bar, Ar 3,02 94,7 0.4 S-SiC Pmx-1 2100°C, 1 h, 1 bar, N2 2,90 90,9 0.5 S-SiC Pmx-1 2100°C, 1 h, 0,1 bar, Ar 3,12 97,8 0.6 S-SiC Pmx-1 2100°C, 1 h, 0,1 bar, N2 2,98 93,4 Th. D.: Theoretische DichteIn order to demonstrate the influence of the sintering conditions on the properties of the resulting sintered body, the procedure described in the preparation of material # 0 was repeated, each time varying the sintering conditions. Test sintering was performed in a laboratory oven under atmospheric and reduced N 2 and Ar gas pressures. The respective sintering conditions and the result of these tests are summarized in the following Table 2: Table 2: Sintered density as a function of the sintering conditions Material # raw material sintering conditions sintered density Th. D. T [° C], t [h], gas pressure [bar], gas type g / cm 3 % 0.1 S-SiC Pmx-1 2200 ° C, 1 h, 1 bar, Ar 3.04 95.3 0.2 S-SiC Pmx-1 2200 ° C, 1 h, 1 bar, N 2 2.94 92.2 0.3 S-SiC Pmx-1 2100 ° C, 1 h, 1 bar, Ar 3.02 94.7 0.4 S-SiC Pmx-1 2100 ° C, 1 h, 1 bar, N 2 2.90 90.9 0.5 S-SiC Pmx-1 2100 ° C, 1 h, 0.1 bar, Ar 3.12 97.8 0.6 S-SiC Pmx-1 2100 ° C, 1 h, 0.1 bar, N 2 2.98 93.4 Th. D .: Theoretical density

Die Ergebnisse zeigen, dass bei Sintern unter Stickstoffatmosphäre in keinem Fall dichte Sinterkörper erhalten werden konnten. Es wurde in keinem Fall eine Dichte ≥ 94% th. D. erzielt. Beim Sintern unter Argonatmosphäre resultieren hingegen dichte Sinterkörper.The results show that under sintering under a nitrogen atmosphere no dense sintered bodies could be obtained in any case. In no case was a density ≥ 94% th. D. achieved. On sintering under an argon atmosphere, on the other hand, dense sintered bodies result.

Sowohl beim Sintern unter atmosphärischem N2-Druck, als auch unter atmosphärischem Ar-Druck zeigen die resultierenden Materialien nach der Sinterung bei 2.200°C starkes Kornwachstum, was nicht erwarten lässt, dass die erfindungsgemäß gewünschten mechanischen Eigenschaften erzielt werden konnten. Both during sintering under atmospheric N 2 pressure and under atmospheric Ar pressure, the resulting materials after sintering at 2,200 ° C strong grain growth, which can not be expected that the inventive mechanical properties desired could be achieved.

Wurde dagegen unter 0,1 bar Gasdruck bei 2.100°C gesintert, so wurde mit der unter 0,1 bar Ar gesinterten Probe eine überraschende Dichtesteigerung gegenüber der bei 2100°C unter 1 bar Ar gesinterten Probe erzielt und selbst die in N2-Atmosphäre gesinterte Probe erreicht eine höhere Dichte als unter 1 bar N2. Somit resultieren aus diesem Versuch als günstige Sinterbedingungen für die S-SiC Basiszusammensetzung eine Sintertemperatur zwischen 2.025 und 2150°C bei einem Ar-Gasdruck von ≤ 100 mbar, bevorzugt ≤ 80 mbar.On the other hand, if gas pressure below 2,1 bar was sintered at 2,100 ° C., the sample sintered under 0.1 bar Ar achieved a surprising increase in density compared with the sample sintered at 2100 ° C. under 1 bar Ar and even in N 2 atmosphere Sintered sample reaches a higher density than below 1 bar N 2 . Thus, from this experiment, favorable sintering conditions for the S-SiC base composition result in a sintering temperature between 2025 and 2150 ° C. at an Ar gas pressure of ≦ 100 mbar, preferably ≦ 80 mbar.

Die Ergebnisse dieser Versuche demonstrieren auch die technologischen Vorteile des Sinterns unter reduziertem Ar-Gasdruck, wie beispielsweise den Aspekt der Energieeffizienz, da unter atmosphärischen Gasdrucken die Wärmeverluste wesentlich höher sind, und deutlich höhere elektrische Leistungen zum Erreichen der Zieltemperatur erfordern. Ferner zeigen diese Tests, dass das Sintern von SiC-Pulverformkörpern in N2-haltiger Atmosphäre kein probates Mittel ist, bestimmte N2-Gehalte in den Sinterkörpern einzustellen, da es zu einer Sinterbehinderung kommt, verbunden mit Problemen, das angestrebte Spektrum an Eigenschaften zu erreichen.The results of these experiments also demonstrate the technological advantages of sintering under reduced Ar gas pressure, such as the aspect of energy efficiency, since at atmospheric gas pressures the heat losses are much higher and require significantly higher electrical powers to reach the target temperature. Further, these tests show that sintering SiC powder articles in an N 2 -containing atmosphere is not an effective means of adjusting certain N 2 contents in the sintered bodies because of a sintering obstruction, coupled with problems, of the desired spectrum of properties to reach.

Werkstoffe #1–6:Materials # 1-6:

Diese Werkstoffe wurden hergestellt, indem jeweils 500 g des oben genannten Premix S-SiC Pmx-1 unter Zusatz von H2O-deionisiert und Entschäumer in einer 2l-Polyäthylen-Flasche mittels ZrO2-Mahlperlen von 3 mm auf einem Taumelmischer redispergiert wurde. Den Ansätzen wurden steigende Mengen an Si3N4-Pulver zugesetzt (SN-HQ, H. C. Starck GmbH, Goslar):
#1 = 0,5 Gewichtsteile, #2 = 1 Gewichtsteil, #3 = 2 Gewichtsteile, #4 = 4 Gewichtsteile, #5 = 6 Gewichtsteile, #6 = Gewichtsteile (jeweils zu 100 Gewichtsteilen SiC-Premix).
These materials were prepared by redispersing in each case 500 g of the abovementioned premix S-SiC Pmx-1 with addition of H 2 O-deionized and defoamer in a 2 l polyethylene bottle using ZrO 2 milling beads of 3 mm on a tumble mixer. Increasing amounts of Si 3 N 4 powder were added to the batches (SN-HQ, HC Starck GmbH, Goslar):
# 1 = 0.5 parts by weight, # 2 = 1 part by weight, # 3 = 2 parts by weight, # 4 = 4 parts by weight, # 5 = 6 parts by weight, # 6 = parts by weight (each to 100 parts by weight of SiC premix).

Der eingestellte Feststoff-Gehalt des jeweils resultierenden Schlickers war 55 Gew.-%. Als Entschäumer wurden 0,25 Gew.-% der Substanz KX 1030 (Zschimmer & Schwarz, Lahnstein) zugesetzt. Die Redispergierung und Einmischung des Si3N4-Pulvers erfolgte während 10 h. Das erhaltene Redispergat wurde zur Abtrennung der ZrO2-Mahlperlen über 250 μm und zur Abtrennung eventueller verbliebener Agglomerate über 63 μm abgesiebt und der erhaltene reine Schlicker gefriergetrocknet. Nach einer Nachtrocknung im Trockenschrank an Luft bei 70°C über Nacht, wurde das jeweilige Material durch Sieben < 150 μm granuliert und dieses gesiebte Material zu Proben verpresst und gesintert, wie oben bei der Herstellung von Werkstoff #0 beschrieben.The adjusted solids content of the resulting slurry was 55 wt .-%. 0.25% by weight of the substance KX 1030 (Zschimmer & Schwarz, Lahnstein) was added as defoamer. The redispersion and mixing of the Si 3 N 4 powder was carried out for 10 h. The resulting redispergate was sieved to remove the ZrO 2 grinding beads over 250 microns and for separating any remaining agglomerates over 63 microns and the resulting pure slip freeze-dried. After drying in a drying oven in air at 70 ° C overnight, the respective material was granulated by sieving <150 microns and this sieved material is pressed into samples and sintered, as described above in the preparation of material # 0.

Nach der Bestimmung der Sinterdichte wurden Prüfkörper zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften, sowie des spezifischen elektrischen Widerstands bei Raumtemperatur (25°C) präpariert und die entsprechenden Messungen ausgeführt. Die hierbei für die Entwicklungswerkstoffe #1–#6 erzielten Ergebnisse sind wiederum in Tabelle 1 aufgeführt.After determination of the sintering density, specimens were prepared at room temperature (25 ° C.) for determining the mechanical properties and the specific electrical resistance, and the corresponding measurements were carried out. The results obtained here for the development materials # 1- # 6 are again listed in Table 1.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Si3N4-Zusatzmengen bis 4 Gew.-% nur einen geringen Effekt auf das Sinterverhalten aufweisen. Zusätze ab 2 Gew.-% Si3N4 zeigen einen negativen, aber noch unkritischen Einfluss auf die erzielten mechanischen Eigenschaften.These results show that Si 3 N 4 addition amounts up to 4 wt .-% have only a small effect on the sintering behavior. Additions from 2 wt .-% Si 3 N 4 show a negative, but still uncritical influence on the mechanical properties achieved.

Material #6 mit 10 Gew.-% Si3N4-Zusatz erreichte unter den gewählten Sinterbedingungen nicht mehr die erfindungsgemäße Zieldichte von ≥ 94% theoretische Dichte. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur eine starke Abhängigkeit von der Menge des zugesetzten Si3N4-Pulvers aufweist. Bereits ein Zusatz von nur 0,5 Gew.-% Si3N4-Pulver (Werkstoff #1) erhöht überraschender Weise den elektrische Widerstand gegenüber dem Werkstoff #0 bereits um etwa 2 Zehnerpotenzen, der Zusatz von 1 Gew.-% Si3N4-Pulver (Werkstoff #2) sogar um fast 3 Zehnerpotenzen, ohne dass die als gut bewerteten mechanischen Eigenschaften des Bezugswerkstoffs wesentlich unterschritten werden. Noch weiter überraschend ist, dass eine weitere Steigerung des Si3N4-Zusatzes auf 4 und auf 6 Gew.-% keine weitere Steigerung des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur bewirkt, sondern die Werte bis nahe dem Niveau des Bezugswerkstoffs zurückgehen. Dies war so nicht zu erwarten und ermöglicht dem Fachmann, durch einen gezielten Zusatz von Si3N4 einen bestimmten spezifischen elektrischen Widerstand eines SiC-basierenden Werkstoffes bei Raumtemperatur einzustellen.Material # 6 with 10 wt .-% Si 3 N 4 addition no longer reached the inventive target density of ≥ 94% theoretical density under the selected sintering conditions. Furthermore, the results show that the room temperature electrical resistivity has a strong dependence on the amount of added Si 3 N 4 powder. Even an addition of only 0.5 wt .-% Si 3 N 4 powder (material # 1) surprisingly increases the electrical resistance to the material # 0 already by about 2 orders of magnitude, the addition of 1 wt .-% Si 3 N 4 powder (material # 2) even by almost 3 orders of magnitude, without the well-valued mechanical properties of the reference material are significantly below. Still further surprising is that a further increase of the Si 3 N 4 addition to 4 and to 6 wt .-% causes no further increase in the electrical resistivity at room temperature, but the values go down to near the level of the reference material. This was not to be expected and enables the person skilled in the art to set a specific electrical resistivity of a SiC-based material at room temperature by means of a specific addition of Si 3 N 4 .

Werkstoff #7: Material # 7:

Um zu prüfen, ob die Ergebnisse mit den Ansätzen #1–#6 mit der Verwendung des SiC-Premix im Zusammenhang stehen, wurde mit Ansatz #7 ein kompletter, separater Sinteransatz aufbereitet. Hierfür wurde das α-SiC-Pulver „UF-15” von H. C. Starck GmbH, Goslar, eingesetzt, das die folgenden Kennwerte aufweist: Basispulver: α-SiC, Spez. Oberfläche (BET) = 15 m2/g Kohlenstoff- gesamt 29,5 Gew.-% Fe ≤ 0,05 Gew.-% Al ≤ 0,02 Gew.-% Ca ≤ 0,01 Gew.-% To test whether the results with runs # 1- # 6 are related to the use of the SiC premix, approach # 7 was used to prepare a complete, separate sintered batch. For this purpose, the α-SiC powder "UF-15" of HC Starck GmbH, Goslar, was used, which has the following characteristics: Base powder: α-SiC, spec. surface area (BET) = 15 m 2 / g Total carbon 29.5% by weight Fe ≤ 0.05% by weight al ≤ 0.02 wt% Ca ≤ 0.01% by weight

Dieses Pulver (200 g) wurde unter Zusatz von 0,5 Gew.-% B in Form von B4C (H. C. Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2,0 Gew.-% Kohlenstoff in Form der C-Paste „Derusol 325” (Degussa) mit bekannter C-Ausbeute nach der Pyrolyse und 2,0 Gew.-% Si3N4-Pulver (SN-HQ, H. C. Starck GmbH, Goslar; Si3N4 berechnet auf das Gesamtgewicht SiC + B + C) mittels Planetenmühle wässrig aufbereitet. Als Mahltiegel wurde Si3N4 eingesetzt, als Mahlperlen-400 g ZiO2 mit 3 mm Durchmesser. Der Feststoffgehalt wurde unter Zusatz von 0,5 Gew.-% Verflüssiger KV5088 und 0,5 Gew.-% Entschäumer und Netzmittel KX1030 (beides Fa. Zschimmer & Schwarz, Lahnstein) auf 55 Gew.-% eingestellt. Als Binder und Plastifizierungsmittel wurden 0,5 Gew.-% PVA (Mowiol 4-88) und 1,5 Gew.-% PEG (PEG 400) zugesetzt. Die Mahldauer betrug 5 h.This powder (200 g) was mixed with the addition of 0.5% by weight of B in the form of B 4 C (HC Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2.0% by weight of carbon in the form of the C-paste. " Derusol 325 "(Degussa) with known C-yield after pyrolysis and 2.0 wt.% Si 3 N 4 powder (SN-HQ, HC Starck GmbH, Goslar, Si 3 N 4 calculated on the total weight SiC + B + C) treated aqueous by planetary mill. The grinding crucible used was Si 3 N 4 , and the grinding beads were 400 g of ZiO 2 with a diameter of 3 mm. The solids content was adjusted to 55% by weight with addition of 0.5% by weight of liquefier KV5088 and 0.5% by weight of defoamer and wetting agent KX1030 (both from Zschimmer & Schwarz, Lahnstein). As binder and plasticizer, 0.5% by weight of PVA (Mowiol 4-88) and 1.5% by weight of PEG (PEG 400) were added. The grinding time was 5 h.

Nach dieser Mahlung wurde der Schlicker den Mahlgefäßen entnommen, zur Abtrennung der ZrO2-Mahlperlen über 250 μm und zur Abtrennung eventueller verbliebener Agglomerate über 63 μm abgesiebt, und der erhaltene reine Schlicker gefriergetrocknet. Die weitere Verarbeitung des Ansatzes und die Charakterisierung des nach dem Sintern erhaltenen Werkstoffes erfolgten wie bei den vorhergehenden Beispielen beschrieben.After this grinding, the slip was removed from the grinding vessels, sieved to remove the ZrO 2 milling beads over 250 microns and for separating any remaining agglomerates over 63 microns, and the resulting pure slip freeze-dried. The further processing of the batch and the characterization of the material obtained after sintering were carried out as described in the preceding examples.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Diese zeigen, dass mit diesem Verfahren ein Werkstoff mit guten mechanischen Eigenschaften resultiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur mit ca. 108 Ω·cm in der gleichen Größenordnung wie der des Werkstoffs #3 liegt. Somit spielt für den resultierenden spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur die Art der Aufbereitung, sofern keine unkontrollierten Kontaminationen stattfinden, eine untergeordnete Rolle gegenüber dem Zusatz von Si3N4, das den Widerstand gegenüber dem Bezugswerkstoff um ca. 3 Zehnerpotenzen erhöht. Dies ermöglicht somit dem Fachmann, durch den Zusatz von Si3N4 einen bestimmten spezifischen elektrischen Widerstand eines SiC-basierenden Werkstoffes bei Raumtemperatur gezielte einzustellen.The results are shown in Table 1. These show that with this method results in a material with good mechanical properties and the determined electrical resistivity at room temperature with about 10 8 Ω · cm in the same order of magnitude as that of the material # 3. Thus, for the resulting specific electrical resistance at room temperature, the type of treatment, if no uncontrolled contamination takes place, plays a minor role compared to the addition of Si 3 N 4 , which increases the resistance to the reference material by about 3 orders of magnitude. This thus allows the skilled person to set by the addition of Si 3 N 4 targeted a certain electrical resistivity of a SiC-based material at room temperature.

Werkstoff #8:Material # 8:

Das Verfahren zur Herstellung von Werkstoff #7 wurde wie folgt abgewandelt: Als Ausgangspulver wurde wiederum das α-SiC-Pulver „UF-15” von H. C. Starck GmbH, Goslar, verwendet, dem 0,5 Gew.-% B in Form von B4C (H. C. Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2 Gew.-% Kohlenstoff in Form der C-Paste „Derusol 325” (Degussa) mit bekannter C-Ausbeute nach der Pyrolyse sowie 1,5 Gew.-% eines passivierten Al-Pulvers „Aquapor 9009” (Fa. Schlenk, Roth) zugesetzt wurden. In Vorversuchen wurde überprüft, dass die Passivierung ausreichend ist für eine wässrige Ansatzaufbereitung, ohne dass es zu einer gefährlichen Gasentwicklung durch Reaktion des Al mit H2O kommt. Der Feststoffgehalt wurde mit H2O-deionisiert auf 55 Gew.-% eingestellt, zusätzlich wurden 0,5 Gew.-% Verflüssiger KV5088 und 0,5 Gew.-% Entschäumer KX1030 (beides Fa. Zschimmer & Schwarz, Lahnstein) zugesetzt. Die Dispergierung und Homogenisierung erfolgte in einer PE-Flasche mit ZrO2-Mahlperlen von ca. 3 mm auf einem Taumelmischer in 10 h. Der resultierende Schlicker wurde, wie bei den vorher beschriebenen Beispielen gesiebt und gefriergetrocknet. Die weitere Verarbeitung des Ansatzes, das Sintern und die Charakterisierung des nach dem Sintern erhaltenen Werkstoffes erfolgte ebenfalls wie bei den vorhergehenden Beispielen beschrieben, die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Diese zeigen, dass dieser Ansatz unter den angewandten Sinterbedingungen (und auch nach Variation dieser) die erfindungsgemäße Zieldichte von ≥ 94% th. D. nicht erreichte. Eine weitergehende Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften erfolgte deshalb nicht.The process for producing material # 7 was modified as follows: The starting powder used again was the α-SiC powder "UF-15" from HC Starck GmbH, Goslar, containing 0.5% by weight B in the form of B 4 C (HC Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2% by weight of carbon in the form of the C paste "Derusol 325" (Degussa) with known C yield after pyrolysis and 1.5% by weight of a passivated Al powder "Aquapor 9009" (Schlenk, Roth) were added. In preliminary tests it was verified that the passivation is sufficient for an aqueous preparation of the batch without dangerous gas evolution by reaction of the Al with H 2 O. The solids content was adjusted to 55% by weight with H 2 O-deionized, in addition, 0.5% by weight of liquefier KV5088 and 0.5% by weight of defoamer KX1030 (both from Zschimmer & Schwarz, Lahnstein) were added. The dispersion and homogenization took place in a PE bottle with ZrO 2 milling beads of about 3 mm on a tumble mixer in 10 h. The resulting slurry was sieved and freeze-dried as in the previously described examples. The further processing of the batch, the sintering and the characterization of the material obtained after sintering were also carried out as described in the preceding examples, the results are listed in Table 1. These show that this approach under the applied sintering conditions (and also after variation of these) the target density of the invention ≥ 94% th. D. did not reach. A more detailed characterization of the mechanical properties was therefore not.

Werkstoff #9: Material # 9:

Da das Vorgehen zur Herstellung von Werkstoff #8, d. h. die alleinige Zugabe eines aluminiumhaltigen Additivs, nicht zum Ziel eines verringerten spezifischen elektrischen Widerstand eines SiC-basierenden Werkstoffes bei Raumtemperatur geführt hatte, wurden verschiedene weitere simultane Zusätze wie Si3N4, AlN und auch VC getestet. Dabei zeigte sich überraschend, dass ein Zusatz von 0,7 Gew.-% Si3N4 zum Ansatz #8 (auf 100 Gew.-%) sowohl eine Verbesserung des Sinterverhaltens bewirkt, als auch zu guten, erfindungsgemäß gewünschten mechanischen Eigenschaften und dem angestrebten verminderten spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur führt. Die eingesetzten Rohstoffe waren identisch jenen von Beispiel #8, als Si3N4-Pulver wurde wiederum SN-HQ (H. C. Starck GmbH, Goslar) eingesetzt. Auch die Aufbereitung des Ansatzes, die Sinterung und die Charakterisierung erfolgte wie für Beispiel #8 (= Herstellung von Werkstoff #8) ausgeführt, die ermittelten Ergebnisse sind in Tabell. 1 aufgeführt.Since the procedure for producing material # 8, ie the sole addition of an aluminum-containing additive, had not led to the goal of reduced specific electrical resistance of a SiC-based material at room temperature, various other simultaneous additives such as Si 3 N 4 , AlN and also VC tested. It surprisingly turned out that an addition of 0.7% by weight of Si 3 N 4 to batch # 8 (to 100% by weight) leads both to an improvement in the sintering behavior and to good mechanical properties which are desired according to the invention aimed at reduced specific electrical resistance at room temperature. The raw materials used were identical to those of Example # 8, as Si 3 N 4 powder was in turn SN-HQ (HC Starck GmbH, Goslar) used. The preparation of the batch, the sintering and the characterization were carried out as described for example # 8 (= production of material # 8), the results are tabulated. 1 listed.

Die ausgeführten Untersuchungen und Analysen geben keine eindeutige Erklärung für die Wirkungsweise des Si3N4-Zusatzes. Vorstellbar ist jedoch, dass es zwischen dem Si3N4 und dem Al zu einer Umsetzungs-Reaktion unter Ausbildung von AlN kommt, das bekanntermaßen in SiC als feste Lösung (Mischkristall) unter Ausbildung einer Defektstruktur eingebaut wird. Diese Defektstruktur könnte verantwortlich dafür sein, dass der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur von Werkstoff #9 gegenüber dem Bezugswerkstoff #0 um ca. 3 Zehnerpotenzen reduziert wird. Unabhängig davon, ob sich diese Erklärung bestätigen lässt, ist die beschriebene Maßnahme des simultanen Zusatzes von Al und Si3N4 zu einem sinterfähigen SiC-Basisansatz eine Möglichkeit, den spezifischen elektrischen Widerstand eines SiC-basierenden Werkstoffes bei Raumtemperatur gezielt zu reduzieren.The investigations and analyzes carried out give no clear explanation for the mode of action of the Si 3 N 4 addition. It is conceivable, however, that between the Si 3 N 4 and the Al to a reaction reaction to form AlN, which is known to be incorporated in SiC as a solid solution (mixed crystal) to form a defect structure. This defect structure could be responsible for reducing the specific electrical resistance at room temperature of material # 9 compared to the reference material # 0 by about 3 orders of magnitude. Regardless of whether this explanation can be confirmed, the described measure of the simultaneous addition of Al and Si 3 N 4 to a sinterable SiC base approach is a possibility to purposefully reduce the specific electrical resistance of a SiC-based material at room temperature.

Werkstoff #10:Material # 10:

Das Vorgehen zur Herstellung von Werkstoff #9 wurde wiederholt, wobei eine identische Ausgangszusammensetzung jedoch mittels Planetenmühle aufbereitet wurde, wie die für bei der Herstellung von Werkstoff #7 beschrieben wurde. Die Probenherstellung, Sinterung und die Charakterisierung erfolgte wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben, die ermittelten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.The procedure for the preparation of material # 9 was repeated, but an identical starting composition was prepared by planetary mill, as was described for the preparation of material # 7. The sample preparation, sintering and characterization were carried out as described in the preceding examples, the results obtained are listed in Table 1.

Diese Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Verfahren ein Werkstoff mit guten, erfindungsgemäß gewünschten mechanischen Eigenschaften resultierte und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur mit ca. 7·102 Ω·cm praktisch identisch dem des Werkstoffs #9 ist.These results show that this method resulted in a material with good mechanical properties which are desired according to the invention and the determined electrical resistivity at room temperature of approximately 7 · 10 2 Ω · cm is virtually identical to that of the material # 9.

Somit spielt für den resultierenden spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur die Art der Aufbereitung keine Rolle, sofern eine ausreichende Deagglomeration und Homogenisierung der verschiedenen Bestandteile erreicht wird, und keine unkontrollierten Kontaminationen stattfinden.Thus, the type of treatment is irrelevant to the resulting room temperature electrical resistivity, provided that sufficient deagglomeration and homogenization of the various components is achieved and that no uncontrolled contamination occurs.

Werkstoff #11:Material # 11:

Um den Einfluss einer Fe-Kontamination bei der Aufbereitung zu analysieren, wurde ein 1,5 kg-Ansatz einer Zusammensetzung wie bei der Herstellung von Werkstoff #9 und #10 beschrieben mittels Vibratom-Mühle in einem Stahlbehälter und mit Stahlkugeln (4,5 kg, ⌀ 10–15 mm) wässrig über eine Zeitdauer von 5 h aufbereitet. Der resultierende Schlicker wurde identisch weiter verarbeitet wie bei den genannten Beispielen beschrieben. Vom gefriergetrockneten Pulver wurde ein Fe-Gehalt von 0,55 Gew.-% analysiert, resultierend vom Abrieb der Mühle und Mahlkugeln bei der Aufbereitung. Die weitere Probenherstellung, Sinterung und Charakterisierung erfolgte wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben, die ermittelten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.To analyze the effect of Fe contamination in the treatment, a 1.5 kg batch of a composition as in the preparation of # 9 and # 10 materials was described using a Vibratom mill in a steel container and steel balls (4.5 kg , 10-15 mm) water over a period of 5 h. The resulting slurry was processed identically further as described in the examples mentioned. From the freeze-dried powder, an Fe content of 0.55% by weight was analyzed, resulting from attrition of the mill and grinding balls during processing. Further sample preparation, sintering and characterization were carried out as described in the preceding examples, the results obtained are listed in Table 1.

Diese Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Verfahren wiederum ein Werkstoff mit guten mechanischen Eigenschaften resultiert, wobei jedoch der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur etwa eine halbe Zehnerpotenz höher liegt, als bei den bezüglich Fe kontaminationsfrei aufbereiteten Ansätzen #9 und #10. Somit kann eine gezielte Kontamination durch die Aufbereitung oder auch ein Zusatz von Fe als Maßnahme angesehen werden, den spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur zu erhöhen und damit den Widerstandsbereich der Werkstoffe #9 und #10 von ca. 5·102 Ω·cm zu dem des Bezugswerkstoffs #0 von ca. 2·105 Ω·cm zu überbrücken.These results show that this method in turn results in a material with good mechanical properties, but the room temperature electrical resistivity is about half an order of magnitude higher than that of the # 9 and # 10 approaches to Fe contamination-free preparation. Thus, a targeted contamination by the treatment or an addition of Fe can be regarded as a measure to increase the electrical resistivity at room temperature and thus the resistance range of the materials # 9 and # 10 of about 5 · 10 2 Ω · cm to the of the reference material # 0 of about 2 × 10 5 Ω · cm.

Werkstoff #12: Material # 12:

Um zu überprüfen, ob anstelle der Additivkombination Al und Si3N4 auch ein Zusatz von AlN bei einem Ansatz gemäß #9 zu einer ähnlichen Reduktion des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur führt, wurde ein solcher Ansatz erstellt. Die bei der Herstellung von Werkstoff #9 zugesetzten 1,5 Gew.-% Al wurden in äquivalenter Menge, bezogen auf den resultierenden Aluminiumgehalt, durch AlN ersetzt ohne weiteren Zusatz von Si3N4. Somit wies der Ansatz die folgende Zusammensetzung auf:
α-SiC-Pulver „UF-15”, H. C. Starck GmbH, Goslar; mit 0,5 Gew.-% B in Form von B4C (H. C. Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2 Gew.-% Kohlenstoff in Form der C-Paste „Derusol 325” (Degussa) mit bekannter C-Ausbeute nach der Pyrolyse, sowie 1,5 Gew.-% Al in Form von AlN (2,3 Gew.-% AlN, Grade C, H. C. Starck GmbH, Goslar). Die resultierende Basiszusammensetzung war somit: α-SiC + 0,5B + 2C + 1,5Al = 100 Gew.-%.
In order to check whether, instead of the additive combination Al and Si 3 N 4 , addition of AlN in a batch according to # 9 leads to a similar reduction in the electrical resistivity at room temperature, such an approach was established. The 1.5% by weight of Al added in the production of material # 9 were replaced in an equivalent amount, based on the resulting aluminum content, by AlN without further addition of Si 3 N 4 . Thus, the formulation had the following composition:
α-SiC powder "UF-15", HC Starck GmbH, Goslar; with 0.5 wt .-% B in the form of B 4 C (HC Starck GmbH, Goslar, Grade HS), 2 wt .-% carbon in the form of the C paste "Derusol 325" (Degussa) with known C-yield after pyrolysis, and 1.5 wt .-% Al in the form of AlN (2.3 wt .-% AlN, Grade C, HC Starck GmbH, Goslar). The resulting base composition was thus: α-SiC + 0.5B + 2C + 1.5Al = 100% by weight.

Der Versuch, diesen Ansatz wässrig aufzubereiten, wie bei der Herstellung von Werkstoff #8 beschrieben, scheiterte erwartungsgemäß. Durch Reaktion des AlN mit H2O kam es zur (H2-)Gasentwicklung, die zu einer gefährlichen Aufblähung der PE-Flasche führte. Somit ist diese Route großtechnisch wirtschaftlich nicht zu betreiben.The attempt to prepare this approach as aqueous, as described in the preparation of material # 8, failed as expected. The reaction of AlN with H 2 O led to (H 2 -) gas evolution, which led to a dangerous bloating of the PE bottle. Thus, this route is not economically feasible on an industrial scale.

Um den Effekt des AlN-Zusatzes trotzdem zu analysieren, erfolgte eine Aufbereitung mittels Isopropanol. Hierzu wurden 500 g der genannten Basiszusammensetzung unter Zusatz von 1 kg Isopropanol in einer 2l-Polyäthylen-Flasche mittels 2 kg ZrO2-Mahlperlen von 3 mm Durchmesser auf einem Taumelmischer 10 h lang dispergiert und homogenisiert. Die dadurch erhaltene Suspension wurde zur Abtrennung der ZrO2-Mahlperlen über 250 μm und zur Abtrennung eventueller verbliebener Agglomerate über 63 μm abgesiebt und der erhaltene reine Schlicker mittels eines explosionsgeschützten Rotationsverdampfers getrocknet. Nach einer Nachtrocknung im Trockenschrank an Luft bei 70°C über Nacht, wurde das Material durch Sieben < 150 μm granuliert und dieses gesiebte Material zu Proben verpresst, gesintert, und charakterisiert, wie bei den vorstehenden Beispielen beschrieben.Nevertheless, in order to analyze the effect of the AlN additive, it was reprocessed using isopropanol. For this purpose, 500 g of said base composition were dispersed with the addition of 1 kg of isopropanol in a 2 liter polyethylene bottle by means of 2 kg ZrO 2 grinding beads of 3 mm diameter on a tumble mixer for 10 hours and homogenized. The suspension thus obtained was sieved to remove the ZrO 2 grinding beads over 250 microns and for separating any remaining agglomerates over 63 microns and dried pure slurry obtained by means of an explosion-proof rotary evaporator. After drying in a drying oven in air at 70 ° C overnight, the material was granulated by sieving <150 microns and this sieved material is pressed into samples, sintered, and characterized, as described in the preceding examples.

Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei sich zeigt, dass das Material sehr gut sintert und einen elektrischen Widerstand geringfügig über den Widerständen der Werkstoffe #9 und #10 aufweist. Dies demonstriert, dass anstelle der Kombination Al und Si3N4 auch AlN zur gezielten Einstellung des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur eingesetzt werden kann. Da diese AlN-enthaltenden Ansätze jedoch nicht wässrig aufbereitet werden können, ist deren Aufbereitung mit einem deutlich höheren technischen und kostenmäßigen Aufwand verbunden.The results obtained are shown in Table 1, which shows that the material sinters very well and has an electrical resistance slightly above the resistances of materials # 9 and # 10. This demonstrates that instead of the combination of Al and Si 3 N 4 AlN can also be used for the specific adjustment of the electrical resistivity at room temperature. However, since these AlN-containing approaches can not be treated aqueous, their preparation is associated with a much higher technical and costly effort.

Werkstoff #13:Material # 13:

Um zu überprüfen, ob ein an sich schon hoher spezifischer elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur durch ein Nachglühen unter N2 steigerbar ist, wurde eine Probe des Werkstoffs #3 in einer Gasdruck-Sinteranlage einer Glühung für 2 h bei 1850°C und einem Druck von 10 bar N2 ausgesetzt und danach erneut der elektrische Widerstand ermittelt, wie oben beschrieben. Um dabei Oberflächeneffekte zu vermeiden, wurde das Prüfplättchen nach der thermischen Behandlung beidseitig überschliffen und dabei ca. 0,1 mm Material abgetragen. Das Ergebnis der Bestimmung des elektrischen Widerstandes in Tabelle 1 zeigt, dass durch die thermische Nachbehandlung unter 10 bar N2 der Widerstand nochmals um nahezu eine Zehnerpotenz gesteigert werden konnte. Somit sind thermische Nachbehandlungen von erfindungsgemäß hergestellten SiC-basierenden Werkstoffen bei Temperaturen oberhalb 1800°C in einer Gasatmosphäre von mindestens 1 bar N2 geeignet, den spezifischen elektrischen Widerstand des SiC-Werkstoffes zu steigern. Der Begriff „thermische Nachbehandlung” soll dabei alle dem eigentlichen Sinterschritt in Inertgasatmosphäre nachgeschalteten thermischen Behandlungen in N2-enthaltender Atmosphäre zwischen 1 bar (Sintern), 10–100 bar (Gasdrucksintern) bis 2000 bar (Heißisostatisches Pressen bzw. HIPen) umfassen.To check whether an intrinsically high specific electrical resistance at room temperature can be increased by an afterglow below N 2 , a sample of material # 3 in a gas pressure sintering plant was annealed for 2 h at 1850 ° C. and a pressure of 10 exposed to bar N 2 and then again determined the electrical resistance, as described above. In order to avoid surface effects, the test plate was sanded on both sides after the thermal treatment and thereby removed about 0.1 mm of material. The result of the determination of the electrical resistance in Table 1 shows that the thermal after-treatment under 10 bar N 2 again increased the resistance by almost one order of magnitude. Thus, thermal aftertreatments of SiC-based materials produced according to the invention at temperatures above 1800 ° C. in a gas atmosphere of at least 1 bar N 2 are suitable for increasing the specific electrical resistance of the SiC material. The term "thermal aftertreatment" is intended to encompass all thermal treatments in N 2 -containing atmosphere between 1 bar (sintering), 10-100 bar (gas pressure sintering) and 2000 bar (hot isostatic pressing or HIPing) downstream of the actual sintering step in an inert gas atmosphere.

Werkstoff #14:Material # 14:

Das Ziel dieses Ansatzes war der Nachweis, dass die vorteilhaften mechanischen und elektrischen Eigenschaften auch mit einem im technischen Maßstab aufbereiteten Ansatz erzielt werden. Hierzu wurden exakt die gleichen Rohstoffe und Zusätze wie bei der Herstellung von Werkstoff #7 beschrieben eingesetzt. Die Gesamtmenge des Ansatzes betrug 100 kg Feststoff. Die Ausgangsstoffe wurden in einem Lösequirl in Wasser dispergiert und anschließend im Durchlauf-Verfahren durch eine Rührwerkskugelmühle deagglomeriert und homogenisiert. Die eingesetzte Mühle wies eine PU-Auskleidung auf, als Mahlkörper wurde SiC-Bruchgranulat < 3 mm eingesetzt. Die Umwälzpumpe wurde so eingestellt, dass in 1 h der Ansatz (rechnerisch) 10-mal die Mühle passierte, nach 1 h wurde die Mahlung beendet; die Rotor-Drehzahl betrug dabei 1.500 U/min. Nach dieser Homogenisierungs-Mahlung wurde der resultierende Schlicker < 63 μm abgesiebt und mittels eines Sprühtrockners mit Schleuderrad granuliert. Über die Schlicker-Aufgabemenge des Sprühtrockners wurde die Turm-Ausgangstemperatur so gesteuert, dass diese 120°C nicht überschritt. Über die Drehzahl des Schleuderrades wurde der Trockner so betrieben, dass eine mittlere Granulatgröße um 80 μm resultierte. Das erhaltene Granulat wurde < 180 μm abgesiebt und vom Siebdurchgang wurden Platten zur Herstellung von Proben für die Werkstoff-Charakterisierung, sowie größere Presslinge für Testteile von Ofeneinbauten isostatisch gepresst.The aim of this approach was to demonstrate that the advantageous mechanical and electrical properties are also achieved with an industrial-scale approach. For this purpose, exactly the same raw materials and additives as described for the production of material # 7 were used. The total amount of the batch was 100 kg of solid. The starting materials were dispersed in a Löstesirl in water and then deagglomerated in a continuous process through a stirred ball mill and homogenized. The mill used had a PU lining, SiC break granules <3 mm were used as grinding media. The circulation pump was adjusted so that the batch (calculated) passed the mill 10 times in 1 h, after 1 h the grinding was stopped; the rotor speed was 1,500 rpm. To This homogenization grinding, the resulting slurry was screened 63 microns and granulated by means of a spray dryer with centrifugal. The tower discharge temperature was controlled via the slurry feed amount of the spray dryer so that it did not exceed 120 ° C. About the speed of the spinner, the dryer was operated so that an average granule size resulted by 80 microns. The resulting granules were screened <180 microns and from the passage through the plates were isostatically pressed for the production of samples for material characterization, as well as larger pellets for test parts of kiln installations.

Wie die Ergebnisse der Werkstoff-Charakterisierung in Tabelle 1 zeigen, wurden auch bei diesem Vorgehen die erfindungsgemäß gewünschten guten mechanischen Eigenschaften und der angestrebte hohe spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur (25°C) von ca. 2·108 Ω·cm erreicht.As the results of the material characterization in Table 1 show, the good mechanical properties desired according to the invention and the desired high electrical resistivity at room temperature (25 ° C.) of approximately 2 × 10 8 Ω · cm were also achieved in this procedure.

Aus den isostatisch gepressten Formkörpern wurden rohrförmige Stützen von ca. 5 cm Außen- und 2,6 cm Innen-Durchmesser und 40 cm Länge, sowie einigen Querbohrungen hergestellt, indem die Presslinge (Pulverformkörper) „grün” bearbeitet und in dem beschriebenen, in einem Ofenzyklus erfolgenden kombinierten Ausheiz-, Pyrolyse- und Sinterzyklus thermisch behandelt wurden. Dabei blieben die Teile riss- und defektfrei und erreichten eine Sinterdichte von 3,12 g/cm3. Die nach einer geringfügigen Hartbearbeitung fertig gestellten Teile wurden in der für sie vorgesehenen Anwendung getestet, wobei sie sich vollständig bewährten.From the isostatically pressed moldings tubular supports of about 5 cm outside and 2.6 cm inside diameter and 40 cm in length, as well as some cross-holes were prepared by the green compacts (powder molding) processed and in the described, in a Furnace cycle combined heat treatment, pyrolysis and sintering cycle were thermally treated. The parts remained crack-free and defect-free and reached a sintering density of 3.12 g / cm 3 . The finished after a minor hard machining parts were tested in their intended application, where they are fully proven.

Dieses Beispiel zeigt, dass erfindungsgemäß SiC-basierenden Werkstoffe und daraus gefertigte Komponenten mit etablierten technischen Verfahren auch im größeren Maßstab kostengünstig hergestellt werden können, was von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist.This example shows that according to the invention SiC-based materials and components produced therefrom can be produced cost-effectively on a larger scale with established technical processes, which is of great economic importance.

Somit gibt die Erfindung eine Anleitung, die Eigenschaften SiC-basierender Werkstoffe und daraus gefertigter Komponenten, wie eine Sinterdichte ≥ 94% th. D., eine Festigkeit von mindestens 300 MPa, einen statischen E-Modul von mindestens 375, eine Bruchzähigkeit KIC von mindestens 2,3 MPa·m0,5, eine Härte HK0,5 von mindestens 22,0 GPa, sowie einen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur zwischen 102 bis 108 Ω·cm gezielt einzustellen, und diese Werkstoffe und daraus hergestellte Komponenten auf wirtschaftlich günstigem Wege herzustellen.Thus, the invention gives guidance on the properties of SiC-based materials and components made therefrom, such as a sintering density ≥ 94% th. D., a strength of at least 300 MPa, a static modulus of at least 375, a fracture toughness K IC of at least 2.3 MPa · m 0.5 , a hardness HK0.5 of at least 22.0 GPa, and a specific To set electrical resistance at room temperature between 10 2 to 10 8 Ω · cm targeted, and to produce these materials and components produced therefrom in an economically favorable way.

Eine Übersicht über die hergestellten Werkstoffe und deren ermittelten Werkstoff-Eigenschaften ist in Tabelle 1 wiedergegeben: Tab.1: Eigenschaften der hergestellten Werkstoffe Werkstoff Sinterdichte Th. D. Festigkeit E-Modul KIC Härte HK0,5 Spez. el. R. Erf.gemäß g/cm3 % MPa GPa MPa·m1/2 GPa Ω·cm Ja/nein #0 3,15 98,7 465 385 2,8 22,5 2,4·105 ja #1 3,15 98,7 472 388 2,8 22,6 1,6·107 ja #2 3,16 99,1 428 383 2,8 22,5 1,6·108 ja #3 3,15 98,7 360 382 2,7 22,3 8,3·107 ja #4 3 , 15 98,7 365 384 2,5 22,1 8,6·106 ja #5 3,08 96,6 355 375 2,3 21,4 4,2·105 ja #6 2,90 90,9 - - - - - nein #7 3,14 98,4 362 384 2,7 22,4 2,4·108 ja #8 2,80 87,8 - - - - - nein #9 3,13 98,1 307 378 2,8 22,0 3,2·102 ja #10 3,15 98,7 308 380 2,7 22,2 7,1·102 ja #11 3,15 98,7 325 382 2,6 22,3 3,6·103 ja #12 3,18 99,7 335 388 3,1 22,6 1,8·103 ja #13 3,14 98,4 375 385 2,9 22,5 6,7·108 ja #14 3,15 98,7 410 390 3,2 22,7 2,0·108 ja Th. D.: Theoretische Dichte
Spez. el. R.: Elektrischer Gleichstromwiderstand bei 25°C
Erf.-gemäß: Erfindungsgemäß
An overview of the materials produced and their determined material properties is shown in Table 1: Tab.1: Properties of the produced materials material sintered density Th. D. strength Modulus K IC Hardness HK0,5 Spec. El. R. Erf.gemäß g / cm 3 % MPa GPa MPa · m 1/2 GPa Ω · cm Yes No # 0 3.15 98.7 465 385 2.8 22.5 2.4 · 10 5 Yes #1 3.15 98.7 472 388 2.8 22.6 1.6 · 10 7 Yes # 2 3.16 99.1 428 383 2.8 22.5 1.6 · 10 8 Yes # 3 3.15 98.7 360 382 2.7 22.3 8.3 · 10 7 Yes # 4 3 , 15 98.7 365 384 2.5 22.1 8.6 x 10 6 Yes # 5 3.08 96.6 355 375 2.3 21.4 4.2 · 10 5 Yes # 6 2.90 90.9 - - - - - No # 7 3.14 98.4 362 384 2.7 22.4 2.4 · 10 8 Yes #8th 2.80 87.8 - - - - - No # 9 3.13 98.1 307 378 2.8 22.0 3.2 · 10 2 Yes # 10 3.15 98.7 308 380 2.7 22.2 7.1 · 10 2 Yes # 11 3.15 98.7 325 382 2.6 22.3 3.6 · 10 3 Yes # 12 3.18 99.7 335 388 3.1 22.6 1.8 · 10 3 Yes # 13 3.14 98.4 375 385 2.9 22.5 6.7 · 10 8 Yes # 14 3.15 98.7 410 390 3.2 22.7 2,0 · 10 8 Yes Th. D .: Theoretical density
Spec. El. R .: Electrical DC resistance at 25 ° C
According to: according to the invention

In (1) sind die ermittelten elektrischen Gleichstromwiderstände bei 25°C für verschiedene der oben beschriebenen Werkstoffe graphisch dargestellt. Aus dieser Abbildung lässt sich die Bandbreite des durch das erfindungsgemäße Verfahren einstellbaren spezifischen elektrischen Widerstandes SiC-basierender Sinterwerkstoffe bei Raumtemperatur (25°C) ersehen. Wie ersichtlich, konnten Sinterkörper mit elektrischem Gleichstromwiderstand bei 25°C im gesamten gewünschten Bereich von 102 bis 108 Ω·cm erhalten werden.In ( 1 ), the determined DC electrical resistances at 25 ° C for various of the materials described above are shown graphically. From this figure, the bandwidth of the adjustable by the inventive method specific electrical resistance of SiC-based sintered materials at room temperature (25 ° C) can be seen. As can be seen, sintered bodies with DC electrical resistance at 25 ° C could be obtained in the entire desired range of 10 2 to 10 8 Ω · cm.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sinterkörpers auf Basis von Siliziumcarbid, umfassend das Sintern eines Pulverformkörpers, enthaltend a. mindestens 88 Gew.-% Siliziumcarbid, b. mindestens ein borhaltiges Additiv, in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, berechnet als Bor, c. Kohlenstoff und/oder mindestens ein Kohlenstoffquellenmaterial, das beim Sinterprozess freien Kohlenstoff liefert, in einer Menge, die 0,5 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff entspricht, d. mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv in einer Menge von 0 bis 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff, e. und mindestens ein aluminiumhaltiges Additiv in einer Menge von 0 bis 2,0 Gew.-%, berechnet als Aluminium, mit der Maßgabe, dass ein aluminiumhaltiges Additiv nur dann enthalten sein darf, wenn der Pulverformkörper auch mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv enthält, wobei sämtliche Mengenangaben auf die Summe der Bestandteile des Pulverformkörpers bezogen sind, und wobei das Sintern in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 1 bis 100 mbar durchgeführt wird.A method for producing a ceramic sintered body based on silicon carbide, comprising sintering a powder shaped body containing a. at least 88% by weight of silicon carbide, b. at least one boron-containing additive, in an amount of 0.1 to 1.5 wt .-%, calculated as boron, c. Carbon and / or at least one carbon source material that provides free carbon in the sintering process in an amount corresponding to 0.5 to 3 wt% carbon, d. at least one nitrogen-containing additive in an amount of 0 to 2.3% by weight, calculated as nitrogen, e. and at least one aluminum-containing additive in an amount of 0 to 2.0 wt .-%, calculated as aluminum, with the proviso that an aluminum-containing additive may be included only if the powder molded body also contains at least one nitrogen-containing additive, wherein all quantities are based on the sum of the constituents of the powder molding, and wherein the sintering is carried out in an inert gas atmosphere at a pressure of 1 to 100 mbar. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverformkörper weiterhin mindestens ein temporäres Prozesshilfsmittel enthält.A method according to claim 1, characterized in that the powder molded body further contains at least one temporary processing aid. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur von 2000°C bis 2200°C durchgeführt wird.A method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the sintering is carried out at a temperature of 2000 ° C to 2200 ° C. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverformkörper mindestens ein stickstoffhaltiges Additiv in einer Menge von 0,01 bis 2,3 Gew.-%, berechnet als Stickstoff, enthält.Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the powder molded article contains at least one nitrogen-containing additive in an amount of 0.01 to 2.3 wt .-%, calculated as nitrogen. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverformkörper mindestens ein aluminiumhaltiges Additiv in einer Menge von 0,01 bis 2,0 Gew.-%, berechnet als Aluminium, enthält.A method according to claim 4, characterized in that the powder molded article contains at least one aluminum-containing additive in an amount of 0.01 to 2.0 wt .-%, calculated as aluminum. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Siliziumcarbid um α-SiC handelt, vorzugsweise um α-SiC technischer Qualität, das Verunreinigungen ausgewählt aus Fe, Mg, Ti und Ca in einer Gesamtkonzentration von 250 ppm bis 750 ppm enthält, und/oder es sich bei dem borhaltigen Additiv um Borcarbid handelt.Method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that it is the silicon carbide is α-SiC, preferably of technical grade α-SiC, the impurities selected from Fe, Mg, Ti and Ca in a total concentration of 250 ppm to 750 ppm, and / or the boron-containing additive is boron carbide. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Pulverformkörpers dessen Ausgangsstoffe gemeinsam wässrig aufbereitet und gemischt, getrocknet und zu einem Formkörper geformt werden.Method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that for the preparation of the powder molded article whose starting materials are treated together in aqueous and mixed, dried and formed into a shaped body. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern in einer Inertgasatmosphäre ein Sintern bei Normaldruck, ein GasdruckSintern oder ein Sinter-Heißisostatisches-Pressen in N2 oder einer N2-enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that after sintering in an inert gas atmosphere sintering at atmospheric pressure, gas pressure sintering or sintering-hot isostatic pressing in N 2 or an N 2 -containing atmosphere is performed. Keramischer Sinterkörper auf Basis von Siliziumcarbid, erhältlich durch ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8.Ceramic sintered body based on silicon carbide, obtainable by a process according to at least one of claims 1 to 8. Keramischer Sinterkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte von mindestens 94% der theoretischen Dichte, bestimmt mittels des Wasserverdrängungsverfahrens nach Archimedes, und einen elektrischen Gleichstromwiderstand bei 25°C von 102 bis 108 Ω·cm, sowie vorzugsweise weiterhin eine 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von ≥ 300 MPa, einen statischen E-Modul von ≥ 375 GPa, eine Bruchzähigkeit KIC von ≥ 2,3 MPa·m0,5, sowie eine Härte HK0,5 von ≥ 22 GPa aufweist.Ceramic sintered body according to claim 9, characterized in that it has a density of at least 94% of the theoretical density, determined by the Archimedes water displacement method, and a DC electrical resistance at 25 ° C of 10 2 to 10 8 Ω · cm, and preferably further 4-point bending strength at room temperature of ≥ 300 MPa, a static modulus of ≥ 375 GPa, a fracture toughness K IC of ≥ 2.3 MPa · m0.5, and a hardness HK0.5 of ≥ 22 GPa.
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