DE2154479A1 - Method and device for the simultaneous production of several compacted silicon nitride molded bodies by means of hot pressing - Google Patents
Method and device for the simultaneous production of several compacted silicon nitride molded bodies by means of hot pressingInfo
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Description
Dip!, ing. G. Koch ? niiT 1071 Dip !, ing. G. Koch ? niiT 1071
Dr.T.Kaibach ** uniia/1
KKieehen 2
K»Snjersir.8, Tel. 240275 2154479Dr.T.Kaibach ** uniia / 1 KKieehen 2
K »Snjersir.8, Tel. 240275 2154479
The Secretary of State for Defence, London, Großbritannien The Secretary of State for Defense, London, Great Britain
Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren verdientsten Siliziumnitrid-Formkörpern mittels WarmpressenMethod and device for the simultaneous production of several deserved silicon nitride molded bodies by means of hot pressing
Die Erfindung betrifft allgemein das Warmpressen von Siliziumnitrid und näherhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung mehrerer Siliaiumnitrid-Formkörper in einem PreßVorgang.The invention relates generally to hot pressing of silicon nitride and, more particularly, to a method and apparatus for the production of several silicon nitride moldings in a pressing process.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Siliziumnitrid-Formkörper im Warmpreßverfahren wird in der Weise vorgegangen, daß man eine Hohlform aufeinanderfolgend mit mehreren aus Siliziumnitrid- Pulver und einem Flußmittel bestehenden Chargen beschickt, die voneinander durch Formtrennteile getrennt sind, wobei die mit den Pulverchargen in Berührung gelangenden Oberflächen der Form und der Formtrennteile mit einem Trennmittel überzogen wurden, und daß man sodann die Chargen durch gleichzeitige Anwendung von Wärme und Druck in einen durch Warmpressen verdichteten Siliziumnitrid-Formkörper überführt·According to the method according to the invention for the simultaneous production of several silicon nitride molded bodies in The hot-pressing process is carried out in such a way that a hollow shape is successively formed with several batches consisting of silicon nitride powder and a flux charged, which are separated from each other by mold separators are, the coming with the powder batches in contact surfaces of the mold and the mold separators with a Release agents were coated, and that the batches were then removed by the simultaneous application of heat and pressure converted into a molded silicon nitride body compacted by hot pressing
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Al» Trennmittel kann «in· wäßrige Suspension von Magnesiumoxydpulver verwendet werdenοAl "release agent can" in an aqueous suspension of magnesium oxide powder be used ο
Die Beschickung der hohlen Form mit den einzelnen Chargen kann in der Weit· erfolgen, daß die einseinen durch die Farmtrennteile gebildeten FormrMume zum Füllen mittel· Foraraum-Unterteilvorrichtungen in eine Zahl kleinerer Räume unterteilt werden, daß man diese kleineren Räume mit der aus Siliziumnitridpulver und dem Flußmittel be· Wk stehenden Charge beschickt und sodann die Formraum-TJnterteilvorrichtung entfernt.The filling of the hollow mold with the individual batches can be carried out to the extent that the one of the molds formed by the farm dividing parts are subdivided into a number of smaller spaces for filling by means of the fora space lower part devices flux be · Wk standing batch loaded and then the mold space-TJnterteilvorrichtung removed.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erflndungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich durch eine hohle Form, durch mehrere Formtrennteile sowie durch Vorrichtungen zur Beaufschlagung der Pulverchargen mit Wärme und Druck.The invention also relates to a device for Implementation of the method according to the invention. The according to the invention The device is characterized by a hollow shape, several mold separating parts and devices for applying heat to the powder batches Pressure.
Nach bevorzugten Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, daß als Wärmezufuhrvorrichtung eine die hohle Form umgebende isolierte Induktionsheizwicklung vorgesehen ist; und daß sur Druckbeaufschlagung eine Presse mit einem wassergekühlten Preßkopf vorgesehen ist·According to preferred embodiments it can be provided that a heat supply device surrounding the hollow shape insulated induction heating coil is provided; and that sur pressurization a press with a water-cooled Press head is provided
Die Hohlform und die Formtrennteile können aus Graphit hergestellt sein, und die Form kann auf einem Block aus einem hitsebeständigen Oxyd wie beispielsweise Aluminiumoxyd-Guß angeordnet sein, auch stabilisiertes Zirkoniumoxyd und Zellularsiliziumnitrid können verwendet werden.The cavity mold and the mold separators can be made of graphite, and the mold can be made on a block a hit-resistant oxide such as cast aluminum oxide also stabilized zirconium oxide and cellular silicon nitride can be used.
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dung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:application described with reference to the drawing; in this show:
Pig· 1 in schemätischer Seitenansicht eine Ausführungs form einer Vorrichtung zum Heißpressen τοη Siliziuanitrid nach den erfindungsgenieen Verfahren; Pig 1 shows an embodiment in a schematic side view form of a device for hot pressing τοη silicon nitride according to the inventive method;
Fig. 2 in Draufsicht einen Teil der Vorrichtung aus Fig. 1 cur Veranschaulichung der Vorrichtung für die Preßform;FIG. 2 shows a plan view of part of the device from FIG. 1 cur an illustration of the device for the mold;
Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 variierte andere Ausführung der Füllvorrichtung für die PreßfomiFIG. 3 shows another embodiment which is varied compared to FIG. 2 the filling device for the press molds
Fig. k eine detaillierte Teilansicht der Füllvorrichtung gemttß Fig. 3·FIG. K is a detailed partial view of the filling device according to FIG.
Vie aus Fig. 1 ersichtlich, «reist die Vorrichtung ein hohlBylindrisches Foretell 10 aus Graphit auf, das von einer Induktionsheiswicklung 12 in einer Isolierschicht Ik ungeben 1st und auf einen Block 16 aus Aluminiumoxyd-Guß steht. Die Induktioneheizwicklung ist mit einer Wechselstronquelle 18 verbunden; der Stromkreis weist einen Schalter 20 auf.As can be seen from FIG. 1, the device rips open a hollow cylindrical foretell 10 made of graphite, which is uneven from an induction heat winding 12 in an insulating layer Ik and stands on a block 16 made of cast aluminum oxide. The induction heating coil is connected to an alternating current source 18; the circuit has a switch 20.
Das Innere des Formteile 10 ist mittels Trennteilen in Gestalt von Graphitscheiben 22 in eine Anzahl von Foraräumen unterteilt. Das Spiel zwischen den die Form unterteilenden Trennteilen und dem Formteil beträgt zwischenThe interior of the molded part 10 is divided into a number of fora spaces by means of dividing parts in the form of graphite disks 22 divided. The play between the dividing parts dividing the mold and the molded part is between
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0,015" und 0,020"» In der Zeichnung eind die eo gebildeten Foraräume mit Chargen 2k aus Silizlumnitridpulvor und Mafcnt«iumoxyd im Verhältnis von 1 Teil Magnesiumoxyd auf 20 Teile Siliziumnitrid gefüllt dargestellt.0.015 "and 0.020" In the drawing, the fora spaces formed are shown filled with charges 2k of silicon nitride powder and metal oxide in a ratio of 1 part magnesium oxide to 20 parts silicon nitride.
Zum Mischen der Chargen 2k wird cäae Siliziumnitridpulver auf einer großen Fläche aus einem biegsamen Material wie beispielsweise einem Blatt Zeichenpapier ausgebreitet und das Magnesiumoxydpulver von Hand auf das Siliziumnitrid aufgestreute Sodann werden das Silizititnnitrid und Magnesiumoxyd einmal durch ein Sieb mit der Maachenzahl 50 und sodann durch ein Sieb mit der Maachenzahi 150 gebürstet· Dieses Verfahren bewirkt eine gründliche Vermischung des Siliziumnitride und Magnesiumoxyds unter Vermeidung einer Kontamination, wie sie bei Vermischung der beiden Pulver in einer Kugelmühle aufträte·To mix the batches 2k , the silicon nitride powder is spread over a large area made of a flexible material such as a sheet of drawing paper and the magnesium oxide powder is sprinkled onto the silicon nitride by hand brushed with the Maachenzahi 150 · This process causes a thorough mixing of the silicon nitride and magnesium oxide while avoiding contamination, as would occur if the two powders were mixed in a ball mill.
Die Korngröße des MagnesiumoxydpuJvers ist kleiner als Maschenzahl 300; die Korngröße des Siliziuanitrldpulvers 1st ebenfalls kleiner als Maschenssahl 300, wenngleich das Siliziumnitridpulver vollständig oder teilweise auch Korngrößen von kleiner als Maschensahl 100 aufweisen kann, ohne daß dies eine nennenswerte Einbuße der Qualität des Endprodukte zur Folge hätteοThe grain size of the magnesium oxide powder is smaller as 300 mesh; the grain size of the silicon nitride powder Is also smaller than wire mesh 300, although the silicon nitride powder is completely or partially also Can have grain sizes of less than 100 mesh without this having a significant loss in the quality of the End products would have ο
Mit unterschiedlichen Anteilen von Korngrößen kleiner als Maschenzahl 100 wurden die folgenden Dichten erzielt:The following densities were achieved with different proportions of grain sizes smaller than 100 mesh:
- mit Pulver, das zu 100 # Korngrtfßon von kleiner als Maschenzahl 100 besitzt - 86 ^ der theoretischen Dichte ι- with powder that is 100 # grain size smaller than Mesh number 100 has - 86 ^ the theoretical density ι
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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
- ait Pulver aus 95 % Korngröße kleiner als Maschenzahl 100 und 5 $> Korngrößen kleiner als Maschensahl 300 - 91 ^ der theoretischen Dichte;- ait powder of 95 % grain size smaller than 100 mesh and 5 $> grain sizes smaller than 300 - 91 ^ of the theoretical density;
- mit Pulver aus 90 # Korngröße kleiner als Maschenzahl 100 und 10 ^ Korngröße kleiner als Maschenzahl 300 - 96 f> der theoretischen Dich fco;- with powder of 90 # grain size smaller than 100 mesh and 10 ^ grain size smaller than 300 mesh - 96 f> the theoretical dich fco;
Die unterste Charge ruht auf einer Graphitscheibe 26, und entsprechend ist die oberste Charge mit einer Graphitscheibe 28 verschlossen. Gegen die Scheibe 28 liegt das Kopfstück 30 einer beispielsweise hydraulisch betätigten Presse ans der Preßkopf -wird mit Wasser gekühlt, das über eine Leitung 32 in den Preßkopf ein- und über eine Leitung 3k aus ihm austritt.The lowermost batch rests on a graphite disk 26, and the uppermost batch is correspondingly closed with a graphite disk 28. The head piece 30 of a, for example, hydraulically operated press rests against the disk 28 on the press head - it is cooled with water which enters the press head via a line 32 and exits it via a line 3k.
Zn dem Formteil 10 sind am Boden, in der Mitte und am oberen Ende drei Thermoelemente 361 38 und k0 angeordnet und mit entsprechenden Temperaturanzelgevorrichtungen 42, kh und 46 verbunden. Bin weiteres Thermoelement 41 1st in der Mitte der Graphitacheibe 26 vorgesehen und mit einer Temperaturanzeigevorrichtung k7 verbunden«Zn the mold part 10, three thermocouples 36 1 38 and k0 are at the bottom, in the middle and at the upper end and provided with corresponding Temperaturanzelgevorrichtungen 42, kh and 46. Another thermocouple 41 is provided in the middle of the graphite disk 26 and connected to a temperature display device k7 «
Fig. 2 veranschaulicht eine Formrauai-Unterteilvorrichtung 48 zur Beschickung der einzelnen Formräume mit den Pulverchargenρ derart, daß das Pulver gleichmäßig und zusammenhängend Über jeden der Formräume verteilt wird. Diese Formraum-Unterteilvorrichtimg waist einen zentralen kreisförmigen Blechstreifen 60 auf, an welchem acht radial verlaufende ebene Platten 52 befestigt sind. Das von dem Formteil 10 und der zwischen awei Graphitscheiben 22Fig. 2 illustrates a mold forming apparatus 48 for charging the individual mold spaces with the powder batches so that the powder is uniform and coherently distributed over each of the mold spaces. This mold cavity lower part device has a central one circular sheet metal strip 60, on which eight radially extending flat plates 52 are attached. That from the molded part 10 and between awei graphite disks 22
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angeordneten Unterteilvorrichtung k8 definierte Volumen ist gleich dem zur Erzielung der gewünschten Dicke einer im wesentlichen vollständig verdichtetan Siliziumnitrid· Scheibe erforderlichen Volumen an Pulvercharge. The volume defined by the lower part device k8 arranged in the lower part is equal to the volume of powder charge required to achieve the desired thickness of an essentially completely compressed silicon nitride disc.
Zum Einbringen der Pulverehargen sfird die Unterteil-Vorrichtung auf die Scheibe 26 gelegt; sodann werden die Zwischenräume zwischen benachbarter Platten 52 sowie der zentrale Raum mit dem Pulver gefüllt; sobald das gesamte Pulver eingefüllt ist» wird die untert@ilvorrichtung herausgezogen und eine Graphitechoibo auf die Charge gelegt· Dieses Verfahren wird so oft wiederholt, bis die Form mit samtlichen Chargen beschickt isto Jeweils nach Auflegen einer Graphitscheibe 22 wird die Scheibe und damit auch die Pulvercharge nivelliert, indem man auf die Scheibe eine vierarmige Platte und auf diese eine Alkohol-Nivellierwaage aufsetzt. Liegt die Scheibe nicht waagrecht9 so kann sie ausgerichtet werden, bis die Nivellierwa&ge an« zeigt, daß die Scheibe rechtwinklig zur Vertikalachse des Formteils 10 steht. Indem jeder Formraum in eine Anzahl kleinerer Räume unterteilt wird, kann die Beschickung mit den Pulverchargen so erfolgen,, daß das Pulver ohne Bildung von Leerräumen gleichmäßig verteilt wirdοTo introduce the powder batches, the lower part device is placed on the disc 26 ; then the spaces between adjacent plates 52 and the central space are filled with the powder; as soon as all of the powder has been filled in »the bottom device is pulled out and a graphite echo is placed on the batch. This process is repeated until the mold is filled with all of the batches leveled by placing a four-armed plate on the disc and an alcohol leveling scale on top of it. If the disk is not horizontal 9, it can be aligned until the leveling scale indicates that the disk is at right angles to the vertical axis of the molded part 10. By dividing each mold space into a number of smaller spaces, the powder batches can be loaded in such a way that the powder is evenly distributed without the formation of voids
In den Figuren 3 und k ist eine Alfc ©rna tiv&wt a führung der Formraum-Unterteilvorrichtung seur Beschickung eines ringförmigen Formraums gezeigt. Wie aus Figo 3 axsichtlich, wird der ringförmige Formr&uns du^oh θ inen äußeren Graphitring 5k und einen mittleren GraphitaylInder 56 definiert. Dieser Formraum wird durch elnu Anzahl -von an ihren Stirnseiten offenenBehältem 58» öO,. 02, 64 und 66 In the figures 3 and k an Alfc © rna tiv & wt a guide of the mold space lower part device for loading an annular mold space is shown. As can be seen from FIG. 3, the annular shape is defined in an outer graphite ring 5k and a central graphite inducer 56. This mold space is created by a number of containers 58,,,, which are open at their end faces. 02, 64 and 66
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In eine Anzahl von Bäumen untei-teilt; einer dieser Behälter 1st bei 58 in Fig. k in Seitenansicht gezeigt. Bei dieser speziellen Ausführung soll ein hochverdichteter SiIiziumnltrid-Ring hergestellt werden, der an seiner einen Oberfläche abgeschrägt ietj entsprechend find die Behälter an ihrer Unterseite sämtlich mit einer Abschrägung versehen* Divides into a number of trees; a 1st these containers at 58 in Fig. k shown in side view. In this special design, a highly compressed silicon nitride ring is to be produced, one surface of which is bevelled, so that the containers are all bevelled on their underside *
Ia Betrieb werden sämtliche Eehälter mit Pulver gefüllt, und zwar werden die mittleren Behälter 60, 62 und 6k mit Pulver gefüllt und die Behälter 62„ 6k und 68 entfernt. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis der Behälter 60 oder einer der Behälter 58, 60, 6Z oder 6k neben dem Behälter 66 liegt, der sodann herausgenommen werden kann, worauf der Formraum vollständig gefüllt ist.In operation, all containers are filled with powder, namely the middle containers 60, 62 and 6k are filled with powder and containers 62, 6k and 68 are removed. This process is repeated until the container 60 or one of the containers 58, 60, 6Z or 6k is adjacent to the container 66 , which can then be removed, whereupon the mold space is completely filled.
Das Wesentliche dieses Verfahrens besteht darin, daß das lose Pulver stets zwischen zwei Behältern gehalten wird, die entweder mit Pulver beschickt oder auch leer sein können, wobei einer der Behälter, beispielsweise der Behälter 60, stationär verbleibt, derart, daß das lose Pulver stets zwischen zwei Behältern eingegrenzt 1st»The essence of this process is that the loose powder is always held between two containers that are either filled with powder or empty may be, with one of the containers, for example the container 60, remains stationary, such that the loose Powder is always confined between two containers »
Sämtliche mit dem Beschickungematorial in Berührung gelangende Oberflächen der Scheiben 22, 28 und 26 werden vor der Berührung mit dem Beschickungepulver mit einer Suspension von Magneeiumoxyd in Wasser überzogen, um zu verhindern, daß das verdichtete Siliziumnitrid an diesen Bauteilen haftet. Die Innenwandung des Formteile 10 wird mit einer Suspension von Bor in Wcsaer überzogen. Diese Suspension wird als ein verhältnismäßig dicker ÜberzugAll in contact with the charging material coming surfaces of the disks 22, 28 and 26 are prior to contact with the charge powder with a Suspension of magnesium oxide in water coated in order to prevent the compacted silicon nitride from adhering to these components. The inner wall of the molded part 10 is coated with a suspension of boron in Wcsaer. These Suspension appears as a relatively thick coating
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BAD OftKSJNALBAD OftKSJNAL
von etwa 0,010" Dick· auf das Formteil 10 aufgebracht, da« BUYor auf «in· Temperatur im Bereich zwischen 100 0C bis 150 0C erhitzt wurde· Der Übertrag wird daher getrocknet, und dae Bornitridpulver bleibt auf der Innenwandung des Formteil· 10 zurück. Sodann wird dieser Überzug mit einem feinen Schmirgeltuch abgerieben, derart, daß nur eine dünne Pulverechicht zurückbleibt, die sowchl die Poren in dem Graphit de· Formteils 10 ausfüllt und gleichzeitig als Hochtemperatur-Schmiermittel wirkt.applied from about 0.010 "thick · on the mold part 10, because" buyor was heated to "in · temperature in the range between 100 0 C to 150 0 C · The transfer, therefore, is dried, and dae boron nitride remains on the inner wall of the molding × 10 This coating is then rubbed off with a fine emery cloth in such a way that only a thin powder layer remains, which fills the pores in the graphite of the molded part 10 and at the same time acts as a high-temperature lubricant.
!fach Beschickung sämtlicher Chargen 2k wird die Presse mit einer nur sehr leichten Anlagekr&ft, die gerade ausreicht« um ein vorhandenes Spiel aufzunehmen und überschüssige Luft auszuschließen, auf den Stapel von Beschickungschargen herabgelassen* Sodann wird mittels der Induktionsheizwicklung 12 Wärme zugeführt, bis das Thermoelement *f1 eine Temperatur von 1350 0C anzeigt 1 in diesem Zeltpunkt wird der Preßdruck auf eine halbe (britische) Tonne pro Quadratzoll erhöht· In dem Maße, wie die Beschickung»Chargen verdichtet werden, muß die Presse mit konstantem Druck der abnehmenden Höhe des Stapele aus den Beschickung«Chargen und den Trennscheiben folgen, und die Temperatur muß sorgfältig kontrolliert werden, da d&c Pulver vor der Verdichtung ein VKrmelsolator ist, jedoch bei Annäherung an die maximale Verdichtung ein Wärmeleiter wird«When all batches 2k are loaded , the press is lowered onto the stack of loading batches with only a very slight contact force, which is just sufficient to absorb any play and exclude excess air. f1 a temperature of 1350 0 C indicating 1 in this tent point of the pressing pressure is increased to a half (British) ton per square inch · in proportion as the feed »batches are compressed, the press at a constant pressure of the decreasing height of the decks of must from follow the loading "batches and cutting discs, and the temperature must be carefully controlled, since d & c powder is a V-crumb insulator before compaction, but becomes a heat conductor as it approaches maximum compaction"
Bei etwa 1800 0C reagiert der Sauerstoff In dem Magnesiumoxyd-Trennmittel mit dem Graphit unter Bildung von Kohlenetoffdioxyd, wobei dae Magnesium verdampft und ein Haften des verdichteten Siliziumni ;ridi an den Formteilen verhindert wird.At about 1800 0 C, the oxygen reacts in the magnesium oxide-releasing agent with the graphite to form Kohlenetoffdioxyd wherein dae magnesium evaporated, and adhesion of the compacted Siliziumni; ridi is prevented at the moldings.
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Nach dem Abkühlen der Form können die Graphitscheiben 22 und 28 abgenommen und die dichten Siliasiumnitrid-Scheiben au β dem Formteil 10 herausgenoiomen warden.After the mold has cooled down, the graphite discs 22 and 28 removed and the dense silicon nitride disks be extracted from the molded part 10.
Für eine optimale Durchführung des Verfahrens sollen vorzugsweise die folgenden Bedingungen beachtet werden}For optimal execution of the procedure you should preferably the following conditions are observed}
a) Xn dem Formteil 10 soll koln odsr nur ein sehr geringer vertikaler Temperaturgradient bestehen} dies läßt sich dadurch erreichen, daß man die von dem Formteil 10 wegführenden Värmeleitungspfade auf ein Minimum verringert, d. h« der mit dem Formteil 10 in Berührung stehende Oberflachenbereich des Aluminiumoxydblocks 16 soll so klein wie möglich sein.a) Xn the molded part 10 should koln or only a very small amount vertical temperature gradient exist} allows this can be achieved by reducing the thermal conduction paths leading away from the molded part 10 to a minimum, d. h «the surface area in contact with the molded part 10 of the alumina block 16 should be as small as possible.
b) Der Temperaturgradient entlang dem Formteil 10 soll so klein wie möglich sein; dies läßt sich dadurch erreichen, daß man die Trennteile 22 mit größtmöglicher Dicke ausführt, derart, daß sie einen guten Wärmeleitungspfad bilden· Die Erfahrung hat gezeigt, daß aiii Durchmesser/Dikke-Verhältnia von etwa 5 t 1 für die Tr^nnteile 22 einerseits eine genügende Festigkeit und ausreichende Wärraoleitungseigenschaften gewährleistet.b) The temperature gradient along the molded part 10 should be as small as possible; this can be achieved by that one carries out the separating parts 22 with the greatest possible thickness, such that they have a good heat conduction path Form · Experience has shown that aiii diameter / Dikke ratios of about 5 t 1 for the door parts 22 on the one hand sufficient strength and sufficient thermal conductivity properties guaranteed.
c) Das Formteil 10 soll so konstruiert sein, daß, wenn die Temperatur in der Mitte dex* Graphitscheibe 26 1350 0C beträgt, der Rand der Scheibe eine Temperatur von nicht mehr als 1700 0C besitzt. Hierdurch soll ein Sicherheitsabstand zwischen der tatsächlichem Temperatur der Chargen und der Sissoziationotesperatur dee Slliziuinnitridpulvers, die im Bereich von 1900 0C bie 2050 °C Liegt, gewährleistet werden.c) The molded part 10 should be constructed in such a way that, when the temperature in the center dex * graphite disk 26 is 1350 ° C., the edge of the disk has a temperature of no more than 1700 ° C. This is intended a safety margin between the actual temperature of the batch and the Sissoziationotesperatur dee Slliziuinnitridpulvers, to ensure the bie in the range of 1900 0 C 2050 ° C.
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IT943642B (en) | 1973-04-10 |
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