CN103249694A - 用于硅化的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于硅化含碳工件（1）的设备，其具有：带有入口（110）和出口（120）的室（100），在所述室的内部空间中存在硅化装置（130）；以及带有位置固定的保持件（210）和输送件（220）的输送装置（200），其中所述保持件在所述入口（110）与所述硅化装置（130）之间以及在所述硅化装置和所述出口（120）之间延伸，其中所述输送件包括两个能够彼此平行运动的梁（221、222），其中不仅所述保持件（210）而且所述输送件（220）都具有各自的槽对（210a、220a），其中所述每对的槽（210a、220a）彼此关于所述输送装置（200）的纵轴线L对置并且被设计用于容纳杆（10）或直接容纳所述工件，以及其中所述输送件（220）能够被驱动进行重复的运动循环，所述运动循环包括上升运动、前移运动和下降运动，以便使放置在所述保持件（210）上的杆（10）以时钟控制方式沿所述纵轴线L从所述入口（110）朝着所述硅化装置（130）运动以及从所述硅化装置朝着所述出口（120）运动。

Description

用于硅化的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于硅化含碳工件的设备和方法。

背景技术

材料硅化的过程是一种表面处理方法，这种表面处理方法用于赋予含碳工件提高的稳定性。基本反应是碳和硅在工件内部熔合成碳化硅。

一种用于硅化含碳材料的方法例如在EP0956276A1中公开。根据这种方法，待硅化的含碳材料与结合的粉末状硅一起加热，使得熔融的硅侵入材料中且在内部至少部分反应成为碳化硅。然而该方法只能分批执行，这一定程度上限制了该方法的大规模使用。

为此，DE102006009388B4提出一种改进方案。在该文献中公开的方法在空间上被划分成多个室，在这些室中分别有特定的温度条件和压力条件处于主导。待硅化的工件在此被相继定位在各室中，以便加热、与硅反应以及冷却。如果工件已被从一个室转移到下一个室中，则又已经可以将新的工件引入第一个室中。由此虽然可以提高生产量，但仅一定限度地提高。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种用于硅化含碳工件的设备和方法，该装置能够实现连续的方法运用。

根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的特征的设备以及通过一种具有权利要求8的特征的方法来解决。优选的设计方案在从属权利要求中予以说明。

根据本发明的实施形式，用于硅化含碳工件的设备具有：带有入口和出口的室，在该室的内部空间中存在硅化装置；以及运输装置，该运输装置具有：位置固定的保持件，该保持件在入口与硅化装置之间以及在硅化装置与出口之间延伸；以及运输件，该运输件包括两个可相互平行运动的梁，其中不仅保持件而且运输件都具有相应的槽对，其中每一对的槽彼此关于输送装置的纵轴线L对置，并且设计用于容纳杆或工件本身，以及其中输送件可被驱动进行重复的运动循环，该运动循环包括上升运动、前移运动和下降运动，以便使放置在保持件上的杆以时钟控制方式沿着纵轴线L从入口朝着硅化装置运动并且从该硅化装置朝着出口运动。

因此，除了硅化装置本身外，该设备的核心件是特别设计的输送装置。通过该输送装置使待处理的工件间歇地穿过室的内部运动到硅化装置上并且接着硅化工艺之后运动离开该硅化装置。在将该设备使用在根据本发明的方法中时，安置在杆中之一上的一个或多个工件在每个运动循环中沿保持件朝着硅化装置输送，以及接着之后从硅化装置离开朝着室的出口输送。在此，输送件的梁在该运动循环的上升步骤中从下部作用到杆或承载件或工件本身上，它们分别放在保持件的槽对中。因此，这些杆被从保持件的相应槽对中取出并且现在放置在输送件的槽对中。在接着的前移步骤中，放置在输送件的梁的槽中的杆在由入口-硅化装置-出口顺序限定的前移方向上运输，更确切地说运输经过预设定的距离。接着，杆在下降步骤中又被搁置在保持件上，但这次放入在前移方向上与原来同每个杆关联的槽对间隔的槽对中，例如在分别在前移方向上相邻的槽对中。以此方式在前进方向上将杆穿过室逐步进一步运输。

在各运动循环之间，可以有数分钟或数小时的停顿，在这些停顿中，杆和由此安置在该杆上的工件落在保持件上或在之前的运动循环中曾被引入硅化装置中的杆在其在接下来的运动循环中从硅化装置取出并且又沿输送装置被进一步朝着出口运输之前在该停顿中受到实际的硅化工艺。于是，工件处在室中的时间整体上与其处在硅化装置内以便在那里与为了表面处理而引入的硅接触的阶段所持续的时间显著更长。在所描述的从入口逐步输送到硅化装置的持续时间期间，工件在此通过在室中处于主导的约1300℃至约1800℃的高温被逐渐加热，使得工件在被引入硅化装置中时具有合适的温度。硅化装置本身在此通常是在室中最热的点，因为其包含在熔融状态下的硅。然而该温度也可以被控制为使得预热温度被调整得比硅化温度更高。反之，工件在其从硅化装置到室的出口的路径上冷却。

以所描述的方式可以借助根据本发明的设备实现连续的方法过程。这具有如下优点：可以提高单位时间的工件生产量。此外，室不必针对每个批次而被加热以及又冷却。因为工件加热和冷却的过程至少部分在室内进行，所以如根据所描述的现有技术所说明的室的多级顺序并不是一定必需的。

为了使在室内的热条件和压力条件保持稳定，入口以及出口优选构造成闸门的形式，这些闸门能够实现引入或取出安置在杆上的工件，而不会影响在室中的这些条件。在现有技术中公开了合适的闸门，因此在此将不会详细就其具体构造进行探讨。

所描述的输送装置以简单的方式使在室内悬挂在杆上的工件逐步运动。由于在运动循环期间通过借助输送件的梁从下方抓握或放下这些杆使这些杆从保持件的槽对切换到输送件的槽对中以及从输送件的槽对切换到保持件的槽对中，所以在运输和放下期间只出现小的机械负荷。因此，输送装置本身可以构造为在室中处于主导的高温区域内没有可运动的机械封闭件。这种简单的机构使输送装置在室中处于主导的极端温度条件内变得耐磨。就此而言应注意，输送装置的所有关键元件，如驱动装置、控制装置等等相宜地布置在室外，而输送装置在室内的部分则限于输送件的可运动的梁以及保持件。输送装置的在室内的部分可以例如由石墨，尤其是由精细颗粒石墨或由CFC构件制成，以便无损地承受住高温。

不仅输送装置的输送件而且保持件都可以以两个彼此平行的梁的形式实现。与输送件的梁相反，保持件的梁位置固定地固定在室内。不仅保持件的梁而且输送件的梁都分别具有槽对，这些槽对沿输送装置的纵轴线L并排地排成行。根据本发明的一种实施形式，输送件的第一梁在此在一个方向上与保持件的第一梁毗邻地延伸，而输送件的第二梁在同一方向上与保持件的第二梁毗邻地延伸。换言之，输送件的一个梁与保持件的一个梁相邻地位于保持件的两个梁之间，而输送件的第二梁与保持件的另一个梁相邻地布置在由保持件的梁形成边界的间隙外。该扩展方案的优点在于，保持件的槽对的两个槽的间距等于输送件的槽对的两个槽的间距。因此，每个杆的处于这些杆在槽内所放置的部位之间的区域始终是同大的，由此杆的负荷在使用期间保持恒定。

运动循环尤其可以是闭合的运动循环，其按如下顺序包括上升运动、前移运动、下降运动和后退运动。在此，进行输送件的梁的后退运动，而没有杆放置在输送件的槽上。因此，输送件的梁近似以矩形运动方式运动，其中在每个运动循环之后又到达了输送件的起始位置。输送件的梁因此在前移方向上分别相对保持件仅略微错移，其中措辞“略微”针对的是在每个循环中在前移方向上与由杆从入口经由硅化装置到出口所经过的整个距离相关的运动。该部分尤其是小于20%，优选是小于10%。

在本发明的一种有利的扩展方案中，保持件的在入口与硅化装置之间延伸的第一区段在空间上布置在硅化装置与出口之间延伸的第二区段之上。这意味着，入口和出口布置在该室的同一侧上，例如直接相叠地布置在室的同一侧上。输送装置在该实施形式中将杆首先在从入口到硅化装置的第一方向上输送，然后从第一方向向下并且在进一步的步骤中在从硅化装置到出口的第二方向上输送，其中第二方向例如可以与第一方向反平行。这具有如下优点，即，在硅化工艺之后的冷却阶段（第二区段）在与加热阶段（第一区段）相比处于更深处的空间区域中进行，因此由已经硅化的工件散出的废热可以以节能方式用被利用来辅助被引入的工件的加热过程。

硅化装置例如可以包括池，在该池中定位有两个滚动芯，其中输送装置为此被设计为将放置在保持件上的杆在运动循环中定位在滚动芯之间，以及在接下来的运动循环中又容纳该杆并且将其搁置在保持件上。当工件近似具有圆盘形状，该圆盘形状使工件通过滚动芯的转动渐渐浸入包含在池中的硅熔融物中变得容易时，该实施形式才尤是有利。当然，也可以使用其他已知的机构，以便将由输送装置输送的工件浸入到具有硅熔融物的池中。

当在本发明的范围内提到“工件”时，该措辞不仅应包括成品件，而且也应包括要受到硅化工艺的半成品或坯件。

本发明也涉及一种用于硅化含碳工件的方法，该方法具有如下步骤：a）将一个或多个工件安置在杆上；b）将工件搁置在输送装置的槽对上，该输送装置包括位置固定的保持件和输送件，其中保持件在硅化室的入口与位于该硅化室中的硅化装置之间以及在硅化装置与从硅化室出来的出口之间延伸，其中输送件具有两个可彼此平行运动的梁；c）借助通过输送件对杆的一次或重复提升、前移和下降将这个杆输送到保持件上，使得杆被逐步从入口运输到硅化装置中；d）在硅化装置中将工件硅化以及e）借助通过输送件对杆的重复提升、前移和下降将杆输送到保持件上，使得使杆朝着出口逐步被运输离开硅化装置。

该方法因此是一种在使用前面所述设备的情况下的连续的方法。因为借助输送装置可以同时输送多个杆，所以在室内始终有在过程的不同阶段中的多个工件处。将工件安置或固定在杆上的步骤a）在此实际上通常在室外进行，例如在同前面所说明的在硅化室中处于主导的温度相比更低的温度的情况下在闸中进行。当工件可以直接搁置在输送装置上时，在几何形状合适的情况下可以省去杆。

在步骤c）和e）中，提升、前移和下降的运动循环可以彼此相同。这意味着，前移的长度和上升或下降的高度在每个运动循环中都是相同的。也就是说，在整个方法上都进行相同形式的运动，这就方法过程的控制而言带来简单的优点。

如已经提到的那样，运动循环可以是闭合的运动循环，其按如下顺序包括：输送件的梁的上升运动、前移运动、下降运动和返回运动，其中在梁的返回运动期间，杆容纳在保持件的槽对中。以此方式可以将“等待时间”（在此期间杆放置在保持件上）用于输送件的梁的回引。此外输送件的梁在这种方式的运动中负荷较低，因为其仅必须分别被移动小的运动单位。

根据另一种实施形式，硅化装置包含用硅熔融物填充的池，其中到硅化装置中的运输包括将杆放到在池内的滚动芯上。然而对此可替选地，杆也可以借助其他用于下降的设备浸入硅熔融物中或搁置到固定的芯上。

步骤a）包括将杆引导穿过工件的通孔。换言之，相应的工件好像被“串”到杆上。在此，根据工件和杆的尺寸，也可以将多个工件并排定位在一个杆上。以此方式在根据本发明的方法中提高了单位时间的工件生产量。通孔可以是由工件的特性而获得的通孔，也可以是在合适的部位上额外地为了安置在杆上而留空出的通孔。

为了避免工件粘附在杆上，例如可以在杆与工件之间定位由疏硅的材料构成的套筒。但，防止与工件粘接对杆的任意其他类型的浸渍也是可能的，以便能使将制好的工件从杆上取下变得容易。

如已经提到的那样，步骤e）可以在步骤c）的空间区域之下的空间区域中进行。以此方式可以将刚刚经过方法步骤e）的冷却的工件的废热用于加热处于方法步骤c）的阶段中的工件。因此进一步支持了方法的经济性。

附图说明

现在更为详细地参考附图借助非限制性的实施例进一步阐述本发明。附图中：

图1示出了在杆上的工件的侧视图，如该杆在根据本发明的方法中所使用的那样；

图2示出了根据本发明的用于硅化含碳工件的设备的第一种实施形式的俯视图；

图3示出了图2的实施形式的侧视图；以及

图4示出了根据本发明的设备的一种可替选的实施形式。

在这些图中，使用相同附图标记表示不同视图中的相同或对应的元件。

具体实施方式

在图1中示出了工件1的示例性布置，这些工件分别具有通孔1a，这些工件通过该通孔被导引到杆10或圆棒上。在所示图示中涉及作为借助根据本发明的方法要硅化的工件1的示例的制动盘。而其他工件和半成品当然也可以通过根据本发明的方法而受到表面处理。针对此的非限制性的示例是板、管、杆和其他几何形状。

在根据本发明的方法的第一方法步骤a）中，将工件1安置在杆10上。在此，通过在此所示的布置将工件1可靠地保持在杆上，而为此无需特别的保持装置。为了在硅化工艺期间防止工件1粘附在杆10上，杆10例如可以设置有防粘层即疏硅层，例如其由氮化硼、氮化硅或类似材料制成。

现在参考图2，在图2中以俯视图阐明了根据本发明的设备的第一实施形式。该图示出了室100的内部，虽然在该室中执行多个工艺步骤，譬如在实际的硅化工艺之前或之后将工件1加热和冷却，但是该室在下文中还是被称为硅化室。

室100包括入口110和出口120，它们在该实施形式中穿过室100的内部而对置。在入口110与出口120之间有硅化装置130，其在此为以硅熔融物填充并且被加热的池131。重要的是，室100的该部分被保持到足够高的温度，以便使硅保持在流动状态中。在池131中插入有滚动芯132，在此为两个滚动芯132，滚动芯132可绕其各自的轴线转动运动，以便将工件1相继地沿其周边浸入到熔融物中（方法步骤d））。

此外，根据本发明的设备包括输送装置200，该输送装置200包含带第一梁211和第二梁212的保持件210。梁211和212如所示地基本上彼此平行地沿输送装置200的纵轴线L布置，其中每个梁211、212都具有槽210a。在此，第一梁211的每个槽210a与关于纵轴线L对置的槽210a一起形成了用于容纳杆10的槽对。

类似地，输送装置200的输送件220也包括第一梁221和第二梁220，它们彼此平行地沿输送装置200的纵轴线L布置。在此，输送件220的第一梁221在第一方向上（在该图中左侧）与保持件210的第一梁211相邻地布置。类似地，输送件220的第二梁222在第一方向（在该图中左侧）与保持件210的第二梁212相邻地布置。输送件220的梁221、222也包含成对布置的相应的槽220a。

现在要借助图3和图4的图示来描述在将工件1安置在杆10上之后根据本发明的方法的进一步的过程。在此示出杆10已经定位在输送装置200上，其中定位的方法步骤b）在所示的室100外部进行。

如从图3中可看到的那样，不仅输送装置200的保持件210而且输送件220被分成两个区段，其中在第一区段中在空间上在硅化装置130之前（在图示中左边）进行将杆10朝着硅化装置输送的步骤c）。如可看到的那样，多个杆10在输送装置中（笔直的箭头）并排位于输送件220的梁222的槽220a中，其中梁222相对于保持件210的梁212在被提起的位置中。梁222现在与梁221（在图3和图4中未示出）一起执行闭合的运动循环，如其在图3和图4中左侧通过闭合的线表示的那样。在此，在每个运动循环中，每个杆都向右朝着硅化装置的池131移动并且又被置于保持件210的槽210a上。

在图3的中部示出的工件1处于硅化的方法步骤c）中，其中该工件放置在池131的滚动芯132上，以便被浸入在池131中的硅熔融物中。该工件在方法步骤c）的最后一个运动循环中被输送装置200的输送件220放到这些滚动芯132上。

在输送装置200的第二个区段（在图3中在硅化装置的右侧）中，现在进行将杆10朝着出口120（图3中未示出）的方向输送的方法步骤e）。这个方法步骤与方法步骤c）类似地进行，如通过在图3中的右侧的闭合的箭头线表示的那样。在此，输送件220的运动循环可以分别包括在输送方向上运输了一个槽对210a距相邻的槽对210a的间距或此间距的多倍。在方法步骤e）期间，工件1在其逐渐远离硅化装置130期间缓慢地冷却。

在图4中示出了对图3的实施形式的一个可替选的实施形式，其中可以特别合理地利用在步骤d）中所释放的废热。与在图2和图3中的实施形式不同，在此输送装置200的第二区段布置在硅化装置130的相同侧上，但在输送装置200的第一区段之下。

在该图中也分别示出了在闭合的运动循环（闭合的箭头线）内的状态中带有其各自的槽210a、220a的保持件210的梁212和输送件220的梁222，其中在该状态中梁222相对梁212被提起并且工件1因而处于其运动阶段中，在该运动阶段中工件未放置在保持件210上。

在这个实施形式中，必须在方法步骤c）和d）之间设置如下中间步骤，该中间步骤在于，将当前处于硅化装置130的池131中的工件1利用该规划装置的杆10被向下运输到输送装置200的第二区段上。这可以通过输送件220本身的梁221、222进行，但也可以通过单独的机构（例如一对用于向下输送的附加梁）进行。

通过根据本发明的设备以及根据本发明的方法，可以在与已知方法相比减少装置以及提高工件生产量的情况下实现硅化工艺。

附图标记列表

1    工件

1a   通孔

10   杆

100  室

110  入口

120  出口

130  硅化装置

131  池

132  滚动芯

200  输送装置

210  保持件

210a 槽对

211  第一梁

212  第二梁

220  输送件

220a 槽对

221  第一梁

222  第二梁

Claims (15)

1.一种用于硅化含碳工件（1）的设备，其具有：带有入口（110）和出口（120）的室（100），在所述室的内部空间中存在硅化装置（130）；以及带有位置固定的保持件（210）和输送件（220）的输送装置（200），其中所述保持件在所述入口（110）与所述硅化装置（130）之间以及在所述硅化装置和所述出口（120）之间延伸，其中所述输送件包括两个能够彼此平行运动的梁（221、222），其中不仅所述保持件（210）而且所述输送件（220）都具有各自的槽对（210a、220a），其中所述每对的槽（210a、220a）彼此关于所述输送装置（200）的纵轴线L对置并且被设计用于容纳杆（10）或直接容纳所述工件，以及其中所述输送件（220）能够被驱动进行重复的运动循环，所述运动循环包括上升运动、前移运动和下降运动，以便使放置在所述保持件（210）上的杆（10）以时钟控制方式沿所述纵轴线L从所述入口（110）朝着所述硅化装置（130）运动以及从所述硅化装置朝着所述出口（120）运动。

2.按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保持件（210）的槽对（210a）彼此间具有相同的间距。

3.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述保持件（210）包括彼此平行的梁（211、212）。

4.按权利要求3所述的设备，其特征在于，所述输送件的第一梁（221）在一个方向上与所述保持件（210）的第一梁（211）毗邻地延伸，而所述输送件的第二梁（222）在同一方向上与所述保持件的第二梁（212）毗邻地延伸。

5.按前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述运动循环是闭合的运动循环，所述运动循环按如下顺序包括上升运动、前移运动、下降运动和后退运动。

6.按前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述保持件（210）的在所述入口（110）与所述硅化装置（130）之间延伸的第一区段在空间上布置于在所述硅化装置（130）与所述出口（120）之间延伸的第二区段之上。

7.按前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述硅化装置（130）包括池（131），在所述池中定位有两个滚动芯（132），其中所述输送装置（200）被设计为将放置在所述保持件（210）上的杆（10）在运动循环中定位在所述滚动芯（132）之间，以及在接下来的运动循环中又容纳所述杆并且将所述杆搁置在所述保持件（210）上。

8.按前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述硅化装置（130）包括池（131），在所述池中定位有多个固定的芯，其中所述输送装置（200）被设计为将放置在所述保持件（210）上的一个或多个工件（10）在运动循环中定位在固定的芯（132）上，以及在接下来的运动循环中又容纳所述工件并且将所述工件搁置在所述保持件（210）上。

9.一种用于硅化含碳工件（1）的方法，其具有：a）将一个或多个工件（1）安置在杆（10）上；b）将所述杆（10）搁置在输送装置（200）的槽对（210a、220a）上，所述输送装置包括位置固定的保持件（210）和输送件（220），其中所述保持件在硅化室的入口（110）与位于所述硅化室中的硅化装置（130）之间以及在所述硅化装置（130）与从所述硅化室出来的出口（120）之间延伸，其中所述输送件带有两个能够彼此平行运动的梁（221、222）；c）借助通过所述输送件（220）将所述杆（10）一次性或重复提升、前移和下降而将所述杆输送到所述保持件（210）上，使得所述杆（10）被逐步从所述入口（110）运输到所述硅化装置（130）中；d）在所述硅化装置（130）中硅化所述工件（1）以及e）借助通过所述输送装置（220）将所述杆（10）重复提升、前移和下降而将所述杆输送到所述保持件（210）上，使得所述杆（10）逐步离开所述硅化装置（130）地被输送到所述出口（120）。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤c）和e）中，所述提升、前移和下降的运动循环彼此相同。

11.按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述运动循环是闭合的运动循环，其按如下顺序包括：所述输送件（220）的梁（221、222）的上升运动、前移运动、下降运动和后退运动，其中在所述梁（221、222）的后退运动期间，所述杆（10）容纳在所述保持件（210）的槽对（210a）中。

12.按权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，所述硅化装置（130）包含用硅熔融物填充的池（131），其中到所述硅化装置（130）中的运输包括将杆（10）放到所述池（131）内的滚动芯（132）上。

13.按权利要求9至12之一所述的方法，其特征在于，所述步骤a）包括将所述杆（10）引导穿过所述工件（1）的通孔。

14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述杆（10）与所述工件（1）之间定位有由疏硅材料构成的套筒。

15.按权利要求9至14之一所述的方法，其特征在于，所述步骤（e）在所述步骤c）的空间区域之下的空间区域中进行。

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