CN1240639C - 一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法 - Google Patents
一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅发热元件冷端部陶瓷材料的制造方法，特征是包括11个工艺步骤；碳化硅粉料、石油焦粉、石墨粉、活性炭粉、硅粉的将质量分数分别为0.30～0.90、0.05～0.50、0～0.20、0～0.10、0～0.30；添加醇溶性、水溶性酚醛树脂质量分数为0.05～0.25、0.01～0.20；坯体在1450～1850℃反应烧结，最终制备得到主晶相为α-SiC、β-SiC和游离硅的致密发热元件冷端部。本发明制备的碳化硅发热元件冷端部适用于各种不同规格、不同形状的冷端部制造，性能均匀、稳定，远高于目前的技术。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅陶瓷材料技术领域，涉及一种碳化硅发热元件冷端部陶瓷材料的制造方法。
背景技术
碳化硅发热元件是各种电炉和工业窑炉的发热元件。发热元件的端部称为冷端部，中段称为发热部。冷端部用于与导线的连接，要求具有低的电阻，以避免发热氧化造成与导线接触电阻的增加，降低冷端/发热部电阻比有利于降低发热元件无用功率消耗，达到节能的效果。
在本发明以前的现有技术中，降低冷端部电阻的方法主要有：1.在冷端部和发热部截面积相同和接近的情况下，提高冷端部中金属导电相和β-SiC的比例，降低冷端部的电阻率；2.在冷端部和发热部材料成分相同时，增大冷端部的截面积，降低冷端部的电阻；3.用金属作为冷端部，采用特殊的工艺与发热部连接。第2种方法近年来已被逐步淘汰，而第3种方法工艺技术上存在很大的难度。因此提高冷端部中金属导电相的比例是降低冷端部的主要方法。可以用作导电相的成分主要包括硅、铝，以及钼、钨、鉻、鉭、铌、钒、锆、钛的硅化物。
(日本专利昭56-54782)直接将含一定孔隙率的烧结好的碳化硅浸渍在钼、钨、鉻、鉭、铌、钒、锆、钛的硅化物超细粉末悬浮液中，经干燥脱水，在1500℃烧结10分钟，金属硅化物填充孔隙，制得的相对致密的冷端部电阻可大幅度降低。
使用熔化的金属铝溶液浸渍含一定孔隙率的烧结好的碳化硅，得到致密的碳化硅/铝冷端部，冷端部电阻可大幅度降低。
浸渍多孔碳化硅的制备主要采用沥青为结合剂，加入碳化硅、石油焦、石墨粉、炭黑，以及木屑等造孔剂，使用蒸汽加热，在大型液压机上反复混练，并挤压成管状坯体，将挤压成形后的坯体放置在填充碳粒的耐火材料筒中，在还原性条件下900～1000℃素烧，得到碳化硅/碳的生坯体，随后在阿奇逊电阻炉中填埋石油焦、碳化硅、木屑等1900℃高温烧结得到α-SiC多孔碳化硅基体。
直接高温烧结制备碳化硅发热元件冷端部的技术中常用碳化硅、石油焦、无定型石墨粉，醇溶性酚醛树脂为结合剂，加入机油、木屑，成型后烘干，再放置在填充碳粒的耐火材料筒中，在还原性条件下900～1000℃素烧得到多孔坯体，将坯体埋在金属硅粒之中，在1900℃以上的高温条件下烧结，制备得到含游离硅的α-SiC碳化硅冷端部，电阻也可明显降低。
在专利(ZL95100397)中提到冷端部采用碳化硅、石墨粉、炭黑、聚乙烯醇、硅粉、硼酸按一定比例混匀、挤压成型烘干，将烘干后的坯体在蒸汽加热的沥青中进行浸渍，最后在1800～1900℃烧成。
目前碳化硅发热元件冷端部的几种制造方法存在明显不足.：
粉末或熔融金属浸渍技术，要求首先制备得到多孔烧结碳化硅，在制备多孔碳化硅时，在成型配料时往往采用加入木屑或其它有机造孔剂，采用沥青作为结合剂，成型过程需蒸汽加热；挤压成形后的坯体需放置在填充碳粒的耐火材料筒中在还原性条件下900～1000℃进行素烧，沥青在加热过程易变形；最后高温烧结。这种技术工序复杂、成本高、能量消耗大，使用沥青对环境和操作人员的身体健康有危害。
粉末浸渍时，要求金属硅化物粉末为微米级(一般小于5微米)，悬浮液的制备技术难度大，需要采用特殊的设备进行浸渍，一般情况下只能浸渍填充与外表面相通的显气孔，浸渍物脱水高温干燥后不能达到对孔隙的完全填充，浸渍物与基体碳化硅结合不好，这种技术存在制造困难，使用性能不稳定的问题。
采用铝或铝合金浸渍同样只能浸渍与外表面相同的显气孔，同时在使用过程中铝或铝合金的逐步氧化会使得冷端部电阻率增加，寿命降低，在冷端与发热部接触部位会由于高温造成金属铝或铝合金熔化、流失。
采用粉末浸渍或铝、铝合金浸渍制备得到的碳化硅冷端部主晶相为α-SiC和浸渍物相。
直接高温烧结制备碳化硅发热元件冷端部的技术由于采用木屑等造孔剂，成型时需加入大量机油，需在还原性条件下900～1000℃素烧，同时该技术采用的配方中碳化硅含量低，在后续1900℃以上高温烧结时所需金属硅加入量高。这种工艺制备得到的冷端部主晶相为α-SiC和游离硅，游离硅含量难以控制，残留碳含量高，同时材料消耗与能源消耗高，环境污染严重。
发明内容
针对上述几种制造方法存在的明显不足.，本发明的目的在于提供一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法，使制备得到的碳化硅颗粒度可以调整、制备工序少、电阻性能可调、有较好的电阻一致性、主晶相为α-SiC、β-SiC和游离硅、各种相含量可控的致密的碳化硅发热元件冷端部。
本发明碳化硅发热元件冷端部的制造方法，包括配料、干燥、碾压、造粒、过筛、挤压、烘干、烧结工艺步骤，其特征在于：具体工艺步骤为：
步骤1：将质量分数为0.30～0.90的碳化硅粉料、0.05～0.50的石油焦粉、0～0.20的石墨粉、0～0.10的活性炭粉、0～0.30的硅粉，在搅拌机或轮碾机上混合0.2～1小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数0.05～0.25的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压0.5～1.5小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置或50～80℃温度下干燥处理；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8～120目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数0.01～0.20的水溶性酚醛树脂，混碾10～45分钟；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置6～24小时；
步骤7：原料在螺旋挤压机或活塞挤压机上连续挤压出成形坯体，切割得到所需长度；
步骤8：坯体在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至150～200℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温出窑，得到具有足够强度的碳化硅成形坯体；
步骤10：坯体进行切割等后加工工序，达到产品尺寸要求；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1450～1850℃，保温0.5～4小时烧结，随炉冷却，得到主晶相为α-SiC、β-SiC和游离硅的致密发热元件冷端部。
附图说明
图1：本发明制得的碳化硅发热元件冷端部X射线结果所显示的α-SiC、β-SiC、Si的含量示意图
图2：金相显微镜中本发明制得的碳化硅发热元件冷端部组织中的Si(图中白色部分)
图3：金相显微镜中现有技术制得的碳化硅发热元件冷端部组织中的Si(图中白色部分)
其中：从图2的X射线结果可以看到α-SiC、β-SiC、Si在主晶相的含量，以β-SiC为最高，说明提高了冷端部中金属导电相和β-SiC的比例，降低冷端部电阻的效果明显。
从图3、图4的高倍电镜照片中可以看到用本发明制的碳化硅发热元件冷端部中与现有技术相比，Si的含量及材料致密度程度要好的多。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：将粒度号30目，质量分数为0.35，粒度号80目，质量分数为0.25的碳化硅粉料，质量分数为0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的硅粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.12的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.15的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置6小时；
步骤7：在螺旋挤压机或活塞挤压机上挤压出φ25mm成形坯体，切割得到一定长度；
步骤8：在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至180℃，保温2小时，随炉冷却至室温出窑；
步骤10：坯体进行切割等后加工工序，产品长度300mm；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1650℃，保温2小时烧结，随炉冷却至室温。
实施例2：
步骤1：将粒度号60目，质量分数为0.65的碳化硅粉料，质量分数为0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的硅粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.12的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.15的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟后密封；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置12小时；
步骤7：在螺旋挤压机或活塞挤压机上挤压出φ25mm成形坯体，切割得到一定长度；
步骤8：在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至180℃，保温2小时，随炉冷却至室温出窑；
步骤10：坯体进行切割等后加工工序，产品长度300mm；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1650℃保温2小时烧结，随炉冷却至室温。
实施例3：
步骤1：将粒度号120目，质量分数为0.60，粒度号180目，质量分数为0.25的碳化硅粉料，质量分数为0.1的石油焦粉末、0.05的活性炭粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.1的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过40目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.08的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置24小时；
步骤7：在螺旋挤压机或活塞挤压机上挤压出φ25mm成形坯体，切割得到一定长度；
步骤8：在室温静置干燥48小时；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至180℃，保温2小时，随炉冷却至室温出窑；
步骤10：坯体进行切割等后加工工序，产品长度300mm；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1650℃保温2小时烧结，随炉冷却至室温。
本发明效果：
(1)用本发明方法可以制备出主晶相为α-SiC、β-SiC和游离硅的致密发热元件冷端部；
(2)所制备出的碳化硅发热元件冷端部中α-SiC和β-SiC含量比例可以调整；
(3)所制备出的碳化硅发热元件冷端部中游离硅含量在8～40体积％内可调；
(4)所制备的碳化硅发热元件冷端部电阻可调；
(5)所制备的碳化硅发热元件冷端部达到98％理论密度，气孔率≤2％，抗氧化、强度高、寿命长；
(6)本发明方法适用于各种不同规格、不同形状的冷端部制造，性能均匀、稳定，远高于目前的技术。
Claims (4)
1、一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法，包括配料、干燥、碾压、造粒、过筛、挤压、烘干、烧结工艺步骤，其特征在于：具体工艺步骤为：
步骤1：将质量分数为0.30～0.90的碳化硅粉料、0.05～0.5的石油焦粉、0～0.2的石墨粉、0～0.1的活性炭粉、0～0.3的硅粉，在搅拌机或轮碾机上混合0.2～1小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.05～0.25的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压0.5～1.5小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置或50～80℃温度下干燥处理；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8～120目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数0.01～0.20的水溶性酚醛树脂，混碾10～45分钟；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置6～24小时；
步骤7：原料在螺旋挤压机或活塞挤压机上连续挤压出成形坯体，切割得到所需长度；
步骤8：坯体在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至150～200℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温出窑，得到具有足够强度的碳化硅成形坯体；
步骤10：坯体进行切割后加工工序，达到产品尺寸要求；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1450～1850℃，保温0.5～4小时烧结，随炉冷却室温，得到主晶相为α-SiC、β-SiC和游离硅的致密发热元件冷端部。
2、根据权利要求1所述的一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法，其特征在于：具体工艺步骤为：
步骤1：将粒度号30目，质量分数为0.35，粒度号80目，质量分数为0.25的碳化硅粉料，质量分数为0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的硅粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.12的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.15的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置6小时；
步骤7：在螺旋挤压机或活塞挤压机上挤压出φ25mm成形坯体，切割得到一定长度；
步骤8：在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至180℃，保温2小时，随炉冷却至室温出窑；
步骤10：坯体进行切割后加工工序，产品长度300mm；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1650℃，保温2小时烧结，随炉冷却至室温。
3、根据权利要求1所述的一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法，其特征在于：具体工艺步骤为：
步骤1：将粒度号60目，质量分数为0.65的碳化硅粉料，质量分数为0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的硅粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.12的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过8目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.15的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟后密封；
步骤6：将混碾好的原料密封，放置12小时；
步骤7：在螺旋挤压机或活塞挤压机上挤压出φ25mm成形坯体，切割得到一定长度；
步骤8：在室温静置干燥24小时以上；
步骤9：成形坯体放入烘窑中加热至180℃，保温2小时，随炉冷却至室温出窑；
步骤10：坯体进行切割后加工工序，产品长度300mm；
步骤11：坯体放入真空气氛烧结炉，周围填埋工业硅颗粒，升温至1650℃保温2小时烧结，随炉冷却至室温。
4、根据权利要求1所述的一种碳化硅发热元件冷端部的制造方法，其特征在于：具体工艺步骤为：
步骤1：将粒度号120目，质量分数为0.60，粒度号180目，质量分数为0.25的碳化硅粉料，质量分数为0.1的石油焦粉末、0.05的活性炭粉，在搅拌机上混合0.5小时；
步骤2：在上述混合均匀的粉料中另外添加质量分数为0.1的醇溶性酚醛树脂、有机增塑剂和乙醇，在轮碾机上碾压1小时；
步骤3：将碾压料破碎成块状，常温放置干燥；
步骤4：将干燥处理的原料碾压破碎，过40目筛造粒，待用；
步骤5：将待用原料加入质量分数为0.08的水溶性酚醛树脂，混碾30分钟；
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