DD296476B5 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SIC 'FORM BODIES - Google Patents

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DD296476B5 DD34257690A DD34257690A DD296476B5 DD 296476 B5 DD296476 B5 DD 296476B5 DD 34257690 A DD34257690 A DD 34257690A DD 34257690 A DD34257690 A DD 34257690A DD 296476 B5 DD296476 B5 DD 296476B5
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Zimmermann Heinz Dipl Chem Dr
Weise Bernd Dipl Ing
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Kunde Gerolf Dipl Ing
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Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Siliciumcarbidformkörpern für die Filtration schmelzflüssiger Metalle.The invention relates to a process for the production of porous Siliziumcarbidformkörpern for the filtration of molten metals.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Siliciumcarbidformkörper mit einer geeigneten Porenstruktur werden aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit als Filterelemente zur Reinigung von Metallschmelzen verwendet. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, nach denen derartige poröse SiC-Körper erzeugt werden.Silicon carbide moldings having a suitable pore structure are used as filter elements for cleaning metal melts because of their high chemical and thermal resistance. Various methods are known for producing such porous SiC bodies.

Nach einem Verfahrensprinzip wird ein offenzelliger Kunststoffschwamm mit einem Schlicker aus feinstkörnigem SiC und einem keramischen Bindemittel getränkt und nach dem Trocknen bei Temperaturen um 1275 K geglüht. Der Kunststoff wird dabei thermisch zersetzt und der SiC-Schlicker liegt als fester Körper mit der Porenstruktur des ursprünglichen Kunststoffschwammes vor.After a process principle, an open-cell plastic sponge is impregnated with a slurry of very fine-grained SiC and a ceramic binder and annealed after drying at temperatures around 1275 K. The plastic is thermally decomposed and the SiC slip is present as a solid body with the pore structure of the original plastic sponge.

Bei solchen SiC-Filtern ist jedoch von Nachteil, daß sie infolge der geringen Wanddicken leicht ausbrechen, was zu schwerwiegenden Beschädigungen in den der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen aber zumindest zu unerwünschten Verunreinigungen des Metalles führen kann. Des weiteren ist die Filterwirkung von Schaumkeramiken auf gröbere Partikel in der Schmelze beschränkt.However, in such SiC filters is disadvantageous that they easily break due to the small wall thicknesses, which can lead to serious damage in the filtration downstream processing equipment but at least undesirable contamination of the metal. Furthermore, the filtering action of foamed ceramics is limited to coarser particles in the melt.

Die Standzeit und der Durchsatz flüssigen Metalles ist bei solchen Filtern relativ niedrig.The service life and the throughput of liquid metal is relatively low in such filters.

Erschwerend kommt hinzu, daß das гиг Herstellung derartiger Filter benötigte Schaumpolyurethan bei der thermischen Zersetzung umweltschädigende Pyrolyseprodukte erzeugt, die mittels aufwendiger nachgeschalteter Reinigungsanlagen entsorgt werden müssen.To make matters worse, that the production of such filters required foam polyurethane produced in the thermal decomposition pyrolysis products harmful to the environment, which must be disposed of by means of complex downstream cleaning equipment.

.Wesentlich bessere Ergebnisse werden mit einem ebenfalls handelsüblichen Filterelement erzielt, bei dem Korund- oder Siliciumcarbidkörner über oxidkeramische oder arteigene Bindemittel verbrückt sind. Das eingesetzte Primärkorn ist kompakt und von abgerundeter Form, wobei die häufigsten Raumachsverhältnisse im Kombinationsbereich von 1:1:1 (Ku'gelkorn) bis 1:2:3 (ovales Korn) liegen. Diese Filterelemente weisen eine erhöhte Standzeit und einen von 3- bis zu 10fach höhenen Durchsatz auf.Much better results are achieved with a likewise commercially available filter element, in which corundum or silicon carbide grains are bridged via oxide-ceramic or species-specific binders. The primary grain used is compact and of rounded form, with the most common spatial axis ratios in the combination range of 1: 1: 1 (Ku'gel grain) to 1: 2: 3 (oval grain). These filter elements have an increased service life and a throughput that is 3 to 10 times higher.

Als sehr nachteilig wird jedoch empfunden, daß die Bindemittelbrücken, bedingt durch Materialunterschiede zwischen Korn und Bindemittel, die sich unter anderem in unterschiedlichem Temperaturdehnungsverhalten auswirken, sehr brüchig sind. Die Strukturanalyse am Materialanschliff zeigte auf, daß bereits am unbenutzten Filter die Bindemittelbrücken von Mikrorissen durchzogen waren. Diese Mikrorisse sind die Ursache für die Brüchigkeit und damit für die beobachteten Kornausbrüche. Das kann sich auf die der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen verheerend auswirken und Ausschuß verursachen. Die mit der Nutzung der Filterelemente zwangsläufig auftretenden chemischen Veränderungen der Bindemittelbrücken durch die Medien-und Temperatureinflüsse verstärken diesen Negativeffekt. Es kommt zur Kristallisation der Glasphase und erhöhter Rissigkeit des Bindemittels und somit zur weiteren Gerüstschwächung.However, it is felt to be very disadvantageous that the binder bridges are very brittle due to material differences between the grain and the binder which, inter alia, have a different thermal expansion behavior. The structural analysis of the material cut revealed that the binder bridges of microcracks were already traversed on the unused filter. These microcracks are the cause of the brittleness and thus of the observed grain breakouts. This can have a devastating effect on the filtration downstream processing facilities and cause rejects. The inevitably occurring with the use of the filter elements chemical changes in the binder bridges by the media and temperature influences reinforce this negative effect. It comes to the crystallization of the glass phase and increased cracking of the binder and thus further framework weakening.

Die in der DE-OS 3603331 beschriebene Verwendung tafelförmiger SiC-Kristalle verbessert zwar die Festigkeitseigenschaften graduell, kann aber die eigentlichen Schwachstellen-die durch Mikrorisse geschwächten Bindemittelbrücken- nicht prinzipiell beeinflussen.Although the use of tabular SiC crystals described in DE-OS 3603331 improves the strength properties gradually, but can not affect the actual weak points-which weakened by microcracks binder bridges-not in principle.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, ein keramisches Bindemittelsystem für die Herstellung poröser SiC-Formkörper anzugeben, das eine hohe Festigkeit der Bindung über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen gewährleistet.The object of the invention is to provide a ceramic binder system for the production of porous SiC moldings, which ensures a high strength of the bond over a long period of time at high temperatures.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine feste keramische Bindung zwischen SiC-Körnern durch Tränkung des Kornhaufwerkes mit einer glasbildende Stoffe enthaltenden Lösung zu schaffen.The invention has for its object to provide a solid ceramic bond between SiC grains by impregnation of the Kornhaufwerkes with a solution containing glass forming substances.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der wäßrigen Lösung Feststoffe, wie Borcarbid, Siliciumcarbid undAccording to the invention the object is achieved in that in the aqueous solution solids such as boron carbide, silicon carbide and Silicium, mit einer Korngröße von max. 80pm suspendiert sind, wobei das Borcarbid zur Summe Siliciumcarbid und Silicium inSilicon, with a grain size of max. 80pm are suspended, the boron carbide to the sum of silicon carbide and silicon in

einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1stehen.a molar ratio of 1: 5 to 1:15 and the silicon carbide to silicon in a molar ratio of 8: 1 to 12: 1.

Der Anteil der suspendierten Feststoffe in der Lösung beträgt 5% bis 20%.The proportion of suspended solids in the solution is 5% to 20%. Es hat sich gezeigt, daß das Borcarbid bei längerem Gebrauch unter Anwendungstemperatur Bortrioxid bildet und der infolgeIt has been found that the boron carbide forms with prolonged use at application temperature boron trioxide and due Medien- und Temperatureinfluß einsetzenden Bindungsschwächung, z. B. durch Kristallisation und Rissebildung, durchMedia and temperature influence onset weakening, z. B. by crystallization and cracking, by Glasneubildung entgegenwirkt.Counteracts new glass formation. Der Zusatz von Siliciumcarbid und Silicium in bestimmten Mengenverhältnissen, die im Zusammenhang stehen mit derThe addition of silicon carbide and silicon in specified proportions related to

unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit zur Bildung des Oxydationsproduktes Siliciumdioxid, stabilisiert den Ablauf derdifferent reaction rate to form the oxidation product silica, stabilizes the flow of the

Alterungskompensation.Aging compensation. Zur Herstellung des Formkörpers wurde auch ein spezielles SiC-Korn verwendet, das eine offene Mikroporosität von 10 Vol.-%A special SiC grain having an open microporosity of 10% by volume was also used for the production of the shaped body.

bis 20 Vol.-% aufwies.to 20% by volume.

Das Porenvolumen dieses mikroporösen Spezialkorns wirkt einerseits als Reservoir für die glasurbildende Bindemittellösung,The pore volume of this microporous special grain acts on the one hand as a reservoir for the glaze-forming binder solution,

was sich für die Bindemittelbrücken als außerordentlich verstärkend erwies.which proved to be extremely reinforcing for the binder bridges.

Ein zweiter noch wesentlicherer Effekt wurde vermutlich durch die Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit und die vermehrteA second more significant effect was probably due to the increase in surface roughness and the increased Bildung filtrationsaktiver Zentren an der Kornoberfläche infolge der Mikroporosität bewirkt, welcher überraschenderweise zurFormation of filtration-active centers on the grain surface due to the microporosity causes, which surprisingly to Abscheidung von Feststoffteilchen führte, deren Größe nur einem Bruchteil des Durchmessers der Filterporen entsprachen.Deposition of solid particles resulted, the size of which was only a fraction of the diameter of the filter pores. Um eine vergleichbare Wirkung zu erzielen, war es bislang erforderlich, den Filter in einem komplizierten Verfahren mitIn order to achieve a comparable effect, it has hitherto been necessary to use the filter in a complicated process

keramischen Mikrofasern zu beschichten.ceramic microfibers to coat.

Diese qualitativ und quantitativ filtrationsverbessernde Wirkung des ursprünglich mikroporösen Korns war unerwartet, da dieThis qualitative and quantitative filtration-improving effect of the original microporous grain was unexpected, as the Mikroporen durch die gebildete Glasur verschlossen werden und an dem Filtrationsvorgang primär nicht mehr beteiligt seinMicropores are closed by the glaze formed and are primarily no longer involved in the filtration process

können und konnte nur in dem angegebenen Porenvolumenbereich von 10VoI.-% bis 20Vol.-% beobachtet werden.can and could only be observed in the stated pore volume range of 10% by volume to 20% by volume.

Ausführungsbeispielembodiment

4000 g einer Körnung aus prismatisch gebrochenem SiC, entnommen einer Siebfraktion von 3,15 mm bis 6,00 mm, mit einer Einzelkornrohdichte von durchschnittlich 2,5g/cm3 und den häufigsten Raumachsverhältnissen von 1:1,1:2,2 bis 1:3,2:5,6 sowie einer offenen Mikroporosität von 16Vol.-%, wurde mit 1930g einer wäßrigen Suspension, die die wasserlöslichen Salze von4000 g of a grain size of prismatically broken SiC, taken from a sieve fraction of 3.15 mm to 6.00 mm, with an average grain density of 2.5 g / cm 3 on average and the most common spatial axis ratios of 1: 1.1: 2.2 to 1 : 3.2: 5.6 and an open microporosity of 16Vol .-%, was 1930g with an aqueous suspension containing the water-soluble salts of

18,13 g K2O18.13 g K 2 O

7,65g Na2O 13,38 g CaO7.65 g Na 2 O 13.38 g CaO

9,75g MgO 40,96g AI2O3 292,18g SiO2 (in kolloider Form)9.75 g MgO 40.96 g Al 2 O 3 292.18 g SiO 2 (in colloidal form)

und die Feststoffe vonand the solids of

72,00g B4C (max. Korngröße 75pm) 12,00g Si (max. Korngröße 40pm) 138,00g SiC (max. Korngröße 30 pm)72.00g B 4 C (max grain size 75pm) 12.00g Si (max grain size 40pm) 138.00g SiC (max grain size 30pm)

enthielt, gemischt. Der Anteil der Feststoffe in der Suspension betrug somit 11,5% und das B4C stand zum summarischen Anteilcontained, mixed. The proportion of solids in the suspension was thus 11.5% and the B 4 C was the summary share

Si und SiC in einem molaren Verhältnis von 1:5,4, worin sich die molare Relation von SiC zu Si wie 8:1 verhielt.Si and SiC in a molar ratio of 1: 5.4, wherein the molar ratio of SiC to Si as 8: 1 behaved. Die erhaltene breiige Masse wurde abgeformt und mit der Form bei 200°C getrocknet. Danach wurde der erhaltene Körper ausThe resulting pulpy mass was molded and dried with the mold at 200 ° C. Thereafter, the resulting body became out

der Form entfernt und bei einer Endtemperatur von 1625 K in oxidierender Atmosphäre gebrannt.removed from the mold and fired at a final temperature of 1625 K in an oxidizing atmosphere.

Es entstand ein offen-makroporöser Formkörper, dessen SiC-Körner allseitig mit einer glasigen Schicht umhüllt und festThe result was an open-macroporous molding whose SiC grains coated on all sides with a glassy layer and solid

miteinander verbrückt waren. Die Strukturanalyse eines Materialanschliffes ergab eine von Mikrorissen freie, gut ausgebildeteglasartige Bindung.were bridged together. Structural analysis of a material cut revealed a microcrack-free, well-formed glassy bond.

Die ermittelte Makroporosität betrug 42Vol.-%.The determined macroporosity was 42% by volume.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, indem ein SiC-Korngemisch mit einer glasbildenden Stoffe enthaltenden wäßrigen Lösung gemischt, anschließend abgeformt, getrocknet und bei Temperaturen um 1625K gebrannt wird, gekennzeichnet dadurch, daß in der Lösung Borcabid, Siliciumcarbid und Silicium mit einer maximalen Korngröße von eOMmsuspendiertsind, wobei Borcarbid zurSummje Siliciumcarbid und Silicium in einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1 stehen und der Anteil der suspendierten Feststoffe in der Lösung 5% bis 20% beträgt.1. A process for the production of Siliziumcarbidformkörpern which are oxide-ceramic bonded and macroporous by mixing a SiC grain mixture with a glass-forming materials containing aqueous solution, then molded, dried and fired at temperatures around 1625K, characterized in that in the solution Borcabid, Silicon carbide and silicon having a maximum grain size of eOMsuspended are, wherein boron carbide to Sumje silicon carbide and silicon in a molar ratio of 1: 5 to 1:15 and the silicon carbide to silicon in a molar ratio of 8: 1 to 12: 1 and the proportion of suspended solids in the solution is 5% to 20%. 2. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das SiC-Korngemisch primär eine offene Mikroporosität von 10Vol.-% bis 20Vol.-% besitzt.2. A process for the preparation of Siliciumcarbidformkörpern which are oxide-ceramic bound and macroporous, according to claim 1, characterized in that the SiC grain mixture primarily has an open microporosity of 10Vol .-% to 20Vol .-%.
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