DE102011006847A1

DE102011006847A1 - Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements sowie Widerstandsheizelement

Info

Publication number: DE102011006847A1
Application number: DE102011006847A
Authority: DE
Inventors: Gotthard Nauditt; Jeremias Schönfeld; Roland Weiss
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-11
Also published as: EP2695482A1; JP2014510384A; US20140091080A1; JP5756225B2; WO2012136690A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements sowie ein Widerstandsheizelement (10), wobei das Widerstandsheizelement eine rohrförmige Gestalt aufweist, wobei das Widerstandsheizelement einstückig ausgebildet ist, wobei das Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid gebildet ist, zumindest umfassend die Verfahrensschritte: – Ausbildung eines einstückigen Formkörpers aus einem Pulver eines Sinterwerkstoffes, wobei das Pulver gepresst wird, – Glühen des gepressten Formkörpers, – Pyrolyse des Werkstoffs des Formkörpers, – Sintern des Formkörpers, wobei der Formkörper zu dem Widerstandsheizelement ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Widerstandsheizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Widerstandsheizelemente werden regelmäßig als Heizelemente für eine thermische Analyse in sogenannten DSC-Öfen eingesetzt (Dynamische-Differenzkalorimetrie Öfen). Die bekannten Widerstandsheizelemente sind daher rohrförmig und einstückig ausgebildet und werden an ihrer Unterseite an einer Anode und einer Kathode bzw. Anschlussflächen kontaktiert. Eine Wandung des Widerstandsheizelements ist mit zwei Schlitzen versehen, die spiralförmig ausgebildet sind und so Heizwendeln des Widerstandsheizelements ausbilden. Im Bereich der Heizwendeln des Widerstandsheizelements wird eine Temperatur von bis zu 1650°C erreicht. Dabei soll ein Glühbild möglichst homogen über den Bereich der Heizwendeln verteilt sein. Weiter ist eine hohe Reinheit des Materials des Widerstandsheizelements von großer Wichtigkeit, da beispielsweise bei einer Reinheitsbestimmung von Proben im DSC-Ofen unerwünschte Zusatzstoffe aus dem Widerstandsheizelement herausdiffundieren und eine Messung verfälschen könnten.
Die bekannten Widerstandsheizelemente sind im Wesentlichen aus Siliziumcarbid gebildet. Eine Herstellung eines Widerstandsheizelements erfolgt durch eine Ausbildung eines Materialrohlings aus einem Faserwerkstoff, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, dessen Formstabilisierung mittels Harz mit abschließender Pyrolyse sowie einen Infiltration von Silizium, um ein Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid zu erhalten. Auch können sich Risse durch insbesondere eine inhomogene Verteilung von Silizium im Formkörper ergeben. Dadurch wird auch eine verminderte Stabilität im Betriebszustand des Widerstandsheizelements bewirkt, da es zu einer ungleichen Temperaturverteilung im Widerstandsheizelement durch die inhomogenen Materialkonzentrationen kommt. Weiter ist es bekannt, einen zylindrischen Formkörper zur Ausbildung eines SiSiC-Widerstandsheizelements durch ein Schlickerverfahren auszubilden. Dabei muss, um eine gewünschte Heizwendelstruktur auszubilden, ein im Schlickerverfahren ausgebildeter Grünkörper bearbeitet werden. Eine geringe Festigkeit des Grünkörpers schränkt dabei die Bearbeitungsmöglichkeiten erheblich ein, so dass durch das Schlickerverfahren keine vergleichsweise filigranen Heizwendeln hergestellt werden können. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens stellt das freie Silizium des mit diesem Verfahren hergestellten Widerstandsheizelements dar, da durch das freie Silizium, welches aus dem Widerstandsheizelement herausdiffundieren kann, eine maximale Einsatztemperatur auf ca. 1400°C beschränkt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements bzw. ein Widerstandsheizelement vorzuschlagen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Widerstandsheizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements, weist das Widerstandsheizelement eine rohrförmige Gestalt auf, wobei das Widerstandsheizelement einstückig ausgebildet ist und wobei das Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid gebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Ausbildung eines einstückigen Formkörpers aus einem Pulver eines Sinterwerkstoffes, wobei das Pulver gepresst wird,
– Glühen des gepressten Formkörpers,
– Pyrolyse der Werkstoffe des Formkörpers,
– Sintern des Formkörpers, wobei der Formkörper zu dem Widerstandsheizelement ausgebildet wird.

Insbesondere dadurch, dass der einstückige Formkörper aus einem aus einem Pulver gebildeten Sinterwerkstoff gepresst wird, wird es möglich Formkörper nahezu jeder Gestalt auszubilden, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Sinterwerkstoffes innerhalb des Formkörpers aufweisen. Dadurch kann vermieden werden, dass es zu unerwünschten Materialkonzentrationen innerhalb des Formkörpers kommt, welche eine Rissbildung bei der Herstellung des Widerstandsheizelements bzw. während des Betriebs begünstigt. Auch wird es so möglich den Formkörper vergleichsweise kostengünstig herzustellen, da die Ausbildung des Formkörpers aus Sinterwerkstoff relativ einfach durchgeführt werden kann. Weiter wird durch eine verminderte Rissbildung ein möglicher Ausschuss bei der Herstellung verringert, was ebenfalls zu einer Kostensenkung beiträgt. Weiter enthält das so hergestellte Widerstandsheizelement im Wesentlichen kein freies Silizium, wodurch es sich für eine Verwendung bei über 1400°C besonders gut eignet.
Der Formkörper aus Sinterwerkstoff kann durch isostatisches Pressen des Pulvers gebildet werden. Beim isostatischen Pressen, wird das Pulver in einer Formhülle, beispielsweise in einer rohrförmigen Gestalt, angeordnet und in einem flüssigen Medium einem Druck ausgesetzt. Bedingt durch das flüssige Medium verteilt sich der Druck gleichmäßig über die Oberfläche der Formhülle, wodurch es zu einer gleichmäßigen Verdichtung des Pulvers kommt. Ein Druck beim isostatischen Pressen kann 2000 bar oder mehr betragen. Der Formkörper kann auch durch semiisostatisches Pressen des Pulvers gebildet werden, das heißt Teile des Formkörpers bzw. der Formhülle sind dann abgedeckt und werden nicht mit Druck beaufschlagt. Beispielsweise kann die Formhülle bzw. das zu pressende Pulver um einen Dorn herum angeordnet sein, wobei Enden des Dorns jeweils einen ringförmigen Steg aufweisen. Das Pulver kann dann zwischen den ringförmigen Stegen an dem Dorn leicht angeordnet und mit einer flexiblen Formhülle abgedeckt werden. Auch ist es denkbar, den Formkörper so bereits in seiner abschließenden Gestalt auszubilden.
Der Formkörper aus Sinterwerkstoff kann auch durch Gesenkpressen Pressen des Pulvers gebildet werden. Dabei können sowohl rohrförmige Formkörper durch axiales Gesenkpressen des Sinterwerkstoffs als auch plattenförmige Formkörper ausgebildet werden.
Das Glühen des gepressten Formkörpers aus Sinterwerkstoff kann unter einer Schutzatmosphäre erfolgen. Das Glühen bei beispielsweise 50 bis 600C° führt zu einem Härten des Formkörpers. Die Schutzatmosphäre kann durch ein Schutzgas oder ein Vakuum ausgebildet werden.
Der Formkörper aus Sinterwerkstoff kann in einer besonders einfachen Ausführungsform plattenförmig ausgebildet werden. Damit kann dann ein flaches, gerades Widerstandsheizelement hergestellt werden.
Der Formkörper aus Sinterwerkstoff kann einen runden Rohrquerschnitt aufweisen. So kann der Formkörper die gewünschte Form des Widerstandsheizelements aufweisen. Auch ist es denkbar, dass dann auf eine mechanische Bearbeitung des Formkörpers im weiteren Herstellungsprozess verzichtet werden kann. Vorzugsweise kann ein kreisförmiger Rohrquerschnitt ausgebildet werden, da ein nahtloser Formkörper dann einfach auf einem Dorn ausgebildet werden kann. Grundsätzlich kann der Formkörper jedoch jede gewünschte rohrförmige Gestalt aufweisen.
Um eine gleichmäßige Verteilung von Siliziumcarbid und Silizium im Widerstandsheizelement zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der Formkörper aus Sinterwerkstoff eine homogene Verteilung von Pulver aufweist. Das heißt innerhalb des Materials des Formkörpers bestehen dann keine wesentlichen Dichteunterschiede. So kann eine unerwünschte Materialanhäufung von beispielsweise Silizium zwischen aus Siliziumcarbid bestehenden Partikelstrukturen vermieden werden. Eine Rissbildung in Folge von Inhomogenitäten kann so vermieden werden.
Weiter kann eine homogene Pulvermischung ausgebildet werden. Dann liegen keine wesentlichen Unterschiede bei einer Verteilung innerhalb des Materials des Formkörpers bzw. keine Bereiche mit Anhäufungen bestimmter Materialien vor. Eine gute Durchmischung des Pulvers kann beispielsweise mit einem Eirich Mischer erzielt werden. Eine homogene Pulvermischung bewirkt gleiche Festigkeitseigenschaften an jedem Punkt des Materials des Formkörpers und vermeidet somit eine Bildung von Rissen.
Um eine Bildung von Materialeinschlüssen oder Lunkern innerhalb des Formkörpers zu vermeiden, kann das Pulver vor einem Pressen gesiebt werden. Ein Sieben des Pulvers kann unter anderem auch eine verbesserte Mischung des Pulvers bewirken.
Vorteilhaft kann ein Bindemittel verwendet werden. Ein Bindemittel oder ein sogenannter Precursor kann ein Polymer sein, welches durch eine Temperaturbeaufschlagung vernetzt wird und damit das Pulver in der Gestalt des Formkörpers fixieren kann. Vorzugsweise kann ein Siliziumkarbid-Precursor verwendet werden, von dem nach Durchführung des Herstellungsprozesses lediglich Siliziumcarbid im Material des Widerstandsheizelements zurückbleibt.
Der Sinterwerkstoff kann aus den Materialien Phenolharz, Furanharz, Formadehydharz, Epoxiden, Siliziumcarbid, Silizium, Graphit, Ruß, Polysilazane, Polycarbosilane, Polysiloxane, Polycarbosilazane oder Molybdän-Disilizit oder Kombinationen derartiger Pulver ausgebildet werden. Das Phenolharz kann ebenfalls in Pulverform oder in flüssiger Form vorliegen. Weiter kann als ein Schmiermittel und zur Vermeidung einer Oxidation des Pulvers bzw. Sinterwerkstoffes Stearinsäure beigemischt werden. Bevorzugt kann eine Pulvermischung aus Siliziumcarbid, Silizium, Kohlenstoff und Polycarbosilanen verwendet werden.
Nach dem Glühen kann eine mechanische Bearbeitung des Formkörpers erfolgen, wobei eine abschließende Gestalt des Widerstandsheizelements durch die mechanische Bearbeitung ausgebildet werden kann. So kann ein Innendurchmesser des Formkörpers weiter aufgebohrt oder ausgedreht sowie ein Zylinder bzw. Außendurchmesser auf beispielsweise einer Drehmaschine geschliffen werden, so dass eine gleichmäßige Wandstärke des Formkörpers von beispielsweise bis zu 1 mm ausgebildet wird. Insbesondere durch eine hohe mechanische Stabilität des Formkörpers kann das Verfahren so auch eine Herstellung filigraner Heizwendeln ermöglichen. Weiter können in den so bearbeiteten Formkörper spiralförmige Schlitze gefräst werden, derart, dass eine spätere Heizwendel des Widerstandsheizelements ausgebildet wird. In einem Fußbereich bzw. zwischen Anschlussflächen des Formkörpers bzw. Widerstandsheizelements können die Schlitze als überbrückende Stege ausgebildet sein, die eine Stabilität des Formkörpers während des Herstellungsprozesses sicherstellen. Diese Stege können nach Ausbildung des Widerstandsheizelements einfach durchtrennt und somit entfernt werden.
Vorteilhaft kann nach dem Sintern eine Hochtemperaturbehandlung des Widerstandsheizelements erfolgen. Das Sintern kann in einem Temperaturbereich von 1350 bis 1900°C und die Hochtemperaturbehandlung in einem Temperaturbereich von 1900 bis 2400°C durchgeführt werden. Die Hochtemperaturbehandlung kann unter anderem zum Abbau von Sauerstoff und Stickstoff im Formkörper dienen und unter Vakuum oder Schutzgas durchgeführt werden. Mittels der Hochtemperaturbehandlung können insbesondere durch die Prozessschritte bedingte Maßabweichungen des Formkörpers minimiert werden.
Um einen Austritt freien Siliziums während eines Betriebes des Widerstandsheizelements zu verhindern, kann zusätzlich nach dem Sintern eine CVD-Beschichtung (chemische Gasphasenabscheidung) des Widerstandsheizelements mit Siliziumcarbid erfolgen. Bei der CVD-Beschichtung wird bei beispielsweise 700 bis 1500C° eine Silizumcarbidschicht auf das Widerstandsheizelement aufgebracht. Die Siliziumcarbidschicht umgibt das Widerstandsheizelement im Wesentlichen vollständig, so dass eventuell im Material des Widerstandsheizelements eingeschlossenes, Silizium nicht aus diesem austreten kann.
Eine besonders gute Kontaktierung des Widerstandsheizelements mit Anschlusskontakten kann erzielt werden, wenn nach dem Sintern oder der CVD-Beschichtung Anschlussflächen des Widerstandsheizelements mittels Flammspritzen beschichtet werden. Durch thermisches Spritzen von pulverförmigem Aluminium können die Anschlussflächen so mit einer elektrisch gut kontaktierbaren Aluminiumschicht versehen werden. Aluminium kann mittels Flammspritzen gut verarbeitet werden und schmilzt während des Betriebes des Widerstandsheizelements von diesem nicht ab.
Das erfindungsgemäße Widerstandsheizelement weist eine grundsätzlich beliebige Gestalt auf, wobei das Widerstandsheizelement einstückig ausgebildet ist, wobei das Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid gebildet ist, und wobei das Widerstandsheizelement ein homogenes Gefüge bzw. eine homogene Verteilung von Siliziumcarbid aufweist. Insbesondere das homogene Gefüge von Siliziumcarbid innerhalb der Materialstruktur des Widerstandsheizelements bewirkt, dass eine Wahrscheinlichkeit von Rissbildung während des Betriebs des Widerstandsheizelements minimiert wird. Somit kann eine Betriebssicherheit des Widerstandsheizelements wesentlich erhöht werden. Vorzugsweise weist das Widerstandsheizelement eine rohrförmige Gestalt auf.
Vorteilhaft kann das Siliziumcarbid im Werkstoff des Widerstandsheizelements entsprechend einer Partikelorientierung eines Pulvers strukturiert sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines Widerstandsheizelements ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1: Eine perspektivische Ansicht eines Widerstandsheizelements;
2: ein Ablaufdiagramm für eine Ausführungsform des Verfahrens.
1 zeigt ein Widerstandsheizelement 10, welches rohrförmig, mit einem runden, kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Das Widerstandsheizelement 10 weist eine dünne Rohrwandung 11 auf, die durch zwei Schlitze 12 und 13 durchbrochen ist. Die Schlitze 12 und 13 sind im Bereich eines unteren Endes 14 des Widerstandsheizelements 10 in Längsrichtung des selben gerade ausgebildet und bilden so zwei Anschlussflächen 15 und 16 zum Anschluss des Widerstandsheizelements 10 an Anschlusskontakte einer hier nicht dargestellten Anschlussvorrichtung eines DSC-Ofens aus. In einem Mittelbereich 17 des Widerstandsheizelements 10 verlaufen die Schlitze 12 und 13 jeweils spiralförmig in Längsrichtung entlang des Umfangs der Rohrwandung 11 bis hin zu einem oberen Ende 18 des Widerstandsheizelements 10. Die Schlitze 12 und 13 bilden so zwei Heizwendel 19 und 20 aus, die an dem oberen Ende 18 in einem Ringabschnitt 21 miteinander verbunden sind. Eine Erwärmung des Widerstandsheizelements 10 während eines Betriebs erfolgt im Wesentlichen im Bereich der Heizwendel 19 und 20. Das Widerstandsheizelement ist einstückig ausgebildet und besteht im Wesentlichen aus Siliziumcarbid, wobei innerhalb des Materials des Widerstandsheizelements 10 herstellungsbedingte Restmengen von Silizium, Kohlenstoff und anderen Materialien eingebunden sein können. Weiter ist eine Oberfläche 22 des Widerstandsheizelements 10 nahezu vollständig mit Siliziumcarbid beschichtet, wobei im Bereich der Anschlussflächen 15 und 16 eine hier nicht näher dargestellte Schicht aus Aluminium aufgebracht ist.
2 zeigt ein mögliches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens. Zunächst erfolgt ein Mischen und ein Sieben verschiedener, pulverförmiger Sinterwerkstoffe, wie Siliziumcarbid, Silizium, Kohlenstoff, Polymere, wie zum Beispiel Polysilazane, Polycarbosilazane, Polycarbosilane, Polysiloxane, oder anderen Prepolymeren wie Phenolharz, Polyinide, Polyfurane usw. und. Diese Pulvermischung wird um einen runden Dorn herum angeordnet, so dass ein rohrförmiger Formkörper entsteht. Die Pulvermischung wird von einer Formhülle abgedeckt und semiisostatisch gepresst, so dass es zu einer Verdichtung der Pulvermischung kommt. Der so gebildete Formkörper wird bei circa 400°C geglüht und damit gehärtet, so dass eine mechanische Bearbeitung des Formkörpers durch Schleifen auf einer Drehmaschine erfolgen kann. Ein Innen- und ein Außendurchmesser des rohrförmigen, runden Formkörpers wird dabei so bearbeitet, dass der Formkörper eine im Wesentlichen gleichmäßige Wandstärke von 3 mm aufweist. Weiter werden Schlitze zur Ausbildung von Heizwendeln und Anschlussflächen in die Rohrwandung des Formkörpers gefräst. Abschließend erfolgen eine Pyrolyse des Werkstoffs des Formkörpers bei 850 bis 1200°C, bei der der Werkstoff teilweise in Kohlenstoff umgewandelt wird, sowie ein Sintern des Formkörpers bei 1650 bis 1900°C, bei dem der Formkörper zu dem Widerstandsheizelement ausgebildet wird. Das Widerstandsheizelement besteht im Wesentlichen nunmehr aus Siliziumcarbid. Nach dem Sintern folgen eine optionale Hochtemperaturbehandlung sowie eine Beschichtung der Anschlussflächen mit Aluminium durch Flammspritzen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelements, wobei das Widerstandsheizelement (10) eine rohrförmige Gestalt aufweist, wobei das Widerstandsheizelement einstückig ausgebildet ist, wobei das Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid gebildet ist, zumindest umfassend die Verfahrensschritte: – Ausbildung eines einstückigen Formkörpers aus einem Pulver eines Sinterwerkstoffs, wobei das Pulver gepresst wird, – Glühen des gepressten Formkörpers, – Pyrolyse des Werkstoffs des Formkörpers, – Sintern des Formkörpers, wobei der Formkörper zu dem Widerstandsheizelement ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Sinterwerkstoff durch isostatisches Pressen des Pulvers gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Sinterwerkstoff durch Gesenkpressen des Pulvers gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühen des Formkörpers aus Sinterwerkstoff unter einer Schutzatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Sinterwerkstoff plattenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Sinterwerkstoff einen runden Rohrquerschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Sinterwerkstoff eine homogene Verteilung von Pulver aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine homogene Pulvermischung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver gesiebt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bindemittel verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff aus den Materialien Phenolharz, Furanharz, Formaldehydharz, Epoxiden, Siliziumcarbid, Silizium, Graphit, Ruß, Polysilazane, Polycarbosilane, Polysiloxane, Polycarbosilazane oder Molybdän-Disilizit oder Kombinationen derartiger Pulver ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Glühen eine mechanische Bearbeitung des Formkörpers erfolgt, wobei eine abschließende Gestalt des Widerstandsheizelements (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern eine Hochtemperaturbehandlung des Widerstandsheizelements erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern eine CVD-Beschichtung des Widerstandsheizelements mit Siliziumcarbid erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern Anschlussflächen des Widerstandsheizelements (10) mittels Flammspritzen beschichtet werden.
Widerstandsheizelement (10), wobei das Widerstandsheizelement einstückig ausgebildet ist, wobei das Widerstandsheizelement aus Siliziumcarbid gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement eine homogene Verteilung von Siliziumcarbid aufweist.