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Verfahren zur Herstellung von Siliciumkarbid-Heizstäben Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise aus Siliciumkarbid bestehenden
Heizstäben für elektrische Widerstandsöfen, deren gut leitende Anschlußenden mit
dem Glühteil im Durchmesser gleich sind und einen geringeren spezifischen Widerstand
als der Glühteil besitzen.
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Um den elektrischen Widerstand der Anschluß.-enden gegenüber dem GIfhteil
von Siliciumkarbid-Heizstäben herabzusetzen, ist es bekannt, daß nach der Hochtemperaturbehandlung
des Heizstabes dieser an seinen Enden mit metallischem Silicium durch Tauchen in
eine Siliciumschmelze imprägniert wird. Durch Vergrößerung der Anschlußenden gegenüber
dem Glühteil ist es ferner bekannt, den Widerstand der Anschlußenden herabzusetzen.
Die Querschnittsvergrößerung der Anschlußenden ist jedoch für den Einbau der Heizstäbe
in den Widerstandsofen nachteilig und wird daher bei der vorliegenden Erfindung
nicht angewendet.
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Durch die Erfindung wird die nachträgliche Metallimprägnierung der
Anschlußenden vermieden und die Herstellung von Heizstäben ermöglicht, deren gut
leitende Anschlußenden im Durchmesser mit dem Glühteil gleich sind und beliebig
lang ausgebildet werden können. Siliciumkarbid-Heizstäbe werden meist aus entsprechenden
Ausgangsmischungen, die Teer als Bindemittel enthalten, von der Strangpresse ausgeformt
und dann einer Glühbehandlung unterzogen, bei der das Bindemittel verkokt und eine
Rekristallisation des Siliciumkarbides mit dem sekundär aus dem Kohlenstoff des
Bindemittels und dem Silicium sich bildenden Siliciumkarbid eintritt. Da die Ausgangsmischungen
das sehr harte Siliciurnkarbid enthalten, unterliegen die Preßwerkzeuge einer starken
Abnutzung. Die Erfindung macht ein Strangpressen entbehrlich, so daß auch eine Lagerhaltung
von Preßwerkzeugen für die verschiedenen Durchmessergrößen der Heizstäbe fortfällt
und die Herstellung der Heizstäbe sich verbilligt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Bruchempfindlichkeit
des nach dem Verfahren hergestellten Heizstabes an der Übergangsstelle zwischen
Anschlußenden und Glühteil gegenüber den bisherigen Heizstäben wesentlich herabgesetzt
ist.
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Erreicht werden diese Vorteile nach der Erfindung dadurch, daß Ausgangsmassen
verschiedener Zus-aminensetzung für die Anschlußenden und den Glühteil mit einem
hoch kohlenstoffhaltigen Bindemittel, wie Teer, unter Beimischung von feinstkö@rnigem
Siliciumkarbid unter 60 i1 Korngröße als Einbindemittel und Rekristallisationsbeschleuniger
ailgeteigt werden, nacheinander in einem rohrförmigen, bei der Glühbehandlung zerfallenden
Behälter eingestampft werden und der so erhaltene Formling mit dem Behälter einem
Vorbrand unterzogen wird, durch den ein durchgehendes Bindegerüst entsteht, das
die Formbeständigkeit des Heizstabes bei der nachfolgenden Hochtemperaturbehandlung
in der sili@ciumhaltigen Atmosphäre des Glühofens gewährleistet.
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Das für die Formbeständigkeit des Heizstabes beim Hochbrand maßgebliche
Bindegerüst entsteht nicht nur durch die Beimengung des feinstkörnigen Siliciumkarbides
als Bindemittel, sondern auch durch das heim Vorbrand aus dem kohlenstoffhaltigen
Bindemittel sich bildende Koksgerüst, das zur Erhöhung der Formbeständigkeit des
Formlings beiträgt. Durch die entsprechende Wahl der Ausgangsmischungen für die
Anschlußenden und für den Glühteil erhält der Heizstab im Hochbrand die unterschiedliche
elektrische Leitfähigkeit des Glühteiles gegenüber den Anschlußenden. Bei der Hochtemperaturbehandlung,
durch die eine Rekristallisation des Siliciumkarbides herbeigeführt wird, muß eine
Abwanderung des metallischen Siliciums in den Glühteil verhindert werden, denn bei
der hohen Temperatur neigt das metallische Silicium zur Diffusion in die Nachbarbereiche,
und es besteht die Gefahr, daß das Silicium ausdampft. Durch den Überschuß an Kohlenstoff
im Anschlußteil wird diese Abwanderung des metallischen Siliciums in den Glühteil
gehemmt. An der übergangs,stelle von Glüh- und Anschlußteil tritt ein geringer Ausgleich
des Siliciumgehaltes der beiden Heizstabteile ein. Die Anreicherung mit Silicium
in der Übergangszone ist jedoch nur vorteilhaft, da eine schroffe Übergangsstelle
zwischen Zonen verschiedener Materialbeschaffenheit immer eine Gefahrenstelle für
einen künftigen Bruch bildet, denn die bekannten Heizstäbe, bei denen das gut leitende
Anschlußende an den Glühteil angeschweißt ist, führen an der Schweißstelle
meistens
zu Brüchen. Diese Bruchgefahr an der Übergangsstelle zwischen Anschlußteil und Glühteil
des Heizstabes wird durch das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend herabgesetzt.
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Es ist an sich bekannt, die Leitfähigkeit von Siliciumkarbid-Heizstäben
dadurch zu erhöhen, daß der Ausgangsmischung von gepulvertem Siliciumkarbid und
einem Bindemittel metallisches Siliciumpulver beigemengt wird.
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Es ist jedoch nicht bekannt, Ausgangsmassen verschiedener Zusammensetzung
nacheinander in einem rohrförmigen, bei der Glühbehandlung zerfallenden Behälter
einzustampfen und den so erhaltenen Formling mit dem Behälter einem Vorbrand zu
unterziehen, so daß während des Vorbrandes ein durchgehendes Bindegerüst im Heizstab
entsteht, das die Formbeständigkeit des Heizstabes bei der nachfolgenden Hochtemperaturbehandlung
gewährleistet.
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Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Zur Herstellung des Heizstabes werden für den Glühteil und für die
Anschlußenden Ausgangsmassen verschiedener Zusammensetzung mit einem hoch kohlenstoffhaltigen
Bindemittel, wie Teer, angeteigt. Für den Glühteil wird hierbei ein Gemisch von
Siliciumkarbid verschiedener Körnung benutzt, in dem 30 Gewichtsprozent des Siliciumkarbides
in feinster Vermahlung unter 60 u Korngröße vorhanden sind, während für die Anschlußenden
ein Gemisch verwendet wird, das außer Siliciumkarbid Kohlenstoff und metallisches
Silicium enthält, und zwar 10 Gewichtsprozent Teer als Bindemittel, 50 Gewichtsprozent
Siliciumkarbid in Feinstmahlung unter 60 R, Korngröße, 33 Gewichtsprozent grobkörnigen
Koks von 0,17 bis 0,5 mm Korngröße und restliche Gewichtsprozente Siliciumpulver
mittlerer Korngröße. Diese mit dem Bindemittel angemachten Mischungen werden nacheinander
in einen rohrförmigen, bei der Glühbehandlung zerfallenden Behälter, wie z. B. in
ein Papprohr, eingestampft und der so erhaltene Formkörper einem Vorbrand in inerter
Atmosphäre unterzogen, bei dem das Papprohr allmählich verkohlt, bis der Formling
die ausreichende Formbeständigkeit für den späteren Hochbrand in einer siliciumhaltigen
Atmosphäre erhält. Bei dem Vorbrand, der beispielsweise in einem elektrisch aufgeheizten
Kohlerohr vorgenommen werden kann, wird die Temperatur bis auf etwa 800° C allmählich
gesteigert, bis die Verkoh.lung der Bindemittels eingetreten ist. Der nach dem Vorbrand
gewonnene Formling wird dann anschließend einem Hochbrand in einer siliciumhaltigen
Atmosphäre unterworfen. Hierbei tritt nicht nur eine Umsetzung des Kohlenstoffes
mit dem Silicium ein, sondern durch Rekristallisation des Siliciumkarbides mit dem
sekundär aus dem Kohlenstoff und Silicium sich bildenden Siliciumkarbid entsteht
ein fester zusammenhängender Körper, der trotz verschiedener Zusammensetzung der
einzelnen Teilabschnitte des Stabes ein durchgehendes, zusammenhängendes Haufwerk
von Siliciumkarbidkristallen enthält, das an den Anschlußenden Si C Si aufweist.
Der nach diesem Verfahren erhaltene Heizstab besitzt in seinem Glühteil einen spezifischen
Widerstand von etwa 1000 Ohm mm2/m und in den Anschlußenden einen spezifischen Widerstand
von etwa 100 Ohm mm/m.
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Um den Widerstand im Glühteil zu steigern, ist es auch möglich; den
Ouerschnitt im Glühteil dadurch zu verringern, daß vor dem Einstampfen der Masse
für den Glühteil in den rohrförmigen Behälter ein Kern eingelegt wird, der gleichfalls
aus Pappe bestehen kann und bei der nachfolgenden Glühbehandlung zerfällt, so daß
ein rohrförmiger Heizstab entsteht.