DE1139427B - Process for siliconizing refractory bodies - Google Patents
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Description
Verfahren zum Silizieren feuerfester Körper Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zum Imprägnieren von Formkörpern mit metallischem Silizium sowie auf Verfahren zur Herstellung von Körpern, welche Silizium in metallischer und in chemisch gebundener Form enthalten.Method of siliconizing refractory bodies The invention relates to on a new process for impregnating moldings with metallic silicon as well as processes for the production of bodies, which silicon in metallic and contained in chemically bound form.
Ein bekanntes Verfahren zum Imprägnieren eines Körpers mit Silizium besteht darin, daß man den Körper mit feinen Partikeln metallischen Siliziums bei verhältnismäßig niedriger Temperatur umgibt, dann den Körper und das Silizium so hoch erhitzt, daß das geschmolzene Metall schnell durch die Poren des Körpers fließt. Dieses Verfahren hat man beispielsweise zur Herstellung von silizierten Siliziumkarbidgegenständen verwendet.A known method of impregnating a body with silicon consists in covering the body with fine particles of metallic silicon relatively low temperature surrounds, then the body and the silicon like that highly heated so that the molten metal flows quickly through the pores of the body. This process is used, for example, for the manufacture of siliconized silicon carbide objects used.
Für gewisse Zwecke war dieses Silizierungsverfahren nicht zufriedenstellend, aber ein für alle Zwecke brauchbares Verfahren war nicht bekannt. Beispielsweise wurden große vorgeformte Formstücke in geschmolzenes Silizium eingetaucht, aber dann tritt häufig eine ungleichmäßige Hitzeverteilung in dem vorgeformten Gegenstand auf, so daß sich der Körper manchmal verzieht. Außerdem tritt Erosion auf infolge des Flusses des geschmolzenen Siliziums, und deshalb ist das Verfahren zum Silizieren von Körpern mit genauen Abmessungen nicht zufriedenstellend. Außerdem hat man bei diesem Verfahren bei der Herstellung von Körpern mit genauen Mengen freien Siliziums eine nur sehr geringe Kontrollmöglichkeit. Wenn man feines metallisches Silizium zum Silizieren eines Gegenstandes benutzt, so geht eine unbestimmte Menge des Siliziums immer verloren, weil das Silizium schon unterhalb der Silizierungstemperaturen verdampft. Etwas Silizium verdampft immer und geht so verloren, bevor das Silizieren eintritt. Beispielsweise muß beim Silizieren eines vorgeformten Körpers aus Siliziumkarbid mit metallischem Silizium die Temperatur mindestens 1600'C sein. Unterhalb dieser Temperatur tritt keine Silizierung ein. Das metallische Silizium schmilzt bei etwa 1420'C, also früher als der Körper die Silizierungstemperatur erreicht, so daß etwas Silizium verdampft und verlorengeht.This siliconization process was unsatisfactory for certain purposes, but a process which was useful for all purposes was not known. For example, large preforms have been immersed in molten silicon, but then uneven heat distribution often occurs in the preform, so that the body sometimes warps. In addition, erosion occurs due to the flow of the molten silicon, and therefore the method of siliconizing bodies with precise dimensions is not satisfactory. In addition, this method has very little control over the manufacture of bodies with precise amounts of free silicon. If fine metallic silicon is used to siliconize an object, an indefinite amount of silicon is always lost because the silicon evaporates below the siliconization temperature. Some silicon always evaporates and so is lost before siliconization occurs. For example, when siliconizing a preformed body made of silicon carbide with metallic silicon, the temperature must be at least 1600.degree . No siliconization occurs below this temperature. The metallic silicon melts at around 1420'C, i.e. earlier than the body reaches the siliconization temperature, so that some silicon evaporates and is lost.
Zweck der Erfindung ist es, beim Silizieren ein Verziehen der vorgeformten Körper zu vermeiden. Weiter soll gemäß der Erfindung ein Verfahren entwickelt werden, bei dem das geschmolzene Silizium bei genügend hoher Temperatur sofort in der gewünschten Weise reagiert. Das Verfahren soll auch beim Silizieren von Körpern mit genauen Abmessungen eine Erosion vermeiden und überhaupt die Herstellung von Siliziumkarbidkörpern mit sehr genauen Ab- messungen gestatten. Weiterhin soll nach dem Verfahi --i der Erfindung der Siliziumgehalt des silizierten Körpers genau kontrolliert werden bzw. der für das Silizieren notwendige Anteil an Silizium genau vorherbestimmt werden. Das Verfahren soll weiter billig sein und insbesondere eine Massenproduktion gestatten.The purpose of the invention is to avoid warping of the preformed body during siliconization. Furthermore, according to the invention, a method is to be developed in which the molten silicon reacts immediately in the desired manner at a sufficiently high temperature. The method should also be avoided during siliconization of bodies having precise dimensions erosion and generally allow the preparation of Siliziumkarbidkörpern with very exact dimensions. Furthermore, according to the method of the invention, the silicon content of the siliconized body should be precisely controlled and the silicon content required for siliconization should be precisely determined in advance. The method should also be cheap and in particular allow mass production.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung dichter Karbidkörper, die Siliziumkarbid und gegebenenfalls freies Silizium enthalten und die hinsichtlich des Grades ihrer Porosität zu kontrollieren sind.The method according to the invention allows the production of dense carbide bodies, which contain silicon carbide and optionally free silicon and which with regard to the degree of their porosity are to be controlled.
Gemäß der Erfindung wird als Quelle des Siliziums beim Silizieren Siliziumnitrid verwendet. Siliziumnitrid ist ein festes Material, das sich bei Temperaturen über etwa 1900'C zersetzt und geschmolzenes Silizium sowie gasförmigen Stickstoff freigibt. Siliziumnitrid ist besonders geeignet für das Silizieren, da das Silizium bei einer Temperatur freigegeben wird, wo es die Körper benetzt, so daß auf diese Weise das Silizieren sofort stattfindet. Praktisch entsteht kein oder nur wenig Verlust.According to the invention, silicon nitride is used as the source of silicon during siliconization. Silicon nitride is a solid material that decomposes at temperatures above about 1900'C and releases molten silicon and gaseous nitrogen. Silicon nitride is particularly suitable for siliconizing, since the silicon is released at a temperature where it wets the body, so that in this way siliconizing takes place immediately. In practice there is little or no loss.
Beim Silizieren mit Siliziumnitrid ändert sich das Siliziumnitrid nicht, bis eine Temperatur von ungefähr 1900'C erreicht ist. Das Siliziumnitrid zersetzt sich dann in Silizium und Stickstoff, und das geschmolzene Siliziuni wird dem Körper zugeführt, der eine so hohe Temperatur hat, daß er sofort mit dem geschmolzenen Silizium reagiert. Bei Anwesenheit von Kohlenstoff zersetzt sich Siliziumnitrid bei Temperaturen über 1600'C, besonders wenn eine Temperatur von 1600'C oder höher längere Zeit beibehalten wird, und bildet Siliziumkarbid. Wenn die Temperaturerhöhung schnell auf 1900'C oder höher ansteigt, hat das, auch bei Anwesenheit von Kohlenstoff, keinen Einfluß auf das Siliziumnitrid, bis die Zersetzungstemperatur erreicht ist und erst dann freies Silizium freigegeben wird.When siliconized with silicon nitride, the silicon nitride does not change until a temperature of around 1900 ° C is reached. The silicon nitride then decomposes into silicon and nitrogen, and the molten silicon is supplied to the body, which is at such a high temperature that it reacts instantly with the molten silicon. In the presence of carbon, silicon nitride decomposes at temperatures above 1600 ° C, especially if a temperature of 1600 ° C or higher is maintained for a long time, and forms silicon carbide. If the temperature rises quickly to 1900 ° C. or higher, this has no effect on the silicon nitride, even in the presence of carbon, until the decomposition temperature is reached and only then is free silicon released.
Diese Eigenschaften machen das Siliziumnitrid als Quelle der Siliziumgewinnung für viele Zwecke besonders geeignet. In den folgenden Beispielen sind mehrere Anwendungsarten erläutert, und die Zeichnungen zeigen dies schematisch.These properties make silicon nitride a source of silicon recovery particularly suitable for many purposes. In the examples below are several types of application and the drawings show this schematically.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch das Innere eines Hochfrequenzofetis, in dem sich eine Raketendüse befindet. Im Innern des Ofens befindet sich körniges Siliziumnitrid. Durch Brennen wird die Raketendüse siliziert; Fig. 2 zeigt schematisch die Verfahrensstufen des Silizierverfahrens; Fig. 3 zeigt schematisch eine andere Stufenfolge des Verfahrens gemäß dem körniges Siliziumkarbid und körniges Siliziumnitrid gebrannt werden und silizierte Sfliziumkarbidkörper mit kontrollierbarer Dichte bildet), 0 Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mischung von körnigem Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Kohlenstoff heiß gepreßt wird und einen dichten Siliziumkarbidkörper ergibt; Fig. 5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, gemäß dem eine besonders hergestellte Mischung von Kohlenstoff und Siliziumnitrid gebildet wird, aus der Siliziumkarbidkörper mit komplizierten Abmessungen geformt werden.Fig. 1 shows schematically a section through the interior of a high-frequency detector in which a rocket nozzle is located. There is granular silicon nitride inside the furnace. The rocket nozzle is silicized by burning; 2 shows schematically the process stages of the siliconizing process; Fig. 3 shows another sequence of steps shows schematically the method according to the granular silicon carbide and granular silicon are fired and siliconized Sfliziumkarbidkörper with controllable density forms), 0 Fig. 4 shows a further embodiment in which a mixture of granular silicon carbide, silicon and carbon, hot pressed and results in a dense silicon carbide body; 5 schematically shows a further exemplary embodiment of the invention, according to which a specially produced mixture of carbon and silicon nitride is formed, from which silicon carbide bodies with complex dimensions are formed.
Beispiel 1 Silizieren eines Formkörpers Eine Raketendüse 10 (Fig. 1) wurde derart hergestellt, daß körniges Siliziumkarbid mit einer geringen Menge eines Zwischenbinders in einer Stahlform gepreßt und bei ungefähr 120'C getrocknet wurde. Dann wurde der Körper 10 auf eine Unterlage 12 aus Siliziumkarbid gelegt, welch letztere sich in einem Graphitbehälter 11 befand. Der Graphitbehälter 11 war so groß, daß er in die Kammer eines Hochternperaturofens paßte. Der Behälterll hatte unten einen Gaseinlaß13 und ein Sichtglas sowie einen Gasauslaß 14 an der oberen Seite. Der Hohlraum des Körpers 10 wurde mit körnigem Siliziumnitrid 15 ausgefüllt. Das Silizieren erfolgte dann mit den aus der Fig. 2 ersichtlichen Verfahrensstufen. In dem Behälter 11 wurde ständig durch den Einlaß 13 ein Strom von Heliumgas eingelassen. Der Inhalt der Kammer wurde dann auf eine Maximaltemperatur von ungefähr 1950'C gebracht, und zwar allmählich über einen Zeitraum von 21/2 Stunden.Example 1 Siliconization of a Shaped Body A rocket nozzle 10 (FIG. 1) was manufactured in such a way that granular silicon carbide was pressed with a small amount of an intermediate binder in a steel mold and dried at about 120.degree. The body 10 was then placed on a base 12 made of silicon carbide, the latter being located in a graphite container 11 . The graphite container 11 was so large that it fit in the chamber of a high-temperature furnace. The container 11 had a gas inlet 13 and a sight glass at the bottom and a gas outlet 14 at the top. The cavity of the body 10 was filled with granular silicon nitride 15. The siliconizing then took place with the process steps shown in FIG. In the container 11 , a stream of helium gas was continuously admitted through the inlet 13. The contents of the chamber were then brought to a maximum temperature of approximately 1950 ° C. gradually over a period of 21/2 hours.
Der Behälter und sein Inhalt wurden ungefähr 30 Minuten bei einer Temperatur von 1900 bis 1950'C gehalten, worauf man sie abkühlen ließ.The container and its contents were held at a temperature of 1900 to 1950 ° C for approximately 30 minutes and then allowed to cool.
Die Raketendüse wurde dann herausgenommen und in Längsrichtung mit einer Diamantscheibe zerschnitten. Das Innere der Düse war sehr dicht und von feinkörniger Struktur. Physikalische und chemische Untersuchung zeigten, daß eine sehr gute Imprägnation mit Silizium stattgefunden hatte.The rocket nozzle was then taken out and along with it cut up with a diamond disc. The inside of the nozzle was very dense and fine-grained Structure. Physical and chemical tests showed that the impregnation was very good had taken place with silicon.
Der genaue Vorgang dieses Imprägnierens ist nicht ganz erklärlich, aber man kann annehmen, daß der Vorgang ähnlich dem beim Silizieren von Siliziumkarbidkörpern ist. Es ist bekannt, daß bei genügend hohen Temperaturen Siliziummetall das Siliziumkarbid benetzt. Siliziumnitrid bleibt im wesentlichen unverändert, wenn es schnell in Helium oder einer anderen neutralen Atmosphäre bis zur Zersetzungstemperatur von ungefähr 1900'C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur zersetzt sich Siliziumnitrid fast plötzlich in Silizium und Stickstoff. Das frei gewordene Silizium benetzt dann den Gegenstand aus Siliziumkarbid und dringt kapillar in die Poren ein. Dies ist eine Erscheinung, die nicht ganz verständlich ist, aber weitgehend beim Silizieren angewendet wird. Dieser Sfliziervorgang kann zum Imprägnieren von porösen feuerfesten Körpern mit Sflizium angewendet werden, sofern der Körper mit geschmolzenem Silizium bei über 1900'C benetzt werden kann, bis zu der Temperatur, wo sich der feuerfeste Körper zersetzt. Vorzugsweise erfolgt das Silizieren, indem der Körper schnell auf etwa 1900 bis 2000'C erhitzt wird. Während des Brennens muß eine neutrale Atmosphäre aufrechterhalten werden. Diese Atmosphäre kann Helium, Argon od. dgl. sein, wobei die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen. Auch Wasserstoff beeinflußt die Silizierung nicht, ebenso Stickstoff nicht. Nach dem Silizieren soll die Atmosphäre, als Vorsichtsmaßnahme, beibehalten werden bis zu einer Temperatur von etwa 800'C. The exact process of this impregnation cannot be fully explained, but it can be assumed that the process is similar to that when siliconizing silicon carbide bodies. It is known that silicon metal wets the silicon carbide at sufficiently high temperatures. Silicon nitride remains essentially unchanged when heated rapidly in helium or another neutral atmosphere to a decomposition temperature of approximately 1900 ° C. At this temperature silicon nitride decomposes almost suddenly into silicon and nitrogen. The released silicon then wets the silicon carbide object and penetrates the pores with capillary action. This is a phenomenon that is not entirely understandable, but is widely used in siliconizing. This siliconization process can be used to impregnate porous refractory bodies with silicon, provided that the body can be wetted with molten silicon at over 1900 ° C , up to the temperature at which the refractory body decomposes. The siliconization is preferably carried out by quickly heating the body to around 1900 to 2000.degree . A neutral atmosphere must be maintained during firing. This atmosphere can be helium, argon or the like, whereby the appropriate safety measures must be taken. Hydrogen does not affect the siliconization either, nor does nitrogen. As a precautionary measure, after siliconizing the atmosphere should be maintained up to a temperature of around 800 ° C.
In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, das Siliziumnitrid in einem bestimmten Formkörper zu halten, bis es zersetzt ist. In solchen Fällen kann ein Zwischenbinder aus Natriumsilikat od. dgl. verwendet werden. Für das gute Silizieren ist es gleichgültig, ob das Siliziumnitrid kornförmig ist oder fest. In beiden Fällen werden die Verfahrensstufen gemäß Fig. 2 angewendet.In certain cases it may be desirable to use the silicon nitride to hold in a certain shaped body until it is decomposed. In such cases An intermediate binder made of sodium silicate or the like can be used. For the good Siliconization does not matter whether the silicon nitride is granular or solid. In both cases, the process steps according to FIG. 2 are used.
Beispiel 2 Silizierung eines Forinkörpers aus siliziumnitridgebundenem Siliziumkarbid Es wurde eine Raketendüse aus siliziumnitridgebundenem Siliziumkarbid in Anwesenheit von Siliziumnitrid gebrannt. Wie oben beschrieben, wurden die Raketendüse und das Siliziumnitrid ungefähr 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 1900 und 1950'C gehalten. Das ursprüngliche Gewicht der Raketendüse betrug 874 g, und das Gewicht nach dem Brennvorgang 863 g. Der Gewichtsverlust ist darauf zurückzuführen, daß das ursprünglich in der Raketendüse vorhandene Siliziunmitrid während des Brennens zersetzt wurde. Die Raketendüse wurde von dem ursprünglich vorhandenen Siliziumnitrid und von dem körnigen, innerhalb des Hohlraums der Raketendüse vorhandenen Siliziumnitrid imprägniert. Ein kleiner Rest des SiMumnitrids verblieb nach dem Brennen in dem Behälter.Example 2 Siliconization of a Form Body Made of Silicon Nitride-Bonded Silicon Carbide A rocket nozzle made of silicon nitride-bonded silicon carbide was fired in the presence of silicon nitride. As described above, the rocket nozzle and silicon nitride were held at a temperature between 1900 and 1950 ° C for approximately 30 minutes. The original weight of the rocket nozzle was 874 g and the weight after firing was 863 g. The weight loss is due to the fact that the silicon nitride originally present in the rocket nozzle was decomposed during the firing. The rocket nozzle was impregnated by the silicon nitride originally present and by the granular silicon nitride present within the cavity of the rocket nozzle. A small residue of the silicon nitride remained in the container after firing.
Nach dem Silizieren hatte sich die Farbe der Raketendüse von Hellgrau oder Blau verändert in stark Dunkelgrau, fast Schwarz. Der übrigbleibende Rest des Siliziumnitrids war eine schwarze Asche, die einige wenige metallische Körnchen enthielt.After siliconization, the rocket nozzle had turned light gray in color or blue changed to strong dark gray, almost black. The remainder of the Silicon nitride was a black ash that contained a few metallic granules contained.
Beispiel 3 Verfahren zur Herstellung silizierter Körper durch Heißpressen Dieses Beispiel entspricht dem schematisch in Fig. 3 dargestellten Verfahren. Siliziumkarbid mit ausgesuchter Partikelgröße wird mit gewöhnlichem körnigem Siliziumnitrid vermischt, und die Mischung wiid in eine Graphitform in einen Heißpreßofen eingebracht. Das Pressen erfolgt in einer Heliumatmosphäre bei 1900 bis 1950'C und bei einem Druck von etwa 140 kg/cm2 während 30 Minuten. Dann läßt man den Körper sich in der Heliumatmosphäre bis ungefähr 800'C abkühlen.Example 3 A process for producing silicided by heat pressing This example corresponds to the method illustrated schematically in Fig. 3. Silicon carbide of selected particle size is mixed with ordinary granular silicon nitride, and the mixture is placed in a graphite mold in a hot press furnace. The pressing takes place in a helium atmosphere at 1900 to 1950'C and at a pressure of about 140 kg / cm2 for 30 minutes. The body is then allowed to cool to about 800 ° C. in the helium atmosphere.
Auf diese Weise wird ein dichter silizierter Siliziumkarbidkörper erhalten. Das durch die Zersetzung des Siliziumnitrids frei gewordene elementare Silizium fließt in die Siliziumkarbidpartikeln hinein und um sie herum und füllt so die dazwischenliegenden Poren aus.In this way it becomes a dense siliconized silicon carbide body obtain. The elementary element released by the decomposition of silicon nitride Silicon flows into and around the silicon carbide particles and fills so the pores in between.
Das Siliziumkarbid und das Siliziumnitrid. können auch pulverförmig
sein. Wenn die Pulvermischung heiß gepreßt wird, erhält man einen dichten Körper
silizierten Siliziumkarbids. Bei drei solcher Mischungen wurden die drei Bestandteile
gemischt, dann wurden die flüssigen Bestandteile zugesetzt, und das Mischen wurde
fortgesetzt. Die drei Mischungen hatten folgende Bestandteile:
Es wurde weiterhin eine Mischung von Siliziumkarbid und Siliziumnitrid hergestellt, die vorher zu einem bestimmten Formkörper gesintert war. Der Körper wurde dann in eine entsprechend geformte Graphitform eingebracht und in einem Heißpreßofen, wie oben beschrieben, gepreßt. Der Formkörper hatte nach dem Heißpressen seine ursprünglichen Ab- messungen.A mixture of silicon carbide and silicon nitride, which had previously been sintered to form a specific shaped body, was also produced. The body was then placed in a correspondingly shaped graphite mold and pressed in a hot press furnace as described above. The molded body had dimensions after hot pressing his original intentions.
Beim Formen derartiger silizierter Siliziumkarbidkörper wurde die gleiche neutrale Atmosphäre und die Preßtemperaturen angewendet, wie oben beschrieben. Je nach der gewünschten Dichte kann der Druck 70 kg/cm2 oder auch höher sein, je nach der Festigkeit der Graphitform. Es kommen Drücke zwischen 140 und 700 kg/CM2 in Frage. Von der Höhe der Anteile des Siliziumkarbids bzw. des Siliziumnitrids hängt die Dichte bzw. Porosität wesentlich ab. Da bei der Zersetzung des Siliziumnitrids gasförmiger Stickstoff entweicht, ergibt sich eine etwas poröse Masse. Beim Heißpressen verfestigen die hohen Drücke bis zu einem gewissen Grade die Masse und füllen so die Leerräume aus, die das entweichende Stickstoffgas hinterläßt.In molding such siliconized silicon carbide bodies, the same neutral atmosphere and pressing temperatures as described above were used. Depending on the desired density, the pressure can be 70 kg / cm2 or even higher, depending on the strength of the graphite form. Pressures between 140 and 700 kg / CM2 are possible. The density or porosity essentially depends on the level of the proportions of silicon carbide or silicon nitride. Since gaseous nitrogen escapes during the decomposition of the silicon nitride, the result is a somewhat porous mass. During hot pressing, the high pressures solidify the mass to a certain extent and thus fill the empty spaces left by the escaping nitrogen gas.
Beim Heißpressen ist die Anwendung einer neutralen Atmosphäre nicht immer notwendig, da wenig Kontakt mit der Atmosphäre besteht und da der entweichende Stickstoff weitgehend das Silizium schützt.When hot pressing, the application of a neutral atmosphere is not always necessary, as there is little contact with the atmosphere and there the escaping Nitrogen largely protects the silicon.
Beispiel 4 Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidkörpern Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von Siliziumkarbidkörpern gemäß dem schematisch in Fig. 4 dargestellten Silizierverfahren.Example 4 Method of Making Silicon Carbide Bodies This Example illustrates the production of silicon carbide bodies according to the schematic The siliconizing process shown in FIG. 4.
Feinverteiltes Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Kohlenstoff wurden miteinander vermischt, und die Mischung wurde dann in eine Form eingebracht, schnell erhitzt und in einer neutralen Atmosphäre heiß gepreßt, wie beschrieben in dem vorhergehenden Beispiel. Wenn Temperaturen über der Zersetzungstemperatur des Siliziumnitrids erreicht waren, wurde metallisches Silizium frei, das mit dem Kohlenstoff reagiert und Siliziumkarbid bildet. Unter der verdichtenden Wirkung des Heißpreßofens wurde dann das neu gebildete Silizium mit dem Siliziumkarbid in der Rohmischung vereinigt.Finely divided silicon carbide, silicon nitride and carbon were mixed together, and the mixture was then poured into a mold, quickly heated and hot-pressed in a neutral atmosphere as described in the preceding Example. When reached temperatures above the decomposition temperature of the silicon nitride metallic silicon, which reacts with the carbon, and silicon carbide were released forms. Then, under the densifying effect of the hot-pressing furnace, the newly formed Silicon combined with the silicon carbide in the raw mix.
Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn das Siliziumkarbid eine Mischung aussortierter Partikelgrößen ist, dann ergibt sich die größte Dichte der Körper.The best results are obtained when the silicon carbide is a mixture sorted out particle sizes, then there is the greatest density of the body.
Statt des Siliziumkarbids können auch andere feuerfeste Karbide verwendet werden, die sich nicht bei etwa 1900'C zersetzen, beispielsweise Borkarbid. Dieses Beispiel zeigt einen einfachen Weg zur Herstellung von Körpern aus beliebigen Karbidmischungen, beispielsweise eines Körpers mit 850/, Siliziumkarbid und 15 0/, Borkarbid. Bei der Herstellung eines solchen Körpers ersetzt der erforderliche Anteil an Borkarbid in der ersten Stufe des Verfahrens das feinverteilte Siliziumkarbid. Die folgenden Verfahrensstufen sind dann die gleichen wie oben beschrieben. Unter feuerfesten Karbiden sollen dabei solche Karbide verstanden sein, die sich bei der Zersetzungstemperatur des Siliziumnitrids nicht zersetzen. Andere feuerfeste Karbide, die durch Zersetzung von Siliziumnitrid siliziert werden können, allein oder in Mischung mit Siliziumkarbid, sind beispielsweise Titankarbid, Zirkonkarbid, Niobiumkarbid und Tantalkarbid.Instead of silicon carbide, it is also possible to use other refractory carbides which do not decompose at around 1900 ° C. , for example boron carbide. This example shows a simple way of producing bodies from any carbide mixture, for example a body with 850 /, silicon carbide and 15 0 /, boron carbide. In the production of such a body, the required proportion of boron carbide replaces the finely divided silicon carbide in the first stage of the process. The following process steps are then the same as described above. Refractory carbides should be understood to mean those carbides which do not decompose at the decomposition temperature of the silicon nitride. Other refractory carbides that can be siliconized by the decomposition of silicon nitride, alone or in a mixture with silicon carbide, are, for example, titanium carbide, zirconium carbide, niobium carbide and tantalum carbide.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wurden auch vorgesinterte Formkörper aus silizium.litridgebundenem Siliziumkarbid als Ausgangsmaterial verwendet. Diese Formkörper wurden aus einer Mischung aussortierter Siliziumkarbidpartikeln mit feinem metallischem Silizium hergestellt. Beim Mischen dieser Trockenmateriahen wurden ein harzhaltiger Zwischenbinder und ein kleiner Anteil Kiefernöl zugesetzt. Aus dieser Rohmischung wurden durch Formen unter 420 kg/cm2 Druck mehrere Formkörper hergestellt. Die Formkörper wurden einen Tag lang zwischen 125 und 150'C in einem Ofen getrocknet. Die getrockneten Formkörper wurden dann 6 Stunden lang bei 1400'C in einer fließenden Stickstoffatmosphäre nitriert. Auf diese Weise erhielt inan siliziumnitridgebundene Siliziumkarbidkörper. Diese Körper waren porös.According to the method described above, pre-sintered shaped bodies made of silicon nitride-bonded silicon carbide were also used as the starting material. These shaped bodies were produced from a mixture of sorted silicon carbide particles with fine metallic silicon. When these dry materials were mixed, a resinous intermediate binder and a small amount of pine oil were added. Several moldings were produced from this raw mixture by molding under 420 kg / cm2 pressure. The moldings were dried in an oven between 125 and 150 ° C. for one day. The dried moldings were then nitrided for 6 hours at 1400 ° C. in a flowing nitrogen atmosphere. In this way, silicon nitride-bonded silicon carbide bodies were obtained. These bodies were porous.
Als eine weitere Verfahrensstufe wurden die Poren mit Kohlenstoff imprägniert. Es sind verschiedene Arten der Imprägnierung mit Kohlenstoff bekannt, vorzugsweise wurden hier aber die Körper in eine harzhaltige Phenolformaldehydlösung eingetaucht und getränkt. Dann wurden die Körper gebrannt, um das Harz zu karbonisieren und um Kohlenstoff in den Poren des Körpers abzulagern. Dann wurden diese mit Kohlenstoff imprägnierten, siliziumnitridgebundenen Siliziumkarbidkörper in einer neutralen Atmosphäre, wie oben beschrieben, heiß gepreßt.As a further process step, the pores were covered with carbon impregnated. Different types of impregnation with carbon are known, Preferably, however, the bodies were immersed in a resinous phenol-formaldehyde solution immersed and soaked. Then the bodies were burned to carbonize the resin and to deposit carbon in the pores of the body. Then these were made with carbon impregnated silicon nitride bonded silicon carbide body in a neutral Atmosphere, as described above, hot-pressed.
Gemäß diesem Beispiel hergestellte Siliziumkarbidkörper enthalten gewöhnlich wenig überschüssiges Silizium, sofern die Kohlenstoffanteile zu den Siliziumnitridanteilen richtig sind. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die in einer Form heiß gepreßten Körper sich nicht verziehen oder verwerfen. Die Körper haben eine glatte Oberfläche und können praktisch in jeder durch Formen erzielbaren Abmessung hergestellt werden, wobei enge Toleranzen eingehalten werden können. Solche Körper sind besonders geeignet als Material für Brennstoffelemente von Atomreaktoren.Contain silicon carbide bodies produced according to this example usually little excess silicon, provided that the carbon components correspond to the silicon nitride components are correct. This method has the advantage that the hot-pressed in a mold Bodies do not warp or warp. The bodies have a smooth surface and can be manufactured in practically any dimension that can be achieved by molding, whereby narrow tolerances can be maintained. Such bodies are particularly suitable as a material for fuel elements of nuclear reactors.
In ähnlicher Weise kann fast jeder feuerfeste Körper mit einem Netzwerk von Poren weniger porös bzw. dichter gemacht werden, und zwar entweder durch Silizieren durch Erhitzung in Gegenwart von Siliziumnitrid in einer neutralen Atmosphäre über die Zersetzungstemperatur des Siliziumnitrids hinaus, oder durch Auffüllung der Poren mit Kohlenstoff und nachfolgender Reaktion des freien Siliziums mit dem Kohlenstoff. Bezüglich der bekannten Verfahren zur Ablagerung von Kohlenstoff in den Poren ist zu erwähnen das bereits oben erwähnte Verfahren der Imprägnation mit Harz und das Karbonisieren,weiterhin Verbrennung von Methan oder anderer Kohlenwasserstoffe sowie Imprägnation mit Furfurol od. dgl. und nachfolgender Karbonisation durch Säuerung.Similarly, almost any refractory body can be networked can be made less porous or denser by pores, either by siliconization by heating in the presence of silicon nitride in a neutral atmosphere the decomposition temperature of the silicon nitride addition, or by filling the Pores with carbon and subsequent reaction of the free silicon with the carbon. Regarding the known method for the deposition of carbon in the pores is to mention the above-mentioned method of impregnation with resin and that Carbonization, continued combustion of methane or other hydrocarbons as well Impregnation with furfural or the like and subsequent carbonization by acidification.
Es können auch bekannte Verfahrensvorschläge benutzt werden, dichte Siliziumkarbidkörper derart herzustellen, daß man das Silizium mit dem Kohlenstoff kohlenstoffhaltiger Siliziumkarbidkörper reagieren läßt. Nach einem noch nicht veröffentlichten Vorschlag läßt man das Silizium mit dem freien Kohlenstoff eines Formkörpers reagieren, der ein Netzwerk von Poren hat und hauptsächlich aus Siliziumkarbid mit in Poren abgelagertem Kohlenstoff besteht, wobei der Kohlenstoffanteil etwa 85 bis 950/, des stöchiometrischen Betrages ist, der zur Reaktion mit Silizium erforderlich ist, um so viel Siliziumkarbid zu bilden, daß ein vollkommen fester Körper aus Siliziumkarbid entsteht. Als Quelle des Siliziums bei diesen Vorschlägen kann auch Siliziumnitrid verwendet werden.Known proposed methods can also be used to produce dense silicon carbide bodies in such a way that the silicon is allowed to react with the carbon-containing silicon carbide bodies. According to a proposal that has not yet been published, the silicon is allowed to react with the free carbon of a shaped body which has a network of pores and consists mainly of silicon carbide with carbon deposited in pores, the carbon content being about 85 to 950 /, of the stoichiometric amount is required to react with silicon in order to form so much silicon carbide that a completely solid body of silicon carbide is formed. Silicon nitride can also be used as the source of silicon in these proposals.
Beispiel 5 Heiß gepreßte Siliziumkarbidkörper aus Mischungen von Kohlenstoff und Siliziumnitrid Dieses Beispiel erläutert das schematisch in Fig. 5 dargestellte Verfahren. In eine Lösung von Furfurol und Furfurol-Alkohol wurde feinverteiltes Siliziumnitrid eingerührt, bis eine im wesentlichen homogene Dispersion sich ergab. Dann wurde der Mischung eine Mineralsäure zugegeben, beispielsweise Salzsäure, und diese angesäuerte Dispersion wurde in eine Form gegossen. Nach mehreren Stunden war die Reaktion zwischen der Lösung und der Salzsäure beendet. Dann wurde der nasse Kohlenstoffkörper aus der Form genommen und in einer neutralen Atmosphäre bei ungefähr 650'C kalziniert. Diese Temperatur wurde so lange beibehalten, bis alle Feuchtigkeit und flüchtigen Bestandteile ausgetrieben waren.Example 5 Hot pressed Siliziumkarbidkörper from mixtures of carbon and silicon nitride this example, the method shown schematically in Fig. 5 explained. Finely divided silicon nitride was stirred into a solution of furfural and furfural alcohol until an essentially homogeneous dispersion resulted. A mineral acid, such as hydrochloric acid, was then added to the mixture and this acidified dispersion was poured into a mold. After several hours, the reaction between the solution and the hydrochloric acid had ended. Then the wet carbon body was removed from the mold and calcined in a neutral atmosphere at about 650 ° C. This temperature was maintained until all moisture and volatiles were driven off.
Der so erhaltene Formkörper bestand aus Kohlenstoff mit darauf gleichförmig verteiltem Siliziumnitrid. Es wurde im wesentlichen der stöchiometrische Betrag an Sfliziumnitrid verwendet, wie er für das vollständige Silizieren des Kohlenstoffs zu Siliziumkarbid notwendig ist. Der Körper wurde dann in eine Graphitform gebracht und schnell auf über 1900'C erhitzt, um eine Zersetzung des Siliziumnitrids zu erreichen zwecks Freigabe von Silizium und gasförmigem Stickstoff. Das Silizium reagierte dann mit dem Kohlenstoff und bildete einen Siliziumkarbidkörper.The molded body thus obtained consisted of carbon with silicon nitride uniformly distributed thereon. Essentially the stoichiometric amount of silicon nitride was used as is necessary for the complete siliconization of the carbon to silicon carbide. The body was then placed in a graphite mold and quickly heated to over 1900 ° C to decompose the silicon nitride to release silicon and nitrogen gas. The silicon then reacted with the carbon to form a silicon carbide body.
Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Körpern mit genauen Abmessungen, und die Körper können auch komplizierte Formgebung haben, da die Form ein Verwerfen verhindert.This process is particularly suitable for the production of bodies with precise dimensions, and the bodies can also have complex shapes, because the shape prevents warping.
Andere verwendbare karbonisierbare Mischungen dieser Art sind im USA.-Patent 2 431 326, besonders in den Beispielen 7, 8 und 9, beschrieben. Als karbonisierbares Material kann in der Furfurollösung in Furfurol-Alkohol beispielsweise auch Glycerin verwendet werden. Es können auch kleine Graphitanteile der Mischung beigegeben werden, oder es kann auch Furfurol oder Furfurol-Alkohol allein angewendet werden. Auch andere Mineralsäuren, beispielsweise Schwefelsäure, können Verwendung finden.Other useful carbonizable mixtures of this type are described in U.S. Patent 2,431,326, particularly Examples 7, 8 and 9 . Glycerine, for example, can also be used as a carbonizable material in the furfural solution in furfural alcohol. Small amounts of graphite can also be added to the mixture, or furfural or furfural alcohol can also be used alone. Other mineral acids, for example sulfuric acid, can also be used.
Ähnlich können Mischungen von Graphit oder fein verteiltem Kohlenstoff, synthetischem Harz und Siliziumnitrid verwendet werden, besonders für Körper komplizierter Abmessungen und enger Toleranzen. Dabei sind schnell karbonisierbare synthetische Harze vorzuziehen, wie beispielsweise Kondensationsprodukte des Formaldehyd mit einem Phenol, wie beispielsweise Phenol oder Resorzinöl. Beispiel 6 Massenherstellung Zur Erläuterung der Eignung der Verfahren für die Massenherstellung wurden mehrere Steine aus Sillziumkarbid und einem kleinen Anteil feinverteilten Kohlenstoffes in einen Spezial-Siliziumkarbidofen eingebracht, und mehrere andere Steine aus Siliziumnitrid wurden über die ersterwähnten Steine gelegt. Die Steine wurden mit einer elektrisch leitenden Masse überdeckt, und man ließ die Temperatur der Steine auf über 1900'C ansteigen. Diese Verfahrensstufen entsprechen der Fig. 2. Dies ergab ein wirksames Silizierungsverfahren für Siliziumkarbidsteine, bei dem im wesentlichen der ganze Kohlenstoff in den Steinen in Siliziumkarbid umgesetzt wurde, so daß also die Steine dicht und feuerfest waren.Similarly, mixtures of graphite or finely divided carbon, synthetic resin, and silicon nitride can be used, especially for bodies of complex dimensions and tight tolerances. Synthetic resins which can be rapidly carbonated are preferred, such as, for example, condensation products of formaldehyde with a phenol, such as phenol or resorcinol oil. Example 6 Mass Production To illustrate the suitability of the methods for mass production, several stones made of silicon carbide and a small amount of finely divided carbon were placed in a specialty silicon carbide furnace, and several other stones made of silicon nitride were placed over the first-mentioned stones. The stones were covered with an electrically conductive compound, and the temperature of the stones was allowed to rise to over 1900 ° C. These process steps correspond to FIG. 2. This resulted in an effective siliconization process for silicon carbide bricks in which essentially all of the carbon in the bricks was converted into silicon carbide, so that the bricks were dense and refractory.
Die Steine aus Siliziumkarbid und Graphit waren aus einer Mischung
mit folgenden Bestandteilen hergestellt:
Der Gebrauch von Siliziumnitrid als Quelle für das zum Silizieren benutzte Sflizium hat den besonderen Vorteil, daß bei Massenherstellung das Silizium an jede gewünschte Stelle und in jeder Menge hingebracht werden kann. Außerdem können, wie in den Beispielen ausgeführt, Körper mit komplizierten und genauen Abmessungen mit engen Toleranzen hergestellt werden. Wirtschaftlich ist weiter der Gebrauch elektrischer Öfen, wie sie für Massenproduktion besonders zweckmäßig sind.The use of silicon nitride as a source for siliconizing The silicon used has the particular advantage that in mass production the silicon can be brought to any desired location and in any amount. In addition, as shown in the examples, bodies with complex and precise dimensions can be manufactured with tight tolerances. Use is still economical electric ovens particularly useful for mass production.
Die Erfindung soll nicht auf die beschriebenen Beispiele begrenzt sein. Statt der vorzuziehenden Temperaturen von 1900 bis 2000'C zum Silizieren mit Siliziumnitrid können auch höhere Temperaturen angewendet werden, beispielsweise wenn nach dem Silizieren das Siliziumkarbid in dem sifizierten Körper von seiner kubischen Kristallform in hexagonale Form umgewandelt werden soff.The invention is not intended to be limited to the examples described. Instead of the preferred temperatures of 1900 to 2000.degree. C. for siliconizing with silicon nitride, higher temperatures can also be used, for example if the silicon carbide in the siliconized body is to be converted from its cubic crystal form to hexagonal form after siliconizing.
Auch ist es nicht unbedingt nötig, daß während des Silizierens ein direkter Kontakt zwischen dem Siliziumnitrid und dem feuerfesten Körper besteht. Zwischen beiden kann auch ein poröses Band eingelegt werden derart, daß das Siliziumnitrid und der feuerfeste Körper voneinander getrennt sind, so daß das Silizieren vollständig durch Siliziumdämpfe erfolgt. Andere Abwandlungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Kenntnis von Fachleuten. Die erfindungsgemäßen Verfahren können zur Herstellung bekannter Arten von feuerfesten Körpern verwendet werden, aber auch für neuartige feuerfeste Körper. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Massenherstellung von Heizelementen aus Siliziumkarbid und von solchen aus siliziertem Siliziumkarbid, weiterhin für dünne Rohre aus Siliziumkarbid, Schneidwerkzeuge, Höchtemperaturauskleidungen und für Düsen für Strahltrieb- und Raketenmotoren, für Schmelztiegel, Stäbe, Muffeln, Platten, Scheiben, für feuerfeste Ofenausrüstung usw.It is also not absolutely necessary that a there is direct contact between the silicon nitride and the refractory body. A porous band can also be inserted between the two in such a way that the silicon nitride and the refractory body are separated from each other so that the siliconizing is complete takes place by silicon vapors. Other modification options result from the Knowledge of professionals. The inventive method can be used to produce known types of refractory bodies can be used, but also for new types refractory bodies. The invention is particularly advantageous for mass production of heating elements made of silicon carbide and those made of siliconized silicon carbide, also for thin tubes made of silicon carbide, cutting tools, high-temperature linings and for nozzles for jet and rocket motors, for crucibles, rods, muffles, Plates, discs, for refractory furnace equipment, etc.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US1139427XA | 1958-02-21 | 1958-02-21 |
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DEC18452A Pending DE1139427B (en) | 1958-02-21 | 1959-02-19 | Process for siliconizing refractory bodies |
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1959
- 1959-02-19 DE DEC18452A patent/DE1139427B/en active Pending
Patent Citations (1)
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DE173066C (en) * |
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