DE1446978A1 - Refractory oxidation-resistant materials and methods for their manufacture - Google Patents
Refractory oxidation-resistant materials and methods for their manufactureInfo
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Description
Hitzebeständige, oxydationsfeste Materialien und Verfahren zu ihrer Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Materialien auf Silicidbasis und Verfahren zu ihrer Herstellung.Heat-resistant, oxidation-resistant materials and processes for their Manufacture The present invention relates to novel silicide based materials and methods of making them.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 in Form eines schematischen Diagramms die Herstellung eines elektrischen Heizelementes durch Infiltration und fig. 2 ein Diagrama, aus welchem die einzelnen Arbeitsschritte beim Zusammensetzen von zwei durch Infiltration hergestellten Körpern verschiedener Zusammensetzung hervorgehen. Die Fig. 3 bis 6 verschiedene Arten von elektrischen Llementen._ In dam#,Diagramm der fig. 7 ist der spezifische elektrische Widere-ta-tid als Funktion der Temperatur in Elementen verschiedenes Zusammensetzung, eingetragen. Das Diagramm der FigQ 8 zeigtf wie die senge an ab-.@ sorbierter Legierung von der für die Infiltration poröser Formkörper eingesetzten Legierungsmenge abhängto 'I. Chemische Zusammensetzung der Materialien Erfindungsgemäss besteht das Silicidmaterial aus einem Metallsilicid und Siliciumcarbid, wobei letzteres 3o bis 9o Vol.% und das Metallsilioid 1o bis 7o Völ.% des festen Materials ausmacht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Sigenschaften des hitzebeständigen Materials durch Zusatz von bis zu 2o Volo% eines oder mehrerer Oxyde modifiziert werden. Die Oxyde können in Form einer Oxydmischung oder-als feste Lösung oder als chemische Verbindungen von Oxyden vorliegen. Die Oxydinischung kann Sauerstoffverbindungen mindestens eines der-Metalle Al, Be, 0e, Qr, Hf, Mg, Tip Si, Zr, Th, Y und andere " seltene Erdmetalle enthalten. Von diesen Metallen kommen in erster Linie Si, Zr, Be, Al, Th.und Ce in Betracht.In the drawings, FIG. 1 shows, in the form of a schematic diagram, the production of an electrical heating element by infiltration and FIG. 2 is a diagram showing the individual work steps involved in assembling two bodies of different composition produced by infiltration. Figures 3 to 6 different types of electrical elements. _ In dam #, diagram of fig. 7 shows the specific electrical resistance as a function of temperature in elements of different composition. The diagram in FIG. 8 shows how the amount of absorbed alloy depends on the amount of alloy used for the infiltration of porous shaped bodies. Chemical composition of the materials According to the invention, the silicide material consists of a metal silicide and silicon carbide, the latter making up 3o to 9o vol.% And the metal silioid 10 to 7o vol.% Of the solid material. According to a further feature of the invention, the properties of the heat-resistant material can be modified by adding up to 20% by volume of one or more oxides. The oxides can be in the form of an oxide mixture or solid solution or chemical compounds of oxides. The oxydin mixture can contain oxygen compounds of at least one of the metals Al, Be, Oe, Qr, Hf, Mg, Tip Si, Zr, Th, Y and other "rare earth metals. Of these metals are primarily Si, Zr, Be, Al , Th. And Ce in consideration.
Die Anwesenheit einer Oxydkomponente, beispielsweise von Quarzglas, in Körpern aus Siliciumcarbid und hitzebeständigem Silicid ist von wesentlichem Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften dieser Körper. Zu einem praktisch wichtigen Material dieser Art gelangt man, wenn poröse Körper aus Siliciumcarbid zusammen mit einem Silicid an der Luft erhitzt werden, wobei Quarzglas gebildet wird. Letzteres bildet an der Oberfläche des Körpers einen Film und verschliesst zum Teil die Poren in diesem Körper.The presence of an oxide component, for example quartz glass, in bodies of silicon carbide and refractory silicide is essential Affect the physical properties of these bodies. To a practical one important material of this type is obtained when porous bodies made of silicon carbide are heated in air together with a silicide, forming quartz glass will. The latter forms a film on the surface of the body and seals partly the pores in this body.
s war anzunehmen, dass ein solcher Körper, beispielsweise aus Siliciumearbid und Molybdänsilicid, der mit Quarzglas ausgefüllt ist, sehr oxydationsfest sein wird. Dies ist sowohl bei mässigen als auch bei hohen Temperaturen der Fall, unter der Voraussetzung, dass die Temperatur konstant gehalten wird. Werden Körper, welche Quarzglas enthalten, wiederholt plötzlichen Temperaturänderungen oder an der Luft sehr hohen Temperaturen, beispielsweise über 15ooo,"ausgesetzt, so erleiden sie, wie gefunden wurde' eine Oxydation, welche wohl verhältnismässig gering ist, sich aber in bestimmten Fällen als schädlich erweisen kann. Werden elektrische Widerstandselemente bei hohen-Temperaturen grossen Beanspruchungen ausgesetzt, so verursacht schon eine geringe Oxydation eine Vergrösserung des elektrischen Widerstandes, die sich im laufe der Zeit nachteilig auswirkt. In praktischen Versuchen-hat sich gezeigt, dass diese geringe Widerstandsvergrösserung ziemlich konstant ist, unabhängig von der Menge des vorhandenen Quarzglases. Nur wenn das gesamte Quarzglas sich an der Oberfläche des Elementes befindet, d.h., wenn keine Foren des Körpers mit Quarzglas ausgefüllt sind, unterbleibt eine Vergr"oserung des Widerstandes zur Gänze, auch dann, wenn er während mehrerer tausend Stunden bei einer Temperatur bis 1550o in Betrieb war. :,s ist anzunehmen, dass das Unvermögen des Quarzglases, den Luftsauerstoff,zur Gänze fernzuhalten, damit zusammenhängt, dass die Diffusion des Sauerstoffes in heissem Quarzglas im Vergleich zu derjenigen in SiO oder MoSi2 beträchtlich ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf Arbeitsweisen zur Herstellung von Körpern, welche völlig porenfrei bzw. zumindest frei von durchgehenden Poren sind und nur aus E-Mliciumearbid und hitzebeständigem Silicid bestehen und demgemäss nach dem Erhitzen an der Luft, beispielsweise auf 15000, ausschliesslich Quarzglas in Form eines sehr dünnen Aussenfilms enthalten.It was to be assumed that such a body, for example made of silicon arbide and molybdenum silicide, which is filled with quartz glass, must be very resistant to oxidation will. This is the case at both moderate and high temperatures, below the prerequisite that the temperature is kept constant. Will body which Quartz glass contained, repeated sudden changes in temperature or in the air exposed to very high temperatures, for example over 15,000 ", they suffer as was found, an oxidation, which is probably comparatively slight, turns out to be but in certain cases it can prove harmful. Become electrical resistance elements If exposed to high stresses at high temperatures, it already causes a low oxidation an increase in the electrical resistance, which is in the detrimental to the passage of time. Practical tests have shown that this small increase in drag is fairly constant regardless of the Amount of existing Quartz glass. Only if all of the quartz glass is on the surface of the element, i.e. if there are no forums of the body are filled with quartz glass, there is no increase in the resistance to Completely, even if he was at the same temperature for several thousand hours was in operation until 1550o. :, it can be assumed that the inability of the quartz glass Keeping the oxygen out of the air is related to the diffusion of oxygen in hot quartz glass compared to that in SiO or MoSi2 is considerable. The present invention therefore relates to operations for the production of bodies which are completely pore-free or at least free of continuous Pores are and consist only of E-Mliciumearbid and heat-resistant silicide and accordingly after heating in air, for example to 15,000, exclusively Contains quartz glass in the form of a very thin outer film.
Das Verhältnis zwischen den Silicid- und Siliciumgehaltendes hitzebeständigen Materials ist im Hinblick auf die erwünschten Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung. Da sowohl Silicide als auch Biliciumearbid eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweisen, ist zu erwarten, dass alle Materialien, welche diese beiden Hauptkomponenten enthalten, eine gute Hitzebeständigkeit besitzen werden. Dies ist auch tatsächlich der Fall. ßs wurde gefunden, dass selbst geringe Silicidmengen die Oxydationsfestigkeit von Siliciumcarbid bei Temperaturen über 13.o0 wesentlich verbessern. Die Erfindung umfasst daher Materialien mit einem Siliciumcarbidgehalt von 3o bis 9o Vol.%.The ratio between the silicide and silicon contents of the refractory Materials are essential in terms of the properties desired. Since both silicides and bilicium carbide have excellent heat resistance have, it is to be expected that all materials, which these two main components will have good heat resistance. This is actually true the case. It was found that even small amounts of silicide reduce the resistance to oxidation of silicon carbide significantly improve at temperatures above 13.o0. The invention therefore includes materials with a silicon carbide content of 3o to 9o vol.%.
Das Metallsilicid besteht bis zu 9o Gew.% aus einem oder mehreren Metallen der Gruppe W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr oder Ti zusammen mit bis zu 30 Gew.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe der Metalle Al, Be, Ca, Ce, Co, Cu, Mg, Fe, Mn, Ni und aus den Elementen C und B. In dem verwendeten Metallsilicid soll der Silieiumgehalt- normalerweise hoch sein, um das Silicid oxydations.-fest zu machen. Es wurde gefunden, dass der Silici Umgehalt der anfrage stehenden gemischten Silici de mindewtens 1o Gew.yo betragen soll. Ein geringerer ailiei Umgehalt genügt nicht, um an den Kornoberflächen eine ausreichende Schutzschicht aus SiO2 zu-bilden. Es wurde ferner gefunden, dass der Siliciumgehalt 70 Gew.% nicht überschreiten soll, weil bei höheren Siliciumgehalten der Schmelzpunkt so niedrig wird, dass das Mischsilicid für praktische Zwecke unbrauchbar wird. Daraus folgt, dass der Schmelzpunkt des Metallsilicids im Gleichgewichtszustand beträchtlich höher sein soll als die Temperatur, welcher das fertige Erzeugnis im Betrieb ausgesetzt werden soll.The metal silicide consists of up to 90% by weight of one or more metals from the group of W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr or Ti together with up to 30% by weight of one or more elements from the group of metals Al, Be, Ca, Ce, Co, Cu, Mg, Fe, Mn, Ni and from the elements C and B. In the metal silicide used, the silicon content should normally be high in order to make the silicide resistant to oxidation. It was found that the silicon content of the mixed silicon in question should be at least 10% by weight. A lower overall content is not sufficient to form a sufficient protective layer of SiO2 on the grain surfaces. It has also been found that the silicon content should not exceed 70 % by weight, because at higher silicon contents the melting point becomes so low that the mixed silicide is unusable for practical purposes. It follows that the melting point of the metal silicide in the equilibrium state should be considerably higher than the temperature to which the finished product is to be exposed in operation.
Unter die Erfindung fallen alle Kombinationen der obengenannten Silicide mit Siliciumcarbid und, je nach Bedürfnis, mit einem oder mehreren Oxyden9 Wie schon oben gesagt, ist MoSi2 wegen der besonders guten Resultate, die hitzebeständige Materialien ergeben, welche MoSi2 in Kombination mit Siliciumcarbi d enthalten, von besonderem Interesse. Es sollen also das Metallsilicid 1o bis 7o Vol.%, das Siliciumcarbid 3o bis 9o Vol.% und das Oxyd 0 bis 2o Vol.% des Sinterkörpers bilden.The invention includes all combinations of the abovementioned silicides with silicon carbide and, depending on requirements, with one or more oxides9 As before Said above, MoSi2 is the heat-resistant one because of the particularly good results Result in materials which contain MoSi2 in combination with silicon carbide, of special interest. So it should be the metal silicide 1o to 7o vol.%, The Silicon carbide 3o to 9o vol.% And the oxide form 0 to 20 vol.% Of the sintered body.
2. Das Infiltrationsverfahren zur Herstellung der Materialien -Die vorliegende Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung von Silicidkörpern, welche aus einem Siliciumcarbidgerüst mit einer porenfüllende. metallischen Bindekomponente bestehen und durch eine sehr niedrige Porosität ausgezeichnet sind.2. The infiltration process for the production of the materials - The present invention also relates to a process for the production of silicide bodies, which consist of a silicon carbide framework with a pore-filling structure. metallic binding component and are characterized by a very low porosity.
Nicht poröse Körper aus Siliciumcarbid und einem Metallsilicid können auf pulvermetallurgischem Wege durch Drucksinterung oder Kaltpressen erzeugt werden. In ersterem Fall können Körper mit bis zu 6o % Siliciumearbid hergestellt werden, während die zweite Methode zufriedenstellend nur bei niedrigen Siliciumcarbidgehalten arbeitet. Die Herstellung von Körpern rnit mehr als 6o ;ö SiC liess sich bisher nicht ohne beträchtliche Schwierigkeiten durchführen. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, diene Schwierigkeiten zu vermeiden, und ermöglicht die Erzeugung von hitzebeständigen und oxydationsfesten Körpern mit einer 15 Vol. % nicht überschreitenden Gesamtporosität, welche bis zu 90 Vol. % Silieiumoarbid, berechnet auf die feste Substanz,. zusammen mit einem häetalleilicid (A) enthalten. Erfindungagemäea wird zuerst ein poröser Körper geformt' welcher im Wesentlichen aus einem oder mehrerer folgender Stoffe, nämlich aus hexagonalem SiC, kubischem Si0, Graphit, amorphem Kohlenstoff sowie aus einem Kohlenstoff enthaltenden, earboniaierbarem Material besteht" Auf diesen porösen Ausgangskörper wird eine pulverisierte Leßifaufgebracht, die ihn in inniger Berührung umgibt. Diese Legierung hat einen Gewichtsprozentgehalt an Silicium, der denjenigen der feuerfesten Legierung übersteigt. Der poröse Körper mit dem ihn umgebenden Pulver wird nun in einer earbonisierenden Atmosphäre bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers, jedoch unterhalb der Zersetzungstemperatur des SiG erhitzt, und zwar während einer Zeit, .die ausreicht, dass Teile des geschmolzenen Pulvere im wesentlichen in alle Poren zumindest eines zusammenhaftenden Teils des porösen Ausgangskörpers eindringen, wobei man den Rest dieses Pulvers an der Aussenseite des mit ihm durchsetztet Körpers einen lose anhaftenden porösen Kuchen bilden lässt, bestehend aus in situ gebildeten SiO-Teilchen, die in einem gesinterten Rückstand des carbonisierten Legierungspulvers eingebettet sind; dieser lose anhaftende poröse Kuchen wird sohliesslioh von der Oberfläche des mit dem Pulver duräheetzen Körpers entfernt.Non-porous bodies made of silicon carbide and a metal silicide can be produced by powder metallurgy by pressure sintering or cold pressing. In the first case, bodies with up to 60% silicon carbide can be produced, while the second method works satisfactorily only with low silicon carbide contents. The production of bodies with more than 60% SiC has not been carried out without considerable difficulties. The method of the present invention aims to avoid serve difficulties and enables the production of heat-resistant and oxidation-resistant articles having a 15 vol.% Not exceeding total porosity which up to 90 vol.% Silieiumoarbid, calculated on the solid substance ,. together with a metal silicide (A). In accordance with the invention, a porous body is first formed which essentially consists of one or more of the following substances, namely hexagonal SiC, cubic SiO, graphite, amorphous carbon and a carbon-containing, earbonable material This alloy has a percentage by weight of silicon which exceeds that of the refractory alloy. The porous body with the powder surrounding it is now in an earbonizing atmosphere at a temperature above the melting temperature of the powder, but below the decomposition temperature of the SiG heated, and for a time that is sufficient that parts of the molten powder penetrate substantially into all pores of at least one part of the porous starting body that adheres together, with the remainder of this powder on the outside of the body interspersed with it allows a loosely adhering porous cake to be formed, consisting of SiO particles formed in situ and embedded in a sintered residue of the carbonized alloy powder; this loosely adhering porous cake is then removed from the surface of the body which is permeated with the powder.
Die erfindungsgemäss behandelten Legierungen und Binder (A, B und a) können verschiedener Art sein. Um zu erreichen, dass das fertige Produkt eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation bei hohen Temperaturen, d.h, oberhalb 1200o, vorzugsweise oberhalb 14000, aufweist, muss der metallische Binder (A) bei solchen Temperaturen gleichfalls gut oxydationsfest sein, was eine Besehränkung hinsichtlich der Verwendung hitzebeständiger Silicide, Boride, Aluminide und Titanide bestimmter hochschmelzender Metalle und Metalloide bedeutet. Die Erfindung umfasst in erster Linie die Herstellung von Siliciumearbid-Körpern oder Erzeugnissen mit einem metallischen Silici dbinder, vorzugsweise MoSi2. Der Zusatz von Bor zu hitzebeständigen Biliciden ist in mancher Hinsicht von Interesse, beispielsweise deshalb, weil Boride häufig sehr hohe Schmelzpunkte aufweisen. Eine interessierende Kombination ist die von Silicium mit Bor allein. Die Erfindung umfasst demgemäss auch Erzeugnisse aus Siliciume arbid mit einem Binder (A) aus Siliciumbori d.The alloys and binders treated according to the invention (A, B and a) can be of various types. To make the finished product a good resistance to oxidation at high temperatures, i.e. above 1200o, preferably above 14000, the metallic binder (A) must be such temperatures should also be resistant to oxidation, which is a disadvantage regarding the use of heat-resistant silicides, borides, aluminides and titanides of refractory metals and metalloids means. The invention comprises in the first place The production of silicon carbide bodies or products with a metallic line Silicon binder, preferably MoSi2. The addition of boron to heat-resistant bilicides is of interest in some ways, for example because borides are common have very high melting points. An interesting combination is that of Silicon with boron alone. The invention accordingly also encompasses products made of silicon arbid with a binder (A) made of silicon boride.
3. fier für die Infiltration verwendete Gerüstkörper Das für die Herstellung der erfindungsgemässen Erzeugnisse oder Körper verwendete äiliciumcarbid kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. ."s ist beispielsweise möglich, X-,-Siliciumcarbid zu verwenden, das eine Korngrösse von wenigen lvhkron bis zu mehreren Millimetern besitzen kann. :Es ist auch möglich, von sogenannten @v -Siliciumcarbid in Form eines sehr feinkörnigen Produktes -auszugehen, welches sich von dem oG -Typus dadurch unterscheidet, dass es kubische Kristallstruktur besitzt. :Es ist im allgemeinen zweckmässig, .dass die Korngrössen des Siliciumcarbids innerhalb weiter Grenzen variieren, wodurch eine niedrige Porosität des fertigen Erzeugnisses erhalten wird. Auf dem Gebiet der keramischen Technik ist es bekannt, dass eine ivIischung verschiedener Dornfraktionen des Siliciumcarbids eine Verminderung der ilorosität ergibt, doch sind die genauen Mengenverhältnisse eine Funktion sowohl des gewünschten Korngrössenintervalls als auch des verwendeten Binders, so dass eine allgemeine Regel nicht angegeben werden kann. In der US-Patentschrift 2 o15 778 sind z.-B. für Pulvergemische, welche ausschliesslich aus Silieiumcarbid ohne irgendeinen Binder bestehen, die Gesetzmässigkeiten angegeben, welche eingehalten werden müssen, damit eine minimale Porosität erhalten wird. Beispielsweise wird eine Mischung aus 38 % Grob-, 2o % Mittel- und 42 % Feinkorn verwendet, in fielcher die ürösste Korngrösse in jeder Fraktion einen Durchmesser hat, der zwei- bis dreimal so gross ist als diejenige der nächstfeineren Fraktion; in diesem Fall wird eineDichte von 2,.5 9/0m3 erhalten, was einer Gesamtporosität von 19 % entspricht. Erfindungsgemäss wurde festgestellt, dass es zweckmässig ist, zumindest im wesentlichen diese Regel einzuhalten und gleichzeitig einen Teil der feinen Fraktion durch den Binder (B) zu ersetzen.,' während die Grob- und Mittelfraktionen ausschliesslich aus Siliciumearbid bestehen. Wirdjr@ -SiC in Kombination mitQG --SiG verwendet, a0 ist es vorzugsweise zur Gänze in den 42 ö enthalten, welche durch die Feinfraktion gebildet werden. Weichen die spezifischen Gewichte der Zusätze von dem des SiC ab, so ist zu beachten, dass die Verhältnisse 38-2o-42 sich auf Volumprozente beziehen, so dass auf Gewichtsprozente umgerechnet werden muss.3. The framework body used for the infiltration The silicon carbide used for the production of the products or bodies according to the invention can be produced in various ways. It is possible, for example, to use X -, - silicon carbide, which can have a grain size of a few lvhkron up to several millimeters differs from the above-mentioned type in that it has a cubic crystal structure.: It is generally expedient that the grain sizes of the silicon carbide vary within wide limits, as a result of which a low porosity of the finished product is obtained. In the field of ceramic technology It is known that mixing different mandrel fractions of silicon carbide results in a reduction in porosity, but the exact proportions are a function of both the desired grain size interval and the binder used, so that a general rule cannot be given 778 are e.g. for powder mixtures, which are made exclusively from Silie iumcarbid exist without any binder, the laws that have to be adhered to so that a minimum porosity is obtained. For example, a mixture of 38% coarse, 20% medium and 42% fine grain is used, in whichever the largest grain size in each fraction has a diameter that is two to three times as large as that of the next finer fraction; in this case a density of 2.59 / 0m3 is obtained, which corresponds to a total porosity of 19%. According to the invention it was found that it is expedient to at least essentially comply with this rule and at the same time replace part of the fine fraction with the binder (B), while the coarse and medium fractions consist exclusively of silicon carbide. If jr @ -SiC is used in combination with QG --SiG, a0 it is preferably contained entirely in the 42 ö which are formed by the fine fraction. If the specific weights of the additives differ from that of the SiC, please note that the ratios 38-2o-42 relate to percentages by volume, so that you have to convert to percentages by weight.
Soll also.beispielsweise ein geformter Körper aus 31 Gew.% eines metallischen
Binders (B) vom spez.Gew. 8,o und 69 Gew.% SiC (spez.Gew. 3,1) hergestellt werden,
so wird folgende Mischung verwendet, um ein Porositätsminimum zu erzielen:
Erfindungsgemäss ist es auch möglich, das Siliciumcarbid zumindest teilweise in situ in den Körpern zu bilden, beispielsweise dadurch,dass man ein Kohlenstoffgerüst silicierenden Gasen oder der Wirkung von geschmolzenem Silicium aussetzt, oder dadurch, dass man ein Silieiumgerüst mit kohlenstoffhaltigen Gasen behandelt. Es ist auch möglich, von einer !väschung aus Kohlenstoff und Silicium auszugehen, die verpresst und dann gesintert wird,-wobei sich Siliciumoarbid bildet. Der Gerüstkörper kann also entweder nur aus Kohlenstoff in irgendeiner Form oder aus einer Mischung von Kohlenstoff und Silieiumcarbid bestehen, Es ist ferner möglich, diese Bildung von SiO mit dem Infiltrations-Prozeso zu kombinieren, so dass lediglich eine einzige Hitzebehandlung notwendig ist.According to the invention it is also possible to use the silicon carbide at least partially in situ in the body, for example by having a Carbon skeleton silicating gases or the action of molten silicon by exposing a silicon framework to carbon-containing gases treated. It is also possible to use a carbon and Silicon go out, which is pressed and then sintered, -wherein silicon carbide is formed. The framework body can either only be made of carbon in some form or consist of a mixture of carbon and silicon carbide, it is also possible to combine this formation of SiO with the infiltration process, so that only a single heat treatment is necessary.
Die als Binder (B) verwendeten Substanzen für die Herstellung der porösen Ausgangskörper aus Silicivmcarbid können verschiedener Art sein und in verschiedener Weise eingebracht werden. Ein Weg bösteht darin, dass man von einem Pulvergemisch ausgeht, das einerseits aus Siliciumoarbid oder in Siliciumoarbid.umwandelbaren Materialien, andererseits aus einem Metall oder einer Legierung besteht, worauf die Mischung gesintert wird, bis sie die gewünschte Porosität.besitzt. Anstelle eines Metalls können auch Verbindungen verwendet werden, die unter der Wirkung hoher Temperaturen oder geeigneter Gase in ein Metall übergeführt werden, beispielsweise ein Oxyd oder ein Oxydgemisch, welches in einer Wasserstoffatmosphäre bei hoher Temperatur zu einem Metall reduziert wird.The substances used as a binder (B) for the production of the Porous starting bodies made of silicon carbide can be of different types and in different Way to be introduced. One way is to get rid of a powder mixture starts out, on the one hand from Siliciumoarbid or in Siliciumoarbid.umwandelbaren Materials, on the other hand, consists of a metal or an alloy, on what the mixture is sintered until it has the desired porosity. Instead of of a metal, compounds can also be used which under the effect of high Temperatures or suitable gases are converted into a metal, for example an oxide or a mixture of oxides, which in a hydrogen atmosphere at high Temperature is reduced to a metal.
Die Binder (8) können andererseits auch schwerreduzierbare Oxyde sein, die befähigt sind, mit Metallen bei hohen Temperaturen zu reagieren. hin solches Oxyd ist z,B. Si02, das mit Si bei 18ooo unter Bildung von SiO reagiert, welch letzteres sich verflüchtigt, Diel Erfindung umfasst demgemäss auch die Fälle, in welchen das Siliciumearbid an Si 02 gebunden wurde und mit einer äiliciumlegierung (C) durchsetzt ist.On the other hand, the binders (8) can also be oxides that are difficult to reduce, capable of reacting with metals at high temperatures. such a thing Oxide is e.g. SiO2, which reacts with Si at 18,000 to form SiO, the latter volatilized, the invention accordingly also includes the cases in which the Silicon carbide was bonded to Si 02 and interspersed with a silicon alloy (C) is.
Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, überhaupt einen Binder bei der Herstellung, des porösen Ausgangskörpers zu verwenden, in welchem Fall letzterer ausschliesslich aus SiO in Form eines wiederkristallisierten Gerüstes besteht.However, there is no need to use a binder at all the production, to use the porous starting body, in which case the latter consists exclusively of SiO in the form of a recrystallized framework.
Der poröse Ausgangskörper, welcher im Sinne der Erfindung dem Infiltrations-Prozess unterworfen werden soll, muss ausreichend hitzebeständig sein, so dass er bei der Temperatur dieses Prozeseee keine 8ohädigung erleidet. Verwendet man reines Silicium, so iet@ : diese Temperatur mindestens 18oo0, ungeachtet der Tatsache, dass Silicium schon bei 142o0 schmilzt. j%s ist anzunehmen, dass diese benötigte Über-Temperatur von etwa 4000 damit zusammenhängt, daas die Durchdringung nur erfolgt, wenn der dünne Ziliciumdioxydfilm, der sich an geschmolzenem Bilieium leicht bildet, entfernt wird. Dies ist, wie schon erwähnt, der Fall, wenn Silicium mit 8ilioiumdioxyd zu Bilioiummonoxyd reagiert, das bei 188o0 abdampft. Die Herstellung der porösen Ausgangsformkörper kann nach verschiedenen, an sich bekannten Verfahren erfolgen, weshalb Einzelheiten lediglich für einige wenige verschiedene Zusammensetzungen in den später beschriebenen Ausführungsbeispielen angegeben werden. Die Zusammensetzung und Porosität des Ausgangskörpers kann inn)r%tlb weiter Grenzen variieren, doch soll im allgemeinen das Porenvolumen 15 bis 6o % des Volumens des Ausgangskörpers betragen, wobei die offenen Poren einen maximalen Durchmesser von 50 Mikron haben sollen. Diese Beschränkung der Porengrösse wird durch Verwendung eines Gemisches erhalten, 'das vorzugsweise feinkörnige Fraktionen sowohl von Siliciumc arbi d als auch des Binders enthält; so soll die Korngrösse bis zu o,1 mm betragen. Dabei ist es wichtig, dass die Komponenten innig vermischt sind. Porenräume von mehr als 50 Mikron ergeben kein gutes Endprodukt, da es dabei sohwie"ig ist, dass die Reaktion der eingedrungenen Legierung (C) mit dem Binder (B), welcher in dem AusgangsIbper eingeschlossen ist, vollständig verläuft. Ze besteht dabei die Gefahr, dass der fertige Körper unerwünschte Substanzen enthält, die nicht ausreichend oxydationsfest sind.The porous starting body, which in the sense of the invention is to be subjected to the infiltration process, must be sufficiently heat-resistant so that it does not suffer any damage at the temperature of this process. If pure silicon is used, this temperature is at least 18oo0, regardless of the fact that silicon already melts at 142o0. It can be assumed that this required excess temperature of about 4000 is related to the fact that penetration only takes place when the thin silicon dioxide film, which easily forms on molten bilium, is removed. As already mentioned, this is the case when silicon reacts with silicon dioxide to form bilium monoxide, which evaporates at 180 °. The production of the initial porous molded body can be carried out by various methods known per se, which is why details are only given for a few different compositions in the exemplary embodiments described below. The composition and porosity of the starting body can vary within wide limits, but in general the pore volume should be 15 to 60% of the volume of the starting body, the open pores should have a maximum diameter of 50 microns. This restriction on the pore size is obtained by using a mixture which preferably contains fine-grained fractions of both silicon carbide and the binder; the grain size should be up to 0.1 mm. It is important that the components are intimately mixed. Pore spaces of more than 50 microns do not result in a good end product, since it is necessary that the reaction of the penetrated alloy (C) with the binder (B), which is enclosed in the starting body, is complete that the finished body contains undesirable substances that are not sufficiently resistant to oxidation.
Nit Bezug auf die geschlossenen und offenen Poren ist in diesem Zusammenhang zu sagen, dass die offene Porosität bestimmt wird durch Messung der Wasserabsorption,. und zwar nach den herkömmlichen Methoden, wie sie auf dem keramischen Gebiet benutzt werden. Ze GesamtprozentporosMt (p) berechnet sich aus der beobachteten (d) und der theoretischen Dichte (D), welche der Ausgangskörper nach der Mischungsregel haben würde, wenn er nicht porös wäre, und zwar nach der folgenden Formel Die Differenz zwischen der Gesamtporosität und der offenen Forosität wird hier als geschlossene Porosität bezeichnet. Da die Bestimmung von D die Kenntnis der Zusammensetzung voraussetzt und letztere nicht immer genau bestimmbar ist, wird es oft erforderlich sein, die verschiedenen Porositäten auf mikroskopischem Wege zu bestimmen.With reference to the closed and open pores, it should be said in this context that the open porosity is determined by measuring the water absorption. by the conventional methods used in the ceramic field. Ze total percent porosMt (p) is calculated from the observed (d) and the theoretical density (D), which the starting body would have according to the mixing rule if it were not porous, according to the following formula The difference between the total porosity and the open forosity is referred to here as the closed porosity. Since the determination of D requires knowledge of the composition and the latter cannot always be precisely determined, it will often be necessary to determine the various porosities by microscopic means.
Der Gehalt des Ausgangskörpers an dem Binder (B) kann niedrig sein und beispielsweise 1Vol.% betragen. Er soll aber vorzugsweise nicht unter 5 Vol.% und nicht. über 4o Vol.% liegen, berechnet auf die feste Substanz. Enthält der Binder (B) SiO2, so ist zu beachten, dass die Reaktion mit der in die Foren eingedrungenen Legierung (C) mit einer Gasbildung einhergeht, die während vier kurzen Dauer des Infiltrations-:Prozesses erfolgt, weshalb bei besonders hohen Si02= Gehalten Schwierigkeiten auftreten können.-Der Si02-Gehalt des porösen Ausgangskörpers soll vorzugsweise zwischen 2 und 1o Vol.% betragen.The content of the binder (B) in the starting body can be low and for example 1Vol.%. However, it should preferably not be below 5% by volume and not. are above 40% by volume, calculated on the solid substance. Contains the binder (B) SiO2, it should be noted that the reaction with the penetrated into the forums Alloy (C) is accompanied by gas formation which lasts for four short periods of time Infiltration: process takes place, which is why difficulties are encountered with particularly high Si02 = contents The SiO2 content of the porous starting body should preferably occur between 2 and 1o vol.%.
4. P'aeken des Gerüstkörpers in Silieidpulver Werden für den Infiltrations-Prozess siliciumhaltige Legierungen verwendet, wie dies die Erfindung vorsieht, so hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der Infiltrations-Prozess begünstigt wird, wenn das Legierungspulver sehr feinkörnig ist. Benutzt man ein Pulver mit einer von mehr als 6o Maschen, so treten Schwierigkeiten beim Trennen des dem unterworfenen Körpers von. dem überschüssigen anhaftenden geschmolzenen Legierungsmaterial auf, was eine rauhe Oberfläche des Körpers zur Folge hat. Bessere Ergebnisse erhält man mit Korngrössen unter loo Mikron. lulver, die feiner als 1o Mikron sind, lieferten Presslinge mit einer glatten Oberfläche ohne irgendwelches anhaftendes geschmolzenes Material. Zur Ausfiihrung der Infiltration können die Ausgangskörper in loses Legierungspulver oder in poröse Massen aus diesem gepackt werden, welche eine Porosit,t von mindestens 30 Vol.% aufweisen. Vorzugsweise soll die Porosität zwischen ¢o und 6o Vol.J liegen.4. P'aeken of the framework in silicon powder If silicon-containing alloys are used for the infiltration process, as provided by the invention, it has surprisingly been shown that the infiltration process is favored if the alloy powder is very fine-grained. If you use a powder with a of more than 6o meshes, difficulties arise in separating the dem subject body of. the excess adhering molten alloy material, resulting in a rough surface of the body. Better results are obtained with grain sizes below 100 microns. Powders finer than 10 microns provided pellets with a smooth surface without any adhering molten material. To carry out the infiltration, the starting bodies can be packed in loose alloy powder or in porous masses made of this, which have a porosity of at least 30 % by volume. The porosity should preferably be between [0] and 60% by volume.
Das Packen der Ausgangskörper aus Biliciumearbid in das Legierungspulver kann auf verschiedene Art erfolgen. Sollte die Gebrauchsfestigkeit des 3ilieiumcarbidpresslings ungenügend sein, damit auf diesen auf mechanischem Wege eine Pulverschicht aufgebracht werden kann, ist es beispielsweise bei der Erzeugung von geraden Stäben gleichmässiger Dicke möglich, den kalt geformten Stab zentral in ein Papierrohr einzubringen, worauf der Raum zwischen Papier und Stab mit dem. Legierungspulver ausgefüllt ,vird. Iin allgemeinen ist es aber möglich, dem geformten Siliciumcarbidkörper eine solche Festigkeit zu verleihen, dass er mit dem Metallpulver oeschichtet werden kann, beispielsweise nach iz@gen ieinem der bei der Herstellung überzogener Schweisselektroden verwendeten Verfahren. In diesem Fall ist es zweckmässig, einen organischen oder anorganischen, temporären Binder zu verwenden, beispielsweise Wasserglas, Bentonit7 Paraffin, Plastik o. dgl.The packing of the starting bodies made of bilicium carbide in the alloy powder can be done in different ways. Should the service strength of the 3ilieiumcarbidpressling be insufficient so that a powder layer is applied to this mechanically it is more even when producing straight bars, for example Thickness possible to insert the cold-formed rod centrally into a paper tube, whereupon the space between paper and stick with the. Alloy powder filled in. Iin in general, however, it is possible to apply such a silicon carbide body to the molded silicon carbide body To give strength that it can be coated with the metal powder, for example according to iz @ gen ie one of the used in the manufacture of coated welding electrodes Procedure. In this case it is advisable to use an organic or inorganic, to use temporary binders, for example water glass, bentonite7 paraffin, plastic or the like
Die oben erwähnte Methode des 3inhüllens des mit dem Legierungspulver beschichteten Stabes aus Siliciumcarbid in Papier bietet besonders in der Massenproduktion nicht vorhergesehene Vorteile. j#s hat sich gezeigt, dass die Stäbe mit ihren Papierhüllen eng gepackt werden können, ohne dass dies den Infiltrations-Prozess beeinträchtigen würde. Dies ist offenbar darauf zurückzuführen, dass das Papier während und nach seiner Verbrennung ein dünnwandiges Rohr aus Siliciumearbid bildet, welches befähigt ist, die pulverisierte Legierung wirksam fernzuhalten, indem letztere von einem einzigen Siliciumcarbidstab vollständig absorbiert wird, ohne dass sie an der Oberfläche dieses Stabes oder an irgendeinem der anderen Stäbe anhaftet. Die Stäbe werden mit ihren Papierhüllen vorzugsweise horizontal, parallel und dicht nebeneinander angeordnet, so dass siEh die #lindrisehen Hüllen entlang gerader Linien gegenseitig berühren. :gis ist auf diese Weise z.B. möglich', sieben Stäbe derart anzuordnen, dass ihre Mittelpunkte die 1,eken eines regelmässigen Sechseckes bilden, das in einer Ebene im rechten Winkel zu den Stabaehsen liegt, wobei der siebente Stab den Mittelpunkt des Sechseckes bildet. Zur Ausführung des infiltrations-Prozesses känn das aus den sieben Stäben leicht in ein Kohlenstoff- oder Graphitrohr ei=ngesetzt werden, was den Vorteil hat, ,dass die Ofeneinrichtung besser ausgenutzt wird als in dem fall, wenn die Stäbe einzeln der Hitzebehandlung unterworfen werden. Praktische Versuche haben ausserdem gezeigt, dass das gleichzeitige Glühen mehrerer Stäbe eine Qualitätsverbesserung des 2,nderzeugnisses ergibt, weil zufällige Schwankungen der Ofentemperatur- und Atmosphäre leichter ausgegliehen werden, wenn der Ofen mit den Stäben gefüllt ist.The above-mentioned method of wrapping the rod of silicon carbide coated with the alloy powder in paper offers advantages that were not foreseen especially in mass production. j # s has shown that the rods with their paper sleeves can be tightly packed without affecting the infiltration process. This is apparently due to the fact that the paper forms a thin-walled tube of silicon carbide during and after its combustion, which is able to effectively keep the powdered alloy away by the latter being completely absorbed by a single silicon carbide rod without it being on the surface of this rod or attached to any of the other bars. The rods with their paper sleeves are preferably arranged horizontally, parallel and close to one another, so that they touch each other along straight lines. : g sharp is in this way, for example, possible to arrange seven rods in such a way that their centers form the corners of a regular hexagon which lies in a plane at right angles to the rod shafts, with the seventh rod forming the center of the hexagon. To carry out the infiltration process, you can from the seven rods can easily be inserted into a carbon or graphite tube, which has the advantage that the furnace equipment is better utilized than in the case when the rods are individually subjected to the heat treatment. Practical tests have also shown that the simultaneous annealing of several rods results in an improvement in the quality of the second product, because random fluctuations in furnace temperature and atmosphere are more easily compensated for when the furnace is filled with the bars.
Das oben beschriebene Verfahren nach der-Erfindung eignet sich für 'die Erzeugung von geraden Stäben. Andere Formen, beispielsweise haarnadelförmige Widerstandselemente lassen sich durch Kombination von geraden Stäben mit gekrümmten 2tabelementen, die aus anderen Materialien,. beispielsweise aus MoSi2 bestehen, erhalten. Dies lässt sich durch Stumpfschweissung erzielen, wodurch Elemente jeder gewünschten Form hergestellt werden können.The above-described method according to the invention is suitable for 'the production of straight bars. Other shapes, such as hairpin Resistance elements can be created by combining straight bars with curved ones 2 table elements made from other materials. consist of MoSi2, for example, obtain. This can be achieved by butt welding, creating elements each desired shape can be produced.
Obgleich das Umhüllen mit Papier sich besonders für die vorstehend beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens eignet, ist es aber auch dann angezeigt, wenn der Siliciumaarbidstab in einem gesonderten Sinterprozess rekristallisiert wurde. Wurde er nur gepresst oder getrocknet, so verleiht ihm aber die Papier.. hülle noch immer die für den Infiltrationsvorg eng erforderliche Festigkeit.Although paper wrapping is particularly beneficial for those prominent described embodiment of the inventive method is suitable, but it is also indicated when the silicon arbide rod is in a separate sintering process was recrystallized. If it was only pressed or dried, it gives it the paper .. still has the strength required for the infiltration process.
Anstelle von Papier können auch andere Materialien verwendet werden, die sich wie dieses unvollständig zu -71ohlenstoff verbrennen lassen, So können dünne Hüllen aus plastischem Material benutzt werdet. Das Aufbringen der Hülle kann auch durch Sprühen oder lauahen erfolgen. Äs ist auch möglich, ein Papier oder eine plastische ?olle mit einer Schicht aus dem für die Infiltration benötigten Legierungspulver zu überziehen, bevor sie um den Siliciumcarbid-Stab gelegt werden. In der Massenerzeugung ist es schliesslich such möglich, den überzogenen Stab in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen, indem man Biliciumearbid, ein Legierungspulver und eine Hülle mit Hilfe eines Formstempels strangpresst.Instead of paper, other materials can also be used which, like this one, cannot be completely burned to carbon. For example, thin covers made of plastic material can be used. The covering can also be applied by spraying or tepid. It is also possible to coat a paper or a plastic oil with a layer of the alloy powder required for the infiltration before they are placed around the silicon carbide rod. Finally, in mass production it is also possible to manufacture the coated rod in a single operation by extruding bilicium carbide, an alloy powder and a shell with the aid of a forming die.
Nach dem Infiltrationsvorgang kann es angezeigt sein, eine weitere Hilßebehandlung durchzuführen, um das gebildete Reaktionsprodukt (A) zu stabilisieren oder um :zwischen dem Binder (B) und der für die Porenfüllung verwendeten Legsrung (C) eine möglichst vollständige Reaktion zu erzielen. Der Infiltrationsvorgang als solcher läuft mit grosser Geschwindigkeit, d.h. in wenigen Sekunden,ab, dooh soll wegen der Wärmekapazität des Gegenstandes, dessen Poren ausgefüllt werden sollen, und möglicherweise wegen der Wärmekapazität des Ofens oder Tiegels, der für das Verfahren verwendet wird, die Dauer des.3rhitzens auf die hohe Temperatur im allgemei-neri so ausreichend lang sein, damit sich eine nachfolgende Hitzebehandlung, die in bestimmten Fällen überflüssig ist, erübrigen läset. In manchen Fällen ist es jedoch wünschenswert, die Körper in der Luft einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur zu unterwerfen, die niedriger als die '.l'emperatur während des Infiltrations-$ezesses ist, um.eine Oxydation des gebildeten metallischen Produktes (A.) zu bewirken. Dies kann Anlass zur Bildung eines glasigen überzuges aus Quarzglas geben, der alle restlichen Poren ausfüllt und als äussere ßchutzsohicht wirkt, die zusätzlich die Korrosionsfestigkeit verbessert.After the infiltration process, it may be advisable to carry out a further auxiliary treatment in order to stabilize the reaction product (A) formed or in order to: achieve the most complete reaction possible between the binder (B) and the layer (C) used for pore filling. The infiltration process as such takes place at great speed, i.e. in a few seconds, because of the heat capacity of the object whose pores are to be filled and possibly because of the heat capacity of the furnace or crucible used for the process , the duration of the .3 heating to the high temperature should generally be long enough so that a subsequent heat treatment, which in certain cases is superfluous, is unnecessary. In some cases, however, it is desirable to subject the bodies in the air to a heat treatment at a temperature which is lower than the temperature during the infiltration process in order to prevent oxidation of the metallic product formed (A.) to effect. This can give rise to the formation of a vitreous coating made of quartz glass, which fills all remaining pores and acts as an outer protective layer, which also improves the corrosion resistance.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird in den folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Beispiel 1 s .@in'gepulvertes Gemisch aus 60 Zeilen Siliciumcarbi d, einem Teil Bentonit, 36 Teilen Molybdän und ¢ Teilen Silicium (Gewichtsteile) wurde mit einer entsprechenden Menge Wasser vermischt und durch Strangpressen in 1/2zöllige Stäbe verformt. Der 3entonit wurde zugesetzt, um eine ausreichende Verarbeitungsfestigkeit für den Sinterungsprozess zu erhalten. Es wurde grünes, hexagxionales Siliciumcarbid mit einer Korngrösse von 0,15 mm und feiner verwendet, während das diolybdänpulver und das Siliciumpulver eine Kornürösse von weniger als 1o wLikron hatten. Die Stäbe wurden getrocknet und in Wasserstoffgas 15 x,Iinuten lang bei 15000 gesintert, wodurch eine Biegefestigkeit von 12o kg/Mm 2 erhalten wurde. Da Plolybdän. und Silicium im atomaren Verhältnis von 2,7 a 1 vorlagen, ist anzunehmen, dass sich in dem porösen Ausgangskörper vorwiegend die Verbindung Mo 3si gebildet hat. hie Porosität der Ausgangskörper betrug nun 40 ;lo; sie wurden bei 185o0 mit geschmolzenem Silicium (C) behandelt, indem die Stäbe zusammen mit den groben Siliciumpulver in einen länglichen, abgedeckten Graphittiegel eingebracht wurden, der durch.IndUktionsheizung erhitzt wurde. Durch Bestimmung der Gewichtszunahme wurde fes-t-gestellt) dass der gesinterte Körper eine Siliciummenge absorbiert hatte, welche 3o bis 40 % des tatsächlich vorhandenen Porenvolumens ausmachte. Schliesslich wurde der Körper loo Stunden lang bei 155o0 an der Luft geglüht. Die mikroskopische Untersuchung zeigte, dass der 1@örper nach dem oxydierenden Glühen aus zwei Phasen zusammengesetzt war, nämlich aus hexagonalem Siliciumcarbid und Molybdändisilicid (A). Es ist zu bemerken, dass nach dem oxydierenden Glühen im Inneren der Körper nicht die geringsten Spuren an@Oxy dationsprodukten beobachtet werden konnten. Die Durchdringung der SiC- und Mosi2-Teilchen ist eine vollständige; die Grenzen zwischen den Phasen waren linienscharf, zumindest bei 40o-facher linearer Vergrösserung. Bezogen auf die Zusammensetzung des Körpers und auf sein Volumgewicht berechnete sich seine Dichte zu 9o % des_theoretischen fertes, was einer Gesamtporosität von 1 o Vol.% entspricht. Während des oxydierenden Glühvorganges wurde der Körper mit einer oberflächlich anhaftenden Haut überzogen, welche vorwiegend aus Silieiumäi oxyd in Form eines gasdichten Glases besteht, das die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Oxydation bei hoher Temperatur vergrössert.The method according to the invention is explained in more detail in the following exemplary embodiments. Example 1 See a powdered mixture of 60 lines of silicon carbide, one part of bentonite, 36 parts of molybdenum and ¢ parts of silicon (parts by weight) was mixed with an appropriate amount of water and extruded into 1/2-inch rods. The 3entonite was added in order to obtain sufficient processing strength for the sintering process. Green, hexagonal silicon carbide with a grain size of 0.15 mm and finer was used, while the diolybdenum powder and the silicon powder had a grain size of less than 10 microns. The rods were dried and sintered in hydrogen gas at 15,000 for 15 minutes to give a flexural strength of 120 kg / Mm 2. Because plolybdenum. and silicon were present in an atomic ratio of 2.7 a 1, it can be assumed that the compound Mo 3si has predominantly formed in the porous starting body. the porosity of the starting body was now 40; lo; they were treated with molten silicon (C) at 185o0 by placing the rods together with the coarse silicon powder in an elongated, covered graphite crucible which was heated by induction heating. By determining the increase in weight, it was established that the sintered body had absorbed an amount of silicon which accounted for 30 to 40% of the pore volume actually present. Finally, the body was annealed in the air at 1550 for 100 hours. The microscopic examination showed that after the oxidizing annealing the body was composed of two phases, namely of hexagonal silicon carbide and molybdenum disilicide (A). It should be noted that after the oxidizing glow inside the body not the slightest traces of @oxidation products could be observed. The penetration of the SiC and Mosi2 particles is complete; the boundaries between the phases were line-sharp, at least at 40o linear magnification. Based on the composition of the body and to be volume-weight is its density calculated to 9o% des_theoretischen fertes, which corresponds to an overall porosity of 1 o Vol.%. During the oxidizing annealing process, the body was covered with a superficially adhering skin, which mainly consists of silicon oxide in the form of a gas-tight glass, which increases the resistance of the material to oxidation at high temperatures.
Beispiel 2i Ein Gemisch aus 30 Gew.% o(, -SiC mit einer Korngrösse feiner als, o,1 mm und 7o Gewä% Molybdänsilicid wurde zunächst geformt und in Wasserstoffgas beilloo0 vorgesintert. Das Silicid enthielt 55 g& Mo und 45 % Si; seine Teilchen hatten eine Korngrösse zwiochen 3 und 8 ßäkron. Der Körper wurde dann in dem gleichen Öfen gesintert, und zwar zuerst in trockenem Wasserstogfgas bei einer Temperatur bis zu 1650o und unmittelbar darauf in Kohlenstoffmonoxyd bei 1700° während 3o Minuten. Hin Teil des ivIolybdänsilici da reagiert mit dem Kohlenstoffmonoxy d und bildet dabei /#-Silici ume urbi d in, si tu zusammen mit einem hdolyb dänsili ei d der Zusammensetzung Ido 5äi3. Unterhalb 165o0 soll das Silicid mit Kohlenstoffmonoxyd nicht in Berührung kommen, weil dies Anlass zur Bildung von Bekundä,rprodukten mit schlechter Oxydationsfestigkeit gibt. Die Durchdringung mit Silicium wurde wie in Beispiel 1 ausgeführt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das gebildete ,4-Siliciumearbid befähigt ist, eine einheitliche mechanische Bindung zwischen den Körnern des a(, -Siliciumcarbids herbeizuführen. Dadurch wird ein Körper erhalten, welcher ein kontinuierliches, dreidimensionales Gerüst aus Biliciumc arbid besitzt, was dem Produkt eine hohe mechanische Festigkeit selbst bei hoher Temperatur verleiht. Example 2i A mixture of 30 % by weight of o (, -SiC with a grain size finer than 0.1 mm and 70% by weight of molybdenum silicide was first molded and pre-sintered in hydrogen gas. The silicide contained 55 g of Mo and 45% of Si; his Particles had a grain size between 3 and 8. The body was then sintered in the same furnace, first in dry hydrogen gas at a temperature of up to 1650 ° and immediately afterwards in carbon monoxide at 1700 ° for 30 minutes with the carbon monoxide d and thereby forms / # - silicon urbi d in, si tu together with a hdolyb dänsili ei d of the composition Ido 5äi3. Below 165o0 the silicide should not come into contact with carbon monoxide because this gives rise to the formation of evidence The silicon penetration was carried out as in Example 1. The advantage of this process is that the 4-silicon formed umearbid is able to bring about a uniform mechanical bond between the grains of α (, silicon carbide. This gives a body which has a continuous, three-dimensional framework made of bilicium carbide, which gives the product high mechanical strength even at high temperatures.
Beispiel 31 In einem porösen Ausgangaformkörper aus rekristallisiertem Siliciumcarbid beträgt die Dichte 2,o6 g/em3, entsprechend einer Gesamtporosität von 36 Vo1.%. Die Imprägnierung wird mit einer Legierung (C) aus 55 % Si und 45 % Bor ausgeführt. Das Gewicht der absorbi ten Legierung (C) beträgt 28 i des Gewichtes des porösen Körpers) . der. metallische Binder (A) hat die Zusammensetzung SiB3. Oxydations- versuche in reinem Sauerstoff bei 14oo0 zeigten eine Gewichtszunahme von insgesamt nur 0,054 % während 15 Stunden. Example 31 In a porous starting molded body made of recrystallized silicon carbide, the density is 2.06 g / cm3, corresponding to a total porosity of 36% by volume. The impregnation is carried out with an alloy (C) consisting of 55% Si and 45% boron. The weight of the absorbi th alloy (C) is 28 i of the weight of the porous body). the. metallic binder (A) has the composition SiB3. Oxidation tests in pure oxygen at 14,000 showed a total weight increase of only 0.054% over 15 hours.
Beispiel 4: . Example 4 :.
Hexagonales Siliciumcarbid wird wie in Beispiel 1 mit gleichen Mengen Fe:rrotitan (30 % Ti) mit einer Korngrösse von 1o Mikron ge-_ mischt und bei 13oo0 in Wasserstoffgas rasch gesintert, worauf mit einer 5.5 % Si und 45 i-' Ti enthaltenden Legierung die-Imprägnierung erfolgt. Sobald die Gewichtszunahme des Ausgangskörpers 95 beträgt, hat der metallische Binder (A) nach der Imprägnierung folgende Zusammensetzung: 25 % Eisen, 40 % Titan und 35 j Silicium. Beispiel 5: Das Herstellungsverfahren gemäse Beispiel 4 kann in der Weise ausgeführt werden, dass in das fertige Produkt ein metallischer Binder (A)-der Zusammensetzung (Ti, Cr)B2 + 2o Gew.% S1 eingebracht wird und zwar in der Weise, dass ein Ausgangsformkörper aus $1G mit (Ti, Cr)B2 als Binder mit reinem Silicium imprägniert wird. Beispiel 6: Das Verfahren nach Beispiel 1 wird mit einem porösen Ausgangskörper ausgeführt, der zusätzlich zu Biliciumcarbid als Binder (B) Molybdänsilicoaluminid der Zusammensetzung: 83 % Mo, 14 % gi, 3 %A1 enthält. Nach der Imprägnierung mit einer Legierung (C) aus 50 Si und 50 % Al enthält das Endprodukt einen Binder (A) der Zusammensetzung: 65 % Mo, 23 % Si und 12 %@Al.Hexagonal silicon carbide is mixed as in Example 1 with equal amounts of Fe: rrotitan (30% Ti) with a grain size of 10 microns and quickly sintered at 13000 in hydrogen gas, followed by an alloy containing 5.5% Si and 45% Ti the impregnation takes place. As soon as the increase in weight of the starting body is 95, the metallic binder (A) has the following composition after impregnation: 25% iron, 40% titanium and 35% silicon. Example 5: The production method gemäse Example 4 can be carried out in such a manner that -the in the finished product, a metallic binder (A) Composition (Ti, Cr) B2 + 2o% by weight is introduced S1 and in the manner that. an initial molded body made of $ 1G with (Ti, Cr) B2 as a binder is impregnated with pure silicon. Example 6: The method according to Example 1 is carried out with a porous starting body which, in addition to bilicium carbide, contains molybdenum silicoaluminide as binder (B) with the composition: 83% Mo, 14% gi, 3% A1. After impregnation with an alloy (C) of 50 Si and 50% Al, the end product contains a binder (A) with the composition: 65% Mo, 23% Si and 12% @ Al.
Beispiel 7$ Schwarzes SiC mit.eirier Korngrösse von weniger
als 0,5 mm wird mit 2o Gew.% Titanschwamm mit einer maxiWalen Teilchengrösse
von 2o Mikron. vermischt. Durch Sintern der Mischung in Wasserstoffgas bei 165o0
werden Ausgangsformkörper hergestellt und diese mit einer'
Silicium-Bor-Legierung
der Zusammensetzung BiB3 bei 19oo@ impräg-
Die oben erörterten Sohwierigkeiten@werden dadurch überwunden, dass die porenfüllende metallische Komponente aus mindestens zwei unterschiedlichen Phasen besteht, welche eine durchschnittliche Korngrösse von weniger als 2o Mikron haben, wobei die Korngrösse vorzugsweise etwa 1o Mikron beträgt. Dadurch wird das Zerplatzen der metallischen Phase beim Abkiihlen von Körpern, welche Metallteilchen nur'einer Phase enthalten, vermieden. Das Vorhandensein von mindestens zwei verschiedenen Phasen bewirkt, dass ein weiteres wesentliches Kornwachstun bei hohen Temperaturen gehemmt wird, was gleichfalls dazu beiträgt, das Zerplatzen beim Abkühlen zu vermeiden. The difficulties discussed above are overcome in that the pore-filling metallic component consists of at least two different phases which have an average grain size of less than 20 microns, the grain size preferably being about 10 microns. This prevents the metallic phase from bursting when bodies which contain metal particles in only one phase are cooled. The presence of at least two different phases has the effect that further substantial grain growth is inhibited at high temperatures, which also helps to avoid cracking on cooling.
Die Phasenzusammensetzung der metallLsohen Komponente kann in verschiedener ;leise beeinflusst werden. Ein deg besteht" darin, dass man die Zusammensetzung der Imprägnierungslegierung so wählt, dass die gewünschten Phasen im ßndpordukt geliefert werden. Man kann ferner auch den imprägnierten Körper in einer Atmosphäre geregelter Zusammensetzung einer Hitzebehandlung unterwerfen, derart, dass sich in der metallischen Komponente neue Phasen bilden. Ist die Atmosphäre z.B. c arburierend, so wird jeder Überschuss an Silicium, der in dem Korn zwischen den Bilicidkörnern oder innerhalb der 8ilicidmasse Bindungen bildet, in situ in SiG umgewandelt. Durch Ausglühen an der Luft lässt sich ein Siliciumüberschuss in Si02 überführen, was auch dazu benutzt werden kann, das Kornwachstum zu überwachen.The phase composition of the metallic components can be influenced in various ways. A deg consists in choosing the composition of the impregnation alloy in such a way that the desired phases are supplied in the final product. Furthermore, the impregnated body can also be subjected to a heat treatment in an atmosphere of controlled composition, in such a way that new phases are formed in the metallic component If the atmosphere is charburizing, for example, any excess silicon that forms bonds in the grain between the bilicide grains or within the silicide mass is converted in situ into SiG can also be used to Monitor grain growth.
Von besonderem Interesse sind Körper, in denen die metallische Komponente zur Gänze oder zum Teil aus MoEi2 besteht. Erfindungsgemäss ».-. eine metallische Komponente, die in geringerem Masse dem Zerplatzen und nachfolgendem Kornwachstum ausgesetzt ist, dadurch erhalten, dass man der Imprägnierungslegierung eines oder mehrere der folgenden Elemente zusetzt: W, Cr, T a. Nb, Y, Ti, Zr, Hf, B, Mn, Fe, Co und Ni. Bi-e metallische Komponente besteht dann mindestens aus zwei Phasen, von denen die eine vorzugsweise gewähnliches tetragonales MoSi2 und die andere oder anderen gischsilicide sind. Setzt man Cr zu, so besteht dann die metallische Komponente aus zwei Phasen, nämlich 1. aus tetragonalem MoS1.2 und 2. aus einem hexagonalen Mischsilicidr(Mo, Cr)Si2. In diesem Fall. ' mag das MoSi2 eine kleine Menge des Grei2 auflösen, doch behält es weiter seine charakteristische te tragonale MoS12-8truktur. Es ist angezeigt, den Zusatz von Chrom oder anderen ähnlichen Zusätzen in kleinen Mengen zu halten, nämlich zwischen 1 und 15 %, Vorzugsweise um 5 Gew.%.Bodies in which the metallic component consists entirely or in part of MoEi2 are of particular interest. According to the invention ».-. a metallic component which is less exposed to bursting and subsequent grain growth, obtained by adding one or more of the following elements to the impregnation alloy: W, Cr, T a. Nb, Y, Ti, Zr, Hf, B, Mn, Fe, Co and Ni. Bi-e metallic components then consist of at least two phases, one of which is preferably a normal tetragonal MoSi2 and the other or the other is gel silicicides. If Cr is added, the metallic component consists of two phases, namely 1. tetragonal MoS1.2 and 2. a hexagonal mixed silicide (Mo, Cr) Si2. In this case. The MoSi2 may dissolve a small amount of the Grei2, but it still retains its characteristic tetragonal MoS12 structure. It is advisable to keep the addition of chromium or other similar additives in small amounts, namely between 1 and 15%, preferably around 5% by weight.
Wird die Infiltration oder irgendeine nachfolgende Hitzebehandlung in einer carburierenden Atmosphäre durchgeführt, so wird, wie schon oben gesagt, ein Teil des überschüssigen Siliciums in sitze in SiO umgewandelt. Solche Siliciumcarbidkristalle haben eine Grösse von 1 bis,lo Mikron und werden im Innern der metallischen Komponente ausgebildet. Sie beeinflussen die Qualität des Endproduktes in ganz besonderer Weise. -Die Carburierung wird zweckmässig in CD während 1o bis 6o Minuten bei 17oo bis 19ooo ausgeführt.Will infiltration or any subsequent heat treatment carried out in a carburizing atmosphere, as already said above, some of the excess silicon in seats is converted into SiO. Such silicon carbide crystals have a size of 1 to, lo microns and are inside the metallic component educated. They influence the quality of the end product in a very special way. -The carburization is expedient in CD for 10 to 60 minutes at 170 to 19ooo executed.
6. Unvollständige Porenfüllung Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
den erfindungsgemässen Verfahrens wird die Infiltration zweckmässigerweiseSö ausgeführt,
dass der poröse Ausgangskörper in einer pulverisierten Legierung eingebettet und
dann erhitzt wird, um das Pulver zum Schmelzen zu bringen. Die Poren werden
dabei mit geschmolzener -Masse ausgefüllt, solange ein Vorrat an dieser
vorhanden ist. ])adurch werden örtliche Imprägnierungen ermöglicht, und zwar in
,` Bereichen, wo dies gewünscht wird. Mit dieser Methode lassen sich elektrische
Widerstandselemente fertigen, welche in ihren verschicdenen Teilen versehiedene.spezifische
Widerstandswerte
Die vorbeschriebene Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, in dem Endprodukt eine sehr feinkörnige Btruktur der Legierung zu erhalten, ohne Glühen des Produktes, welches von unregelmässigen Veränderungen des spez.Widerstandes begleitet ist. Dieses Resultat lässt sich durch Zusatzbestimmter Metalle erzielen. Diese bilden mit dem Molybdänsilieid Misehatlicide, welche die Bildung einer sekundären Phase auslösen. Das Metallsilicid setzt sich dadurch. aus zwei Phasen zusammen, von denen die eine MoSi. und die andere das Mischsilicid ist. Man ereieht aus der Tabelle, dass die metallischen Extrazusätze, wenn auch i n verschiedenem Grad, bewirken, dass Unregelmässigkeiten in der Veränderung des spez.Widerstandes vermieden werden.The embodiment of the invention described above makes it possible to obtain a very fine-grained structure of the alloy in the end product, without annealing of the product, which is accompanied by irregular changes in the specific resistance. This result can be achieved by adding certain metals. These form misehatlicides with the molybdenum silicide, which trigger the formation of a secondary phase. This causes the metal silicide to settle. composed of two phases, one of which is MoSi. and the other is the mixed silicide. It can be seen from the table that the extra metallic additives, albeit in different degrees, have the effect that irregularities in the change in the specific resistance are avoided.
Vorteilhaft ist ein Zusatz von 1 bis 15 %, vorzugsweise von 5 Chrom (Versuch 12), um die Oxydationsfestigkeit beizubehalten oder zu verbessern, wobei gleichzeitig die Veränderungen hinsichtlich des sepz.ffideratandes nach dem Glühen nicht ins Gewicht fallen.An addition of 1 to 15%, preferably 5%, of chromium is advantageous (Experiment 12) in order to maintain or improve the oxidation resistance, whereby at the same time the changes with regard to the sepz.ffideratand after the glow do not matter.
7. Verwendung von unngesinterten Ausgangskörpern für die Infiltration 'eitere Untersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, dass die Herstellung von Presskörpern nach dem Verfahren der Erfindung wesentlich vereinfacht werden kann, wann die Herstellung des porösen Ausgangskörpers und der Infiltrations-Prozess in zwei kombinierten Glühstufen erfolgen, die Teil ein und desselben Ofenprozesses bilden.7. Use of unsintered starting bodies for the infiltration . Surprisingly, investigations have shown that the production of pressed bodies according to the method of the invention can be significantly simplified if the production of the porous starting body and the infiltration process take place in two combined annealing stages, the part one and the same furnace process.
Das für das erfindungsgemässe Verfahren erforderliche Glühen bei der Herstellung des Ausgangskörpers und beim Imprägnierprozess muss bei sehr hohen Temperaturen ausgeführt werden. Diese Glüh operati onen machen pinebeträchtlichen Teil der für die Herstellung der görper,bzw. gepressten Erzeugnisse nach der Erfindung aufzuwendenden Kosten aus: Wie überraschenderweise gefunden wurde, ist es möglich, sowohl die Herstellung des porösen Ausgangskörpers als auch den imprägnierungsprozess in einer einzigen Glühoperation durchzuführen. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass ein pulverisiertes Gemisch, welches vorzugsweise ausschliesslich aus Siliciumcarbi d und temporären Bindern besteht, geformt, dann in ein Pulver aus einer silieiumhaltigen Legierung eingebettet und schliesslich derart erhitzt wird, dass die Bilieiumcarbidteilchen zusammensintern und gleichzeitig mit oder vor der Durchsetzung der Poren des gebildeten Ausgangskörpers mit der siliciumhaltigen Legierung rekri stalli si eren.The annealing required for the method according to the invention in the production of the starting body and in the impregnation process must be carried out at very high temperatures. These annealing operations make pine considerable part of the necessary for the production of the body, or. Pressed products according to the invention from costs to be expended: As was surprisingly found, it is possible to carry out both the production of the porous starting body and the impregnation process in a single annealing operation. This particular embodiment of the invention consists essentially in the fact that a pulverized mixture, which preferably consists exclusively of silicon carbide and temporary binders, is formed, then embedded in a powder of a silicon-containing alloy and finally heated in such a way that the bilium carbide particles sinter together and at the same time or before the pores of the initial body formed are penetrated with the silicon-containing alloy, recrystalli si eren.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das Glühen vorzugBweise in einer Atmosphäre ausgeführt, welche Kohlenstoffmonoxyd enthält, das zufolge unvollständiger Verbrennung des Graphits oder Kohlenstoffes gebildet wird, aus dem das Glühofenrohr besteht, In diesem Fall erfolgt während der Infiltration eine Reaktion zwischen der eindringenden Legierung und der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, welche zur Bildung von Siliciumcarbid in situ :führt.In this embodiment of the invention, the annealing is preferred carried out in an atmosphere containing carbon monoxide, which is consequently incomplete Combustion of the graphite or carbon is formed from which the annealing furnace tube In this case, a reaction occurs between during the infiltration the invading alloy and the carbonaceous atmosphere that leads to the formation of silicon carbide in situ: leads.
Bei der zuletzt beschriebenen Ausführung gehen also nicht weniger als drei verschiedene Prozesse während eines einzigen Glühvorganges vor sich, nämlich 1. eine Sinterung der Biliciumcarbidteil-*en in einem porösen Ausgangskörper, 2. eine Durchdringung mit der siliciumhaltigen Legierung und 3. eine teilweise Bildung von 8iliciumearbi dteilehen innerhalb der eingedrungenen Legierung. Dieser Prozess ermöglicht also eine beträchtliche Senkung der Herstellungskosten und ergibt gleichzeitig Produkte mit vorteilhafteren Älgensehaften. Letzteres ist überrasohend und ist die Folge davon, dass das verfahren zur Gänze die Schwierigkeiten vermeidet, welche,,beim Erhitzen bzw. Abkühlen des Ofens auftreten und nach sich ziehen, dass die Regelung der Schutzatmosphäre unzureichend ist. Ein besonderes Problem bildet in diesem Zusammenhang.u.a. die schädliche Bildung von Sauerstoff, der bekundärprodukte enthält. Zu dieser Bildung kommt es bei der Carburierung fester siliciumhaltiger Legierungen in CO bei Temperaturen unter etwa 16500. Sie erfolgt nicht, wenn man nach den Empfehlungen dieser Erfindung vorgeht.In the last-described embodiment, no less than three different processes take place during a single annealing process, namely 1. sintering of the bilicium carbide parts in a porous starting body, 2. penetration with the silicon-containing alloy and 3. partial formation of 8 silicon parts are located within the penetrated alloy. This process thus enables a considerable reduction in manufacturing costs and at the same time results in products with more beneficial properties. The latter is surprising and is the result of the fact that the process completely avoids the difficulties which occur when heating or cooling the furnace and which result in the control of the protective atmosphere being inadequate. A particular problem in this context is the harmful formation of oxygen, which contains secondary products. This formation occurs when solid silicon-containing alloys are carburized in CO at temperatures below about 16,500. It does not occur when following the recommendations of this invention.
Beispiel -`'4: Grünes Siliciumcarbid mit einer Korngrösse von 8oo Maschen wurde mit 3 % Wasserglas ( 380 Bb ) vermischt und zu einem Stab von loo x 6 x 5,5 mm verpresst. Das Gewicht des Stabes betrug nach dem Trocknen 6,o g. Der getrocknete Stab wurde in eine ihn umgebende Schicht gleichförmiger Dicke aus einer Pulvermischung eingebettet, welche 8o Gew.Teile UIoSi2, 2o Gew.leile Silicium und 5 Gew.Teile Chrompulver enthielt. Die Teilchengrösse des Klolybdäridisilicids zwar weniger als 1o Mikron, während diejenige des Siliciums und des Chrompulvers weniger als 5o !Ukron betrug. Der Stab mit der Pulverschicht (7g) wurde in einen Graphittiegel eingesetzt und während 15 iiinuten bei 2oooo erhitzt. Nach dem Glühen hatte sich das Stab> gewicht um 4,9 g, d.i. um 82 ö, erhöht. Eine Mikrophotographie des imprägnierten Körpers zeigte bei 5oo-facher linearer Vergrösserung, dass die .durchdringung zwischen Siliciumcarbid und Legierung eine besonders gute ist und überhaupt keine Poren festzustellen sind. Da das Siliciumcarbid hinsichtlich seiner Körnung nicht abgestuft war, vielmehr eine gleichförmige Korngrösse von 1o bis 15 Mikron aufwies, waren die Poren des Ausgangskörpers-und damit die Silicidteilchen verhältnismässig gross; sie hatten einen maximalen Durchmesser von etwa 15 fvdkron. Example -`'4: Green silicon carbide with a grain size of 800 meshes was mixed with 3% water glass (380 Bb) and pressed to form a rod measuring 100 x 6 x 5.5 mm. The weight of the rod after drying was 6.0 g. The dried rod was embedded in a surrounding layer of uniform thickness of a powder mixture which contained 80 parts by weight of UIoSi2, 20 parts by weight of silicon and 5 parts by weight of chromium powder. The particle size of the molybdenum disilicide was less than 10 microns, while those of silicon and chromium powder were less than 50 microns. The rod with the powder layer (7g) was placed in a graphite crucible and heated at 2,000 for 15 minutes. After annealing, the bar had increased in weight by 4.9 g, that is, by 82 Ω. A photomicrograph of the impregnated body showed at 500 times linear magnification that the penetration between silicon carbide and alloy is particularly good and that no pores at all can be detected. Since the silicon carbide was not graded in terms of its grain size, but rather had a uniform grain size of 10 to 15 microns, the pores of the starting body - and thus the silicide particles - were relatively large; they had a maximum diameter of about 15 fvdkron.
zei spi e1 25: Es wurde grünes Siliciumcarbid einer Korngrösse von 8oo Maschen als Ausgangsmaterial verwendet, das durch Nassmahlung in einer Hartmetallmühle während 72 Stunden auf eine maximale Xorngrösse von etwa 8 iAikron zerkleinert wurde. Ansonsten wurde das HerstellungsverZahren, wie in Beispiel 24 beschrieben, ausgeführt und ergab einen Körper von gleichem Aussehen, der jedoch beträchtlich kleinere Silicidteilchen aufwies. Beispiel 26: Nachstehend wird die Herstellung eines elektrischen @`£iderstandselementes gemäss der Erfindung im einzelnen beschrieben. Dieses Element kann auch in oxydierender Atmosphäre bei einer Temperatur bis zu 1550o verwendet werden, und zwar ohne Alterung. Das Element wird als einheitlicher Körper hergestellt, ist jedoch, wie unten noch erklärt wird, aus einer zentralen Glühzone 21 und zwei .n.dzonen 22a und 22b zusammengesetzt, welche einen niedrigeren spezifischen Widerstand besitzen, wodurch sich die Vorsehung besonderer Kühleinrichtungen für die Endzonen erübrigt.zei spi e1 25 : Green silicon carbide with a grain size of 800 mesh was used as the starting material, which was comminuted by wet grinding in a hard metal mill for 72 hours to a maximum grain size of about 8 microns. Otherwise, the manufacturing process as described in Example 24 was followed and gave a body of the same appearance but with considerably smaller silicide particles. Example 26: The production of an electrical resistance element according to the invention is described in detail below. This element can also be used in an oxidizing atmosphere at a temperature of up to 1550o, without aging. The element is produced as a unitary body, but, as will be explained below, is composed of a central annealing zone 21 and two .n.d zones 22a and 22b, which have a lower specific resistance, whereby the provision of special cooling devices for the end zones is unnecessary .
Die Fertigung zerfällt in die folgenden Verfahrensschritte, von denen jeder einzeln behandelt werden wird. Dabei wird auf die Fig. 1 der Zeichnungen Bezug genommen: Bereitung einer Masse für das Strangpressen von Siliciumcarbid. Strangpressen und Trocknen der Stäbe aus Siliciumcarbid. Bereitung des Legierungspulvers.The production is divided into the following process steps, of which each will be treated individually. Reference is made to FIG. 1 of the drawings taken: preparation of a mass for the extrusion of silicon carbide. Extrusion and drying the silicon carbide rods. Preparation of the alloy powder.
Packen der Siliciumcarbidstäbe in Legierungspulver. Infiltration.Pack the silicon carbide rods in alloy powder. Infiltration.
Abschliessende oxydierende Sinterung und Überprüfung-.Final oxidative sintering and verification.
Ausserdem wird zur weiteren Erklärung der während der lmprägnier*ng vor sich gehenden Vorgänge auch noch auf die Materialienbilanz eingegangen.In addition, for further explanation of the during the impregnation The processes in progress also dealt with the material balance.
Bereitung einer Masse für das Strangpressen von ailiciumcarbid. Grünes, grobgemahlenes Biliciumcarbid wurde weitergemahlen und gesiebt, bis die gesamte Menge durch ein Sieb mit 325 Maschen hindurchgegangen ist. Das Mahlen erfolgte in einer Kallermü#.e. Das Pulver wurde wenige Stunden in einem Kneter mit einer wässrigen Lösung eines organischen Leims auf Gelluloseesterb asis, welcher den Markennamen MODOCCZZ M führt und von der schwedischen Firma Mo.& Doms jö Aktiebolaget hergestellt wird, verseht. Die Menge des trocknen Leims betrug 3,5 %ä des Gewichtes des Silici ume arbi ds; es wurden je 'kg Leim 8 Liter Ja.sser zugesetzt. Die ivLischung wurde bei 50o hergestellt, so dass der dassergehalt im Verlaufe des Mischens allmählich. vermindert wurde. Sobald dieser auf Uwa 8 % des Gewichtes der 1vIasse herabgesetzt war, hatte letztere eine für die weitere Behandlung geeignete Konsistenz. Das Mischen wurde nun unterbrochen und die Masse in eine Vakuummühle übetragen, in welcher sie einem Druck von 2o MM/H9 ausgesetzt und zu einem Zylinder mit einem Durchmesser von 50 mm verpresst wurde..Preparation of a mass for the extrusion of silicon carbide. Green, coarsely ground bilicium carbide was further ground and sieved until the entire amount passed through a 325 mesh sieve. The grinding took place in a Kallermü # .e. The powder was treated for a few hours in a kneader with an aqueous solution of an organic glue based on gelulose ester, which bears the brand name MODOCCZZ M and is manufactured by the Swedish company Mo. & Doms jö Aktiebolaget. The amount of dry glue was 3.5% of the weight of the silicon arbi ds; 8 liters of water were added to every 1 kg of glue. The mixture was made at 50o so that the content gradually increased as the mixing progressed. was decreased. As soon as this was reduced to about 8% of the weight of the 1vIasse, the latter had a consistency suitable for further treatment. The mixing was now interrupted and the mass transferred to a vacuum mill, in which it was subjected to a pressure of 20 MM / H9 and pressed into a cylinder with a diameter of 50 mm.
Pressen und Trocknen der Stäbe aus Siliciumearbid. Pressing and drying of the silicon arbide rods.
Die ausgepressten Zylinder wurden in eine Kolbenpresse gebracht und zu langen Stäben mit einem Durchmesser von 8 mm verpresst. . Die Stäbe wurden in Längen von ¢0o mm geschnitten,. was den Dimensionen des fertigen Widerstandselementes entspricht. Die feuchten Stäbe wurden in.einer Klimakammer bei ¢o0 getrocknet und hatten dann eine solche Festigkeit, dass sie ohne irgendeinen Substanzverlust der weiteren Behandlung unterworfen werden konnten. Das Raumgewicht des Stabes betrug 2924 g/em3, von dem etwa 3,5 ö auf Leim entfallen, während der Rest, das sind etwa 2,17 g/em3 Siliciumcarbid ist. Daraus errechnet sich, dass das Siliciumearbidgerüst der getrockneten Stäbe etwa 35 % Poren enthält. Zweck der nun nachfolgenden Imprägnierung ist es, diese Poren zur Ganze oder zu einem wesentlichen Teil mit einer Legierung der Zusammensetzung MoSi2 auszufüllen. Der Leim wird während der Imprägnierung zugesetzt und hinterlässt eine kleine Menge Kohlenstoff, welche jedoch in Siliciumearbi d übergeführt wird.The pressed cylinders were placed in a piston press and pressed into long rods with a diameter of 8 mm. . The rods were cut into lengths of ¢ 0o mm. which corresponds to the dimensions of the finished resistor element. The moist rods were dried in a climatic chamber at ¢ o0 and then had such a strength that they could be subjected to further treatment without any loss of substance. The density of the bar was 2924 g / cm3, of which about 3.5 is accounted for by glue, while the remainder, that is about 2.17 g / cm3, is silicon carbide. From this it is calculated that the silicon arbide framework of the dried rods contains about 35% pores. The purpose of the impregnation that now follows is to fill all or a substantial part of these pores with an alloy of the composition MoSi2. The glue is added during the impregnation and leaves a small amount of carbon, which, however, is converted into silicon material.
Bereitung des Legierungspulvers. Preparation of the alloy powder.
In bekannter Weise durch exotherme Reaktion hergestelltes Molybdändisilicid
wird in Benzin in einer Hartmetallmühle zerkleinert und gemahlen. Nach 96-stündigem
Yahlen war die gewünschte Korngrösse erreicht, d.h., dass das ganze Material eine
Korngrösse von weniger als 1o Mikron aufwies. 8o Gew.Teile des Disilicidpulvers
wurden
Die Graphitrohre werden horizontal in dem Ofen angeordnet, der dann an den Enden: mit Graphitstopfen versehen wird. JQiese, müssen die Enden nicht vollkommen dicht verschliessen, weil das gebildete Kohlenoxyd freien Abzug muss. Es ist kein besonderes Schutzgas erforderlich, doch hat es sich in der Massenerzeugung als zweckmässig erwiesen, durch den Ofen Kohlenmonoxyd.zu leiten. Um ein Überhitzen derjenigen Teile der beschichteten Stäbe zu vermeiden, welche unrnittelbar an dem Ofenrohr liegen,, ist es zweckmässig, dass die inneren Graphitrohre das Ofenrohr nicht direkt beihren sondern mit Hilfe vron -Distanzstücken' an 'den äusseren erden des Rohres inn einem Abstand vron etwa 5 mm von der 'iandung des Ofenrohres gehalten werden. -Dies Zat eine Länge von looo mm und eine Sandstärke von 5 mm in der Glüh-3one, welche -eine Länge von 5oo mm aufweist. Die beiden Endzonen Laben je eine Länge von 25o mm und eine Vlandstärke von 1o mm, Der )fen wird mittels eines Kühlmantels mit Wasser gekühlt.The graphite tubes are placed horizontally in the furnace, which then at the ends: is provided with graphite plugs. JQiese, the ends don't have to be perfect Close tightly, because the carbon oxide formed has to be drawn off freely. It is not Special protective gas required, but it has proven to be useful in mass production proven to conduct carbon monoxide through the furnace. About overheating of those parts to avoid the coated rods, which are directly on the stove pipe, it is advisable that the inner graphite tubes do not pierce the furnace tube directly but with the help of vron spacers 'on' the outer earths of the pipe inside one A distance of about 5 mm from the landing of the stove pipe must be kept. -This Zat a length of 100 mm and a sand thickness of 5 mm in the annealing 3one, which -a Has a length of 5oo mm. The two end zones each have a length of 25o mm and a wall thickness of 10 mm, Der) fen is cooled by means of a cooling jacket with water.
)as Ofenrohr ist mit einem Transformator von 5o kVA verbunden. Die -'emperatur wird in ¢5 ivinuten auf 2oooo erhöht und für 15 Minuten ,onstant gehalten. Die -emperaturmessüng erfolgt durch ,Ablesen durch ,zne -Öffnung in dein einen Stopfen am Ende des 'Ofenrohres, Zufolge [er Lntwicklunvon Rauch und Gas während des Glühvorganges ist es, ;chirderig, die Temperatur genau zu kontrollieren. furch- Beobachtung ler Einstellung des Transformators von einem Versuchte zudem anderen kann die erforderliche Genauigkeit hinsichtlich der Temperatur auch bei der Massenproduktion gesichert werden. Das Ablesen ist so ungenau, dass die tatsächliche Temperatur während der Imprägnierung zwischen lßooo und 21ooo variieren kann. Wenn der Ofen abgekühlt wurde, was etwa 6o Minuten dauert, werden die Rohre entfernt, die Stäbe mit einer Bürste gereinigt und sind damit fertig für eine weitere Behandlung.) The stovepipe is connected to a transformer of 50 kVA. the The temperature is raised to 2,000 in 5 minutes and kept constant for 15 minutes. The temperature measurement is carried out by reading through the opening in a stopper at the end of the furnace tube, as a result of the development of smoke and gas during the glowing process it is; chirderig to control the temperature closely. fear-observation ler Adjustment of the transformer from one attempted to another can the required accuracy in terms of temperature even in mass production secured. The reading is so imprecise that the actual temperature during the impregnation can vary between 1000 and 21000. When the oven has cooled down When it is finished, which takes about 60 minutes, the tubes are removed, the rods with a Brush cleaned and ready for another treatment.
:Die für die Imprägnierung zur Verfügung stehende Pulvermenge ist von wesentlichem Einfluss auf die Sigenschaften des imprägnierten Produktes. Je mehr ver zugesetzt wird, desto mehr Legierung wird absorbiert. Die Legierung ist in dem porösen Carbidkörper gleichmässig verteilt und daher nicht an der Oberfläche desselben konzentriert, falls die Pulvermenge für eine vollständige Imprägnierung nicht ausreichend war. Der Zusammenhang zwischen der angewendeten Fulvermenge und der absorbierten Menge an Legierung ist aus fig. 8 zu ersehend Es wurde gefunden, dass die Absorption im Verhältnis zur Pulvermenge bis zu einer scharfen. Grenze zunimmt. Wird weiteres Pulver zugesetzt, so bleibt die absorbierte Legierungsmenge konstant da die Poren dann praktisch völlig ausgefüllt sind. Der Überschuss des ulvers bleibt als poröse schlacke an der Aussenseite des im-. prägnierten Stabesgund das ganze Aggregat ist von einem dünnen Rohr aus Biliciumearbid umgeben, welches jeden Stab gegen benachbarte Stäbe abgrenzt. Dieses Garbidrohr entsteht durch die Reaktion des Siliciums an dem Papier, in welches die Stäbe gewickelt wurden. Zufolge-der Bildung des Carbdrohres ist es möglich, zu gleicher Zeit mehrere Stäbe in der oben beschriebenen Art zu brennen, ohne Einbusse an Genauigkeit hinsichtlich der Menge an absorbierter Legierung, Abschliessende oxydi erende Sinterung und Prüfung. : The amount of powder available for impregnation has a significant influence on the properties of the impregnated product. The more ver is added, the more alloy is absorbed. The alloy is evenly distributed in the porous carbide body and is therefore not concentrated on the surface of the same if the amount of powder was not sufficient for complete impregnation. The relationship between the amount of powder used and the amount of alloy absorbed is shown in fig. 8 It has been found that the absorption in relation to the amount of powder is up to a sharp. Limit increases. If more powder is added, the amount of alloy absorbed remains constant since the pores are then practically completely filled. The excess of the ulver remains as a porous slag on the outside of the im-. The whole aggregate is surrounded by a thin tube made of bilicium carbide, which separates each rod from neighboring rods. This carbid tube is created by the reaction of the silicon on the paper into which the rods were wrapped. As a result of the formation of the carbide tube, it is possible to burn several rods at the same time in the manner described above, without any loss of accuracy with regard to the amount of absorbed alloy, final oxidizing sintering and testing.
Die gereinigten Stäbe enthalten zumindest in ihren mittleren Glühzonen
durchgehend Poren, die verschlossen werden müssen, bevor die Stäbe ihrem Verwendungszweck
zugeführt werden können. Die Stäbe werden zuerst in Öfen eingebracht und in Luft
loo Stunden lang bei
Ein poröser, getrockneter Stab 11a, Fig. 2, der die Glühzone bilden soll, wird in der gleichen Weise, wie in Fig. 1 gezeigt, hergestellt, wobei von Siliciumcarbid mit einer Teilchengrösse! von 325 Maschen und Leim ausgegangen wird. hin anderer poröser, getrockneter Stab llb wird in der gleichen Weise hergestellt, jedoch aus einer Mischung von gleichen `eilen Siliciumearbid (8oo Maschen.) und MoSi2 mit einer Teilchengrösse von 1o Mkron und Leim. Beide Stäbe sind, wie aus der Nigur ersichtlich, geschliffen und mit einem lübel 12b und einer im angepassten Bohrung 12a versehen.A porous, dried rod 11a, Fig. 2, which form the annealing zone is made in the same manner as shown in Fig. 1, with from Silicon carbide with a particle size! 325 stitches and glue are assumed. another porous, dried rod llb is produced in the same way, however, from a mixture of equal silicon arbide (8oo meshes.) and MoSi2 with a particle size of 1o Mkron and glue. Both bars are as if from the nigur can be seen, sanded and with a lübel 12b and one in the adapted Bore 12a provided.
Das Schleifen der getrockneten Masse lässt sich sehr einfach ausführen.
Bann werden der Dübel und die Wandung der Bohrung mit einer Leimlösung befeuchtet
und etwa eine "Minute lang gegeneinander gerieben, bis eine gute Verbindung hergestellt
ist. De Bindeschicht 14 zwischen den beiden Stäben besteht nun aus einheitlichem
Material hoher Viskosität. Ist dieses getrocknet worden, so besteht ein homogener
Übergang 15 zwischen den Stäben. Die einander gegenüberliegenden Enden der Glühzone
sind in gleicher ä#eise mit einem Anschlussteil versehen; der aus drei Teilen zusammengesetzte
Stab wird, wie in Fig. 1 angedeutet, imprägniert, jedoch mit dem Unterschied, dass
der ganze Stab vollständig imprägniert wird und die Pulverschicht in diesem Fall
eine gleichförmige Dicke aufweist. Das Endprodukt ist in,Fig. 4 gezeigt, in welcher
jedoch ein Paar äussre Anschlüsse 16 aus MoSi2 durch Schweissong mit den inneren
Anschlussteilen 17 fest verbunden wurden. Eine solche Schweissong ist mgöoeh, weil
die .Anschlussteile 17 etwa 6o Vol4 MoSi, und nur 4o Vol.%o SiG enthalten. Andererseits
kann das Material der Glühzone 18, welches ein starres rekri stalli si arte s Gerüst
besitzt, nicht mit dem Material der Anschlussteile oder mit MoSi2 verschweisst werden.
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DE (1) | DE1446978C3 (en) |
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1960
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- 1960-10-31 CH CH1216360A patent/CH440092A/en unknown
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