一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法
2023-09-21 14:03:30 1
專利名稱：一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法
技術領域：
本發明屬於碳化矽陶瓷材料技術領域，涉及一種碳化矽發熱元件冷端部陶瓷材料的製造方法。
背景技術：
碳化矽發熱元件是各種電爐和工業窯爐的發熱元件。發熱元件的端部稱為冷端部，中段稱為發熱部。冷端部用於與導線的連接，要求具有低的電阻，以避免發熱氧化造成與導線接觸電阻的增加，降低冷端/發熱部電阻比有利於降低發熱元件無用功率消耗，達到節能的效果。
在本發明以前的現有技術中，降低冷端部電阻的方法主要有1.在冷端部和發熱部截面積相同和接近的情況下，提高冷端部中金屬導電相和β-SiC的比例，降低冷端部的電阻率；2.在冷端部和發熱部材料成分相同時，增大冷端部的截面積，降低冷端部的電阻；3.用金屬作為冷端部，採用特殊的工藝與發熱部連接。第2種方法近年來已被逐步淘汰，而第3種方法工藝技術上存在很大的難度。因此提高冷端部中金屬導電相的比例是降低冷端部的主要方法。可以用作導電相的成分主要包括矽、鋁，以及鉬、鎢、鉻、鉭、鈮、釩、鋯、鈦的矽化物。
(日本專利昭56-54782)直接將含一定孔隙率的燒結好的碳化矽浸漬在鉬、鎢、鉻、鉭、鈮、釩、鋯、鈦的矽化物超細粉末懸浮液中，經乾燥脫水，在1500℃燒結10分鐘，金屬矽化物填充孔隙，製得的相對緻密的冷端部電阻可大幅度降低。
使用熔化的金屬鋁溶液浸漬含一定孔隙率的燒結好的碳化矽，得到緻密的碳化矽/鋁冷端部，冷端部電阻可大幅度降低。
浸漬多孔碳化矽的製備主要採用瀝青為結合劑，加入碳化矽、石油焦、石墨粉、炭黑，以及木屑等造孔劑，使用蒸汽加熱，在大型液壓機上反覆混練，並擠壓成管狀坯體，將擠壓成形後的坯體放置在填充碳粒的耐火材料筒中，在還原性條件下900～1000℃素燒，得到碳化矽/碳的生坯體，隨後在阿奇遜電阻爐中填埋石油焦、碳化矽、木屑等1900℃高溫燒結得到α-SiC多孔碳化矽基體。
直接高溫燒結製備碳化矽發熱元件冷端部的技術中常用碳化矽、石油焦、無定型石墨粉，醇溶性酚醛樹脂為結合劑，加入機油、木屑，成型後烘乾，再放置在填充碳粒的耐火材料筒中，在還原性條件下900～1000℃素燒得到多孔坯體，將坯體埋在金屬矽粒之中，在1900℃以上的高溫條件下燒結，製備得到含游離矽的α-SiC碳化矽冷端部，電阻也可明顯降低。
在專利(ZL95100397)中提到冷端部採用碳化矽、石墨粉、炭黑、聚乙烯醇、矽粉、硼酸按一定比例混勻、擠壓成型烘乾，將烘乾後的坯體在蒸汽加熱的瀝青中進行浸漬，最後在1800～1900℃燒成。
目前碳化矽發熱元件冷端部的幾種製造方法存在明顯不足粉末或熔融金屬浸漬技術，要求首先製備得到多孔燒結碳化矽，在製備多孔碳化矽時，在成型配料時往往採用加入木屑或其它有機造孔劑，採用瀝青作為結合劑，成型過程需蒸汽加熱；擠壓成形後的坯體需放置在填充碳粒的耐火材料筒中在還原性條件下900～1000℃進行素燒，瀝青在加熱過程易變形；最後高溫燒結。這種技術工序複雜、成本高、能量消耗大，使用瀝青對環境和操作人員的身體健康有危害。
粉末浸漬時，要求金屬矽化物粉末為微米級(一般小於5微米)，懸浮液的製備技術難度大，需要採用特殊的設備進行浸漬，一般情況下只能浸漬填充與外表面相通的顯氣孔，浸漬物脫水高溫乾燥後不能達到對孔隙的完全填充，浸漬物與基體碳化矽結合不好，這種技術存在製造困難，使用性能不穩定的問題。
採用鋁或鋁合金浸漬同樣只能浸漬與外表面相同的顯氣孔，同時在使用過程中鋁或鋁合金的逐步氧化會使得冷端部電阻率增加，壽命降低，在冷端與發熱部接觸部位會由於高溫造成金屬鋁或鋁合金熔化、流失。
採用粉末浸漬或鋁、鋁合金浸漬製備得到的碳化矽冷端部主晶相為α-SiC和浸漬物相。
直接高溫燒結製備碳化矽發熱元件冷端部的技術由於採用木屑等造孔劑，成型時需加入大量機油，需在還原性條件下900～1000℃素燒，同時該技術採用的配方中碳化矽含量低，在後續1900℃以上高溫燒結時所需金屬矽加入量高。這種工藝製備得到的冷端部主晶相為α-SiC和游離矽，游離矽含量難以控制，殘留碳含量高，同時材料消耗與能源消耗高，環境汙染嚴重。
發明內容
針對上述幾種製造方法存在的明顯不足，本發明的目的在於提供一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，使製備得到的碳化矽顆粒度可以調整、製備工序少、電阻性能可調、有較好的電阻一致性、主晶相為α-SiC、β-SiC和游離矽、各種相含量可控的緻密的碳化矽發熱元件冷端部。
本發明碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，包括配料、乾燥、碾壓、造粒、過篩、擠壓、烘乾、燒結工藝步驟，其特徵在於具體工藝步驟為步驟1將質量分數為0.30～0.90的碳化矽粉料、0.05～0.50的石油焦粉、0～0.20的石墨粉、0～0.10的活性炭粉、0～0.30的矽粉，在攪拌機或輪碾機上混合0.2～1小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數0.05～0.25的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓0.5～1.5小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置或50～80℃溫度下乾燥處理；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8～120目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數0.01～0.20的水溶性酚醛樹脂，混碾10～45分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6～24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上連續擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至150～200℃，保溫1～3小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化矽成形坯體；步驟10坯體進行切割等後加工工序，達到產品尺寸要求；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1450～1850℃，保溫0.5～4小時燒結，隨爐冷卻，得到主晶相為α-SiC、β-SiC和游離矽的緻密發熱元件冷端部。
圖1本發明製得的碳化矽發熱元件冷端部X射線結果所顯示的α-SiC、β-SiC、Si的含量示意2金相顯微鏡中本發明製得的碳化矽發熱元件冷端部組織中的Si(圖中白色部分)圖3金相顯微鏡中現有技術製得的碳化矽發熱元件冷端部組織中的Si(圖中白色部分)
其中從圖2的X射線結果可以看到α-SiC、β-SiC、Si在主晶相的含量，以β-SiC為最高，說明提高了冷端部中金屬導電相和β-SiC的比例，降低冷端部電阻的效果明顯。
從圖3、圖4的高倍電鏡照片中可以看到用本發明制的碳化矽發熱元件冷端部中與現有技術相比，Si的含量及材料緻密度程度要好的多。
具體實施例方式
實施例1步驟1將粒度號30目，質量分數為0.35，粒度號80目，質量分數為0.25的碳化矽粉料，質量分數為0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的矽粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.12的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃，保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
實施例2步驟1將粒度號60目，質量分數為0.65的碳化矽粉料，質量分數為0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的矽粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.12的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；
步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘後密封；步驟6將混碾好的原料密封，放置12小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
實施例3步驟1將粒度號120目，質量分數為0.60，粒度號180目，質量分數為0.25的碳化矽粉料，質量分數為0.1的石油焦粉末、0.05的活性炭粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.1的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過40目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.08的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置24小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥48小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
本發明效果
(1)用本發明方法可以製備出主晶相為α-SiC、β-SiC和游離矽的緻密發熱元件冷端部；(2)所製備出的碳化矽發熱元件冷端部中α-SiC和β-SiC含量比例可以調整；(3)所製備出的碳化矽發熱元件冷端部中游離矽含量在8～40體積％內可調；(4)所製備的碳化矽發熱元件冷端部電阻可調；(5)所製備的碳化矽發熱元件冷端部達到98％理論密度，氣孔率≤2％，抗氧化、強度高、壽命長；(6)本發明方法適用於各種不同規格、不同形狀的冷端部製造，性能均勻、穩定，遠高於目前的技術。
權利要求
1.一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，包括配料、乾燥、碾壓、造粒、過篩、擠壓、烘乾、燒結工藝步驟，其特徵在於具體工藝步驟為步驟1將質量分數為0.30～0.90的碳化矽粉料、0.05～0.5的石油焦粉、0～0.2的石墨粉、0～0.1的活性炭粉、0～0.3的矽粉，在攪拌機或輪碾機上混合0.2～1小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.05～0.25的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓0.5～1.5小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置或50～80℃溫度下乾燥處理；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8～120目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數0.01～0.20的水溶性酚醛樹脂，混碾10～45分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6～24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上連續擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至150～200℃，保溫1～3小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化矽成形坯體；步驟10坯體進行切割等後加工工序，達到產品尺寸要求；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1450～1850℃，保溫0.5～4小時燒結，隨爐冷卻室溫，得到主晶相為α-SiC、β-SiC和游離矽的緻密發熱元件冷端部。
2.根據權利要求1所述的一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，其特徵在於具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號30目，質量分數為0.35，粒度號80目，質量分數為0.25的碳化矽粉料，質量分數為0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的矽粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.12的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃，保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
3.根據權利要求1所述的一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，其特徵在於具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號60目，質量分數為0.65的碳化矽粉料，質量分數為0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的矽粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.12的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘後密封；步驟6將混碾好的原料密封，放置12小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
4.根據權利要求1所述的一種碳化矽發熱元件冷端部的製造方法，其特徵在於具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號120目，質量分數為0.60，粒度號180目，質量分數為0.25的碳化矽粉料，質量分數為0.1的石油焦粉末、0.05的活性炭粉，在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質量分數為0.1的醇溶性酚醛樹脂、有機增塑劑和乙醇，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置乾燥；步驟4將乾燥處理的原料碾壓破碎，過40目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質量分數為0.08的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置24小時；步驟7在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上擠壓出φ25mm成形坯體，切割得到一定長度；步驟8在室溫靜置乾燥48小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯；步驟10坯體進行切割等後加工工序，產品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結爐，周圍填埋工業矽顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
本發明涉及一種碳化矽發熱元件發熱部陶瓷材料的製備工藝，包括12個工藝步驟，碳化矽、石油焦粉、石墨粉、活性炭粉、矽粉的質量分數分別為0.3～0.9、0.05～0.5、0～0.2、0～0.1、0～0.3，分別添加醇溶、水溶性酚醛樹脂和有機增塑劑和乙醇;成形坯體入真空氣氛燒結爐1450℃～1850℃燒結，得到主晶相為α－SiC，具有一定氣孔率的發熱元件發熱部。本發明製備出主晶相為α－SiC，氣孔率可調，游離矽含量＜2％的發熱元件發熱部；電阻可控制，均勻性好；可使用大顆粒碳化矽作為原料，燒結產品晶粒大，抗氧化，強度高；適用於各種不同規格、不同形狀的發熱部製造，性能均勻、穩定，遠高於目前的技術。
文檔編號C04B35/63GK1569740SQ20041002608
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優先權日2004年4月29日
發明者金志浩, 高積強, 喬冠軍, 王紅潔, 楊建鋒 申請人:西安交通大學