DE69003091T2 - Herstellung von Siliciumcarbidgegenständen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Herstellung von Siliziumcarbidgegenständen und insbesondere die Herstellung durch Spritzguß gefolgt von einer Silizierung (siliconisation).
• Gegenstände, die wärmeschockfest sind und gute mechanische Eigenschaften haben, können aus Teilchen der hoch feuerfesten Substanz Siliziumcarbid durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. In dem Spritzguß/Silizierungs-Verfahren wird ein unter Hitze und Druck fließbares Gemisch, das einen Hauptanteil von Siliziumcarbidteilchen und einen Nebenanteil von organischem Bindermaterial umfaßt, durch eine enge Öffnung injiziert, um einen geformten Hohlraum in einer Gußform bei niedriger Temperatur zu füllen. Der so geformte Gegenstand wird dann aus der Gußform entnommen, und der Formteilanschnitt (d.h. das Abfallstück entsprechend dem Durchfluß in dem Formwerkzeug zwischen Formöffnung und dem Formhohlraum) wird maschinell entfernt.
• Der geformte Gegenstand wird dann erhitzt, wodurch das organische Bindermaterial davon entfernt wird, und das läßt einen porösen Siliziumcarbidkörper zurück, der elementaren Kohlenstoff enthält, der (an dieser Stufe) die hoch feuerfesten Siliziumcarbidteilchen schwach zusammenbindet. Der elementare Kohlenstoff kann als Ergebnis der Bildung durch Pyrolyse des ursprünglichen organischen Bindermaterials in dem Gemisch, das der Formgebung unterworfen wurde (wie in GB-1,454,622), oder als Ergebnis seines Einschlusses per se in dem Gemisch vorliegen.
• Der so hergestellte poröse Körper wird dann mit geschmolzenem Silizium getränkt, um den vorliegenden Kohlenstoff in Siliziumcarbid umzuwandeln. Im einzelnen löst sich der vorliegende Kohlenstoff in dem geschmolzenen Silizium und reagiert mit dem geschmolzenen Silizium, das in die Poren des Körpers aufgezogen wird. Das so hergestellte Siliziumcarbid bindet die ursprünglichen Siliziumcarbidteilchen in eine einheitliche Struktur von großer Festigkeit zusammen. Dieser Schritt wird üblicherweise in einem Ofen bei hoher Temperatur, z.B. 1500-1600ºC, und bei niedrigem Druck, z.B. 0,5 mm Hg, wie in der GB-PS-1,454,622 erwähnt, ausgeführt.
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung des gerade beschriebenen Verfahrens, um einen übermäßigen Kontakt zwischen der Oberfläche des schwach gebundenen, porösen, geformten Körpers, der als ein intermediäres Produkt erhalten wurde, und dem geschmolzenen Silizium, das für die Silizierung verwendet wird, zu vermeiden, und somit wird die Möglichkeit der Schädigung dieses Körpers vermindert.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines silizierten Siliziumcarbidgegenstandes bereitgestellt durch
• (i) Spritzgießen eines Gemisches umfassend einen Hauptanteil von Siliziumcarbidteilchen und einen Nebenanteil von organischem Bindermaterial, wobei das Gemisch unter Hitze und Druck fließfähig ist,
• (ii) Erhitzen des so hergestellten geformten Gegenstandes, wodurch das organische Bindermaterial davon entfernt und ein poröser Siliziumcarbidkörper mit elementarem-Kohlenstoff erhalten wird, und
• (iii) Tränken des porösen Körpers mit geschmolzenem Silizium, wodurch der Kohlenstoff zu Siliziumcarbid umgewandelt wird, das die ursprünglichen Siliziumcarbidteilchen zusammenbindet,
• wobei Schritt (iii) durchgeführt wird indem der Formteilanschnitt, der vollständig mit dem spritzgegossenen Gegenstand in Schritt (i) gebildet wurde, als eine Leitung für das geschmolzene Silizium verwendet wird.
• Vorzugsweise ist elementarer Kohlenstoff, z.B in der Form von fein verteiltem Graphit oder Ruß in dem Gemisch von obigem Schritt (i) enthalten.
• Schritt (iii) wird unter den üblichen Bedingungen, z.B. in einem Ofen unter sehr niedrigem Druck, durchgeführt. Vorzugsweise wird in Schritt (iii) der Formteilanschnitt als ein Docht verwendet, um geschmolzenes Silizium aus einem Block porösen Kohlenstoffs aufzunehmen. Der Formteilanschnitt kann in ein Loch geeigneter Größe in dem Block porösen Kohlenstoffs eingesetzt werden, der mit geschmolzenem Silizium ausgestattet ist, z.B. entweder durch Positionieren des Blocks im direkten Kontakt mit dem geschmolzenen Silizium in einem Reservoir oder durch Verwenden des Blocks selbst als ein Reservoir.
• Der poröse Kohlenstoffblock kann üblicherweise ein Block aus porösem Kohlenstoff-Dichtungsmaterial sein. Dies wurde gefunden als ein effektiv wirkendes Mittel zum Aufziehen von Komponenten mittels ihrer Formteilanschnitte während der Silizierung und zum Überführen von geschmolzenem Silizium in die Formteilanschnitte, die in Löchern in dem Block ruhen und als Schlichtpassung angeordnet sind, um den Transfer von Silizium vom Block zum Formteilanschnitt zu erleichtern.
• Der silizierte Formteilanschnitt, der aus der Durchführung des Verfahrens resultiert, ist natürlich sehr stark und kann, falls gewünscht, so gelassen werden, wie er ist. Er kann jedoch bündig mit der Oberfläche des Gegenstandes oder nur teilweise abgeschnitten werden, um einen Stumpf mit einer maximalen Länge von nicht mehr als wenigen Millimetern, z.B. bis zu 5-10 mm, übrig zu lassen, die als Mittel zum Ausrichten oder Mittel zum Fluchten, wie später in der Beschreibung erklärt, dienen können.
• Die Erfindung kann vor allem angewendet werden bei der Herstellung von Dichtungsringen, aber sie kann zur Herstellung von anderen mehr komplexen Komponenten, z.B. Turboladerrotoren, verwendet werden.
• Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf einen spritzgegossenen Siliziumcarbidgegenstand ist, bei dem der Formteilanschnitt noch vorliegt, der als ein Dichtungsring geformt ist;
• Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie AA in Fig. 1 ist;
• Fig. 3 eine Diagrammansicht ist, die den Aufbau von vier Gegenständen von Fig. 1 zeigt, die porös gemacht und vertikal für die Silizierung montiert wurden;
• Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Dichtungsring mit einem Antirotationsvorsprung ist; und
• Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie BB in Fig. 4 ist.
• In den Figuren 1 und 2 hat der ringförmige spritzgegossene Siliziumcarbidgegenstand 1 eine innere Schulter 2 und eine äußere Schulter 3 und er hat den während des Spritzgußverfahrens hergestellten Formteilanschnitt 4 noch vollständig daran. Der Gegenstand 1 kann wie folgt gemacht werden.
• Ein Gemisch einer üblichen Zusammensetzung (geeigneterweise 61 Gew.-% Siliziumcarbid mit einer Teilchengröße unter 20 um; 18 Gew.-% Graphit mit einer Ballungsgröße unter 20 um; der Rest ist ein thermoplastisches Bindermaterial) ist hergestellt und granuliert worden. Die Granulate werden in einer Standardspritzgußapparatur spritzgegossen, um Ringe mit einer Höhe von 6,5 mm, einem äußeren Durchmesser von 72,4 mm und einem inneren Durchmesser von 61 mm, mit einer Länge des Formteilanschnitts von ca. 40 mm, herzustellen.
• Der Ring wird aus der Gußform entfernt und während des Abkühlens auf Raumtemperatur gestützt, um Verformungen zu vermeiden. Der Gegenstand wird dann in einem Heißluftofen erhitzt, während er noch gestützt wird. Hat die Temperatur einmal einen Wert erreicht, bei dem der Binder weich ist, dann wird die Geschwindigkeit der Zunahme auf 2ºC pro Stunde beschränkt, bis eine Temperatur von ca. 300ºC erreicht ist. Dieses Erhitzen oxidiert zuerst den thermoplastischen Binder und pyrolysiert ihn dann, während der urspüngliche elementare Kohlenstoff in der resultierenden porösen Struktur als ein schwacher Binder für die ursprünglichen Siliziumcarbidteilchen zurückbleibt. Die Dichte des hergestellten porösen Körpers beträgt ca. 2,2 g/cm³.
• Nachdem sich der poröse Ring abgekühlt hat, wird die Hälfte der Länge des Formteilanschnitts abgeschnitten, um nachfolgend den Laufweg des geschmolzenen Siliziums zu verkürzen. Der Ring wird vertikal mit mehreren anderen durch Einsetzen (siehe Fig. 3) des Formteilanschnitts 4 in Vertiefungen 11 in einem Block 10 aus porösem Kohlenstoff gehalten, der sich auf der Oberfläche eines Reservoirs (nicht gezeigt) von Siliziumblättchen in einem üblichen Ofen befindet. Die Arbeitsweise des Ofens in völlig üblicher Art bei hoher Temperatur und sehr niedrigem Druck führt zum Schmelzen der Siliziumblättchen und zum Transport des flüssigen Siliziums vom Reservoir in den porösen Block 10 und durch die Leitung, die durch den porösen Formteilanschnitt 4 des porösen Rings gebildet ist, in den Ring selbst. Dort reagiert es mit dem vorliegenden elementaren Kohlenstoff, um Siliziumcarbid zu bilden, das die Teilchen des Siliziumcarbids "reaktionsverbindet", die in dem Gemisch, das einem Spritzguß unterzogen wurde, ursprünglich enthalten sind. Die Dichte des fertiggestellten Produkts ist ca. 3,1 g/cm³.
• Der Formteilanschnitt kann durch Mahlen abgetrennt werden. Falls das getan wird, um einen Stumpf von z.B. 3 mm Höhe zurück zu lassen, der aus der Oberfläche des Rings 1 (die obere Oberfläche in Fig. 2) hervorsteht, kann der Stumpf als ein Mittel zum Ausrichten oder ein Mittel zum Fluchten fuur den Ring in einem Metallgehäuse oder einem anderen Gehäuse dienen, in denen er eine Abdichtkomponente bilden soll.
• Ein weiteres Mittel zum Fluchten, das von einem Formteilanschnitt abgeleitet ist, ist in den Figuren 4 und 5 veranschaulicht, wobei Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Dichtungsrings von Fig. 4 ist.
• Der Dichtungsring 12, der in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist, hat zwei innere Schultern 15, 16 und zwei äußere Schultern 17, 18 und ist, wie oben beschrieben, hergestellt worden mit einem geformten Formteilanschnitt 13 (gezeigt in gestrichtelten Linien), der für die Silizierung verwendet wurde. Der geformte Formteilanschnitt in dieser Ausführungsform ist jedoch abgeschliffen worden, um einen Antirotationsvorsprung 14 auf dem Dichtungsring zu bilden, der sich zwischen den zwei äußeren Schultern 17 und 18 erstreckt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines silizierten Siliziumcarbidgegenstandes durch folgende Verfahrensschritte:

(i) Spritzgießen eines Gemisches umfassend einen Hauptanteil von Siliziumcarbidteilchen und einen Nebenanteil von organischem Bindermaterial, wobei das Gemisch unter Hitze und Druck fließfähig ist,

(ii) Erhitzen des so hergestellten geformten Gegenstandes, wodurch das organische Bindermaterial davon entfernt und ein poröser Siliziumcarbidkörper mit elementarem Kohlenstoff erhalten wird, und

(iii) Tränken des porösen Körpers mit geschmolzenem Silizium, wodurch der Kohlenstoff zu Siliziumcarbid umgewandelt wird, das die ursprünglichen Siliziumcarbidteilchen zusammenbindet,

dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (iii) durchgeführt wird, indem der Formteilanschnitt (4, 13), der vollständig zusammen mit dem spritzgegossenen Gegenstand von Schritt (i) gebildet wurde, als eine Leitung für das geschmolzene Silizium verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in Schritt (i) verwendete Gemisch auch elementaren Kohlenstoff umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (iii) der Formteilanschnitt als ein Docht verwendet wird, um geschmolzenes Silizium von einem Block porösen Kohlenstoffs aufzunehmen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formteilanschnitt in ein geeignet bemessenes Loch in dem Block porösen Kohlenstoffs eingesetzt wird, der mit geschmolzenem Silizium ausgestattet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene silizierte Formteilanschnitt abgeschnitten wird, wodurch ein Stumpf mit maximaler Länge von nicht mehr als wenigen mm zurückbleibt, der aus dem Gegenstand vorsteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren angewendet wird zur Herstellung eines Dichtungsringes.