專利名稱：澆注粗晶粒硅化碳化硅制品的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及澆注碳化硅制品。更具體的，本發明涉及澆注粗粒度硅化碳化硅制品的方法及設備。
碳化硅材料常用于鑄件中用來設計復雜造型制品，這些制品能經受極端條件，例如在半導體、礦物加工、陶瓷加工或油類工業中常遇到的條件。而且，一般優選在燒制過程中使碳化硅制品硅化，以便進一步提高成品中材料的結合強度。硅化碳化硅制品由于具有較好的抗磨或經受嚴酷化學環境的能力而優于碳化硅制品。
硅化碳化硅制品的一個示例性澆注過程從預澆注混合物開始，該混合物一般由細顆粒碳化硅粉末、蒸餾水及分散助劑或其它化學品組成。將預澆注混合物放入磨機中研磨并徹底混合得到含水漿料。接著將漿料倒入石膏模具中，模具除去大部分水留下近似網狀結構的生坯。干燥生坯，再在高溫下硅化并增密和強化制品。接著將制品冷卻并進行修整，例如機加工或拋光從而得到最終產品。
然而，早期的生產方法中，碳化硅粉末非常細小，碳化硅的總表面積能吸收很多水。也就是說，早期工藝中，碳化硅混合物的顆粒最大粒度一般為250-300微米，顆粒粒度隨分布不同而降至亞微米級。全部顆粒具有能吸多量水的大表面積，因此要求約11％至15％的水含量來形成漿料。
問題是，形成漿料所需的水越多，為了形成固體生坯就必須除去更多的水。對于具有大截面厚度的注件，這種過程耗時耗力，從而嚴重降低了最終產品的產率。例如，利用早期工藝生產截面厚度大于等于0.75英寸的硅化碳化硅制品要求長達24小時的時間來除去足夠水以便形成固體生坯。
另外，碳化硅顆粒必須充分填滿由水留下的孔隙，否則最終產品中就會形成裂紋及孔隙。因此，目前硅化碳化硅注件的實際截面厚度只能限制在1英寸或更小。
然而，對于更大、更復雜澆注硅化碳化硅產品的要求超出了早期工藝的生產能力。越來越需要截面厚度大于1英寸的注件，有些情況下，要求截面厚度為8英寸甚至更大。
為了滿足具有更大截面厚度的復雜形狀制品的要求，早期的工藝試圖在預澆注混合物中減少水含量或加大碳化硅的粒度。然而，配制粗粒度預澆注混合物及開發一種澆注混合物的方法十分困難，因為有幾個因素會影響最終的產品。這些因素包括但不限于，選擇合適的顆粒粒度及其分布的組合，合適的材料純度，混合物中正確的水含量以及其它使用的化學品。而且，調節一個因素通常會影響其它因素從而進一步使問題復雜化。因此，通過早期工藝生產的截面寬度大于等于1英寸的硅化碳化硅制品還不能避免諸如裂紋或孔隙等無法接受的缺陷。
基于前述說明，本發明的總體目標是提供一種配制預澆注混合物以及一種能克服早期工藝中存在的問題及缺陷的生產方法。
本發明提供預澆注混合物并提供一種由預澆注混合物有效澆注硅化碳化硅制品的方法，從而能使注件的截面厚度大于1英寸，因此本發明優于早期工藝并提供了另一種可選途徑。最終的注件能制成具有復雜形狀，并具有8英寸以上厚度而不會出現無法接受的缺陷。另外，對大多數截面厚度在3/4英寸至2英寸的制品，從模具中除去水形成固體生坯的時間不超過4小時，而利用早期工藝則需要24小時甚至更長時間。
本發明的一個實例由于提供澆注硅化碳化硅制品的方法，實現了本發明的優點。該方法包括提供由碳化硅粉末及水組成的預澆注混合物，碳化硅粉末的顆粒最大粒度在1000至2000微米之間，水的重量百分含量不超過混合物的9.5％。由混合物形成漿料，然后倒入模具中。在規定時間內從模具中除去水形成多孔生坯。用金屬硅包圍生坯，加熱生坯至金屬硅熔點以上的預定溫度。金屬硅對生坯形成硅化硅化碳化硅制品。
本發明的一個可選實例中，澆注的方法還包括用碳包圍生坯。接著將生坯、金屬硅及碳加熱至金屬硅熔點以上的預定溫度。在高溫下，生坯、金屬硅以及碳通過反應粘合在一起，形成反應粘合碳化硅制品。
另外，預澆注混合物還可以含有碳粉。接著生坯(內部含有碳粉)以及金屬硅通過反應粘合在一起形成反應粘合碳化硅制品。
圖1是根據本發明制備硅化碳化硅制品的流程圖示例；圖2是根據本發明制備反應粘合碳化硅制品的流程圖示例；圖3是制備反應粘合碳化硅制品的可選流程圖示例；圖4是根據本發明優選的預澆注混合物示例。
圖1中，10所示是制備硅化碳化硅制品的常用流程圖。將碳化硅(SiC)粗粉末和細粉末與去離子水混合形成預澆注混合物20。粗碳化硅粉末最大粒度約在1000微米至2000微米之間，優選不超過1500微米。
粉末一般是將碳化硅原料通過具有預定最大篩目即孔眼尺寸的篩網設備，從粗顆粒中分離出較細顆粒而得到的。這樣，粉末中粒度一般從最大粒度連續分布至亞微米級大小。另外，下面將詳細討論的是，混合物中可以摻入具有多個最大粒度及粒度分布的多種粉末。
與早期工藝中最大粒度在250至300微米的細粉末相比，預澆注混合物中的上述粗粉末具有更大的最大粒度及平均粒度。相應的，對于給定體積，粗粉末顆粒的總表面積要比細粉末總表面積小得多，因此能吸收更少的水。粗顆粒混合物所需水的重量百分含量一般不超過9.5％，優選在4.5％至8.5％之間。
一旦預澆注混合物20形成后，將混合物放入磨機22中通過其翻動徹底混合形成漿料24。漿料24是不可溶物質，例如硅粉在水中的懸浮液，其稠度相當于泥漿或粘土。
漿料24形成后，將材料從磨機中取出倒入石膏模具中。從模具26中移除大部分水28形成近似網狀結構的生坯39。
在澆注過程結束時，近似網狀結構的生坯30密度一般為理論密度的60％至90％，生坯相當多孔。有利的是，主要由于預澆注混合物具有合適的粒度分布以及含水量，模具中所有被水占據的空間基本上都被固體材料取代，因此生坯中不會形成無法接受的缺陷。
接著干燥生坯32，用金屬硅粉34覆蓋生坯。盡管該步驟披露了采用金屬硅粉，也可以使用其它物理構型的金屬硅來包圍生坯，例如可以將生坯包含在金屬硅容器中。
接著將生坯及包圍的硅粉放到爐子36中，例如感應電爐中。將生坯加熱38至金屬硅熔點以上的溫度，一般加熱到1500至2200攝氏度左右，硅化并使制品增密40。
硅化碳化硅還稱作硅滲透碳化硅，因為硅化是一種滲透形式。滲透可以說明成任何通過反應或由液體或蒸汽沉積填充孔隙的工藝。液體反應的情況中，該工藝稱作熔體滲透；蒸汽相的情況中，該工藝稱作化學蒸汽滲透即CVI。
目前的例子中，因為生坯不是完全致密的，即有孔隙，金屬硅會熔融滲透到孔隙中形成基質包圍生坯的碳化硅晶體。這一過程得到了幾乎為零孔隙率的完全致密的結構。
硅化完成后，將制品冷卻42再經過修整過程44，例如對關鍵尺寸進行最后機械加工。接著檢查制品46，得到最終的粗粒硅化碳化硅澆注制品48。
上述澆注方法能有效生產截面厚度大于等于1英寸的碳化硅澆注制品，某些情況下，截面厚度能達到8英寸以上。另外，上述方法還大大減少了從模具中除去水形成固體生坯的時間。例如，對于截面厚度在3/4英寸至2英寸的大部分制品，采用上述方法除去足夠水所需時間小于4小時，而用早期的澆注方法則需要24小時或者更長。
圖2中，60所示是根據本發明制備反應粘合碳化硅制品的典型的生產過程流程圖。反應粘合碳化硅(RBSC)制品由均勻混合的碳化硅及碳的細粒混合物制備，碳化硅和碳同時硅化并反應粘合在一起。具體是將從該混合物得到的制品在高溫下暴露在液體硅或蒸汽硅中，硅與碳反應又形成碳化硅，形成的碳化硅將原來的顆粒粘合在一起。硅還填充任何殘余的孔隙，也就是硅化。RBSC制品在致密化過程中尺寸幾乎不變，RBSC產品隨溫度升至硅的熔點時強度基本不變。根據本發明生產的一種優選的RBSC材料可以從Worcester，Massachusetts的Saint-GobainCeramics & Plastics公司購買，商品名為CRYSTARRB。
在圖2中，形成粗品粒RBSC的示例性方法類似于圖1中形成粗晶粒硅化碳化硅的方法。因此，與圖1中基本相同的步驟采用同樣的數字標明。
因此，步驟20-32基本相同，將碳化硅(SiC)粗粉末與去離子水混合形成預澆注混合物20。粗碳化硅粉末最大粒度在1000微米至2000微米之間，優選不超過1500微米。粗粒混合物所需水量一般不超過混合物總重量的9.5％，優選在4.5％至8.5％之間。
預澆注混合物形成20后，放入磨機22中，通過翻滾混合形成漿料24，將漿料倒入石膏模具26中。從模具28中除去水形成近似網狀結構的生坯30，接著干燥生坯32。
將金屬硅粉和碳粉混合物覆蓋生坯62。將生坯及周圍的硅粉及碳粉放到爐子中36。加熱至金屬硅熔點以上溫度38，一般在1500至2200攝氏度之間，硅化并反應粘合制品64。
步驟64中，一些硅與碳反應形成新的碳化硅，新形成的碳化硅通過反應粘合將生坯原來的顆粒粘合在一起。同時，剩余的硅填充任何殘余開放的孔隙產生致密化并在生坯的碳化硅結構周圍形成金屬硅基質，也就是硅化。
反應粘合和硅化完成后，將制品冷卻42并經過修整過程44。檢查制品46得到最終的粗晶粒RBSC澆注品66。
由于反應粘合提高了粘合強度，粗晶粒又具有較大的粒度，二者組合使得最終的產品66具有多種優良性能。其中一個性能就是耐磨性提高。有些情況下，粗晶粒RBSC的耐磨性可能要比細晶粒RBSC的耐磨性高25％。而且，RBSC產品即使是溫度升至硅的熔點溫度，粘合強度也幾乎不變。
圖3中，80所示是制品粗晶粒RBSC制品的另一種可選實例。該過程與圖2中所描述的過程基本相同，不同的是碳粉在步驟82中與預澆注混合物混合。在該實例中，生坯30僅在步驟84中被金屬硅包圍，因為附加的碳已經摻入到生坯中。得到的粗晶粒RBSC制品相同。
圖4中，100以表格形式顯示了預澆注混合物的優選實例。預澆注混合物100包括兩種類型的碳化硅粉末102及104，兩種粉末分別具有兩種粒度分布。第一種碳化硅粉末102在混合物100中的重量百分含量為37.36％±10％，最大粒度不超過15微米。第一種粉末102的純度在97.5％至100％之間。第二種碳化硅粉末104在混合物100中的重量百分含量為56.04％±10％，最大粒度不超過1400微米。第二種粉末104的純度在98.40％至100％之間。
去離子水106在混合物中的重量百分含量約為6.54％±2.0％。采用懸浮劑或分散劑108，例如硅酸鈉來防止碳化硅顆粒在漿料中的凝結或聚集。懸浮劑108在混合物100中的重量百分含量約為0.058％±0.05％。
上述混合物有時以干燥粉末組分的方式說明。也就是說，混合物中總的碳化硅粉末包括第一種102及第二種104粉末兩種組分。第一種粉末102在整體粉末中的重量百分含量為40％±10％，第二種粉末104在整體粉末中的重量百分含量為60％±10％，第一種及第二種粉末的組合基本上組成混合物中100％的碳化硅粉末。
上述預澆注混合物100用于前述在流程圖10，60及80中說明的示例方法中時，能有效生產具有大截面寬度的復雜硅化碳化硅制品。這類復雜形狀制品的例子包括礦物加工行業用的細研磨機或錐體，食品加工行業用的螺旋輸送機以及航空工業用的文丘里噴嘴。
盡管說明了一些優選的實例，在不背離本發明主旨和范圍的條件下可以修改和替換這些實例。因此，要理解的是，已進行的描述只是說明本發明而不是限制本發明。
權利要求
1.澆注硅化碳化硅制品的制造方法，包括提供由下列組分組成的預澆注混合物最大粒度在1000至2000微米之間的碳化硅粉末，水，水在混合物中的重量百分含量不超過9.5×；由混合物形成漿料；將漿料倒入模具中；在預定時間內從模具中除去水，形成固體多孔生坯；用金屬硅包圍生坯；加熱生坯機金屬硅至金屬硅熔點以上的預定溫度；硅化生坯形成硅化碳化硅制品。
2.如權利要求1所述的方法，包括用碳包圍生坯；加熱生坯，金屬硅及碳至金屬硅熔點以上的預定溫度；反應粘合生坯，金屬硅及碳形成反應粘合碳化硅制品。
3.如權利要求1所述的方法，包括預澆注混合物進一步含有碳粉；反應粘合生坯及整個包含在生坯內的碳粉以及金屬硅，形成反應粘合碳化硅制品。
4.如權利要求1所述的方法，包括形成截面厚度大于1.0英寸的硅化碳化硅制品。
5.如權利要求1所述的方法，包括在小于等于4小時的時間內從模具中除去水形成，多孔固體生坯；形成截面厚度約為3/4英寸至2英寸的硅化碳化硅制品。
6.如權利要求1所述的方法，包括在1500至2200攝氏度之間加熱生坯及金屬硅。
7.如權利要求1所述的方法，其中，混合物中的碳化硅粉末最大粒度不超過1500微米。
8.如權利要求1所述的方法，其中，混合物中的碳化硅粉末包含第一種碳化硅粉末，其最大粒度不超過15微米，在總的碳化硅粉末中的重量百分含量為40％±10％；第二種碳化硅粉末，其最大粒度不超過1400微米，在總的碳化硅粉末中的重量百分含量為60％±10％；第一種及第二種碳化硅粉末組成100重量％的碳化硅粉末。
9.如權利要求1所述的方法，預澆注混合物包含第一種最大粒度不超過15微米的碳化硅粉末，它在混合物100中的重量百分含量為37.36％±10％；第二種最大粒度不超過1400微米的碳化硅粉末，它在混合物100中的重量百分含量為56.04％±10％；水，它在混合物中的重量百分含量約為6.54％±2.0％。
10.如權利要求9所述的方法，預澆注混合物含有懸浮劑，懸浮劑在混合物中的重量百分含量為0.058％±0.05％。
11.如權利要求10所述的方法，懸浮劑是硅酸鈉。
12.如權利要求1所述的方法，成品是一種CRYSTAR RB。
13.用來澆注硅化碳化硅制品的預澆注混合物，包含最大粒度在1000至2000微米的碳化硅粉末，水，水在混合物中的重量百分含量不超過9.5％；
14.如權利要求13所述的預澆注混合物，混合物中的碳化硅粉末最大粒度不超過1500微米。
15.如權利要求13所述的預澆注混合物，混合物中的碳化硅粉末包含第一種碳化硅粉末，其最大粒度不超過15微米，在總的碳化硅粉末中的重量百分含量為40％±10％；第二種碳化硅粉末，其最大粒度不超過1400微米，在總的碳化硅粉末中的重量百分含量為60％±10％；第一種及第二種碳化硅粉末組成100重量％的碳化硅粉末。
16.如權利要求13所述的預澆注混合物，預澆注混合物包含第一種最大粒度不超過15微米的碳化硅粉末，它在混合物100中的重量百分含量為37.36％±10％；第二種最大粒度不超過1400微米的碳化硅粉末，它在混合物100中的重量百分含量為56.04％±10％；水，它在混合物中的重量百分含量約為6.54％±2.0％。
17.如權利要求16所述的預澆注混合物含有懸浮劑，懸浮劑在混合物中的重量百分含量為0.058％±0.05％。
18.如權利要求17所述的預澆注混合物，懸浮劑是硅酸鈉。
19.如權利要求15所述的預澆注混合物，以重量百分含量計，第一種碳化硅粉末的純度至少為97.5％；以重量百分含量計，第二種碳化硅粉末的純度至少為98.4％；
20.如權利要求13所述的預澆注混合物，混合物用于澆注一種類型的CRYSTARRB。
全文摘要
本發明涉及澆注硅化碳化硅制品的方法。該方法包括提供一種預澆注混合物，該混合物由顆粒最大粒度在1000至2000微米之間的碳化硅粉末及在混合物中的重量百分含量不超過9.5％的水組成。將由混合物形成的漿料倒入模具中。接著，在規定時間內從模具中除去水，形成多孔固體生坯。用金屬硅包圍生坯，加熱生坯至金屬硅熔點以上的預定溫度。金屬硅就將生坯硅化形成硅化碳化硅制品。
文檔編號C04B14/32GK1726105SQ200380106282
公開日2006年1月25日 申請日期2003年10月21日 優先權日2002年11月12日
發明者J·M·穆爾, N·I·小帕勒 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司