專利名稱：一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部陶瓷材料的制造方法。
背景技術(shù)：
碳化硅發(fā)熱元件是各種電爐和工業(yè)窯爐的發(fā)熱元件。發(fā)熱元件的端部稱為冷端部，中段稱為發(fā)熱部。冷端部用于與導(dǎo)線的連接，要求具有低的電阻，以避免發(fā)熱氧化造成與導(dǎo)線接觸電阻的增加，降低冷端/發(fā)熱部電阻比有利于降低發(fā)熱元件無用功率消耗，達(dá)到節(jié)能的效果。
在本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術(shù)中，降低冷端部電阻的方法主要有1.在冷端部和發(fā)熱部截面積相同和接近的情況下，提高冷端部中金屬導(dǎo)電相和β-SiC的比例，降低冷端部的電阻率；2.在冷端部和發(fā)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，采用特殊的工藝與發(fā)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(shù)上存在很大的難度。因此提高冷端部中金屬導(dǎo)電相的比例是降低冷端部的主要方法?？梢杂米鲗?dǎo)電相的成分主要包括硅、鋁，以及鉬、鎢、鉻、鉭、鈮、釩、鋯、鈦的硅化物。
(日本專利昭56-54782)直接將含一定孔隙率的燒結(jié)好的碳化硅浸漬在鉬、鎢、鉻、鉭、鈮、釩、鋯、鈦的硅化物超細(xì)粉末懸浮液中，經(jīng)干燥脫水，在1500℃燒結(jié)10分鐘，金屬硅化物填充孔隙，制得的相對致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(jié)好的碳化硅，得到致密的碳化硅/鋁冷端部，冷端部電阻可大幅度降低。
浸漬多孔碳化硅的制備主要采用瀝青為結(jié)合劑，加入碳化硅、石油焦、石墨粉、炭黑，以及木屑等造孔劑，使用蒸汽加熱，在大型液壓機上反復(fù)混練，并擠壓成管狀坯體，將擠壓成形后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?zé)?，得到碳化?碳的生坯體，隨后在阿奇遜電阻爐中填埋石油焦、碳化硅、木屑等1900℃高溫?zé)Y(jié)得到α-SiC多孔碳化硅基體。
直接高溫?zé)Y(jié)制備碳化硅發(fā)熱元件冷端部的技術(shù)中常用碳化硅、石油焦、無定型石墨粉，醇溶性酚醛樹脂為結(jié)合劑，加入機油、木屑，成型后烘干，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?zé)玫蕉嗫着黧w，將坯體埋在金屬硅粒之中，在1900℃以上的高溫條件下燒結(jié)，制備得到含游離硅的α-SiC碳化硅冷端部，電阻也可明顯降低。
在專利(ZL95100397)中提到冷端部采用碳化硅、石墨粉、炭黑、聚乙烯醇、硅粉、硼酸按一定比例混勻、擠壓成型烘干，將烘干后的坯體在蒸汽加熱的瀝青中進(jìn)行浸漬，最后在1800～1900℃燒成。
目前碳化硅發(fā)熱元件冷端部的幾種制造方法存在明顯不足粉末或熔融金屬浸漬技術(shù)，要求首先制備得到多孔燒結(jié)碳化硅，在制備多孔碳化硅時，在成型配料時往往采用加入木屑或其它有機造孔劑，采用瀝青作為結(jié)合劑，成型過程需蒸汽加熱；擠壓成形后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(jìn)行素?zé)瑸r青在加熱過程易變形；最后高溫?zé)Y(jié)。這種技術(shù)工序復(fù)雜、成本高、能量消耗大，使用瀝青對環(huán)境和操作人員的身體健康有危害。
粉末浸漬時，要求金屬硅化物粉末為微米級(一般小于5微米)，懸浮液的制備技術(shù)難度大，需要采用特殊的設(shè)備進(jìn)行浸漬，一般情況下只能浸漬填充與外表面相通的顯氣孔，浸漬物脫水高溫干燥后不能達(dá)到對孔隙的完全填充，浸漬物與基體碳化硅結(jié)合不好，這種技術(shù)存在制造困難，使用性能不穩(wěn)定的問題。
采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(fā)熱部接觸部位會由于高溫造成金屬鋁或鋁合金熔化、流失。
采用粉末浸漬或鋁、鋁合金浸漬制備得到的碳化硅冷端部主晶相為α-SiC和浸漬物相。
直接高溫?zé)Y(jié)制備碳化硅發(fā)熱元件冷端部的技術(shù)由于采用木屑等造孔劑，成型時需加入大量機油，需在還原性條件下900～1000℃素?zé)?，同時該技術(shù)采用的配方中碳化硅含量低，在后續(xù)1900℃以上高溫?zé)Y(jié)時所需金屬硅加入量高。這種工藝制備得到的冷端部主晶相為α-SiC和游離硅，游離硅含量難以控制，殘留碳含量高，同時材料消耗與能源消耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述幾種制造方法存在的明顯不足，本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，使制備得到的碳化硅顆粒度可以調(diào)整、制備工序少、電阻性能可調(diào)、有較好的電阻一致性、主晶相為α-SiC、β-SiC和游離硅、各種相含量可控的致密的碳化硅發(fā)熱元件冷端部。
本發(fā)明碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，包括配料、干燥、碾壓、造粒、過篩、擠壓、烘干、燒結(jié)工藝步驟，其特征在于具體工藝步驟為步驟1將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30～0.90的碳化硅粉料、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的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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℃溫度下干燥處理；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥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硅成形坯體；步驟10坯體進(jìn)行切割等后加工工序，達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1450～1850℃，保溫0.5～4小時燒結(jié)，隨爐冷卻，得到主晶相為α-SiC、β-SiC和游離硅的致密發(fā)熱元件冷端部。
圖1本發(fā)明制得的碳化硅發(fā)熱元件冷端部X射線結(jié)果所顯示的α-SiC、β-SiC、Si的含量示意2金相顯微鏡中本發(fā)明制得的碳化硅發(fā)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(xiàn)有技術(shù)制得的碳化硅發(fā)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(jié)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(dǎo)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(fā)明制的碳化硅發(fā)熱元件冷端部中與現(xiàn)有技術(shù)相比，Si的含量及材料致密度程度要好的多。
具體實施例方式
實施例1步驟1將粒度號30目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35，粒度號80目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃，保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
實施例2步驟1將粒度號60目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；
步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘后密封；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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
實施例3步驟1將粒度號120目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60，粒度號180目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
本發(fā)明效果
(1)用本發(fā)明方法可以制備出主晶相為α-SiC、β-SiC和游離硅的致密發(fā)熱元件冷端部；(2)所制備出的碳化硅發(fā)熱元件冷端部中α-SiC和β-SiC含量比例可以調(diào)整；(3)所制備出的碳化硅發(fā)熱元件冷端部中游離硅含量在8～40體積％內(nèi)可調(diào)；(4)所制備的碳化硅發(fā)熱元件冷端部電阻可調(diào)；(5)所制備的碳化硅發(fā)熱元件冷端部達(dá)到98％理論密度，氣孔率≤2％，抗氧化、強度高、壽命長；(6)本發(fā)明方法適用于各種不同規(guī)格、不同形狀的冷端部制造，性能均勻、穩(wěn)定，遠(yuǎn)高于目前的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，包括配料、干燥、碾壓、造粒、過篩、擠壓、烘干、燒結(jié)工藝步驟，其特征在于具體工藝步驟為步驟1將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30～0.90的碳化硅粉料、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的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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℃溫度下干燥處理；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥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硅成形坯體；步驟10坯體進(jìn)行切割等后加工工序，達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1450～1850℃，保溫0.5～4小時燒結(jié)，隨爐冷卻室溫，得到主晶相為α-SiC、β-SiC和游離硅的致密發(fā)熱元件冷端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，其特征在于具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號30目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35，粒度號80目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20的石油焦粉末、0.10的石墨粉、0.10的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃，保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，其特征在于具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號60目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20的石油焦粉末、0.05的石墨粉、0.10的硅粉，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘后密封；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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅發(fā)熱元件冷端部的制造方法，其特征在于具體工藝步驟為還可為步驟1將粒度號120目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60，粒度號180目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25的碳化硅粉料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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，常溫放置干燥；步驟4將干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(zhì)量分?jǐn)?shù)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在室溫靜置干燥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(jìn)行切割等后加工工序，產(chǎn)品長度300mm；步驟11坯體放入真空氣氛燒結(jié)爐，周圍填埋工業(yè)硅顆粒，升溫至1650℃保溫2小時燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化硅發(fā)熱元件發(fā)熱部陶瓷材料的制備工藝，包括12個工藝步驟，碳化硅、石油焦粉、石墨粉、活性炭粉、硅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)爐1450℃～1850℃燒結(jié)，得到主晶相為α－SiC，具有一定氣孔率的發(fā)熱元件發(fā)熱部。本發(fā)明制備出主晶相為α－SiC，氣孔率可調(diào)，游離硅含量＜2％的發(fā)熱元件發(fā)熱部；電阻可控制，均勻性好；可使用大顆粒碳化硅作為原料，燒結(jié)產(chǎn)品晶粒大，抗氧化，強度高；適用于各種不同規(guī)格、不同形狀的發(fā)熱部制造，性能均勻、穩(wěn)定，遠(yuǎn)高于目前的技術(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)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(xué)