Способ пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, и устройство для его осуществления
METHOD OF IMPREGNATION WITH SILICON OF HOLLOW ARTICLES FROM POROUS MATERIAL CONTAINING SILICON CARBIDE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству керамических огнеупорных изделий на основе карбида кремния, используемых в полупроводниковой технологии, ядерной энергетике, например, при изготовлении пеналов для захоронения радиоактивных отходов.
Известен способ пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, и устройство для его осуществления, заключающееся в пропитки кремнием полых изделий в безокислительной среде путем контактирования нагретого изделия с перегретым расплавом кремния. Устройство для пропитки предусматривает подачу кремния к изделию с помощью питателя, представляющего собой ленту из углеграфитового войлока, помещаемую одним концом в тигель с расплавом кремния, нагреваемый резистивным нагревателем, а другим контактирует с пропитываемым кремнием изделием (Авт. св. СССР №1243311, кл. C04B 35/56, 1984).
Недостатком указанного способа и устройства является низкое качество поверхности пропитанных кремнием изделий, обусловленное следующими причинами. Кристаллизация кремния происходит от краев изделия к середине, при этом кремний, увеличиваясь в объеме, оттесняется к средней части изделия и на последней стадии выделяется в виде капель как на внешней, так и на внутренней поверхности изделия. Для удаления капель используют механическую обработку абразивным инструментом. Обработка длинномерных изделий крайне затруднительна, трудоемка и часто приводит к разрушению изделий, особенно изделий сложной формы.
-1
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, и устройство для его осуществления, заключающиеся в приведении изделия в контакт с расплавом кремния с помощью элемента с капиллярной структурой, нагреве кремния до 1430-1700°C и изделия до 1260-1400°C, выдержке при указанных температурах и охлаждении при осевом градиенте температуры в изделии 25-60°C⋅м, а устройство для пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, включает герметичную камеру, установленные в ней цилиндрический резистивный нагреватель, тигель, питатель, выполненный из материала с капиллярной структурой, подставку и экран, расположенный между нагревателем и изделием, имеющий высоту не менее высоты изделия и имеющий толщину b по высоте, определяемую по формуле
,
1
где Т - температура изделия, °С;
z
T - температура расплава, °C;
Н - высота экрана, мм;
h - расстояние от основания экрана, мм;
30 - экспериментальный коэффициент, мм;
(Патент RU №2008298, кл. C04B 35/56, 22.04.1991).
Недостатками известного способа и устройства пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния являются неудовлетворительный выход годных изделий и низкое качество их поверхности.
Эти недостатки связаны с тем, что на нижнем торце изделия образуются капли кремния, которые удаляются обрезанием вместе с частью изделия, что снижает выход годного, а в местах касания элемента с капиллярной структурой, по которому перемещается расплав из-за взаимодействия элемента с капиллярной структурой с изделием, образуются наплывы, ухудшающие качество поверхности, которые необходимо удалять механической обработкой абразивным инструментом.
Целью изобретения является повышение выхода годных изделий и улучшение качества их поверхности.
-1
Поставленная цель достигается тем, что в способе пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, заключающемся в приведении изделия в контакт с расплавом кремния с помощью элемента с капиллярной структурой, нагреве кремния до 1430-1700°C и изделия до 1260-1400°C, выдержке при указанных температурах и охлаждении при осевом градиенте температуры в изделии 25-60°C⋅м, согласно изобретению транспортирование кремния к изделию осуществляется по элементу с капиллярной структурой, оканчивающемуся наконечником из кварцевой трубки с капиллярным центральным отверстием, обеспечивающем истечение расплава кремния со скоростью 15-25 г/мин.
Устройство (фиг. 1) для пропитки кремнием полых изделий из пористого материала, содержащего карбид кремния, состоящее из герметичной камеры 1, установленного в ней резистивного нагревателя 2, тигля 4, питателя 5, выполненного из материала с капиллярной структурой, подставки 7 и экрана 3, расположенного между нагревателем и изделием 6, имеющего высоту не менее высоты изделия и переменную толщину b по высоте, определяемую по формуле
,
1
где Т - температура изделия, °C;
z
T - температура расплава, °C;
Н - высота экрана, мм;
h - расстояние от основания экрана, мм;
30 - экспериментальный коэффициент, мм,
согласно изобретению транспортирующий расплавленный кремний к изделию от тигля элемент с капиллярной структурой оканчивается наконечником из кварцевой трубки с капиллярным центральным отверстием диаметром 0,5-1,0 мм и расположенным над пропитываемой заготовкой на расстоянии 5-10 мм.
Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достижением поставленной цели заключается в следующем. В изобретении пропитка пористых изделий из карбида кремния осуществляется капельным методом через кварцевую трубку с капиллярным центральным отверстием, обеспечивающем скорость истечения расплава кремния со скоростью 15-25 г/мин. Зная пористость заготовки (≈70%), представляется возможность обеспечить такой расход и количество расплава кремния для пропитки, которое необходимо для полного заполнения пористой структуры заготовки (не более и не менее). Таким образом исключается образование капель и наплывов на поверхности изготавливаемых изделия, что требует их удаления и приводит к снижению выхода годного. Кроме того, капиллярная кварцевая трубка не контактирует с пропитываемой кремнием заготовкой, что исключает образования наплывов и ухудшение качества поверхности изделий.
Параметры, характеризующие диаметр центрального отверстия кварцевой трубки (0,5-1,0 мм) обеспечивает истечение расплава кремния со скоростью 15-25 г/мин, т.к. при скорости менее 15 г/мин и диаметре менее 0,5 мм капиллярное отверстие в трубке будет забиваться кремнием, а при скорости истечения кремния более 25 г/мин и диаметре капиллярного отверстия более 1,0 мм расплав кремния будет поступать в заготовку в избыточном количестве и стекать по ее поверхности, образовывая наплывы, ухудшающие качество поверхности изделия. Зазор между пропитываемой кремнием заготовкой и кварцевой трубкой (0,5-1,0 мм) исключает образование между ними капель и наплывов и установлен экспериментально.
Пример
Пропитывают расплавом кремния трубу длиной 450 мм, диаметром 200 мм, толщиной стенки 5 мм. Труба сформована из смеси порошков карбида кремния, сажи и пульвербакелита. Состав шихты материала трубы:
Порошок SIC марки 64С зернистость М28 - (80% вес.);
Технический углерод (сажа) марки П803 - (10% вес.);
Пульвербакелит (связующее) марки СФП-012-А2 - (10% вес.).
-2
Схема пропитки представлена на фиг. 1. Карбонизованную трубу (6) устанавливают в герметичную вакуумную камеру (1) с графитовым нагревателем (2). На подставку из графита (7) устанавливают кварцевый тигель (4), в котором помещают концы 6 штук питателей (5), на которых размещают куски кремния. Питатели представляют собой ленты шириной примерно 15 мм из пористого углеродистого материала (войлок), имеющего капиллярную структуру. Другие концы питателей направляют на торец пропитываемой трубы. На этих концах питателей с помощью графитовых нитей закрепляют кварцевые трубки длинной 20 мм; внутренний диаметр трубки 0,5-1,0 мм. Расстояние между торцем и пропитываемого изделия и концами трубок примерно 10 мм. После откачки среды до давления в камере 5⋅10 мм рт. ст. включают нагрев и поднимают температуру со скоростью 30°С/ч до температуры 1600°С в тигле с кремнием и 1430-1700°С на изделии.
-1
Пропитку осуществляют при истечении кремния со скоростью 15-25 г/мин, что достигается изменением диаметра капилляра кварцевой трубки от 0,5 до 1,0 мм. После завершения пропитки в течение 20 мин проводили охлаждении изделия при осевом градиенте температуры в изделие 25-60°С⋅м.
По внешнему виду изделие не содержит потеков, налипов и капель кремния. Отсутствие этих дефектов объясняется использованием метода бесконтактного силицирования. По данному примеру было получено 20 труб. Выход годных после минимальной механической обработки составил 97-99% (см. таблицу).
В таблице приведены примеры выполнения заявленного способа пропитки кремнием полых изделий из пористого материала и устройства для его осущесвления (примеры 1-3) в соответствии с известным способом и устройством (пример 4).
Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный способ пропитки кремнием полых изделий из пористого материала и устройства для его осуществления (примеры 1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом и устройством (пример 4) повышение выхода годных изделий и улучшение качества их поверхности.