DD296476B5 - Verfahren zur herstellung von sic'-formkoerpern - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Siliciumcarbidformkörpern für die Filtration schmelzflüssiger Metalle.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Siliciumcarbidformkörper mit einer geeigneten Porenstruktur werden aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit als Filterelemente zur Reinigung von Metallschmelzen verwendet. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, nach denen derartige poröse SiC-Körper erzeugt werden.

Nach einem Verfahrensprinzip wird ein offenzelliger Kunststoffschwamm mit einem Schlicker aus feinstkörnigem SiC und einem keramischen Bindemittel getränkt und nach dem Trocknen bei Temperaturen um 1275 K geglüht. Der Kunststoff wird dabei thermisch zersetzt und der SiC-Schlicker liegt als fester Körper mit der Porenstruktur des ursprünglichen Kunststoffschwammes vor.

Bei solchen SiC-Filtern ist jedoch von Nachteil, daß sie infolge der geringen Wanddicken leicht ausbrechen, was zu schwerwiegenden Beschädigungen in den der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen aber zumindest zu unerwünschten Verunreinigungen des Metalles führen kann. Des weiteren ist die Filterwirkung von Schaumkeramiken auf gröbere Partikel in der Schmelze beschränkt.

Die Standzeit und der Durchsatz flüssigen Metalles ist bei solchen Filtern relativ niedrig.

Erschwerend kommt hinzu, daß das гиг Herstellung derartiger Filter benötigte Schaumpolyurethan bei der thermischen Zersetzung umweltschädigende Pyrolyseprodukte erzeugt, die mittels aufwendiger nachgeschalteter Reinigungsanlagen entsorgt werden müssen.

.Wesentlich bessere Ergebnisse werden mit einem ebenfalls handelsüblichen Filterelement erzielt, bei dem Korund- oder Siliciumcarbidkörner über oxidkeramische oder arteigene Bindemittel verbrückt sind. Das eingesetzte Primärkorn ist kompakt und von abgerundeter Form, wobei die häufigsten Raumachsverhältnisse im Kombinationsbereich von 1:1:1 (Ku'gelkorn) bis 1:2:3 (ovales Korn) liegen. Diese Filterelemente weisen eine erhöhte Standzeit und einen von 3- bis zu 10fach höhenen Durchsatz auf.

Als sehr nachteilig wird jedoch empfunden, daß die Bindemittelbrücken, bedingt durch Materialunterschiede zwischen Korn und Bindemittel, die sich unter anderem in unterschiedlichem Temperaturdehnungsverhalten auswirken, sehr brüchig sind. Die Strukturanalyse am Materialanschliff zeigte auf, daß bereits am unbenutzten Filter die Bindemittelbrücken von Mikrorissen durchzogen waren. Diese Mikrorisse sind die Ursache für die Brüchigkeit und damit für die beobachteten Kornausbrüche. Das kann sich auf die der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen verheerend auswirken und Ausschuß verursachen. Die mit der Nutzung der Filterelemente zwangsläufig auftretenden chemischen Veränderungen der Bindemittelbrücken durch die Medien-und Temperatureinflüsse verstärken diesen Negativeffekt. Es kommt zur Kristallisation der Glasphase und erhöhter Rissigkeit des Bindemittels und somit zur weiteren Gerüstschwächung.

Die in der DE-OS 3603331 beschriebene Verwendung tafelförmiger SiC-Kristalle verbessert zwar die Festigkeitseigenschaften graduell, kann aber die eigentlichen Schwachstellen-die durch Mikrorisse geschwächten Bindemittelbrücken- nicht prinzipiell beeinflussen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, ein keramisches Bindemittelsystem für die Herstellung poröser SiC-Formkörper anzugeben, das eine hohe Festigkeit der Bindung über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen gewährleistet.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine feste keramische Bindung zwischen SiC-Körnern durch Tränkung des Kornhaufwerkes mit einer glasbildende Stoffe enthaltenden Lösung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der wäßrigen Lösung Feststoffe, wie Borcarbid, Siliciumcarbid und Silicium, mit einer Korngröße von max. 80pm suspendiert sind, wobei das Borcarbid zur Summe Siliciumcarbid und Silicium in

einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1stehen.

Der Anteil der suspendierten Feststoffe in der Lösung beträgt 5% bis 20%. Es hat sich gezeigt, daß das Borcarbid bei längerem Gebrauch unter Anwendungstemperatur Bortrioxid bildet und der infolge Medien- und Temperatureinfluß einsetzenden Bindungsschwächung, z. B. durch Kristallisation und Rissebildung, durch Glasneubildung entgegenwirkt. Der Zusatz von Siliciumcarbid und Silicium in bestimmten Mengenverhältnissen, die im Zusammenhang stehen mit der

unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit zur Bildung des Oxydationsproduktes Siliciumdioxid, stabilisiert den Ablauf der

Alterungskompensation. Zur Herstellung des Formkörpers wurde auch ein spezielles SiC-Korn verwendet, das eine offene Mikroporosität von 10 Vol.-%

bis 20 Vol.-% aufwies.

Das Porenvolumen dieses mikroporösen Spezialkorns wirkt einerseits als Reservoir für die glasurbildende Bindemittellösung,

was sich für die Bindemittelbrücken als außerordentlich verstärkend erwies.

Ein zweiter noch wesentlicherer Effekt wurde vermutlich durch die Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit und die vermehrte Bildung filtrationsaktiver Zentren an der Kornoberfläche infolge der Mikroporosität bewirkt, welcher überraschenderweise zur Abscheidung von Feststoffteilchen führte, deren Größe nur einem Bruchteil des Durchmessers der Filterporen entsprachen. Um eine vergleichbare Wirkung zu erzielen, war es bislang erforderlich, den Filter in einem komplizierten Verfahren mit

keramischen Mikrofasern zu beschichten.

Diese qualitativ und quantitativ filtrationsverbessernde Wirkung des ursprünglich mikroporösen Korns war unerwartet, da die Mikroporen durch die gebildete Glasur verschlossen werden und an dem Filtrationsvorgang primär nicht mehr beteiligt sein

können und konnte nur in dem angegebenen Porenvolumenbereich von 10VoI.-% bis 20Vol.-% beobachtet werden.

Ausführungsbeispiel

4000 g einer Körnung aus prismatisch gebrochenem SiC, entnommen einer Siebfraktion von 3,15 mm bis 6,00 mm, mit einer Einzelkornrohdichte von durchschnittlich 2,5g/cm³ und den häufigsten Raumachsverhältnissen von 1:1,1:2,2 bis 1:3,2:5,6 sowie einer offenen Mikroporosität von 16Vol.-%, wurde mit 1930g einer wäßrigen Suspension, die die wasserlöslichen Salze von

18,13 g K₂O

7,65g Na₂O 13,38 g CaO

9,75g MgO 40,96g AI₂O₃ 292,18g SiO₂ (in kolloider Form)

und die Feststoffe von

72,00g B₄C (max. Korngröße 75pm) 12,00g Si (max. Korngröße 40pm) 138,00g SiC (max. Korngröße 30 pm)

enthielt, gemischt. Der Anteil der Feststoffe in der Suspension betrug somit 11,5% und das B₄C stand zum summarischen Anteil

Si und SiC in einem molaren Verhältnis von 1:5,4, worin sich die molare Relation von SiC zu Si wie 8:1 verhielt. Die erhaltene breiige Masse wurde abgeformt und mit der Form bei 200°C getrocknet. Danach wurde der erhaltene Körper aus

der Form entfernt und bei einer Endtemperatur von 1625 K in oxidierender Atmosphäre gebrannt.

Es entstand ein offen-makroporöser Formkörper, dessen SiC-Körner allseitig mit einer glasigen Schicht umhüllt und fest

miteinander verbrückt waren. Die Strukturanalyse eines Materialanschliffes ergab eine von Mikrorissen freie, gut ausgebildeteglasartige Bindung.

Die ermittelte Makroporosität betrug 42Vol.-%.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, indem ein SiC-Korngemisch mit einer glasbildenden Stoffe enthaltenden wäßrigen Lösung gemischt, anschließend abgeformt, getrocknet und bei Temperaturen um 1625K gebrannt wird, gekennzeichnet dadurch, daß in der Lösung Borcabid, Siliciumcarbid und Silicium mit einer maximalen Korngröße von eOMmsuspendiertsind, wobei Borcarbid zurSummje Siliciumcarbid und Silicium in einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1 stehen und der Anteil der suspendierten Feststoffe in der Lösung 5% bis 20% beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das SiC-Korngemisch primär eine offene Mikroporosität von 10Vol.-% bis 20Vol.-% besitzt.