專利名稱：一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫電阻爐發(fā)熱元件，特別涉及一種一體化干壓成型硅鉬棒的生產(chǎn)工藝。
二硅化鉬是一種耐高溫、抗氧化、低老化的特種陶瓷材料。二硅化鉬發(fā)熱體是一種高溫電阻爐的發(fā)熱元件，可以制成棒狀、U形、W形、螺管形等形狀，通常稱作“硅鉬棒”。棒兩端較粗的部分為“冷端”，端頭噴鋁的部分為接線端，棒中間較細(xì)的部分用作發(fā)熱，為“熱端”。該冷、熱端之間通過(guò)錐體部分過(guò)渡。硅鉬棒是一種致密的金屬陶瓷材料，由MoSi2晶體相和金屬玻璃相組成。在高溫含氧氣條件下，其表面會(huì)生成一層抗氧化性能極強(qiáng)的又具有自清潔作用的半導(dǎo)體金屬玻璃保護(hù)層。硅鉬棒可使用的爐體最高溫度為1600℃～1900℃，是在氧化氣氛中使用的最理想的高溫發(fā)熱材料。硅鉬棒可廣泛應(yīng)用于冶金、煉鋼、玻璃、陶瓷、晶體的制造和燒結(jié)，特別用于生產(chǎn)高性能陶瓷、精密金屬陶瓷、玻璃纖維、光導(dǎo)纖維及高級(jí)合金鋼。
現(xiàn)有的硅鉬棒都是通過(guò)練泥機(jī)混練擠壓成形，其冷、熱端之間是通過(guò)焊接連接起來(lái)的。焊接部位材料組份突變、晶相應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力較大、接觸電阻較大，因此不可避免地造成整體強(qiáng)度降低，局部過(guò)熱經(jīng)不起電熱沖擊，焊接部位脆弱極易斷裂。
該擠壓成型硅鉬棒制成U形、W形棒時(shí)，熱端彎曲部分都是在直棒燒結(jié)完成后再以局部保護(hù)加熱彎曲成形的，因此不可避免地會(huì)造成局部結(jié)晶體變化，破壞了原來(lái)棒體晶體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了棒體的機(jī)械強(qiáng)度，造成彎曲部位在使用中斷裂較多的主要隱患。擠壓成型發(fā)熱棒屬于混晶相結(jié)構(gòu)，老化程度較大。
本發(fā)明的目的是提供一種新的一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝，其冷、熱端之間通過(guò)粉料過(guò)渡壓制而成，冷、熱端之間融為渾然一體，均勻過(guò)渡。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝第一步制備MoSi2基礎(chǔ)料采用高純度的金屬原料Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉，通過(guò)自蔓延合成放熱反應(yīng)，制得硅鉬棒制品的基礎(chǔ)組份原料；將Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉加入球磨罐內(nèi)混和、球磨，并按料∶球＝4∶9(重量比)加入碳化鎢磨球，充氮?dú)夂笠黄鹎蚰?0～24小時(shí)；再自蔓延合成反應(yīng)，將粉料裝入反應(yīng)釜中通H2氣，在反應(yīng)釜的碳電極和鉬電極間通低電壓大電流，當(dāng)電流增至10～25A時(shí)放電開(kāi)始，這時(shí)在反應(yīng)釜的出口處能使氫氣著火發(fā)出籃色火焰，反應(yīng)溫度大于2000℃，為放熱加速反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)3～5分鐘，當(dāng)火焰發(fā)紅時(shí)反應(yīng)結(jié)束，從反應(yīng)釜外壁夾層中通冷卻水冷卻30～45分鐘；將反應(yīng)物從釜中取出，用碳化鎢干式粉碎機(jī)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下粉碎，通過(guò)粉碎機(jī)內(nèi)篩子篩過(guò)，顆粒達(dá)0.5～1mm級(jí)；然后按料∶球＝4～5∶1的比例球磨24～36小時(shí)。
第二步配料配制一種由高熔點(diǎn)氧化物為主晶相和陶瓷玻璃相所組成的高溫電熱材料，配方為MoSi2粉∶高溫陶瓷添加劑＝11～14∶1(重量比)，再加入適量的酒精；按料∶球＝1∶3的比例(重量比)，將配料以振動(dòng)球磨6小時(shí)，再以滾動(dòng)球磨機(jī)球磨24～36小時(shí)；將球磨后的粉料攤開(kāi)于干凈搪瓷盤(pán)中，放入真空烘干機(jī)中以50℃～60℃逐漸升溫烘干，中途要不斷攪拌，烘干后過(guò)細(xì)篩；然后加成型粘合劑，按粉料重量的1％～2％稱好石蠟，按粉料重量的0.5％～1％稱好聚乙稀醇或硬脂酸，備適量溶劑和酒精，將上述成分用水浴槽加熱至溶化，雜質(zhì)由絲網(wǎng)濾去，再加入于充氮攪拌過(guò)濾機(jī)內(nèi)的粉料中混勻、烘干、過(guò)細(xì)篩。
第三步造粒第一次造粒，將加有成型粘合劑混磨烘篩過(guò)的粉料裝入專用模具組，用三軸壓機(jī)大于80MPa干壓成型，然后在干式粉碎過(guò)濾機(jī)內(nèi)砸碾成碎塊，在充氮研磨旋轉(zhuǎn)造粒機(jī)內(nèi)細(xì)研造粒通過(guò)30～40目篩；第二次造粒，重復(fù)第一次造粒工序，先后過(guò)40～50目篩和60～70目篩，使顆粒度在40～70目之間。
第四步壓制成型將顆粒度為40～70目的粉料分別稱粉；將粉料分別裝入模具組中相應(yīng)投料位置密封、抽真空、充氮?dú)?；再將超聲換能器組安置于工作位置，連通熱壓機(jī)組的壓力、溫度檢測(cè)系統(tǒng)，并連通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組輸出、檢測(cè)系統(tǒng)；開(kāi)通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組，使頻率在900～3000MHz之間輸出，使功率輸出在5～450kW之間按要求變化；開(kāi)通熱壓機(jī)組，按壓機(jī)操作程序和工藝卡參數(shù)干壓成型；然后脫模，浸入乳膠桶，完成棒坯乳膠膜密封；將乳膠袋吊裝于等靜壓機(jī)中，按等靜壓機(jī)操作規(guī)程和工藝卡參數(shù)加工；最后撕去乳膠膜，平置于石墨舟中。
第五步排除成型粘合劑干壓成型后的坯體通過(guò)熱分解反應(yīng)，除去幫助成型的有機(jī)粘合劑，留下發(fā)熱元件應(yīng)有的材料組分，準(zhǔn)備燒結(jié)反應(yīng)；通H2氣體于爐中，按每小時(shí)50℃的升溫速度至650℃～700℃，保溫2～3小時(shí)。
第六步高溫固相燒結(jié)使工件在高溫及保護(hù)氣氛下充分反應(yīng)生成MoSi2主晶相和陶瓷玻璃相，并盡量排除氣孔成為一種致密的特種金屬陶瓷材料，制成高溫發(fā)熱元件；按操作規(guī)程開(kāi)啟氨發(fā)氫氮設(shè)備，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)；高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組先通氮?dú)?，清潔爐膛，并去除空氣；氨發(fā)氫氮設(shè)備供氫氣時(shí)，在燒結(jié)爐氫氣出口處點(diǎn)火，并控制氫氣輸出壓力為0.15MPa；按高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組操作規(guī)程通電升溫，燒結(jié)溫度按產(chǎn)品燒成曲線確定；用光學(xué)高溫計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)高溫區(qū)爐溫，并經(jīng)常與高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組設(shè)備的溫度數(shù)字顯示的讀數(shù)校對(duì)；每隔一定時(shí)間向爐內(nèi)定時(shí)推進(jìn)一只石墨舟，與前一舟首尾相接，燒結(jié)時(shí)間按產(chǎn)品燒成曲線確定；每只石墨舟經(jīng)過(guò)整個(gè)爐身各區(qū)段，由爐子出口處定時(shí)取出。
第七步除氫除氣處理去除燒結(jié)過(guò)程中所殘留在棒體內(nèi)的氫氣和其它氣體，將燒成品硅鉬棒置于石墨舟上放于真空爐內(nèi)，開(kāi)通機(jī)組抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度保持為10-2mmHg，逐步升溫至650℃保溫保真空60～80分鐘，保持真空，關(guān)斷加熱電源，令其自然冷卻至100℃以下時(shí)關(guān)斷真空機(jī)組電源，向爐內(nèi)放氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅鉬棒。
第八步初始玻璃化在成品硅鉬棒表面生成一層SiO2-MoSi2玻璃體，將硅鉬棒隧道爐內(nèi)清掃干凈，接入氧氣于高溫區(qū)段，保持氣壓表壓力顯示為0.15～0.2MPa，使?fàn)t體升溫，高溫區(qū)最高溫度達(dá)到1580℃，空燒2小時(shí)以上，將除氫除氣后的硅鉬棒平置于硅鉬網(wǎng)格舟上，順序推入隧道爐內(nèi)，在1480℃～1530℃～1580℃溫區(qū)保持2～4小時(shí)，逐步推出爐道。
第九步高溫沖擊老化檢測(cè)硅鉬棒隱含缺陷，消除早期故障，將初始玻璃化后的硅鉬棒，置于硅鉬網(wǎng)格舟上快速平推入已升溫至1650℃并保溫半小時(shí)以上的箱式電爐爐膛之中，關(guān)閉爐門(mén)，十五分鐘后打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，令其自然冷卻至室溫，以金相顯微鏡觀察其表面，不可有可見(jiàn)損傷和裂紋；將高溫沖擊后的硅鉬棒冷端噴砂處理后，用鋁箔纏繞并用專用夾頭夾持，并垂直懸置于無(wú)硅鉬棒的爐膛內(nèi)，接通額定工作電壓半小時(shí)后斷電，立即打開(kāi)爐門(mén)，隔半小時(shí)再接通額定工作電壓，持續(xù)半小時(shí)后關(guān)斷電源，打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，冷卻后測(cè)量電阻值，其不應(yīng)有明顯變化，表面不可有可見(jiàn)損傷。
第十步噴砂、噴鋁電極在發(fā)熱元件兩冷端噴涂鋁導(dǎo)電層作為電極引出線，為保證外形美觀，先用金剛砂專用刀具修除壓制時(shí)所出現(xiàn)的飛邊，并磨平兩端面；噴砂打毛冷端二引出線端，以提高鋁導(dǎo)電層附著力；按噴鋁和操作規(guī)程對(duì)冷端二引出線端面和側(cè)面進(jìn)行噴涂。
本發(fā)明所述的一體化干壓成型硅鉬棒發(fā)熱體是用粒度小于1μm的金屬鉬粉、硅粉、鎢粉、鉭粉等經(jīng)自蔓延反應(yīng)后與陶瓷添加劑混合，粉碎細(xì)化，經(jīng)預(yù)金屬化后分別在超聲和等靜壓下干壓成型，經(jīng)區(qū)域燒結(jié)及老化、后處理、初始玻璃化、噴涂電極而制成。一體化干壓成型硅鉬棒既消除了應(yīng)力集中，也無(wú)材料組份突變；既能耐受電熱沖擊，強(qiáng)度也大為提高。
由于采用了特殊的粉末冶金和金屬陶瓷工藝，晶體結(jié)構(gòu)完整、有序，因此，機(jī)械強(qiáng)度大大提高，使用壽命延長(zhǎng)，初始強(qiáng)度大。在最高使用溫度以下無(wú)相變影響和損壞，高溫塑性變形小，不存在表面玻璃體的剝落、崩片或炸裂現(xiàn)象，升溫迅速，允許熱負(fù)荷高。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。


圖1是現(xiàn)有的擠壓成型硅鉬棒制造工藝流程圖。
圖2是本發(fā)明的一體化干壓成型硅鉬棒制造工藝流程圖。
一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝如下第一步制備MoSi2基礎(chǔ)料采用高純度的金屬原料Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉，通過(guò)自蔓延合成放熱反應(yīng)，制得硅鉬棒制品的基礎(chǔ)組份原料。其工藝過(guò)程如下1.球磨。按工藝卡確定的比例，將Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉加入球磨罐內(nèi)混和、球磨，并按料∶球＝4∶9(重量比)加入碳化鎢磨球，充氮?dú)夂笠黄鹎蚰?0～24小時(shí)。
2.自蔓延合成反應(yīng)。將粉料裝入反應(yīng)釜中通H2氣，在反應(yīng)釜的碳電極和鉬電極間通低電壓大電流，當(dāng)電流增至10～25A時(shí)放電開(kāi)始，這時(shí)在反應(yīng)釜的出口處能使氫氣著火發(fā)出籃色火焰，反應(yīng)溫度大于2000℃，為放熱加速反應(yīng)。反應(yīng)持續(xù)3～5分鐘，當(dāng)火焰發(fā)紅時(shí)反應(yīng)結(jié)束，從反應(yīng)釜外壁夾層中通冷卻水冷卻30～45分鐘。
3.粉碎。
將反應(yīng)物從釜中取出，用碳化鎢干式粉碎機(jī)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下粉碎，通過(guò)粉碎機(jī)內(nèi)篩子篩過(guò)，顆粒達(dá)0.5～1mm級(jí)。
4.球磨。
按料∶球＝4～5∶1的比例球磨24～36小時(shí)。
第二步配料配制一種由高熔點(diǎn)氧化物為主晶相和陶瓷玻璃相所組成的高溫電熱材料。配方中有各種粉料、石蠟、聚乙烯醇和酒精。其工藝過(guò)程如下1.按配方及工藝卡要求配料，MoSi2粉∶高溫陶瓷添加劑＝11～14∶1(重量比)，再加入適量的酒精。
2.按料∶球＝1∶3的比例(重量比)，將配料以振動(dòng)球磨6小時(shí)，再以滾動(dòng)球磨機(jī)球磨24～36小時(shí)。
3.將球磨后的粉料攤開(kāi)于干凈搪瓷盤(pán)中，放入真空烘干機(jī)中以50℃～60℃逐漸升溫烘干，中途要不斷攪拌，烘干后過(guò)細(xì)篩。
4.加成型粘合劑，按粉料重量的1％～2％稱好石蠟，按粉料重量的0.5％～1％稱好聚乙稀醇或硬脂酸，備適量溶劑和酒精，將上述成分用水浴槽加熱至溶化，雜質(zhì)由絲網(wǎng)濾去，再加入于充氮攪拌過(guò)濾機(jī)內(nèi)的粉料中混勻、烘干、過(guò)細(xì)篩。
第三步造粒為使加熱成形的坯體致密度高，借機(jī)械力使粒團(tuán)碎裂，并使顆粒重新分布成緊密的最大堆積排列、粘合劑分布均勻以及盡量排出吸附氣體，需進(jìn)行反復(fù)造粒致密化。其工藝過(guò)程如下1.第一次造粒。將加有成型粘合劑混磨烘篩過(guò)的粉料裝入專用模具組，用三軸壓機(jī)大于80MPa干壓成型，然后在干式粉碎過(guò)濾機(jī)內(nèi)砸碾成碎塊，在充氮研磨旋轉(zhuǎn)造粒機(jī)內(nèi)細(xì)研造粒通過(guò)30～40目篩。
2.第二次造粒。重復(fù)第一次造粒工序，先后過(guò)40～50目篩和60～70目篩，使顆粒度在40～70目之間。
第四步壓制成型以獲得所需形狀和尺寸的坯體。利用的材料是上道工序傳送的粉料和油酸。其工藝過(guò)程如下1.將顆粒度為40～70目的粉料分別稱粉。
2.將粉料分別裝入模具組中相應(yīng)投料位置密封、抽真空、充氮?dú)狻?br> 3.將超聲換能器組安置于工作位置，連通熱壓機(jī)組的壓力、溫度檢測(cè)系統(tǒng)，并連通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組輸出、檢測(cè)系統(tǒng)。
4.開(kāi)通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組，使頻率在900～3000MHz之間輸出，使功率輸出在5-450kW之間按要求變化。
5.開(kāi)通熱壓機(jī)組，按壓機(jī)操作程序和工藝卡參數(shù)干壓成型。
6.脫模，浸入乳膠桶，完成棒坯乳膠膜密封。
7.將乳膠袋吊裝于等靜壓機(jī)中，按等靜壓機(jī)操作規(guī)程和工藝卡參數(shù)加工。
8.撕去乳膠膜，平置于石墨舟中。
第五步排除成型粘合劑干壓成型后的坯體通過(guò)熱分解反應(yīng)，除去幫助成型的有機(jī)粘合劑，留下發(fā)熱元件應(yīng)有的材料組分，準(zhǔn)備燒結(jié)反應(yīng)。其工藝過(guò)程如下1.通H2氣體于爐中。
2.按每小時(shí)50℃的升溫速度至650℃～700℃，保溫2～3小時(shí)。
第六步高溫固相燒結(jié)使工件在高溫及保護(hù)氣氛下充分反應(yīng)生成MoSi2主晶相和陶瓷玻璃相，并盡量排除氣孔成為一種致密的特種金屬陶瓷材料，制成高溫發(fā)熱元件，為MoSi2棒坯體。其工藝過(guò)程如下1.按操作規(guī)程開(kāi)啟氨發(fā)氫氮設(shè)備，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
2.高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組先通氮?dú)?，清潔爐膛，并去除空氣等。
3.氨發(fā)氫氮設(shè)備供氫氣時(shí)，在燒結(jié)爐氫氣出口處點(diǎn)火，并控制氫氣輸出壓力為0.15MPa。
4.按高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組操作規(guī)程通電升溫，燒結(jié)溫度按產(chǎn)品燒成曲線確定。
5.用光學(xué)高溫計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)高溫區(qū)爐溫，并經(jīng)常與高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組設(shè)備的溫度數(shù)字顯示的讀數(shù)校對(duì)。
6.每隔一定時(shí)間向爐內(nèi)定時(shí)推進(jìn)一只石墨舟，與前一舟首尾相接。燒結(jié)時(shí)間按產(chǎn)品燒成曲線確定。
7.每只石墨舟經(jīng)過(guò)整個(gè)爐身各區(qū)段，由爐子出口處定時(shí)取出。
其中，高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組最好采用高頻感應(yīng)管式燒結(jié)爐-區(qū)域微波隧道燒結(jié)爐機(jī)組。
第七步除氫除氣處理去除燒結(jié)過(guò)程中所殘留在棒體內(nèi)的氫氣和其它氣體。其工藝過(guò)程如下將燒成品硅鉬棒置于石墨舟上放于真空爐內(nèi)，開(kāi)通機(jī)組抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度保持為10-2mmHg，逐步升溫至650℃保溫保真空60～80分鐘，保持真空，關(guān)斷加熱電源，令其自然冷卻至100℃以下時(shí)關(guān)斷真空機(jī)組電源，向爐內(nèi)放氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅鉬棒。
第八步初始玻璃化在成品硅鉬棒表面生成一層SiO2-MoSi2玻璃體。其工藝過(guò)程如下將硅鉬棒隧道爐內(nèi)清掃干凈，接入氧氣于高溫區(qū)段，保持氣壓表壓力顯示為0.15～0.2MPa，使?fàn)t體升溫，高溫區(qū)最高溫度達(dá)到1580℃，空燒2小時(shí)以上。將除氫除氣后的硅鉬棒平置于硅鉬網(wǎng)格舟上，順序推入隧道爐內(nèi)，在1480℃～1530℃～1580℃溫區(qū)保持2～4小時(shí)，逐步推出爐道。
第九步高溫沖擊老化檢測(cè)硅鉬棒隱含缺陷，消除早期故障。其工藝過(guò)程如下1.將初始玻璃化后的硅鉬棒，置于硅鉬網(wǎng)格舟上快速平推入已升溫至1650℃并保溫半小時(shí)以上的箱式電爐爐膛之中，關(guān)閉爐門(mén)，十五分鐘后打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，令其自然冷卻至室溫，以金相顯微鏡觀察其表面，不可有可見(jiàn)損傷和裂紋。
2.將高溫沖擊后的硅鉬棒冷端噴砂處理后，用鋁箔纏繞并用專用夾頭夾持，并垂直懸置于無(wú)硅鉬棒的爐膛內(nèi)，接通額定工作電壓半小時(shí)后斷電，立即打開(kāi)爐門(mén)，隔半小時(shí)再接通額定工作電壓，持續(xù)半小時(shí)后關(guān)斷電源，打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，冷卻后測(cè)量電阻值，其不應(yīng)有明顯變化，表面不可有可見(jiàn)損傷。
第十步噴砂、噴鋁電極在發(fā)熱元件兩冷端噴涂鋁導(dǎo)電層作為電極引出線。其工藝過(guò)程如下1.為保證外形美觀，先用金剛砂專用刀具修除壓制時(shí)所出現(xiàn)的飛邊，并磨平兩端面。
2.噴砂打毛冷端二引出線端，以提高鋁導(dǎo)電層附著力。
3.按噴鋁和操作規(guī)程對(duì)冷端二引出線端面和側(cè)面進(jìn)行噴涂。
然后進(jìn)行時(shí)效老化和檢測(cè)，最后打印封裝出廠。
本發(fā)明在制造二硅化鉬高溫發(fā)熱體的過(guò)程中，采用了多項(xiàng)現(xiàn)代粉末冶金和金屬陶瓷技術(shù)和工藝。在制粉工序中采用了自蔓延合成反應(yīng)，在造粒工序中采用了大于80MPa的強(qiáng)壓力定型二次造粒，在壓制工序中采用了微波-超聲熱壓和等靜壓成型，在燒結(jié)工序中采用高頻感應(yīng)式燒結(jié)和區(qū)域微波隧道燒結(jié)。
在選料上，選用小于1μm的金屬鉬粉、硅粉、鎢粉、鉭粉等原料粉，并在粉體處理上做到超細(xì)化，在造粒工序中盡量達(dá)到分子過(guò)程，在添加劑中，選用MgO、SiO2、Al2O3、B2O3、Mo和在自蔓延反應(yīng)中加入Ta、W，改善了燒結(jié)性能和材料性能。
下表是本發(fā)明的U形一體化干壓成型硅鉬棒的主要機(jī)電性能(與擠壓成型的世界著名品牌相比)
注表中“對(duì)比值”采自KANTHAL CORP.Sweden.說(shuō)明書(shū)。
由此可以看出本發(fā)明所述一體化干壓成型硅鉬棒的特點(diǎn)1.機(jī)械強(qiáng)度大大提高。
現(xiàn)有的擠壓成型硅鉬棒的冷、熱端之間都是通過(guò)焊接連接起來(lái)的，由于焊接部位材料組份突變，晶相應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力較大，接觸電阻較大，因此不可避免地造成整體強(qiáng)度降低，局部過(guò)熱經(jīng)不起電熱沖擊，焊接部位脆弱極易斷裂。而本發(fā)明的一體化干壓成型硅鉬棒的冷、熱端之間是通過(guò)粉料過(guò)渡壓制而成，冷、熱端之間融為渾然一體，均勻過(guò)渡。既消除了應(yīng)力集中，也無(wú)材料組份突變；既能耐受電熱沖擊，強(qiáng)度也大為提高。
擠壓成型硅鉬棒制成U形、W形棒時(shí)，熱端彎曲部分都是在直棒燒結(jié)完成后，再以局部保護(hù)加熱彎曲成形的，因此不可避免地會(huì)造成局部結(jié)晶體變化，破壞了原來(lái)棒體晶體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了棒體的機(jī)械強(qiáng)度，造成彎曲部位在使用中斷裂較多的主要隱患。而一體化干壓成型硅鉬棒的彎曲部分是在坯料壓制時(shí)形成的，經(jīng)燒結(jié)生成連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，消除了彎曲部位易斷的隱患。
2.初始強(qiáng)度大。
現(xiàn)有的擠壓成型硅鉬棒由于主晶相與玻璃相成片聚集分布，內(nèi)應(yīng)力較大，又由于擠壓壓力不能很高，使棒體夾雜大量大尺度封閉氣團(tuán)，使得初始抗拉強(qiáng)度(＜100Nmm2)、初始抗彎強(qiáng)度(＜400Nmm2)、初始耐沖擊強(qiáng)度(＜0.7Nm·cm2)都不能提高，棒體既硬又脆，在運(yùn)輸和在安裝電爐時(shí)的損壞率很高，故需特別小心，給安裝使用帶來(lái)很大的麻煩。而一體化干壓成型硅鉬棒的主晶相與玻璃相間形成連續(xù)包裹體分布，內(nèi)應(yīng)力很小，又加上預(yù)金屬化工藝措施，棒體封閉氣相含量極少且尺度極小，使棒體初始抗拉強(qiáng)度(＞190Nmm2)、初始抗彎強(qiáng)度(＞540Nmm2)、初始耐沖擊強(qiáng)度(＞3Ncm2)都得到很大的提高，棒體呈金屬感，極大地降低了運(yùn)輸、安裝和使用的初始損壞率，明顯降低了使用成本。
3.使用壽命長(zhǎng)。
硅鉬棒的使用壽命取決于發(fā)熱體的高溫機(jī)械強(qiáng)度。因此，機(jī)械強(qiáng)度低的硅鉬棒在使用中不可能有很長(zhǎng)的壽命。在頻繁的開(kāi)關(guān)爐門(mén)和通斷電的使用中，熱應(yīng)力可導(dǎo)致擠壓成型硅鉬棒冷熱端焊接部位的崩斷和U形棒發(fā)熱體彎曲部位的破壞。而一體化干壓成型硅鉬棒的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于擠壓成型的硅鉬棒，使其使用壽命大大地得到延長(zhǎng)。另外，一體化干壓成型硅鉬棒因其晶粒細(xì)密，玻璃相均勻包裹在晶體相外層，溫度系數(shù)差極小，在允許的電流負(fù)荷內(nèi)可以允許頻繁地開(kāi)爐、關(guān)爐、升溫、降溫，而再也不會(huì)發(fā)生損壞或斷裂。
4.在最高使用溫度以下無(wú)相變影響和損壞。
現(xiàn)有的擠壓成型硅鉬棒在低于800℃時(shí)，因SiO2晶型轉(zhuǎn)變可導(dǎo)致棒體外層保護(hù)膜熱膨脹破壞，嚴(yán)重影響硅鉬棒的使用壽命，而在1350℃～1470℃的硅化鉬主晶相相變點(diǎn)的存在，使現(xiàn)有硅鉬棒在相變溫區(qū)的使用受到極大的限制。而一體化干壓成型硅鉬棒在制造中采用預(yù)金屬化工藝，克服了低溫、中溫的相變影響，且棒體線脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)極小，在最高可使用溫度以下的任意溫度區(qū)段間都可長(zhǎng)期穩(wěn)定、自如地使用。
5.高溫塑性變形小。
現(xiàn)有的擠壓成型硅鉬棒由于玻璃相厚實(shí)成堆，在1300℃以上產(chǎn)生高溫軟化變形，使得硅鉬棒爐在使用中不得不縮小工作區(qū)有效距離，以應(yīng)付硅鉬棒的伸長(zhǎng)和變形，從而降低了電爐的生產(chǎn)效率、降低了設(shè)備使用率和能源利用率。而一體化干壓成型硅鉬棒的主晶相與玻璃相間形成連續(xù)包裹體分布，晶間層為很薄的均勻包裹體玻璃相晶界，在高溫時(shí)的變形很小，所以在1800℃條件下使用也不會(huì)變形、軟化或伸長(zhǎng)；甚至水平安放，長(zhǎng)期在1700℃高溫下使用，也不會(huì)彎曲變形。
6.不存在表面玻璃體的剝落、崩片或炸裂現(xiàn)象。
現(xiàn)有的硅鉬棒由于在棒體外形成一層很厚的玻璃體，在重復(fù)升溫降溫過(guò)程中，由于棒體內(nèi)外溫差造成玻璃體大量脫落，由此會(huì)污染被加熱的材料。而一體化干壓硅鉬棒在硅化鉬晶粒外形成連續(xù)的薄膜狀玻璃體，沒(méi)有過(guò)量玻璃體偏析于棒體表面，棒體內(nèi)外溫差極小，又由于結(jié)晶細(xì)密的主晶相與薄膜狀晶界相成為包裹體結(jié)構(gòu)，所以基體材料與表面材料的線膨脹、體膨脹系數(shù)十分接近，從而有效地消除了棒體表面物質(zhì)的脫落和崩裂。
7.升溫迅速，允許熱負(fù)荷高。
一體化干壓成型硅鉬棒由于棒體內(nèi)外溫差極小，克服了低、中溫相變的影響，又無(wú)冷熱端焊接及后加工彎曲缺陷，且具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，因而具備了較高的表面熱負(fù)荷的承受能力。所以，可不必象擠壓成型硅鉬棒在升降溫時(shí)那樣需要小心翼翼，而是可以在較短的時(shí)間內(nèi)將溫度升高到標(biāo)定值。
權(quán)利要求
1.一種一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝，其特征在于，第一步制備MoSi2基礎(chǔ)料采用高純度的金屬原料Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉，通過(guò)自蔓延合成放熱反應(yīng)，制得硅鉬棒制品的基礎(chǔ)組份原料；將Mo粉、Si粉、W粉、Ta粉加入球磨罐內(nèi)混和、球磨，并按料∶球＝4∶9(重量比)加入碳化鎢磨球，充氮?dú)夂笠黄鹎蚰?0～24小時(shí)；再自蔓延合成反應(yīng)，將粉料裝入反應(yīng)釜中通H2氣，在反應(yīng)釜的碳電極和鉬電極間通低電壓大電流，當(dāng)電流增至10～25A時(shí)放電開(kāi)始，這時(shí)在反應(yīng)釜的出口處能使氫氣著火發(fā)出籃色火焰，反應(yīng)溫度大于2000℃，為放熱加速反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)3～5分鐘，當(dāng)火焰發(fā)紅時(shí)反應(yīng)結(jié)束，從反應(yīng)釜外壁夾層中通冷卻水冷卻30～45分鐘；將反應(yīng)物從釜中取出，用碳化鎢干式粉碎機(jī)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下粉碎，通過(guò)粉碎機(jī)內(nèi)篩子篩過(guò)，顆粒達(dá)0.5～1mm級(jí)；然后按料∶球＝4～5∶1的比例球磨24～36小時(shí)；第二步配料配制一種由高熔點(diǎn)氧化物為主晶相和陶瓷玻璃相所組成的高溫電熱材料，配方為MoSi2粉∶高溫陶瓷添加劑＝11～14∶1(重量比)，再加入適量的酒精；按料∶球＝1∶3的比例(重量比)，將配料以振動(dòng)球磨6小時(shí)，再以滾動(dòng)球磨機(jī)球磨24～36小時(shí)；將球磨后的粉料攤開(kāi)于干凈搪瓷盤(pán)中，放入真空烘干機(jī)中以50℃～60℃逐漸升溫烘干，中途要不斷攪拌，烘干后過(guò)細(xì)篩；然后加成型粘合劑，按粉料重量的1％～2％稱好石蠟，按粉料重量的0.5％～1％稱好聚乙稀醇或硬脂酸，備適量溶劑和酒精，將上述成分用水浴槽加熱至溶化，雜質(zhì)由絲網(wǎng)濾去，再加入于充氮攪拌過(guò)濾機(jī)內(nèi)的粉料中混勻、烘干、過(guò)細(xì)篩；第三步造粒第一次造粒，將加有成型粘合劑混磨烘篩過(guò)的粉料裝入專用模具組，用三軸壓機(jī)大于80MPa干壓成型，然后在干式粉碎過(guò)濾機(jī)內(nèi)砸碾成碎塊，在充氮研磨旋轉(zhuǎn)造粒機(jī)內(nèi)細(xì)研造粒通過(guò)30～40目篩；第二次造粒，重復(fù)第一次造粒工序，先后過(guò)40～50目篩和60～70目篩，使顆粒度在40～70目之間；第四步壓制成型將顆粒度為40～70目的粉料分別稱粉；將粉料分別裝入模具組中相應(yīng)投料位置密封、抽真空、充氮?dú)?；再將超聲換能器組安置于工作位置，連通熱壓機(jī)組的壓力、溫度檢測(cè)系統(tǒng)，并連通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組輸出、檢測(cè)系統(tǒng)；開(kāi)通微波-超聲發(fā)生儀器機(jī)組，使頻率在900～3000MHz之間輸出，使功率輸出在5～450kW之間按要求變化；開(kāi)通熱壓機(jī)組，按壓機(jī)操作程序和工藝卡參數(shù)干壓成型；然后脫模，浸入乳膠桶，完成棒坯乳膠膜密封；將乳膠袋吊裝于等靜壓機(jī)中，按等靜壓機(jī)操作規(guī)程和工藝卡參數(shù)加工；最后撕去乳膠膜，平置于石墨舟中；第五步排除成型粘合劑干壓成型后的坯體通過(guò)熱分解反應(yīng)，除去幫助成型的有機(jī)粘合劑，留下發(fā)熱元件應(yīng)有的材料組分，準(zhǔn)備燒結(jié)反應(yīng)；通H2氣體于爐中，按每小時(shí)50℃的升溫速度至650℃～700℃，保溫2～3小時(shí)；第六步高溫固相燒結(jié)使工件在高溫及保護(hù)氣氛下充分反應(yīng)生成MoSi2主晶相和陶瓷玻璃相，并盡量排除氣孔成為一種致密的特種金屬陶瓷材料，制成高溫發(fā)熱元件；按操作規(guī)程開(kāi)啟氨發(fā)氫氮設(shè)備，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)；高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組先通氮?dú)?，清潔爐膛，并去除空氣；氨發(fā)氫氮設(shè)備供氫氣時(shí)，在燒結(jié)爐氫氣出口處點(diǎn)火，并控制氫氣輸出壓力為0.15MPa；按高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組操作規(guī)程通電升溫，燒結(jié)溫度按產(chǎn)品燒成曲線確定；用光學(xué)高溫計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)高溫區(qū)爐溫，并經(jīng)常與高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組設(shè)備的溫度數(shù)字顯示的讀數(shù)校對(duì)；每隔一定時(shí)間向爐內(nèi)定時(shí)推進(jìn)一只石墨舟，與前一舟首尾相接，燒結(jié)時(shí)間按產(chǎn)品燒成曲線確定；每只石墨舟經(jīng)過(guò)整個(gè)爐身各區(qū)段，由爐子出口處定時(shí)取出；第七步除氫除氣處理去除燒結(jié)過(guò)程中所殘留在棒體內(nèi)的氫氣和其它氣體，將燒成品硅鉬棒置于石墨舟上放于真空爐內(nèi)，開(kāi)通機(jī)組抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度保持為10-2mmHg，逐步升溫至650℃保溫保真空60～80分鐘，保持真空，關(guān)斷加熱電源，令其自然冷卻至100℃以下時(shí)關(guān)斷真空機(jī)組電源，向爐內(nèi)放氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅鉬棒；第八步初始玻璃化在成品硅鉬棒表面生成一層SiO2-MoSi2玻璃體，將硅鉬棒隧道爐內(nèi)清掃干凈，接入氧氣于高溫區(qū)段，保持氣壓表壓力顯示為0.15～0.2MPa，使?fàn)t體升溫，高溫區(qū)最高溫度達(dá)到1580℃，空燒2小時(shí)以上，將除氫除氣后的硅鉬棒平置于硅鉬網(wǎng)格舟上，順序推入隧道爐內(nèi)，在1480℃～1530℃～1580℃溫區(qū)保持2～4小時(shí)，逐步推出爐道；第九步高溫沖擊老化檢測(cè)硅鉬棒隱含缺陷，消除早期故障，將初始玻璃化后的硅鉬棒，置于硅鉬網(wǎng)格舟上快速平推入已升溫至1650℃并保溫半小時(shí)以上的箱式電爐爐膛之中，關(guān)閉爐門(mén)，十五分鐘后打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，令其自然冷卻至室溫，以金相顯微鏡觀察其表面，不可有可見(jiàn)損傷和裂紋；將高溫沖擊后的硅鉬棒冷端噴砂處理后，用鋁箔纏繞并用專用夾頭夾持，并垂直懸置于無(wú)硅鉬棒的爐膛內(nèi)，接通額定工作電壓半小時(shí)后斷電，立即打開(kāi)爐門(mén)，隔半小時(shí)再接通額定工作電壓，持續(xù)半小時(shí)后關(guān)斷電源，打開(kāi)爐門(mén)取出硅鉬棒，冷卻后測(cè)量電阻值，其不應(yīng)有明顯變化，表面不可有可見(jiàn)損傷；第十步噴砂、噴鋁電極在發(fā)熱元件兩冷端噴涂鋁導(dǎo)電層作為電極引出線，為保證外形美觀，先用金剛砂專用刀具修除壓制時(shí)所出現(xiàn)的飛邊，并磨平兩端面；噴砂打毛冷端二引出線端，以提高鋁導(dǎo)電層附著力；按噴鋁和操作規(guī)程對(duì)冷端二引出線端面和側(cè)面進(jìn)行噴涂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述第六步高溫固相燒結(jié)時(shí)所用的高溫?zé)Y(jié)爐機(jī)組最好采用高頻感應(yīng)管式燒結(jié)爐-區(qū)域微波隧道燒結(jié)爐機(jī)組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種一體化干壓成型硅鉬棒生產(chǎn)工藝,首先制備MoSi
文檔編號(hào)C04B35/58GK1247175SQ9811107
公開(kāi)日2000年3月15日 申請(qǐng)日期1998年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月10日
發(fā)明者高水福, 嚴(yán)偉 申請(qǐng)人:上海賽科電子材料工程研究所, 嚴(yán)偉