DE10344189A1 - Manufacture of opaque quartz glass composite material, used as starting material of permanent shaping-die manufacture of solar silicon melting, involves forming composite slip by mixing quartz glass granules and homogenous base slip - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Gussteils aus einem Kornpositwerkstoff durch Bereitstellen eines Kompositschlickers, der Werkstoffteilchen im Größenbereich unterhalb von 10 μm sowie Werkstoffkörnung im Größenbereich oberhalb von 10 μm enthält, Homogenisieren des Kompositschlickers, Gießen des Kompositschlickers in eine Form unter Bildung eines Blaukörpers, Trocknen des Blaukörpers unter Bildung eines porösen Grünkörpers, und thermische Verfestigung des Grünkörpers.The The invention relates to a method for the production of a casting from a granular material by providing a composite slurry, the material particles in the size range below 10 μm as well as material grain in the size range above 10 μm contains Homogenize the composite slip, pour the composite slip into a mold to form a blue body, drying the blue body below Formation of a porous Green body, and thermal solidification of the green body.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gussteil aus einem keramischen oder glasigen Kompositwerkstoff, der eine homogene Matrix aus dem Werkstoff aufweist, in welcher Körner des Werkstoffs mit einer Korngröße von mehr als 10 μm eingebettet sind, und der eine Wandung aufweist, innerhalb der eine Gießachse verläuft, die während des Gießens in der Vertikalen verläuft.Farther The invention relates to a casting of a ceramic or glassy Composite material that has a homogeneous matrix of the material, in which grains of the material with a grain size of more than 10 μm embedded, and having a wall, within the one casting axis runs, the while of the casting runs in the vertical.
Das
sogenannte Schlickergießverfahren
ist in der keramischen Verfahrenstechnik zur Herstellung keramischer
oder glasiger Bauteile, insbesondere auch zur Herstellung von Quarzglasbauteilen,
gebräuchlich.
Aus der
Der nach dem bekannten Verfahren erhaltene Kompositwerkstoff weist lediglich geschlossene Poren auf, hat keine kristallinen Anteile, und seine Dichte beträgt 2,1 g/cm3. Er zeichnet sich durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit und chemische Beständigkeit aus. Der Kompositwerkstoff ist daher für einen Einsatz als Kokille zum Erschmelzen von Solarsilizium geeignet. Die synthetischen Ausgangssubstanzen zur Herstellung des Kompositwerkstoff sind jedoch teuer.The composite material obtained by the known method has only closed pores, has no crystalline components, and its density is 2.1 g / cm 3 . It is characterized by high thermal shock resistance and chemical resistance. The composite material is therefore suitable for use as a mold for the melting of solar grade silicon. However, the synthetic starting materials for making the composite are expensive.
Ein
weiteres Verfahren für
die Herstellung eines Quarzglastiegels mittels Schlickergießverfahren ist
in der
Ein
Verfahren zur Herstellung eines feuerfesten, gesinterten Gussteils
aus glasigem Werkstoff und ein Gussteil gemäß der eingangs genannten Gattung
sind aus der
Für die Mikrostruktur des Bauteils sind grobe Quarzglaskörner, die in einer relativ kontinuierlichen Matrix aus feineren Teilchen und aus kugelförmigen Teilchen aus Quarzstaub eingebettet sind charakteristisch. Das Bauteil weist eine offene Porosität von 13 % auf, und seine Dichte liegt bei 1,91 g/cm3. Die kristallographische Analyse ergibt einen Cristobalitgehalt von weniger als 2%.For the microstructure of the component, coarse quartz glass grains embedded in a relatively continuous matrix of finer particles and spherical particles of fumed silica are characteristic. The component has an open porosity of 13% and its density is 1.91 g / cm 3 . The crystallographic analysis shows a cristobalite content of less than 2%.
Aufgrund seiner offenen – das heißt durchgehenden – Porosität ist der bekannte Kornpositwerkstoff für Bauteile, bei denen es auf Dichtheit oder hohe Reinheit ankommt, nicht uneingeschränkt einsetzbar. Metallische Schmelzen können durch die Poren in die Bauteilwandung eindringen und zu Leckagen führen.by virtue of his open - that is called continuous - porosity is the known grain material for Components that require tightness or high purity, not unrestricted used. Metallic melts can pass through the pores in the Part wall penetrate and lead to leaks.
In
einer Verfahrensvariante gemäß der
Probleme beim Schlickergießverfahren ergeben sich insbesondere durch die Schwindung des Grünkörpers beim Trocknen und beim Sintern. Es können Schwindungsrisse entstehen und die Maßhaltigkeit der Bauteile ist häufig gering.Problems with the Schlickergießverfahren arise in particular by the shrinkage of the Green body during drying and sintering. Shrinkage cracks can occur and the dimensional accuracy of the components is often low.
Die Trockenschwindung erschwert auch die Herstellung von Bauteilen durch sogenannten Kernguss, bei dem der Schlicker um einen Kern gegossen wird, der nach dem Trocknen entfernt wird. Durch die Schwindung beim Trocknen schrumpft der Grünkörper auf den Kern auf und reißt dabei, oder der Kern kann nicht ohne Beschädigung des Grünkörpers von diesem gezogen werden.The Dry shrinkage also complicates the manufacture of components so-called core casting, in which the slip is poured around a core, which is removed after drying. By shrinkage during drying the green body shrinks the core up and tearing doing so, or the core can not without damaging the green body of this to be pulled.
Infolge des Einsatzes von Formen, welche die Flüssigkeit der Suspension aufsaugen, bildet sich häufig eine ausgeprägte Gießseele in Form aneinandergereihter Poren aus, die zu einer Schwächung des Gefüges führen. Großformatige Bauteile können nur bedingt und mit einfachem Design gefertigt werden, wobei häufig zur Erleichterung der Entnahme des Blaukörpers aus der Form konische Wandungen erzeugt werden müssen.As a result the use of molds which absorb the liquid of the suspension, forms frequently a pronounced Gießseele in the form of juxtaposed pores leading to a weakening of the structure to lead. Large format Components can only conditionally and with a simple design, often to the relief the removal of the blue body must be generated from the form conical walls.
Da das Schlickergießverfahren an und für sich eine kostengünstige Herstellung von Bauteilen – auch mit komplexer Geometrie – ermöglicht, wäre es äußerst wünschenswert, die genannten Nachteile bei der Herstellung von Quarzglas zu vermeiden.There the slip casting process in and of itself a cost-effective Production of components - too with complex geometry - allows it would be extremely desirable to avoid the mentioned disadvantages in the production of quartz glass.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensweise zur Herstellung eines Gussteils aus einem Kompositwerkstoff mittels Schlickergießen anzugeben, mit dem sich die mit der Trockenschwindung einhergehenden Nachteile verringern oder beseitigen lassen, und das die Herstellung von Gussteilen mit zylinderförmigen Wandungen erleichtert und das insbesondere auch zur Herstellung großformatiger Gussteile geeignet ist.Of the Invention is therefore the object of a procedure for producing a casting from a composite material by means of slip which is associated with the drying shrinkage Reduce or eliminate disadvantages, and that the production of Castings with cylindrical Walls facilitated and in particular for the production of large format Castings is suitable.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gussteil aus einem keramischen oder glasigen Kompositwerkstoff bereitzustellen, das sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnet.Farther the invention has the object, a casting of a ceramic or glassy composite material to provide characterized by a high strength.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kompositschlicker mit einem Feststoffgehalt von mindestens 80 Gew.-% in eine Form gegossen wird, welche eine für die Flüssigkeit undurchlässige Formwandung aufweist, wobei der Kompositschlicker nach dem Gießen unter Bildung eines gefrorenen Blaukörpers auf eine Kühltemperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit abgekühlt wird, und wobei das Trocknen ein Erwärmen des gefrorenen Blaukörpers auf eine Heiztemperatur unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit umfasst.Regarding of the method, this object is based on the above-mentioned Process according to the invention thereby solved, that the composite slip with a solids content of at least 80 wt .-% is poured into a mold, which is one for the liquid impermeable Form wall, wherein the Kompositschlicker after casting under Formation of a frozen blue body to a cooling temperature is cooled below the freezing point of the liquid, and wherein the drying is heating of the frozen blue body to a heating temperature below the boiling point of the liquid includes.
Der herzustellende Kompositwerkstoff besteht aus einer homogenen Matrix aus dem Werkstoff, in welche gröbere Körner des Werkstoffes eingebettet sind. Bei dem Werkstoff handelt es sich um Quarzglas, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Zirkonsilikat, Silizium, oder um ein Gemisch dieser Stoffe.Of the The composite material to be produced consists of a homogeneous matrix from the material into which coarser grains embedded in the material. The material is quartz glass, silicon nitride, silicon carbide, zirconium silicate, silicon, or a mixture of these substances.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, rissfreie Gussteile aus dem Kornpositwerkstoff mittels Schlickergießverfahren – auch durch Kernguss – herzustellen. Voraussetzung hierfür ist eine hohe Festigkeit und eine sehr geringe Trockenschwindung des Grünkörpers. Dieses Erfordernis wird durch folgende Verfahrensmerkmale erreicht:
- 1. Der Kompositschlicker enthält feinkörnige Teilchen des Werkstoffes und gröbere Körnung des Werkstoffes mit einer mittleren Teilchengröße oberhalb von 10 μm. Er zeichnet sich durch einen hohen Feststoffgehalt von mindestens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 90 Gew.-% aus. Der hohe Feststoffgehalt in Verbindung mit dem Zusatz der gröberen Werkstoffkörnung wirkt der Schwindung des Grünkörpers entgegen und verbessert dessen Formstabilität, was sich auf die Maßhaltigkeit von Bauteilen aus dem Kompositwerkstoff günstig auswirkt.
- 2. Der Kompositschlicker wird in eine Form gegossen, welche mindestens eine für die Flüssigkeit undurchlässige Formwandung aufweist. Die für die Flüssigkeit undurchlässige Formwandung verhindert einen Verlust von Flüssigkeit aus dem Kompositschlicker während einer Phase, in der die darin suspendierten Werkstoffteilchen noch frei beweglich sind. Diese Beweglichkeit der Werkstoffteilchen würde ansonsten zu einem Materietransport in Richtung auf die saugende Formwandung und damit zur der Ausbildung einer Gießseele oder anderer Material-Inhomogenitäten führen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch seelenfreie Blaukörper mit einer homogenen Feststoffverteilung und mit hoher Festigkeit erhalten werden. Dieser vorteilhafte Effekt tritt – wenn auch in vermindertem Umfang – auch dann ein, wenn die Form außer der mindestens einen undurchlässigen Formwandung auch Wandungsbereiche aufweist, die für die Flüssigkeit und für darin eingeschlossene Luftblasen durchlässig sind. Bei vollständig undurchlässigen Formwandungen erfolgt kein „Nachsacken" des Kompositschlickers, so dass eine glatte Gießoberfläche erhalten wird, die keiner Nachbearbeitung bedarf. Die Form kann außer der mindestens einen undurchlässigen Formwandung auch eine für Gase poröse Formwandung oder für Gase poröse Formwandungsbereiche aufweisen, welche zum Entlüften dienen und die Entstehung Oberflächenblasen verhindern. Als Werkstoff für die Ausbildung der Form haben sich teflon-beschichtetes Blech (wie Aluminium- oder Stahlblech) bewährt. Ein weiterer bevorzugter Formwerkstoff ist Silikon, bei dessen Einsatz besonders störstellenfreie (blasenfreie) Oberflächen erhalten werden, wenn er vor dem Einsatz ausgeheizt wird.
- 3. Der Kompositschlicker wird in der Form unter Bildung eines gefrorenen Blaukörpers auf eine Kühltemperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit gekühlt. Die Form wird entweder vor, während oder nach dem Gießen auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit der Suspension gekühlt. Dadurch kommt es zu einer Kristallbildung in der Flüssigkeit, im Fall von Wasser zu einer Eisbildung, die eine Koagulation von Werkstoff-Partikeln vor allem im Submikronbereich bewirkt und einer Entmischung oder Sedimentation im noch viskosen Blaukörper entgegenwirkt. Um eine Nadelbildung weitestgehend zu unterbinden, erfolgt das Gefrieren erfolgt so rasch wie möglich.
- 4. Zum Trocknen und Verfestigen wird der erstarrte Blaukörper im gefrorenen Zustand auf eine Heiztemperatur unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit erwärmt. Durch die vergleichsweise schonende Erwärmung wird ein langsameres Abdampfen der Flüssigkeit erreicht, so dass eine starke Gasbildung infolge einer innerhalb des gefrorenen Blaukörpers siedenden Flüssigkeit und damit einhergehende Beschädigungen des Blaukörpers vermieden werden. Zu dieser überraschend günstigen Wirkung des Trocknens des Grünkörpers durch Schockgefrieren und anschließendes schonendes Erwärmen in gefrorenem Zustand trägt der geringe Wassergehalt des Kompositschlickers und des Blaukörpers wesentlich bei.
- 1. The Kompositschlicker contains fine-grained particles of the material and coarser grain size of the material with a mean particle size above 10 microns. It is characterized by a high solids content of at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-%. The high solids content in conjunction with the addition of the coarser material grain counteracts the shrinkage of the green body and improves its dimensional stability, which has a favorable effect on the dimensional stability of components made of the composite material.
- 2. The Kompositschlicker is poured into a mold which has at least one liquid-impermeable mold wall. The liquid-impermeable mold wall prevents loss of liquid from the composite slip during a phase in which the material particles suspended therein are still freely movable. This mobility of the material particles would otherwise lead to a transport of material in the direction of the absorbent mold wall and thus to the formation of a casting core or other material inhomogeneities. It has been found that thereby soul-free blue body are obtained with a homogeneous distribution of solids and high strength. This advantageous effect occurs - albeit to a lesser extent - even if the mold, in addition to the at least one impermeable mold wall, also has wall regions which are permeable to the liquid and to air bubbles trapped therein. In the case of completely impermeable mold walls, there is no "sagging" of the composite slip, so that a smooth casting surface is obtained which requires no further processing Teflon-coated sheet metal (such as aluminum or steel sheet) has proven to be a suitable material for forming the mold Free) surfaces are obtained when it is baked before use.
- 3. The composite slurry is cooled in the mold to a frozen blue body to a cooling temperature below the freezing point of the liquid. The mold is cooled either before, during or after casting to a temperature below the freezing point of the liquid of the suspension. This leads to crystal formation in the liquid, in the case of water to ice formation, which causes coagulation of material particles, especially in the submicron range and counteracts segregation or sedimentation in the still viscous blue body. In order to prevent needle formation as far as possible, freezing takes place as quickly as possible.
- 4. To dry and solidify the solidified blue body is heated in the frozen state to a heating temperature below the boiling temperature of the liquid. By comparatively gentle heating a slower evaporation of the liquid is achieved, so that a strong gas formation due to a boiling within the frozen blue body fluid and associated damage to the blue body can be avoided. The low water content of the composite slip and of the blue body contributes substantially to this surprisingly favorable effect of drying the green body by means of shock freezing and subsequent gentle heating in the frozen state.
Der Blaukörper im gefrorenen Zustand entformt und anschließend getrocknet. Die Trocknung des Blaukörpers kann aber auch in der Form erfolgen, wenn diese das Abdampfen der Flüssigkeit wenig behindert.Of the blue body demolded in the frozen state and then dried. The drying of the blue body But can also be done in the form, if this evaporation of the liquid little handicapped.
Durch die anschließende thermische Verfestigung des Grünkörpers (Sintern bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Werkstoffes) wird ein mechanisch stabiles Gussteil erhalten, das eine homogene Poren- und Dichteverteilung sowie eine geringe offene Porosität aufweist, und das sich durch eine geringe Gesamtschwindung (Trocken- und Sinterschwindung) auszeichnet, die weniger als 4 %, und sogar weniger als 2,5 %, betragen kann.By the subsequent one thermal solidification of the green body (sintering at a temperature below the melting point of the material) obtain a mechanically stable casting which has a homogeneous pore and having a density distribution and a low open porosity, and that by a small total shrinkage (dry and sintering shrinkage) less than 4% and even less than 2,5% can.
Als besonders günstig hat sich eine Kühltemperatur erwiesen, die zwischen minus 20°C und minus 80 °C, vorzugsweise zwischen minus 30 °C und minus 60°C, liegt.When very cheap has a cooling temperature proved to be between minus 20 ° C and minus 80 ° C, preferably between minus 30 ° C and minus 60 ° C, lies.
Die Kühltemperatur hängt im wesentlichen von der Gefriertemperatur der Flüssigkeit ab. Die genannten Grenzwerte gelten für Flüssigkeiten mit einer Gefriertemperatur um 0 °C, wie etwa Wasser oder homogene Mischungen organischer Verbindungen mit Wasser. Je weiter die Kühltemperatur unterhalb der Gefriertemperatur der Flüssigkeit liegt, umso rascher erstarrt der Kompositschlicker und umso höher ist die Festigkeit des gefrorenen Blaukörpers. Im Fall eines Gussteils aus Quarzglas (Werkstoff) wird vorzugsweise eine Flüssigkeit eingesetzt, die Tetraethylorthosilikat (TEOS) enthält, da der TEOS-Anteil der Flüssigkeit zu einem erhöhten Anteil an SiO2 im Kompositschlicker und einer höheren Festigkeit führt und zudem zu einer Reduzierung von Gefrierstrukturen beiträgt.The cooling temperature depends essentially on the freezing temperature of the liquid. These limits apply to liquids with a freezing temperature around 0 ° C, such as water or homogeneous mixtures of organic compounds with water. The further the cooling temperature is below the freezing temperature of the liquid, the faster the composite slip solidifies and the higher the strength of the frozen blue body. In the case of a casting made of quartz glass (material), a liquid containing tetraethylorthosilicate (TEOS) is preferably used, since the TEOS fraction of the liquid leads to an increased proportion of SiO 2 in the composite slip and a higher strength and also to a reduction of freeze structures contributes.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die Heiztemperatur im Bereich zwischen 40°C und 90°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 50°C und 80°C liegt.Farther has it proven when the heating temperature is in the range between 40 ° C and 90 ° C, preferably in the range between 50 ° C and 80 ° C is.
Es hat sich gezeigt, dass das Entfernen von Flüssigkeit durch Erwärmen des schockgefrorenen Blaukörpers bei einer Temperatur im Bereich zwischen 40°C und 90°C zu einer hohen Festigkeit des resultierenden Grünkörpers beiträgt.It It has been shown that the removal of liquid by heating the shock-frozen blue body at a temperature in the range between 40 ° C and 90 ° C to a high strength contributes the resulting green body.
Bevorzugt wird der gefrorene Blaukörper in einer Trockenkammer, aus der Feuchtigkeit abgezogen wird, getrocknet.Prefers becomes the frozen blue body in a drying chamber, is removed from the moisture, dried.
Bei der Trockenkammer handelt es sich zum Beispiel um einen Umlufttrockenschrank oder um einen Mikrowellentrocknungsofen. Durch das Entfernen der Feuchtigkeit aus der Trockenkammer wird ein Kondensieren von Wasserdampf und ein oberflächliches Wiedereinfrieren, das die Oberflächenstruktur stören und die Grünfestigkeit vermindern kann, verhindert. Insbesondere bei der Mikrowellentrocknung ist darauf zu achten, dass die Temperatur 90 °C nicht übersteigt.at The drying chamber is, for example, a circulating air drying cabinet or a microwave drying oven. By removing the Moisture from the drying chamber will cause condensation of water vapor and moisture a superficial one Refreeze the surface texture to disturb and the green strength can reduce. Especially in microwave drying make sure that the temperature does not exceed 90 ° C.
In einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante wird der Kompositschlicker vorteilhafterweise in eine Form gegossen, die auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit gekühlt ist.In A first preferred variant of the method is the composite slip advantageously poured into a mold at a temperature is cooled below the freezing point of the liquid.
Die Form weist bereits beim Gießen des Kompositschlickers eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit auf. Dadurch wird ein besonders rasches Abkühlen des Kompositschlickers erreicht und eine Sedimentation verhindert.The Shape already shows when casting the composite slip a temperature below freezing the liquid on. This results in a particularly rapid cooling of the composite slip achieved and prevents sedimentation.
In einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird der Kompositschlicker in eine Form gegossen, die auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt ist.In an alternative and equally preferred method variant The composite slip is poured into a mold that is at a temperature is heated above the ambient temperature.
Dadurch wird vor dem Abgießen des Kompositschlickers eine Kondensation von Wasser aus der Umgebungsluft an den Formwandungen vermieden. Derartige Kondensationen können im Blaukörper zu Oberflächenschäden führen. Diese Verfahrensweise kommt daher vor allem bei hohen Anforderungen an die Oberflächengüte und bei hoher Luftfeuchtigkeit zum Einsatz.As a result, condensation of water from the ambient air on the mold walls is avoided before casting off the Kompositschlickers. Such condensations can lead to surface damage in the blue body. This procedure is therefore particularly important for high demands the surface quality and at high humidity for use.
Die Festigkeit des Grünkörpers kann durch ein Wachstum sehr großer Kristalle (Eiskristalle) beeinträchtigt werden. Im Fall von Quarzglas (Werkstoff) wirkt zwar das in der Suspension gelöste SiO2 bereits als Eiskristallwachstumsinhibitor. Es hat sich aber in jedem Fall als vorteilhaft erwiesen, dem Kompositschlicker zusätzlich eine eiskristallwachstumsinhibierende Substanz beizufügen.The strength of the green body can be affected by the growth of very large crystals (ice crystals). In the case of quartz glass (material), although the SiO 2 dissolved in the suspension already acts as an ice crystal growth inhibitor. However, it has proven to be advantageous in any case to additionally add an ice crystal growth-inhibiting substance to the composite slip.
Die Zugabe der eiskristallwachstumsinhibierenden Substanz führt dazu, dass möglichst viele und dafür möglichst kleine Kristalle gebildet werden. Wirksame Substanzen dieser Art sind Alkohole, wie Isopropanol, sowie Glycerin, Polyethylenglycol, Polyacrylate und siliziumorganische Verbindungen, wie TEOS, wobei auch ein Zusatz nanoskaliger Teilchen den gleichen Zweck erfüllt (letztere jedoch maximal 5 Gew.-%, vorzugsweise maximal 1 Gew.-%).The Addition of the ice crystal growth-inhibiting substance causes that possible many and for that preferably small crystals are formed. Effective substances of this kind are alcohols, such as isopropanol, as well as glycerol, polyethylene glycol, Polyacrylates and organosilicon compounds, such as TEOS, where An addition of nanoscale particles fulfills the same purpose (the latter however, at most 5% by weight, preferably at most 1% by weight).
Zur Herstellung eines Gussteils aus Quarzglas enthält der Kompositschlicker amorphe SiO2-Teilchen im Größenbereich unterhalb von 10 μm sowie Quarzglaskörnung im Größenbereich oberhalb von 10 μm, vorzugsweise oberhalb von 100 μm, und er wird mit einer Dichte von mindestens 1,75 g/cm3 in die Form gegossen.To produce a cast part made of quartz glass, the composite slip contains amorphous SiO 2 particles in the size range below 10 μm and quartz glass grains in the size range above 10 μm, preferably above 100 μm, and it has a density of at least 1.75 g / cm 3 poured into the mold.
Der Kompositschlicker enthält in dem Fall feinkörnige SiO2-Teilchen mit Korngrößen < 10 μm und gröbere Quarzglaskörnung mit einer mittleren Teilchengröße oberhalb von 10 μm, vorzugsweise oberhalb von 100 μm. Er zeichnet sich durch eine hohen Dichte von mindestens 1,75 g/cm3 aus, welche durch einen hohen Feststoffgehalt erreicht wird. Diese Dichte entspricht etwa einem Feststoffgehalt von mindestens 80 Gew.-% SiO2. Die thermische Verfestigung des Grünkörpers erfolgt in dem Fall bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 800 °C und 1440 °C. Durch Sintern wird ein mechanisch stabiles Gussteil aus opakem Quarzglas erhalten, das eine homogene Poren- und Dichteverteilung sowie eine geringe offene Porosität aufweist, und das sich durch eine geringe Gesamtschwindung (Trocken- und Sinterschwindung), die weniger als 2% betragen kann, und durch eine hohe Dichte von mindestens 1,80 g/cm3 auszeichnet.The composite slip contains in this case fine-grained SiO 2 particles with particle sizes <10 μm and coarser quartz glass grains having a mean particle size above 10 μm, preferably above 100 μm. It is characterized by a high density of at least 1.75 g / cm 3 , which is achieved by a high solids content. This density corresponds approximately to a solids content of at least 80 wt .-% SiO 2 . The thermal solidification of the green body takes place in the case preferably in the temperature range between 800 ° C and 1440 ° C. By sintering a mechanically stable casting of opaque quartz glass is obtained, which has a homogeneous pore and density distribution and a low open porosity, and by a small Gesamtschwindung (dry and sintering shrinkage), which may be less than 2%, and by a high density of at least 1.80 g / cm 3 .
Die folgenden Ausführungen zur Herstellung eines Kompositschlickers beziehen sich auf den Fall des Werkstoffes Quarzglas. Für andere Werkstoffe können die für Quarzglas charakteristischen Parameter anhand weniger Versuche und fachmännischen Wissens angepasst werden.The following versions for the preparation of a composite slip refer to the case of Material of quartz glass. For other materials can the for Quartz glass characteristic parameters based on fewer trials and expert Knowledge to be customized.
Eine besonders hoher Feststoffgehalt des Grünkörpers wird erreicht, wenn der Kompositschlicker erzeugt wird, indem SiO2-Teilchen, deren Teilchengrößen und Teilchengrößenverteilung durch einen D50-Wert von maximal 15 μm und durch einen D90-Wert von maximal 50 μm gekennzeichnet sind, mit Flüssigkeit vermischt werden, wobei ein homogener Grundschlicker mit einem Feststoffgehalt von mindestens 75 Gew.-% erzeugt wird, und wobei in den homogenen Grundschlicker die Quarzglaskörnung unter Bildung des Kompositschlickers eingemischt wird.A particularly high solids content of the green body is achieved when the composite slip is produced by SiO 2 particles whose particle sizes and particle size distribution are characterized by a D 50 value of not more than 15 μm and by a D 90 value of not more than 50 μm Liquid are mixed, whereby a homogeneous base slip having a solids content of at least 75 wt .-% is produced, and wherein in the homogeneous base slip the quartz glass grain is mixed to form the Kompositschlickers.
Vorzugsweise erfolgt das Vermischen der SiO2-Teilchen und der Flüssigkeit dadurch, indem amorphe SiO2-Körnung in der Flüssigkeit zu den SiO2-Teilchen vermahlen wird.Preferably, the mixing of the SiO 2 particles and the liquid takes place thereby by grinding amorphous SiO 2 grain in the liquid to form the SiO 2 particles.
Der hohe Feststoffgehalt des Grundschlickers wird zum einen durch eine spezielle Qualität des im Schlicker enthaltenen Feststoffes erhalten, nämlich durch feinteilige, amorphe SiO2-Teilchen, die sich durch Teilchengrößen und eine Teilchengrößenverteilung auszeichnen, die durch einen D50-Wert von maximal 15 μm und durch einen D90-Wert von maximal 50 μm gekennzeichnet sind.The high solids content of the base slip is obtained on the one hand by a special quality of the solid contained in the slip, namely by finely divided, amorphous SiO 2 particles, which are characterized by particle sizes and a particle size distribution, by a D 50 value of 15 microns and max are characterized by a D 90 value of a maximum of 50 microns.
Diese spezielle Qualität des Feststoffes wird vorzugsweise durch Vermahlen von SiO2-Körnung in der Flüssigkeit erzeugt, wobei wiederum eine Voraussetzung für einen effektiven Mahlvorgang ein hoher anfänglicher Feststoffgehalt des Grundschlickers ist. Das Vermahlen der SiO2-Körnung trägt zum Homogenisieren des Grundschlickers bei, und es kommt beim Vermahlen darüber hinaus durch allmähliches Lösen von SiO2 bis hin zur Löslichkeitsgrenze in der Flüssigkeit zu einem Absenken des pH-Wertes, was wiederum eine weitere Löslichkeit von SiO2 begünstigt.This particular quality of the solid is preferably produced by grinding SiO 2 granules in the liquid, again a prerequisite for an effective grinding process being a high initial solids content of the base silt. The grinding of the SiO 2 grain contributes to the homogenization of the base slip and, in addition, by gradual dissolution of SiO 2 up to the solubility limit in the liquid, the pH is lowered, which in turn results in a further solubility of SiO 2 favored.
Der so erhaltene Grundschlicker ist klebrig und weist keine Sedimentationsneigung auf. Damit ist eine starke Kohäsionsneigung verbunden, die zu einer hohen Gründichte und einer guten Homogenität und Feinporigkeit der Blaukörper- und Grünkörpermatrix führt.Of the Base slip so obtained is tacky and has no sedimentation tendency on. This is a strong cohesion tendency connected to a high green density and a good homogeneity and Fine poredness of the blue body and green body matrix leads.
Der Feststoffgehalt wird zusätzlich erhöht, indem dem homogenen Grundschlicker weiterer Feststoff in Form von Quarzglaskörnung beigefügt wird. Das Beifügen der Quarzglaskörnung erfolgt jedoch erst nach dem Vermischen und dem Homogenisieren des Grundschlickers, da es ansonsten zu einem Verklumpen kommen kann, und die Gießfähigkeit des Schlickers beeinträchtigt wird. Der Zusatz von Quarzglaskörnung ist so bemessen, dass sich ein Kompositschlicker mit einer Dichte von mindestens 1,85 g/cm3 ergibt. Durch den Zusatz der Quarzglaskörnung wird nicht nur der Feststoffgehalt des Schlickers erhöht, sondern es wird auch die Formstabilität des Grünkörpers verbessert und die Schwindung beim Trocknen und beim Sintern verringert. Durch Zusatz derartiger Teilchen wird daher die Maßhaltigkeit von Gussteilen aus dem Kompositwerkstoff verbessert.The solids content is additionally increased by adding further solid in the form of quartz glass grain to the homogeneous base slip. However, the addition of quartz glass granules takes place only after mixing and homogenizing the base slip, since otherwise it can lead to lumping, and the pourability of the slip is impaired. The addition of quartz glass grains is such that a composite slip having a density of at least 1.85 g / cm 3 is obtained. The addition of the quartz glass grain not only increases the solids content of the slurry, but also improves the dimensional stability of the green body and reduces shrinkage during drying and sintering. By adding such particles, therefore, the dimensional stability of Castings from the composite material improved.
Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung der amorphen SiO2-Teilchen werden anhand des sogenannten D50-Wertes und des D90-Wertes einer Teilchengrößen-Verteilungskurve (kumulatives Volumen der SiO2-Teilchen in Abhängigkeit von der Teilchengröße) charakterisiert. Der D90-Wert kennzeichnet eine Teilchengröße, die von 90% des kumulativen Volumens der SiO2-Teilchen nicht erreicht wird, und der D50-Wert repräsentiert eine entsprechende mittlere Teilchengröße. Die Teilchengrößenverteilung wird durch Streulicht- und Laserbeugungsspektroskopie nach ISO 13320 ermittelt.Particle size and the particle size distribution of the amorphous SiO 2 particles are characterized on the basis of the so-called D 50 value and the D 90 value of a particle size distribution curve (cumulative volume of the SiO 2 particles as a function of the particle size). The D 90 value indicates a particle size that is not reached by 90% of the cumulative volume of the SiO 2 particles, and the D 50 value represents a corresponding average particle size. The particle size distribution is determined by scattered light and laser diffraction spectroscopy according to ISO 13320.
Die amorphen SiO2-Teilchen des Grundschlickers haben eine spezifische BET-Oberfläche von mehr als 1 m2/g, wohingegen die BET-Oberfläche der Quarzglaskörnung bei weniger als 1 m2/g liegt. Die SiO2-Körnung und die Quarzglaskörnung stammen aus dem gleichen Rohstoff oder aus unterschiedlichen Rohstoffen. Der Rohstoff oder die Rohstoffe sind amorph und synthetischen oder natürlichen Ursprungs.The amorphous SiO 2 particles of the base slip have a BET specific surface area of more than 1 m 2 / g, whereas the BET surface area of the silica grain is less than 1 m 2 / g. The SiO 2 grain and the quartz glass grains come from the same raw material or from different raw materials. The raw material or raw materials are amorphous and of synthetic or natural origin.
Es hat sich bewährt, wenn durch das Vermahlen SiO2-Teilchen erzeugt werden, deren Teilchengrößen und Teilchengrößenverteilung durch einen D50-Wert von maximal 9 μm und durch einen D90-Wert von maximal 40 μm gekennzeichnet sind.It has proven to be useful if SiO 2 particles are produced by grinding, whose particle sizes and particle size distribution are characterized by a D 50 value of not more than 9 μm and by a D 90 value of not more than 40 μm.
Durch diese Maßnahme wird eine hohe Gründichte und einer gute Homogenität und Feinporigkeit der Grünkörpermatrix erreicht, die in Kombination mit der zugesetzten Quarzglaskörnung zu einer geringen Trocken- und Sinterschwindung des Grünkörpers von insgesamt weniger als 4 % und sogar weniger als 2,5 % beiträgt.By This measure becomes a high green density and a good homogeneity and fine poredness of the green body matrix achieved, in combination with the added Quarzglerkörnung too a slight drying and sintering shrinkage of the green body of contributes less than 4% and even less than 2.5%.
Das Homogenisieren des Grundschlickers erfordert eine gewisse Prozessdauer. Als geeignet hat sich ein mindestens 12 Stunden andauerndes Homogenisieren des Grundschlickers erwiesen, vorzugsweise dauert dieser Verfahrensschritt mindestens 24 Stunden an. Im Fall eines gleichzeitigen Homogenisierens und Vermahlens von SiO2-Körnung sind durch Einsatz optimierter Mahlkörper, beispielsweise aus Al2O3, auch kürzere Prozessdauern möglich. Der so erzeugte Grundschlicker ist zwar zum Herstellen von Gussteilen direkt nutzbar, sein Feststoffgehalt wird jedoch vorzugsweise durch Zugabe von Quarzglaskörnung vorher erhöht.The homogenization of the base slip requires a certain process time. It has proved suitable to homogenize the base slip for at least 12 hours, and this step preferably lasts for at least 24 hours. In the case of simultaneous homogenization and grinding of SiO 2 grain, shorter process times are possible by using optimized grinding media, for example Al 2 O 3 . Although the basic slip produced in this way can be used directly to produce castings, its solids content is preferably increased beforehand by adding quartz glass grain.
Zu einer geringen Trocken- und Sinterschwindung trägt auch bei, wenn maximal 10 Gew.-% der SiO2-Teilchen im Grundschlicker eine Teilchengröße von weniger als 1 μm aufweisen.Low dry and sintering shrinkage also contributes when a maximum of 10% by weight of the SiO 2 particles in the base slip has a particle size of less than 1 μm.
Bei einer geringen Menge (bis zu einem Anteil von ca. 10 Gew.-%; bezogen auf die Gesamtmasse der SiO2-Teilchen) kommt derartig feinteiligen SiO2-Teilchen eine bindemittelähnliche Wirkung im Grünkörper zu. Sie tragen dann zur Erhöhung von Dichte und mechanischer Festigkeit des Grünkörpers – und damit des daraus hergestellten Kompositwerkstoffs – bei, indem sie beim Sintern die sogenannte Halsbildung fördern und somit als Sinterhilfsmittel wirken und die Sintertemperatur verringern. Bei Mengen von mehr als 10 Gew.-% kommt es aufgrund eines erhöhten Flüssigkeitsbedarfs zu stärkerer Schwindung. Gehalte der genannten feinteiligen SiO2-Teilchen von mehr als 10 Gew.-% im Grundschlicker sind daher in der Regel zu vermeiden.With a small amount (up to a proportion of about 10% by weight, based on the total mass of the SiO 2 particles), such finely divided SiO 2 particles have a binder-like effect in the green body. They then contribute to increasing the density and mechanical strength of the green body - and thus of the composite material produced therefrom - by promoting so-called necking during sintering and thus acting as a sintering aid and reducing the sintering temperature. With amounts of more than 10% by weight, greater shrinkage occurs due to an increased liquid requirement. Contents of said finely divided SiO 2 particles of more than 10 wt .-% in the base slip are therefore to be avoided as a rule.
In dem Zusammenhang ist zu beachten, dass besonders feinteilige SiO2-Teilchen mit Teilchengrößen im Nanometerbereich, wie sie beispielsweise in kolloidalen SiO2-Suspensionen vorliegen, zwar zu einer höheren Grundfestigkeit des Grünkörpers, aber auch zu einer größeren Schwindung führt. Daher weisen vorteilhaft maximal 5 Gew.-% der SiO2-Teilchen im Grundschlicker, vorzugsweise maximal 1 Gew.-% der SiO2-Teilchen (bezogen auf die Gesamtmasse der SiO2-Teilchen) im Grundschlicker, eine Teilchengröße von weniger als 100 nm auf.In this context, it should be noted that particularly finely divided SiO 2 particles with particle sizes in the nanometer range, as present for example in colloidal SiO 2 suspensions, although leading to a higher basic strength of the green body, but also to a greater shrinkage. Therefore, advantageously at most 5% by weight of the SiO 2 particles in the base slip, preferably at most 1% by weight of the SiO 2 particles (based on the total mass of the SiO 2 particles) in the base slip, have a particle size of less than 100 nm on.
Der Zusatz an derartig feinteiligen SiO2-Teilchen wird erfindungsgemäß auf maximal 5 Gew.-% (bezogen auf die Masse des Grundschlickers), noch besser auf maximal 1 Gew.-% begrenzt. Zu Gunsten einer geringeren Gesamtschwindung wird eine geringere Grünkörper-Festigkeit in Kauf genommen. Infolgedessen ist ein wie oben erläuterter Trocknungsprozess bei vergleichsweise niedrigen Trocknungstemperaturen erforderlich, um ein rissfreies Trocknen des Blaukörpers zu erreichen.According to the invention, the addition of such finely divided SiO 2 particles is limited to a maximum of 5% by weight (based on the mass of the base slip), more preferably to a maximum of 1% by weight. In favor of a lower overall shrinkage, a lower green body strength is accepted. As a result, a drying process as discussed above is required at relatively low drying temperatures to achieve crack-free drying of the blue body.
Vorzugsweise wird ein Grundschlicker mit einem Feststoffgehalt zwischen 75 Gew.-% und 82 Gew.-% erzeugt.Preferably is a base slip with a solids content between 75 wt .-% and 82 wt .-% produced.
Bei einem Feststoffgehalt von weniger als 75 Gew.-% neigt der Grundschlicker zu einer Sedimentation und es wird eine zu geringe Grünkörperdichte und Homogenität erreicht. Die Gesamtschwindung (Trocken und Sinterschwindung) des daraus hergestellten Kompositwerkstoffs ist dann zu hoch, um rissfreie Quarzglasbauteile herstellen zu können. Bei einem Feststoffgehalt oberhalb der genannten Obergrenze besteht die Gefahr, dass der Schlicker durch Verklumpen der SiO2-Masse seine Gießfähigkeit verliert.At a solids content of less than 75 wt .-%, the base sludge tends to sedimentation and it is achieved too low green compact density and homogeneity. The total shrinkage (dry and sinter shrinkage) of the composite material produced therefrom is then too high to be able to produce crack-free quartz glass components. With a solids content above the stated upper limit there is a risk that the slip loses its pourability due to lumping together of the SiO 2 mass.
In einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante wird dem Grundschlicker grobkörnige Quarzglaskörnung beigefügt, bei der die Quarzglaskörnung eine mittlere Korngröße (D50-Wert) im Bereich zwischen 200 μm und 1000 μm, bevorzugt im Bereich zwischen 50 μm und 500 μm, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 90 μm und 200 μm aufweist.In a first preferred variant of the method, coarse-grained quartz glass grains are added to the base slurry, in which the quartz glass grains have a mean particle size (D 50 value) in the range between 200 μm and 1000 μm, preferably in the range between 50 μm and 500 μm, and particularly preferably in the range between 90 μm and 200 μm has.
In einer zweiten gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird dem Grundschlicker feinkörnige Quarzglaskörnung beigefügt, bei der die Quarzglaskörnung eine mittlere Korngröße (D50-Wert) im Bereich zwischen 10 μm und 90 μm, bevorzugt im Bereich zwischen 15 μm und 60 μm aufweist.In a second equally preferred variant of the method, the basic slip is accompanied by fine-grained quartz glass grains, in which the quartz glass grains have a mean grain size (D 50 value) in the range between 10 μm and 90 μm, preferably in the range between 15 μm and 60 μm.
In jedem dieser bevorzugten Verfahrensvarianten bewirkt die Quarzglaskörnung – wie bereits erläutert – eine geringere Schwindung beim Trocknen und Sintern des Grünkörpers, so dass durch den Zusatz dieser Teilchen die Formstabilität und Maßhaltigkeit eines aus dem Kompositwerkstoff hergestellten Quarzglasbauteils verbessert wird. Eine Gesamtschwindung von weniger als 4 %, sogar weniger als 2,5 % ist erreichbar. Die Quarzglaskörnung dient im wesentlichen als Füllstoff, kann jedoch zur Einstellung physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Kompositwerkstoffs gezielt ausgewählt werden. Mit abnehmender Größe der Quarzglaskörnung nehmen die beschriebenen Wirkungen ab, wohingegen beim Einsatz grober Quarzglaskörnung mit Korngrößen oberhalb von 1000 μm ein Kompositwerkstoff mit inhomogener Struktur und vergleichsweise geringer Festigkeit erhalten wird.In Each of these preferred process variants causes the quartz glass grains - as already explained - a lesser Shrinkage during drying and sintering of the green body, so by the addition of these particles the dimensional stability and dimensional accuracy a quartz glass component produced from the composite material is improved. A total shrinkage of less than 4%, even less than 2.5% is achievable. The quartz glass grain essentially serves as a filler, However, it can be used to adjust the physical or chemical properties of the Composite material can be selected specifically. With decreasing Take size of quartz glass grain the effects described, whereas when using coarse Quarzglaskörnung with Grain sizes above of 1000 μm a composite material with inhomogeneous structure and comparatively low strength is obtained.
Außerdem wird durch den Zusatz der Quarzglaskörnung zum Grundschlicker eine bimodale Verteilung der SiO2-Partikel im Grünkörper erzielt, die zu einer höheren Dichte beiträgt, wobei sich im Hinblick hierauf sowohl eine gröbere Quarzglaskörnung, deren mittlere Korngröße (D50-Wert) besonders bevorzugt im Bereich zwischen 90 μm und 200 μm liegt, als auch eine feinere Quarzglaskörnung besonders bewährt haben. Die feinere Quarzglaskörnung wird bevorzugt in Form einer sphärischen Körnung eingesetzt.In addition, a bimodal distribution of the SiO 2 particles in the green body is achieved by the addition of the quartz glass grain to Grundschlicker, which contributes to a higher density, with regard to both a coarser quartz glass grains whose average grain size (D 50 value) particularly preferred in Range between 90 microns and 200 microns, as well as a finer quartz glass grains have proven particularly useful. The finer quartz glass grain is preferably used in the form of a spherical grain.
Zu einem hohen Feststoffgehalt des Kompositschlickers trägt auch ein Absenken des pH-Wertes des Grundschlickers bei. Bereits das Vermahlen der SiO2-Körnung führt infolge der sich beim Mahlen vergrößernden spezifischen Oberfläche der SiO2-Körnung zu einer höheren Löslichkeit von SiO2 in der Flüssigkeit und damit zu einer Absenkung des pH-Werts des Grundschlickers.Lowering the pH of the base slip also contributes to a high solids content of the composite slip. Already the grinding of the SiO 2 grain leads to a higher solubility of SiO 2 in the liquid and thus to a lowering of the pH of the base slip due to the increasing surface area of the SiO 2 grain during grinding.
Zusätzlich kann der pH-Wert durch Zugabe ansäuernder Komponenten, wie beispielsweise durch Zusatz nanoskaliger Kieselsäureteilchen oder eines diese enthaltenen Sols, abgesenkt werden, um die Löslichkeit von SiO2 zu erhöhen. Bei einer bevorzugten Verfahrensweise wird der pH-Wert des Grundschlickers durch Zusatz einer Säure eingestellt.In addition, the pH can be lowered by adding acidifying components, such as by adding nanoscale silica particles or a sol containing them, to increase the solubility of SiO 2 . In a preferred procedure, the pH of the base slip is adjusted by adding an acid.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe Gesamtschwindung des Kompositwerkstoffs bei gleichzeitig hoher Dichte und Festigkeit hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Anteil des Feststoffes aus dem Grundschlicker an der Gesamtmasse des Feststoffes im Kompositschlicker zwischen 30 Gew.-% und 60 Gew.-% liegt.in the Regard to one as possible low total shrinkage of the composite material at the same time high density and strength, it has proved favorable when the proportion of the solid from the base slip to the total mass of the solid in Kompositschlicker between 30 wt .-% and 60 wt .-% is.
Bei einem Massenanteil des Grundschlickers von weniger als 30 Gew.-% wird eine reduzierte Vernetzung und eine geringe Grundfestigkeit des Grünkörpers erzielt, während sich bei einem Massenanteil des Grundschlickers von mehr als 60 Gew.-% ein Kompositwerkstoff mit erhöhter Schwindung und reduzierter Maßhaltigkeit ergibt.at a mass fraction of the base slip of less than 30% by weight is a reduced cross-linking and a low basic strength of the green body scored, while at a mass fraction of the base slip of more than 60% by weight a composite material with increased Shrinkage and reduced dimensional stability results.
In der Regel ist die Dichte des Kompositwerkstoffs um so größer und die Gesamtschwindung um so geringer, je höher die Dichte des Kompositschlickers eingestellt wird. Vorzugsweise weist der Kompositschlicker eine Dichte von mindestens 1,95 g/cm3 auf.As a rule, the density of the composite material is greater and the total shrinkage is lower, the higher the density of the composite slip is set. Preferably, the composite slurry has a density of at least 1.95 g / cm 3 .
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf alle oben genannten, geeigneten Werkstoffe.The following versions refer to all the above suitable materials.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, den Grünkörper oder das Gussteil einer Heißbehandlung in einer Stickstoff oder eine Stickstoffverbindung enthaltenden Atmosphäre zu unterziehen.It has proved to be particularly favorable proved the green body or the casting of a hot treatment in a nitrogen or a nitrogen compound containing the atmosphere to undergo.
Dadurch wird eine mit Stickstoff angereicherte Oberflächenschicht erzeugt, die eine Diffusionssperre für die Diffusion von Gasen, insbesondere von Sauerstoff bildet. Beim Einsatz des Gussteils in Kontakt mit einer Schmelze, wie zum Beispiel Silizium, verringert die Diffusionssperrschicht den Transport von Sauerstoff aus dem Gussteil in die Schmelze. Zur Herstellung der Diffusionssperrschicht wird entweder der Grünkörper in einer Stickstoff oder eine Stickstoffverbindung enthaltenden Atmosphäre gesintert, oder das bereits thermisch vorverdichtete Gussteil wird in einer derartigen Atmosphäre erhitzt. Im Fall von Quarzglas (Werkstoff) liegt die bevorzugte Behandlungstemperatur im Bereich zwischen 1100 °C und 1450 °C. Im Fall eines Grünkörpers aus metallischem Silizium wird dieser infolge der Heißbehandlung in einer Stickstoff oder eine Stickstoffverbindung enthaltenden Atmosphäre vollständig oder zumindest zum größten Teil in Siliziumnitrid überführt. Da Siliziumnitrid von Siliziumschmelzen nicht benetzt wird, kann auf diese Weise ein mehrfach einsetzbarer „Mehrwegtiegel" zum Schmelzen von Solarsiliziumblöcken erzeugt werden.Thereby a nitrogen-enriched surface layer is generated, which is a Diffusion barrier for forms the diffusion of gases, in particular of oxygen. At the Use of the casting in contact with a melt, such as Silicon, the diffusion barrier layer reduces the transport of Oxygen from the casting into the melt. For the production of Diffusion barrier layer is either the green body in a nitrogen or sintered a nitrogen compound containing atmosphere, or already thermally precompressed casting is heated in such an atmosphere. in the Case of quartz glass (material) is the preferred treatment temperature in the range between 1100 ° C and 1450 ° C. In the case of a green body out Metallic silicon this is due to the hot treatment in a nitrogen or a nitrogen compound containing the atmosphere Completely or at least for the most part converted into silicon nitride. There Silicon nitride is not wetted by silicon melts can this way a multipurpose "Mehrwegtiegel" for melting of Solar silicon ingots be generated.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Heißbehandlung eine Behandlung in einem stickstoffhaltigen Plasma umfasst.It has been considered favorable proved when the heat treatment a treatment in a nitrogen-containing plasma.
Durch die plasmaunterstützte Nitridierung wird eine rasche Stickstoffanreicherung auch tieferer Schichten erreicht.By the plasma assisted Nitridation becomes a rapid nitrogen enrichment of even deeper layers reached.
Bevorzugt wird eine Form eingesetzt, bei der ein Hohlraum von einer zylinderförmigen Innenwandung begrenzt ist.Prefers is used a mold in which a cavity of a cylindrical inner wall is limited.
Bei der üblichen Gipsformtechnik weisen die Formen zur Erleichterung des Entnahme des Blaukörpers häufig leicht konische Innenwandungen auf. Diese Maßnahme ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, so dass die Herstellung exakt zylinderförmiger Gussteile erleichtert wird. Dies ist vorallem dann von Vorteil, wenn das Gussteil selbst als Gießform (Tiegel) zur Herstellung zylinderförmiger Gusskörper eingesetzt wird, da in dem Fall eine Nachbearbeitung der Gusskörper-Wandungen zur Erzeugung der Zylindergeometrie nicht erforderlich ist. Insbesondere vereinfacht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung rechteckiger Gussteile, indem eine Form eingesetzt wird, deren Innenwandung einen rechteckigen Hohlraum umschließt.at the usual Gipsformtechnik have the forms to facilitate removal of the blue body often slightly conical inner walls on. This measure is in the method according to the invention not required, allowing the production of exactly cylindrical castings is relieved. This is especially advantageous if the casting itself as a mold (Crucible) used for the production of cylindrical castings is, as in the case, a post-processing of the cast-body walls to Generation of the cylinder geometry is not required. Especially simplifies the process according to the invention the production of rectangular castings by inserting a mold is, whose inner wall encloses a rectangular cavity.
Insbesondere für die Herstellung von tiegelförmigen Gussteilen hat es sich als besonders günstig erwiesen, in den Hohlraum der Form ein Gießkern einzusetzen, der von dem Kompositschlicker vollständig übergossen wird.Especially for the Production of crucible-shaped Castings, it has proved to be particularly favorable in the cavity to use a casting core in the mold which is completely doused by the Kompositschlicker.
Bei vollständig undurchlässiger Formwandung erfolgt kein „Nachsacken" des Kompositschlickers, so dass eine glatte Gießoberfläche erhalten wird. Diese glatte Gießoberfläche, die keiner Nachbearbeitung bedarf, bildet den Boden (Außenseite) des tiegelförmigen Gussteils.at Completely impermeable Mold wall is no "sagging" of Kompositschlickers, so that a smooth casting surface is obtained. This smooth casting surface, the requires no post-processing, forms the bottom (outside) of the crucibletype Casting.
Hinsichtlich des Gussteils aus einem keramischen oder einem glasigen Kompositwerkstoff wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Werkstoff erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wandung eine homogene Poren- und Dichteverteilung aufweist, derart, dass die lokale Dichte über die gesamte Wandung, in Richtung senkrecht zu der Gießachse gesehen, um maximal 5 % von der mittleren Dichte des Kompositwerkstoffs abweicht.Regarding the casting of a ceramic or a glassy composite material the above object is based on the above-mentioned Material according to the invention thereby solved, that the wall has a homogeneous pore and density distribution, such that the local density over the entire wall, viewed in the direction perpendicular to the casting axis, deviates by a maximum of 5% from the average density of the composite material.
Das erfindungsgemäße Gussteil zeichnet sich durch eine homogene Poren- und Dichteverteilung aus. Es weist somit keine Gießseele auf, wie sie beispielsweise beim Abgießen von Schlicker in Formen mit saugenden Wandungen entstehen kann. Das erfindungsgemäße Gussteil zeigt daher eine hohe mechanische Festigkeit. Es ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Durch rasches Einfrieren eines Kompositschlickers mit hohem Feststoffgehalt in einer Form mit einer für die Flüssigkeit des Kompositschlickers nicht durchlässigen Wandung wird die Ausbildung von Dichtegradienten senkrecht zu der Gießachse weitgehend vermieden.The Casting according to the invention is characterized by a homogeneous pore and density distribution. It therefore has no casting soul on, as for example when pouring slip into molds can arise with absorbent walls. The casting according to the invention therefore shows a high mechanical strength. It is according to the method of the invention produced. By quickly freezing a Kompositschlickers with high solids content in a mold with one for the fluid of the composite slip not permeable Wall is the formation of density gradients perpendicular to the casting axis largely avoided.
Das erfindungsgemäße Gussteil besteht aus einem Kompositwerkstoff, welcher eine homogene Matrix aus dem Werkstoff umfasst, in der gröbere Körner des Werkstoffes eingebettet sind. Bei dem Werkstoff handelt es sich um Quarzglas, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Zirkonsilikat, Silizium, oder um ein Gemisch dieser Substanzen.The Casting according to the invention consists of a composite material, which is a homogeneous matrix from the material, embedded in the coarser grains of the material are. The material is quartz glass, silicon nitride, Silicon carbide, zirconium silicate, silicon, or a mixture of these Substances.
Zur
Messung der Dichte werden würfelförmige Proben
mit einer Kantenlänge
von 1 cm aus der Wandung des Gussteils entnommen und durch Röntgenverfahren
vermessen. Die Gießachse
kennzeichnet die Orientierung des Gussteils bei seiner Herstellung
kennzeichnet und
Im Fall von Quarzglas zeichnet sich der Kompositwerkstoff
durch eine Dichte von mindestens 1,80 g/cm3 aus.To measure the density, cube-shaped samples with an edge length of 1 cm are removed from the wall of the casting and measured by X-ray techniques. The casting axis identifies the orientation of the casting during its manufacture and identifies
In the case of quartz glass, the composite material is characterized by a density of at least 1.80 g / cm 3 .
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Gussteil als Kerngussteil mit rechteckigem Querschnitt und zylinderförmiger Innenwandung ausgebildet.Preferably is the casting according to the invention as a core casting with a rectangular cross section and a cylindrical inner wall educated.
Die zylinderförmige Innenwandung ist für einen Einsatz des Gussteils als Gießform (Kokille zum Schmelzen von Solarsilizium) zur Herstellung zylinderförmiger Gusskörper besonders geeignet, da eine Nachbearbeitung der Gusskörper-Wandungen zur Erzeugung der Zylindergeometrie nicht erforderlich ist.The cylindrical Inner wall is for an insert of the casting as a casting mold (mold for melting of solar grade silicon) for producing cylindrical castings particularly suitable because a post-processing of the cast-body walls to produce the cylinder geometry is not required.
Es wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gussteils bevorzugt, das eine mit Stickstoff dotierte Oberflächenschicht aufweist.It becomes an embodiment the casting according to the invention preferably, that is a nitrogen-doped surface layer having.
Kokillen zum Schmelzen von Solarsilizium sind in der Regel mit einer Si3N4-Trennschicht versehen. Demgegenüber zeichnet sich das Gussteil gemäß der Erfindung durch eine integrale Oberflächenschicht aus, in welcher der Werkstoff mit Stickstoff dotiert ist. Die mit Stickstoff angereicherte Oberflächenschicht wirkt als Diffusionssperre für die Diffusion von Gasen, insbesondere von Sauerstoff. Der Stickstoffgehalt der Oberflächenschicht liegt hierzu bei mindestens 1 Gew.-%, vorzugsweise bei mindestens 0,5 Gew.-%.Molds for melting solar silicon are usually provided with a Si 3 N 4 separating layer. In contrast, the casting according to the invention is characterized by an integral surface layer in which the material is doped with nitrogen. The nitrogen enriched surface layer acts as a diffusion barrier for the diffusion of gases, especially oxygen. The nitrogen content of the surface layer is for this purpose at least 1 wt .-%, preferably at least 0.5 wt .-%.
Das erfindungsgemäße Gussteil wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten. Insoweit wird auf die obigen Erläuterungen Bezug genommen.The Casting according to the invention is preferably obtained by the method according to the invention. in this respect is referred to the above explanations taken.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert.following the invention is based on embodiments and a Drawing explained in more detail.
Beispiel 1example 1
Es
wird zunächst
ein homogener Grundschlicker
Diese
Mischung
Die
nach dem Vermahlen der Quarzglaskörnung
Aus
dem so erhaltenen homogenen Grundschlicker
Anschließend wird
aus dem homogenen Kompositschlicker
Die
Zugabe von Glycerin zu dem Kompositschlicker
Der
schockgefrorene Blaukörper
Besonders
wichtig ist, dass es beim Trocknen zu einer Verfestigung des Blaukörpers
Der
getrocknete Grünkörper
Der
Kompositwerkstoff des Gussteils
Beispiel 2Example 2
Nachfolgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung einer Kokille aus opakem Quarzglas zur Aufnahme einer Schmelze aus Solarsiliziums mittels eines Kerngussverfahrens näher beschrieben.following becomes another embodiment the method according to the invention for the production a mold made of opaque quartz glass for receiving a melt Solarsiliziums described by means of a core casting process.
Es wird der Kompositschlicker gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei 50% das dort zugesetzten Glycerins durch TEOS ersetzt werden. TEOS bewirkt neben der Kornfeinung des Eises eine Erhöhung des Feststoffgehaltes mittels Sol-Gel-Reaktion und eine Erhöhung der Grün- und Sinterfestigkeit des Grünkörpers.The composite slip according to Example 1 is produced, with 50% of the glycerol added thereto being replaced by TEOS. In addition to the grain refining of the ice, TEOS causes an increase in the solids content by means of a sol-gel reaction and an increase in the green and sintering resistance of the green body.
In
eine quadratische, mehrteilige Aluminiumform mit teflonbeschichteten
Innenwandungen mit den Innenmaßen
850 mm × 850
mm wird mittig ein quadratischer Gießkern mit den seitlich Abmessungen
830 mm × 830
mm und einer Höhe
von 450 mm eingesetzt. Die Aluminiumform wird auf eine Temperatur
von minus 20 °C
gekühlt
und mit dem Kompositschlicker
Das
Schockgefrieren verhindert eine Sedimentation und ein Entmischen
des Kompositschlickers
Der
schockgefrorene Blaukörper
Nach
dem Trocknen wird der so erhaltene Grünkörper
Die
Kokille
Beispiel 3Example 3
Es wird ein „Mikro-Kompositschlicker" hergestellt. Hierzu werden 7900 g eines synthetischen amorphen Quarzglases hoher Reinheit mit 2100 g deionisiertem Wasser in einer mit Polyurtethan ausgekleideten Kugelmühle mit Al2O3-Mahlkugeln zu einem feinteiligen Grundschlicker mit einem D50-Wert von 5,5 μm und einem D90-Wert von 24 μm und einem Feststoffgehalt von 79 Gew.-% aufgemahlen. 2000 g dieses Grundschlickers werden mit 1250 g einer weitgehend sphärischen amorphen Quarzglaskörnung mit einem D50-Wert von 16 μm homogenisiert. Die Schlickerdichte beträgt 1,92 g/cm3.A "micro-composite slip" is prepared by adding 7900 g of high purity synthetic amorphous silica glass containing 2100 g of deionized water in a polyurethene-lined ball mill with Al 2 O 3 milling balls to a finely divided base slip having a D 50 value of 5 , 5 microns and a D .mu.m 90 value of 24 and milled to a solids content of 79 wt .-%. 2000 g of this Grundschlickers are with 1250 g of a substantially spherical amorphous silica grain having a D 50 value of 16 microns homogenized. If the slip density 1.92 g / cm 3 .
Dem
Mikro-Kompositschlicker werden 14 Gew.-% Glycerin zugefügt. Nach
12-stündiger Homogenisierungsdauer
wird der Mikro-Kompositschlicker in eine als Rohr ausgebildete und
vorab bei einer Temperatur von 90 °C ausgeheizte Silikon-Membranform mit vertikal
orientierter Rohr-Längsachse
gegossen und bei –50°C in der
Form eingefroren. Nach
Der Blaukörper wird unmittelbar in einen auf 80 °C vorgeheizten Umluftofen transportiert und unter kontinuierlichen Verdampfung und Abführung der Feuchtigkeit von der Oberfläche getrocknet. Schließlich wird der trockene Grünkörper bei einer Temperatur von 1440°C während 2h zu einem Quarzglasrohr gesintert, das eine Dichte von 2,15 g/cm3 aufweist, das opak ist, und das sich durch ein gleichmäßiges homogenes Gefüge mit homogener Dichte- und Porenverteilung auszeichnet. Eine Gießseele ist nicht erkennbar. Innen, außen und in der Mitte der Rohrwandung (im Bereich der halben Rohrlänge) entnommene würfelförmige 1 cm3-Messproben sind keine Dichteunterschiede messbar.The blue body is transported directly to a pre-heated to 80 ° C convection oven and dried with continuous evaporation and removal of moisture from the surface. Finally, the dry green body is sintered at a temperature of 1440 ° C for 2 hours to a quartz glass tube having a density of 2.15 g / cm 3 , which is opaque, and characterized by a uniform homogeneous structure with homogeneous density and pore distribution distinguished. A casting soul is not recognizable. Cube-shaped 1 cm 3 cube samples taken inside, outside and in the middle of the pipe wall (in the area of half the pipe length) show no differences in density.
Beispiel 4Example 4
Es wird ein Grundschlicker gemäß Beispiel 3 hergestellt, und diesem werden 2000 g amorphe synthetische, flammverglaste SiO2-Körnung einer Korngröße von 60 μm –125 μm mit einem D50-Wert von 80 μm zugemischt bis ein Feststoffgehalt von 90,4 Gew.-% erreicht ist. Nach Zugabe von 15 Gew.-% TEOS (bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeit) ist der Schlicker gut gießfähig. Er wird in eine als Flansch ausgebildete Form aus teflonbeschichtetem Blech gegossen, darin gefroren und anschließend gesintert, wie anhand Beispiel 1 beschrieben.It is a Grundschlicker prepared according to Example 3, and this 2000 g of amorphous synthetic, flame-glazed SiO 2 grains are added a particle size of 60 microns -125 microns with a D 50 value of 80 microns to a solids content of 90.4 wt. % is reached. After addition of 15% by weight of TEOS (based on the weight of the liquid), the slip is readily pourable. It is poured into a flanged form of Teflon-coated sheet, frozen therein and then sintered as described in Example 1.
Das fertige Flanschteil besteht aus opakem Quarzglas und es weist eine homogene Poren- und Dichteverteilung auf. Die Gesamtschwindung liegt bei ca. 2,5 %. Es ist frei von Kalzium-Kontaminationen, wie sie bei der herkömmlichen Gipsformtechnik auftreten.The finished flange part consists of opaque quartz glass and it has a homogeneous pore and density distribution. The total shrinkage is at about 2.5%. It is free of calcium contamination, as they occur in the conventional plaster mold technique.
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