RU2006336C1

RU2006336C1 - Device for casting plates and thin-walled shapes having ordered structure

Info

Publication number: RU2006336C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Кулинченко; В.Г. Масленников; С.А. Новоселов
Original assignee: Акционерное общество "Компакт Лтд"
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: casting. SUBSTANCE: device includes piston located in the mold and mating the inner cavity cross section profile of the mold. The piston is movable under the influence of its own weight which is to exceed the force required to displace molten metal from the crucible to the mold in the direction from the top down. For this purpose the piston made from material unwettable by the molten metal is provided with the butt end contacting with the molten metal made of material wettable by the said molten metal. The device has a chamber designed to accommodate a heat absorbing material and located lower than the mold. Above the crucible the device is provided with a chamber designed to contain priming, and with means of priming thermostatic control placed externally, for example with heat shields. EFFECT: improved quality of the product. 4 cl, 6 dwg

Description

Назначение предлагаемого устройства - осуществление процесса литья пластин и тонкостенных профилей, имеющих постоянную толщину и форму по длине, из материала с упорядоченной структурой, например, монокристаллов полупроводников, магнитных материалов и других. The purpose of the proposed device is the implementation of the process of casting plates and thin-walled profiles having a constant thickness and shape along the length of a material with an ordered structure, for example, single crystals of semiconductors, magnetic materials and others.

Область применения изобретения - машиностроение, электроника, оборудование химических производств. The scope of the invention is mechanical engineering, electronics, equipment for chemical production.

Отличительной способностью устройства для осуществления способа вытягивания дендритной ленты из переохлажденного расплава со скоростью ее затвердевания (патент Японии N 22464, 1964 г. ) является применение системы тепловых экранов, способствующих сохранению переохлажденного состояния расплава, находящегося в графитовом тигле. При этом вытяжку дендритной ленты осуществляют из зоны переохлаждения расплава снизу вверх. A distinctive ability of the device for implementing the method of pulling a dendritic tape from a supercooled melt at a rate of solidification (Japanese Patent No. 22464, 1964) is the use of a heat shield system that maintains the supercooled state of the melt in a graphite crucible. In this case, the dendritic tape is drawn from the zone of melt subcooling from the bottom up.

Существенными недостатками этого устройства являются трудности, связанные с поддержанием и регулированием теплового поля и обеспечением необходимой скорости вытягивания ленты из расплава, которая, например, для кремния достигает 100-300 мм/мин, что оказывает влияние на качество изделия. Significant disadvantages of this device are the difficulties associated with maintaining and regulating the thermal field and providing the necessary speed for pulling the tape from the melt, which, for example, for silicon reaches 100-300 mm / min, which affects the quality of the product.

Близким предлагаемому устройству является устройство, реализующее перевернутый способ Степанова, когда ленту из расплава вытягивают через фильеру вниз. Особенностью такого устройства, общей с предлагаемым устройством, является объединение тигля с фильерой. На дне тигля прорезана для этого щель необходимых размеров, через которую снизу вводят охлаждаемую затравку. Close to the proposed device is a device that implements the inverted Stepanov method, when the tape from the melt is pulled down through the die. A feature of such a device, common with the proposed device, is the association of the crucible with a die. At the bottom of the crucible, a slot of the required size is cut for this, through which a cooled seed is introduced from below.

Описанный прототип не устраняет основных недостатков устройства для выращивания дендритных лент и уступает ему в производительности. Оба эти устройства требуют применения сложных систем регулирования технологического процесса и с трудом поддаются автоматизации. The described prototype does not eliminate the main disadvantages of the device for growing dendritic tapes and is inferior to it in productivity. Both of these devices require sophisticated process control systems and are difficult to automate.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение качества изделия. The aim of the invention is to simplify the design and improve the quality of the product.

Цель изобретения достигается тем, что внутри разборной формы размещен поршень, выполненный в виде пластины или профиля, повторяющего профиль поперечного сечения внутренней полости формы, с возможностью свободного перемещения в форме и соблюдением условия, что вес поршня превышает усилие, необходимое для перемещения расплава в форму в направлении сверху вниз. Поршень предназначен для заполнения расплавом несмачиваемой им формы, поэтому он изготовлен или имеет покрытие из несмачиваемого расплавом материала, а верхний его торец, имеющий контакт с расплавом, изготовлен из смачиваемого расплавом материала. Для предотвращения кристаллизации расплава от поршня в нижней части формы имеется замкнутая полость для размещения в ней аккумулирующего тепло материала с возможностью контакта с ним поршня в нижнем крайнем положении. В связи с тем, что технологический процесс не предусматривает отвода тепла через затравку, в верхней части формы, над тиглем, имеется полость для размещения в ней затравки и наружные средства для термостатирования затравки, например, тепловые экраны. The purpose of the invention is achieved by the fact that a piston is arranged inside the collapsible mold, made in the form of a plate or profile that repeats the cross-sectional profile of the mold’s internal cavity, with the possibility of free movement in the mold and subject to the condition that the weight of the piston exceeds the force required to move the melt into the mold in top to bottom direction. The piston is designed to fill a form which is not wettable by the melt, therefore it is made or has a coating of material not wettable by the melt, and its upper end having contact with the melt is made of material wettable by the melt. To prevent crystallization of the melt from the piston in the lower part of the mold there is a closed cavity for accommodating heat-accumulating material in it with the possibility of piston contacting it in the lower extreme position. Due to the fact that the technological process does not provide for heat removal through the seed, in the upper part of the mold, above the crucible, there is a cavity for placing the seed in it and external means for temperature control of the seed, for example, heat shields.

На фиг. 1 показана схема устройства и основные средства для обеспечения его работы; на фиг. 2, 3 - устройство в сборке с заготовками исходных материалов; на фиг. 4, 5, 6 - устройство на различных стадиях технологического процесса. In FIG. 1 shows a diagram of the device and the main means to ensure its operation; in FIG. 2, 3 - a device in an assembly with blanks of raw materials; in FIG. 4, 5, 6 - the device at various stages of the process.

С помощью предлагаемого устройства могут быть получены изделия из различных кристаллических и аморфных материалов или их сплавов, например, из полупроводниковых материалов: кремния, германия или сплавов, образующих твердые растворы, таких как Ge-Si; As-Sb; Se-Tе; Bi-Sb. Using the proposed device can be obtained from various crystalline and amorphous materials or their alloys, for example, from semiconductor materials: silicon, germanium or alloys forming solid solutions, such as Ge-Si; As-Sb; Se-te; Bi-Sb.

В качестве примера использования предлагаемого устройства можно рассмотреть процесс получения пластины из полупроводникового материала - сплава германия и кремния - Gе_0,2Si_0,8. Известно, что температура плавления этого сплава составляет 1370^оС и интервал его кристаллизации - 100^оС; Из этого следует, что для получения однородного монокристалла и для осуществления его кристаллизации с высокой скоростью, расплав необходимо переохладить до 1270^оС.As an example of the use of the proposed device, we can consider the process of obtaining a plate of a semiconductor material - an alloy of germanium and silicon - Ge _0.2 Si _0.8 . It is known that the alloy melting temperature is 1370 C and ^the crystallization interval - 100 ^{° C;} From this it follows that in order to obtain a homogeneous single crystal and to realize its crystallization at high speed, the melt must be supercooled to 1270 ^about C.

Для обеспечения высокого качества изделия процесс кристаллизации необходимо вести в вакууме не меньше 10^-5 мм рт. , ст. или в инертном газе.To ensure high quality of the product, the crystallization process must be conducted in a vacuum of at least 10 ^-5 mm RT. , Art. or inert gas.

Основное оборудование вакуумной печи, необходимое для данного технологического процесса, показано на фиг. 1, в него входят: нагреватели 1, разборная форма 2, которая состоит из держателя 3 для затравки; тигля 4. поршня 5 и емкости 6 для аккумулирующего тепло материала. Снаружи, в верхней части, форма 2 оборудована средством для термостатирования затравки в виде вакуумных экранов 7. В комплект печи входит также ванна охлаждения 8. The main equipment of the vacuum furnace required for this process is shown in FIG. 1, it includes: heaters 1, collapsible form 2, which consists of a holder 3 for seed; crucible 4. piston 5 and tank 6 for heat-storage material. Outside, in the upper part, Form 2 is equipped with means for thermostating the seed in the form of vacuum screens 7. The furnace also includes a cooling bath 8.

Исходя из требований технологического процесса и свойств расплава исходного материала, форма 2 должна быть изготовлена из теплостойкого материала, например, из графита, и иметь покрытие контактирующих с расплавом поверхностей несмачиваемым расплавом материалом, например, нитридом кремния. Based on the requirements of the technological process and the properties of the melt of the starting material, Form 2 should be made of a heat-resistant material, for example, graphite, and have a non-wettable melt in contact with the melt of the material, for example, silicon nitride.

Поршень 5 должен быть изготовлен из такого же материала и иметь такое же покрытие, но на его верхнем торце, имеющем контакт с расплавом, поверхность должна быть из смачиваемого расплавом материала. The piston 5 should be made of the same material and have the same coating, but on its upper end in contact with the melt, the surface should be of wettable material.

Вес поршня Р определяют из зависимости Р > σ˙l, где σ - величина удельного поверхностного натяжения данного расплава (для жидкого кремния σ= 0,7 г/см), удерживающего смачиваемый им торец поршня; l - длина поршня. The weight of the piston P is determined from the dependence P> σ˙l, where σ is the specific surface tension of a given melt (for liquid silicon σ = 0.7 g / cm), which holds the piston end wetted by it; l is the length of the piston.

Например, при l = 10 см (для кремния) Р > 7 г. For example, at l = 10 cm (for silicon) P> 7 g.

Размещение внутри формы 2 затравки, заготовки исходного материала и аккумулирующего тепло материала осуществляют заранее так, как это показано на фиг. 2. Для фиксации поршня 5 внутри формы 2 в его верхнем положении (фиг. 2) предусмотрена установка в форме фиксаторов 9 (фиг. 3) из материала с температурой плавления на 60-80^оС выше, чем исходного материала (в данном примере ≈1450^оС).The placement within the mold 2 of the seed, the preform of the starting material and the heat storage material is carried out in advance as shown in FIG. 2. For fixing the piston 5 inside the mold 2 in its upper position (FIG. 2) provided for installation in the form of clamps 9 (FIG. 3) of a material with a melting point of 60-80 ° ^C higher than the starting material (in this example ≈ 1450 ^about C).

Требования к исходным материалам следующие: затравка должна быть изготовлена из того же материала, что и изделие, иметь заданную монокристаллическую структуру, иметь такую же толщину и форму поперечного сечения как и изделие; заготовка исходного материала должна быть изготовлена из того же материала (по составу компонентов), что и изделие, масса заготовки должна быть равна массе получаемого изделия; аккумулирующий тепло материал должен иметь большую удельную теплоемкость, чем охлаждающая форму жидкость; охлаждающая жидкость должна допускать нагрев до 1270^оС без кипения (например, расплав олова, свинца или алюминия).Requirements for the starting materials are as follows: the seed must be made of the same material as the product, have a given single-crystal structure, have the same thickness and cross-sectional shape as the product; the blank of the source material should be made of the same material (in the composition of the components) as the product, the mass of the blank should be equal to the mass of the resulting product; heat storage material should have a higher specific heat capacity than the cooling liquid form; coolant must allow heating to 1270 ^{° C} without boiling (e.g., molten tin, lead or aluminum).

Процесс получения изделия с помощью предлагаемого устройства осуществляют следующим образом. The process of obtaining the product using the proposed device is as follows.

Форму 1 в собранном и укомплектованном виде (фиг. 2) размещают в камере вакуумной печи так, как это показано на фиг. 1. Форму 2 нагревают до температуры плавления исходного материала ( ≈1370^оС), в результате чего расплав в тигле 4 начинает взаимодействовать с поверхностью "С" поршня 5, изготовленной из смачиваемого расплавом материала (фиг. 4). Затем форму 2 нагревают до температуры плавления фиксаторов 9, в результате чего поршень 5 начинает перемещаться вниз под собственным весом, обеспечивая заполнение формы расплавом и в нижнем положении приходит во взаимодействие с аккумулирующим тепло материалом, находящимся в емкости 6 (фиг. 5). Далее форму 2 погружают в ванну охлаждения в жидкий охладитель при заданной температуре переохлаждения расплава ( ≈1270^оС) на заданную глубину h (фиг. 6) и затем выдерживают в этом положении до спонтанной кристаллизации переохлажденного расплава от затравки.Form 1 in assembled and equipped form (FIG. 2) is placed in the chamber of the vacuum furnace as shown in FIG. 1. Form 2 is heated to the melting temperature of the starting material (≈1370 ° ^C), whereby the melt in the crucible 4 begins to interact with the surface "S" of the piston 5, made of a wettable material melt (FIG. 4). Then, the mold 2 is heated to the melting temperature of the latches 9, as a result of which the piston 5 begins to move downward under its own weight, ensuring the filling of the mold with the melt and in the lower position interacts with the heat-accumulating material located in the reservoir 6 (Fig. 5). Next, form 2 is immersed in a cooling bath in a liquid cooler at a given melt supercooling temperature (≈1270 ^о С) at a given depth h (Fig. 6) and then kept in this position until spontaneous crystallization of the supercooled melt from the seed.

Затем форма с полученным изделием может быть охлаждена в заданном режиме, и изделие извлечено из формы. Then the mold with the obtained product can be cooled in a predetermined mode, and the product is removed from the mold.

Предлагаемое устройство может быть применено для получения сложных тонкостенных изделий, имеющих постоянную толщину и профиль поперечного сечения по длине (фиг. 7). Формы для получения таких профилей могут быть изготовлены, например, по выплавляемым моделям. The proposed device can be used to obtain complex thin-walled products having a constant thickness and a cross-sectional profile along the length (Fig. 7). Molds for obtaining such profiles can be made, for example, by investment casting.

Основным достоинством предлагаемого устройства является то, что оно требует минимума технических средств для обеспечения его работы, это делает возможной автоматизацию технологического процесса на этапе получения изделия из расплава при высокой его производительности. (56) Макеев Х. И. ; , Мамаев Л. М. и др. Разработка устройства для вытягивания кремниевых лент в атмосфере влажного кислорода. Сб. Материалы IX совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова, Ленинград, 1982, с. 162-168. The main advantage of the proposed device is that it requires a minimum of technical means to ensure its operation, this makes it possible to automate the technological process at the stage of receiving the product from the melt with its high productivity. (56) Makeev H.I.; , Mamaev L. M. et al. Development of a device for drawing silicon ribbons in an atmosphere of moist oxygen. Sat Materials of the IX meeting on obtaining profiled crystals and products by the Stepanov method, Leningrad, 1982, p. 162-168.

Claims

1. DEVICE FOR CASTING PLATES AND THIN-WALLED PROFILES WITH ORDERED STRUCTURE, containing a crucible, a mold of non-melt-wettable material and a holder with a seed, characterized in that, in order to simplify the design and improve the quality of products, it is equipped with a piston placed in the mold cavity with the possibility of free movement in it and made in the form of a plate or thin-walled profile corresponding to the cross section of the inner cavity of the mold, and the weight of the piston exceeds the force required to move the melt from the crucible into the mold in the direction from top to bottom, while the piston is made or has a coating of material not wettable by the melt, and its upper end interacting with the melt is made of material wetted by the melt.

2. The device according to p. 1, characterized in that the weight of the piston is determined from the dependence
P