CN102030470A - 一种注凝成型熔融石英坩埚及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种注凝成型熔融石英坩埚，该注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：二氧化硅＞99.74％，氧化铁＜40ppm，氧化铝＜1000ppm，其余为钾、钠、镁或钙氧化物，这些不可避免的杂质。所述注凝成型熔融石英坩埚生坯强度高、密度高的坩埚，且结构均匀、强度高能生产大型坩埚。本发明还公开了一种制造所述注凝成型熔融石英坩埚的制造方法。

Description

一种注凝成型熔融石英坩埚及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐火窑具，属于冶金行业。具体来说涉及一种石英坩埚及其制造方法，特别是一种注凝成型熔融石英坩埚及其制造方法。

背景技术

熔融石英陶瓷坩埚是多晶硅铸锭过程中的易耗品，每台多晶炉每年需要陶瓷方坩埚约120支。07年国内坩埚需求约12万支每年，如今年最近两年又呈爆发式增长。目前市场上熔融石英坩埚的主流技术注浆成型(slipcasting)。注浆成型是传统的成型工艺，其特点是产品密度高(1.89～2.0g/cm³)，强度较高。但注浆成型工艺有无法克服的诸多缺点：1，注浆用的石膏模质量不稳定，时有波动以致影响坩埚质量；2，注浆成型的生坯强度低，生产大尺寸坩埚难度很大；3，注浆成型结构不均匀，甚至有夹层，强度较低；4模具使用次数有限，模具成本很高；5，烧成后坩埚底部需要打磨成本大幅度提高；6，成型温度湿度等的要求很高。目前880坩埚是市场主流，但1024坩埚甚至更大的坩埚是日后发展的方向。注浆成型成型做这样大型坩埚难度很大，凸显注浆法的局限性。

注凝成型(gelcasting)是新型的陶瓷制备工艺，该工艺具有生坯强度高、生产周期短、可一次成型等显著优点，生产大型熔融石英坩埚具有无可比拟的优势。国内很少厂家用注凝成型制备石英陶瓷坩埚，并且与注浆成型生产的坩埚相比，注凝成型的坩埚密度偏低(约1.80g/cm3)，过低的密度对坩埚的性能有严重影响，所以注凝成型坩埚的市场占有率逐年萎缩。因此，如何提高熔融石英陶瓷坩埚的密度是注凝成型能否成功应用于该行业的关键一环。

在已经公开的专利号为：200910101334.7，专利名称为：一种高纯石英坩埚及其制造方法的专利文献中，公开了一种高纯石英坩埚及其制造方法，其选用三种不同颗粒规格SiO2的熔融石英晶体为主要原料，按重量百分比将颗粒直径c1)0.381mm 30％-40％、c1)0.173mm 10％-15％、c1)0.0065mm 60％-45％的比例配比，另加添加结合剂、去离子水配制成浆料，浆料在球磨机球磨后浇铸到石膏模中，脱模、烘干后在自动推板式油窑内烧结成石英坩埚成品。其提高了石英坩埚的强度和易破碎性，但没有涉及坩埚密度和生产大型坩埚的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种注凝成型熔融石英坩埚及其制造方法，其能生产生坯强度高、密度高的坩埚，且结构均匀、强度高能生产大型坩埚。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种注凝成型熔融石英坩埚，该注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.74％，

氧化铁＜40ppm，

氧化铝＜1000ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物等不可避免的杂质。

进一步的，所述注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.85％，

氧化铁＜30ppm，

氧化铝＜500ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物等不可避免的杂质。

更进一步的是，所述注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.9％，

氧化铁＜10ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物类不可避免的杂质。

根据本发明所述的注凝成型熔融石英坩埚，较好的是所述熔融石英坩埚的体积密度为1.89～1.98g/cm³，室温抗弯强度20MPa以上，线性膨胀系数约0.6×10^-6/℃，显气孔率小于15％。

一种制造上述注凝成型熔融石英坩埚的方法，包括以下步骤：

1)将高纯熔融的石英砂投入研磨机中加水研磨成浆料，所述石英砂的粒度控制在30微米以内；

2)上述浆料陈化8到12天后，再向料将中加入粒度50～100微米、250～350微米的熔融石英砂，然后加入丙烯酰胺化学试剂，充分搅拌直至料浆温度达到30～45摄氏度，真空除泡后压力注入不锈钢模具，同时辅以轻微震动，震动频率约20～40次/分钟，振幅约2～5毫米，浇注完成后静止15～30分钟；

3)而后把浇注后的不锈钢模具至于40～100度的烘箱中，保温1～5小时；

4)脱模后先在湿度大于80％的环境下干燥1～12小时，然后在100～200度的烘箱中干燥20～30小时；

5)将干燥后的生坯放入窑炉烧成，先在氧化气氛中保护6～10小时、而后在还原气氛中保护5～50小时，烧成温度1000～1300度，烧成时间为15～56小时，所得坩埚即为熔融石英陶瓷坩埚。

本发明的有益效果为：

1、生坯强度高，合格率高；

2、坩埚的密度高，与注浆成型所得坩埚密度一致；

3、浇注方便、成型周期短；

4、一次成型，无需过多加工，故成本远低于注浆成型；

5、结构均匀、强度高；

6、生产大型坩埚(1024mm及以上尺寸)具有无可比拟的优势；

7、投入少、见效快、风险低，与注浆成型相比，无论是场地还是设备都少很多。

具体实施方式

以下，用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

将50份块状高纯石英砂(其组份的质量百分比为：二氧化硅＞99.75％，氧化铁＜38ppm，氧化铝＜950ppm，其他为不可避免的杂质，如钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物等)投入球磨机中进行湿法球磨，粒径控制在10微米以内，陈化8天后再加入60微米、220微米的高纯熔融石英砂各25份，然后加入丙烯酰胺单体试剂充分搅拌，充分搅拌直至料浆温度达到35摄氏度，理化指标检测合格后，真空除泡后压力注入不锈钢模具，同时辅以轻微震动，震动频率30次/分钟，振幅3毫米。浇注完成后静止20分钟。在50摄氏度的烘房放置5小时后，取出脱模，生坯在湿度大于80％的环境下干燥10小时，而后在200摄氏度的环境下干燥25小时。将干燥后的生坯放入窑炉烧成，先在氧化气氛保护8小时、而后还原气氛保护45小时。烧成温度1100度，烧成时间为55小时，所得坩埚即为熔融石英陶瓷坩埚样品1。

实施例2

将45份块状高纯石英砂(其组份的质量百分比为：二氧化硅＞99.8％，氧化铁＜25ppm，氧化铝＜400ppm，其他为不可避免的杂质，如钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物等)投入球磨机中进行湿法球磨，粒径控制在20微米以内，陈化10天后加入20份80微米的高纯熔融石英砂、35份300微米的高纯熔融石英砂，然后加入丙烯酰胺单体等试剂充分搅拌，充分搅拌直至料浆温度达到40摄氏度，理化指标检测合格后，真空除泡后压力注入不锈钢模具，同时辅以轻微震动，震动频率38次/分钟，振幅5毫米。浇注完成后静止25分钟。然后在80摄氏度的烘房放置3小时后，取出脱模，生坯在湿度大于80％的环境下干燥6小时，而后在180摄氏度的环境下干燥21小时。将干燥后的生坯放入窑炉烧成，先在氧化气氛保护10小时、而后还原气氛保护30小时。烧成温度1200度，烧成时间为30小时，所得坩埚即为熔融石英陶瓷坩埚样品2。

案例3

将40份块状高纯石英砂(其组份的质量百分比为：二氧化硅＞99.95％，氧化铝＜10ppm，其他为不可避免的杂质，如钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物等)投入球磨机中进行湿法球磨，粒径控制在25微米以内，陈化12天后加入25份90微米的高纯熔融石英砂、35份330微米的高纯熔融石英砂，然后加入丙烯酰胺单体等试剂充分搅拌，充分搅拌直至料浆温度达到45摄氏度，理化指标检测合格后，真空除泡后压力注入不锈钢模具，同时辅以轻微震动，震动频率25次/分钟，振幅2毫米。浇注完成后静止15分钟。然后在100摄氏度的烘房放置2小时后，取出脱模，生坯在湿度大于80％的环境下干燥3小时，而后在120摄氏度的环境下干燥28小时。将干燥后的生坯放入窑炉烧成，先在氧化气氛保护6小时、而后还原气氛保护10小时。烧成温度1200度，烧成时间为30小时，所得坩埚即为熔融石英陶瓷坩埚样品3。

对上述石英坩埚产品进行性能检测，其主要性能指标见表1

表1

检测项目	样品1	样品2	样品3
				抗弯强度(MPa)	26.7	33.1	29.2

体积密度(g/cm3)	1.90	1.94	1.92
				表面气孔率(％)	12.5	12.1	12.8
线性膨胀系数(10-6/℃)	0.59	0.6	0.6

Claims (5)

1.一种注凝成型熔融石英坩埚，其特征在于：该注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.74％，

氧化铁＜40ppm，

氧化铝＜1000ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物类不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的注凝成型熔融石英坩埚，其特征在于：所述注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.85％，

氧化铁＜30ppm，

氧化铝＜500ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物类不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的注凝成型熔融石英坩埚，其特征在于：所述注凝成型熔融石英坩埚的成分的质量百分含量为：

二氧化硅＞99.9％，

氧化铁＜10ppm，

其余为钾氧化物、钠氧化物、镁氧化物或钙氧化物类不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的注凝成型熔融石英坩埚，其特征在于：所述熔融石英坩埚的体积密度为1.89～1.98g/cm³，室温抗弯强度20MPa以上，线性膨胀系数为0.6×10^-6/℃，显气孔率小于15％。

5.一种制造权利要求1所述的注凝成型熔融石英坩埚的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)将高纯熔融的石英砂投入研磨机中加水研磨成浆料，所述石英砂的粒度控制在30微米以内；

2)上述浆料陈化8到12天后，再向料将中加入粒度50～100微米、250～350微米的熔融石英砂，然后加入丙烯酰胺化学试剂，充分搅拌直至料浆温度达到30～45摄氏度，真空除泡后压力注入不锈钢模具，同时辅以轻微震动，震动频率约20～40次/分钟，振幅约2～5毫米，浇注完成后静止15～30分钟；

3)而后把浇注后的不锈钢模具至于40～100度的烘箱中，保温1～5小时；

4)脱模后先在湿度大于80％的环境下干燥1～12小时，然后在100～200度的烘箱中干燥20～30小时；

5)将干燥后的生坯放入窑炉烧成，先在氧化气氛中保护6～10小时、而后在还原气氛中保护5～50小时，烧成温度1000～1300度，烧成时间为15～56小时，所得坩埚即为熔融石英陶瓷坩埚。