本發(fā)明涉及石英陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石英陶瓷坩堝的制造方法。
背景技術(shù)：
石英陶瓷又稱熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷、石英玻璃燒結(jié)制品、熔融石英燒結(jié)制品,它是采用熔融石英或石英玻璃為原料,經(jīng)粉碎、成形、燒成等一系列陶瓷工藝制備的制品,于20世紀(jì)60年代初最先由美國開發(fā)成功并投入批量生產(chǎn)。
石英陶瓷具有成本低、高溫荷重軟化溫度高、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)侵蝕性好、介電性高及電阻大等優(yōu)良特性。石英陶瓷因具有極低的熱膨脹系數(shù)，其抗熱沖擊性能優(yōu)異，同時(shí)具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和極強(qiáng)的耐酸腐蝕性(除氫氟酸和熱硫酸之外不溶于其它酸)，因此石英坩堝廣泛應(yīng)用于各種稀有金屬、貴金屬、特種玻璃等冶煉以及光伏行業(yè)的多晶硅鑄錠方面。尤其在多晶硅鑄錠所用的石英坩堝，因其尺寸大(1200*1200mm)，壁薄(約20mm)，制作難度較大。可以制成玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷輥、浮法玻璃窯用閘板磚、浮法玻璃退火爐用空心輥、鑄鋼用水口、金屬帶材熱處理爐用空心輥、有色金屬冶煉用水口、塞棒、流槽、坩堝、焦?fàn)t爐門，以及上升管內(nèi)襯、玻璃工業(yè)用料碗、勻料筒、攪拌棒、料盆、旋轉(zhuǎn)管、雷達(dá)天線罩等,廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、雷達(dá)、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬及玻璃等工業(yè)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)制作石英陶瓷坩堝的工藝中，均用熔融石英塊料作為原料，在制作過程中也會(huì)產(chǎn)生不合格的廢品，而這些廢品不能再利用，只能廢棄，造成了資源的浪費(fèi)。
關(guān)于多晶鑄錠用石英坩堝的成型方法，目前大都采用兩種工藝：注漿工藝和注凝工藝。注漿工藝屬于傳統(tǒng)工藝，它有如下特點(diǎn)：工藝成熟；結(jié)構(gòu)不均勻；生坯強(qiáng)度低；密度較高；成品率低成本高。越來越無法滿足日趨發(fā)展的鑄錠工藝要求。注凝工藝是近幾年新興的工藝，它的特點(diǎn)是：生坯強(qiáng)度高；結(jié)構(gòu)均勻；適合做大尺寸坩堝；但其密度低、工藝復(fù)雜、成本較高。隨著鑄錠工藝的提高對坩堝純度要求日益苛刻、坩堝成本的降低也不斷提出新的要求，注漿工藝和注凝工藝都無法一次成型高純復(fù)合坩堝、成本壓力也日益增大。因此，急需一種全新工藝來滿足坩堝工藝簡單、低成本、高純度、高密度、結(jié)構(gòu)均勻的坩堝來滿足鑄錠市場不斷發(fā)展的需求。
此外傳統(tǒng)的石英陶瓷坩堝內(nèi)表面不夠光滑，容易粘料，較難清潔，使用成本高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種工藝簡單、低成本、高純度、高密度、石英陶瓷坩堝內(nèi)表面光滑、不容易粘料、易清潔結(jié)、構(gòu)均勻的石英陶瓷坩堝制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種石英陶瓷坩堝的制造方法，所述制造方法包括如下工藝步驟：
s1：原料的選取，分別選用純度為：99.9％普通純度的熔融石英砂、99.995％高純度的熔融石英砂和99.9999％超高純度熔融石英砂中的一種、或兩種、或三種作為主要原料，每種純度的熔融石英砂分別按照不同粒度進(jìn)行配置，其中每種粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比分別為：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為5％～35％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為15％～40％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為10％～35％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為10％～35％；
s2：漿料制備，將步驟s1中配比的熔融石英砂均勻混合后加入10～30wt％的超純水和0.2～10wt％的粘結(jié)劑，然后在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合制成料漿；
s3：生坯成型，將s2步驟中制得的漿料注入成型噴涂設(shè)備，通過調(diào)節(jié)噴涂壓力和噴槍移動(dòng)速度調(diào)節(jié)每次噴涂的厚度，通過機(jī)械臂在模具內(nèi)壁上進(jìn)行循環(huán)噴涂，直至達(dá)到設(shè)定的壁厚，根據(jù)設(shè)定的純度要求，控制坩堝內(nèi)壁層與外壁層的熔融石英砂純度，其中內(nèi)壁層用高純度和/或超高純度的料漿噴涂，外壁層用普通純度的漿料噴涂，噴涂結(jié)束后將坩堝生坯從模具中取出；
s4：生坯干燥，將s3步驟中制成的坩堝生坯在40～150℃的溫度下干燥4～20小時(shí)；
s5：燒結(jié)，將s4步驟中得到的坩堝生坯放入燒結(jié)窯爐中，坩堝生坯在燒結(jié)窯爐中由常溫升溫至1100～1200℃，然后在1100～1200℃下保溫2～8小時(shí)。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述s3步驟中的成型噴涂設(shè)備分為外壁成型噴涂設(shè)備和內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備，外壁成型噴涂設(shè)備是注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備，內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備又分為注入高純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備和注入的超高純度熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述s3步驟中先采用注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備噴涂外壁層，然后再采用注入高純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備噴涂內(nèi)壁層，或再采用注入超高純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備噴涂內(nèi)壁層，或再采用注入高純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備噴涂內(nèi)壁中層后再采用注入超高純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備噴涂內(nèi)壁外層。
為了有效地將熔融石英砂粘合成漿狀原料，便于注入到噴涂設(shè)備內(nèi)，同時(shí)便于坩堝的成型，便于燒結(jié)后將熔融石英砂凝固成整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s2步驟中粘結(jié)劑的成分為甲基纖維素、聚乙烯醇類有機(jī)粘結(jié)劑或者高純硅溶膠類粘結(jié)劑。
為了便于坩堝體的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s3步驟中的模具為石膏模具、金屬模具、樹脂模具、木模具中的任意一種。
為了提高干過制造工藝的自動(dòng)化水平，提高坩堝的生產(chǎn)效率，提高坩堝的成型質(zhì)量，能夠達(dá)到隨意調(diào)節(jié)坩堝內(nèi)壁層與外壁層的厚度，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s3步驟中噴涂設(shè)備的噴槍連接在機(jī)械手上，機(jī)械手根據(jù)噴涂壓力和噴涂速度自動(dòng)調(diào)整并噴涂。
為了確保坩堝成型過程中能夠快速的定型，保持生坯干燥，噴涂上的料漿能及時(shí)吸附在生坯表面而不出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s3步驟中成型過程中模具的溫度需要保持在40～90℃。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，確保坩堝具有一定的強(qiáng)度，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s3步驟中外壁層的噴涂厚度為12～18mm，內(nèi)壁層的噴涂厚度為2～8mm。
為了提高噴涂設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高噴涂效率，使其噴涂的坩堝結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到多樣化的效果，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s3步驟中的成型噴涂設(shè)備為3d打印機(jī)。
為了確保干過的燒結(jié)過程加熱均勻、燒結(jié)后石英砂與粘結(jié)劑之間結(jié)合的牢固，優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述s2步驟中在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合的時(shí)間為8～12小時(shí)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于：所述石英陶瓷坩堝的制造方法，根據(jù)增材制造的理念并結(jié)合梯度功能材料的原理建立起來的3d-fgm打印技術(shù)應(yīng)用在石英陶瓷坩堝制作中，該制造方法具有工藝簡單、低成本、高純度、高密度、石英陶瓷坩堝內(nèi)表面光滑、不容易粘料、易清潔結(jié)、構(gòu)均勻、成型效率高等特點(diǎn)。該制造方法適合應(yīng)用在大尺寸薄壁坩堝的生產(chǎn)制造，能滿足要求日趨苛刻的多晶鑄錠行業(yè)的要求。在該制造方法是在不同純度石英原料的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的粒度級配并制成石英料漿，可對噴涂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成一套工藝簡單、效率高、周期短、成本低、結(jié)構(gòu)均勻、密度高、純度和材質(zhì)梯度自由過渡的3d-fgm打印技術(shù)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
本發(fā)明是一種石英陶瓷坩堝的制造方法，所述制造方法包括如下工藝步驟：
第一步：原料的選取，分別選用純度為：99.9％普通純度的熔融石英砂，熔融石英砂分別按照下列粒度進(jìn)行配置，其中每種粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比分別為：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為25％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為30％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為25％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為20％；
第二步：漿料制備，將第二步中配比的熔融石英砂均勻混合后加入30wt％的超純水和0.2wt％的甲基纖維素粘結(jié)劑，然后在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合制成料漿；
第三步：生坯成型，將第二步中制得的漿料注入成型噴涂設(shè)備，將噴涂的壓力調(diào)節(jié)為0.5mpa，將噴槍移動(dòng)速度調(diào)節(jié)為10mm/s，通過機(jī)械臂在模具內(nèi)壁上進(jìn)行循環(huán)噴涂，直至達(dá)到20mm的壁厚，噴涂結(jié)束后將坩堝生坯從模具中取出；
第四步：將第三步中得到的坩堝生坯在80℃的溫度下干燥10小時(shí)；
第五步：燒結(jié)，將第四步中得到的坩堝生坯放入燒結(jié)窯爐中，坩堝生坯在燒結(jié)窯爐中由常溫升溫至1120℃，然后在1120℃下保溫5小時(shí)。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案是，所述第三步中的成型噴涂設(shè)備分為外壁成型噴涂設(shè)備，外壁成型噴涂設(shè)備是注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料的噴涂設(shè)備。
為了便于坩堝體的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的模具為金屬模具。
為了確保坩堝成型過程中能夠快速的定型，保持生坯干燥，噴涂上的料漿能及時(shí)吸附在生坯表面而不出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中成型過程中模具的溫度需要保持在70℃。
為了提高噴涂設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高噴涂效率，使其噴涂的坩堝結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到多樣化的效果，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的成型噴涂設(shè)備為3d打印機(jī)。
為了確保干過的燒結(jié)過程加熱均勻、燒結(jié)后石英砂與粘結(jié)劑之間結(jié)合的牢固，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第二步中在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合的時(shí)間為10小時(shí)。
在本實(shí)施例中，主要用于制造成型1200*1200mm、壁厚為20mm的多晶鑄錠坩堝，坩堝的密度為1.97g/cm3，抗折強(qiáng)度為23mpa。
實(shí)施例2
本發(fā)明是一種石英陶瓷坩堝的制造方法，所述制造方法包括如下工藝步驟：
第一步：原料的選取，分別選用純度為：99.9％普通純度的熔融石英砂和99.995％高純度的熔融石英砂，熔融石英砂分別按照下列粒度進(jìn)行配置，其中每種粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比分別為：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為35％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為25％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為20％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為20％；
第二步：漿料制備，將第一步中配比的熔融石英砂均勻混合后加入25wt％的超純水和0.2wt％的聚乙烯醇粘結(jié)劑，然后在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合制成料漿；
第三步：生坯成型，將第二步中制得的漿料注入成型噴涂設(shè)備，將噴涂的壓力調(diào)節(jié)為0.6mpa，將噴槍移動(dòng)速度調(diào)節(jié)為8mm/s，通過機(jī)械臂在模具內(nèi)壁上進(jìn)行循環(huán)噴涂，首先采用外壁成型噴涂設(shè)備，注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料，由外壁成型噴涂設(shè)備生坯壁厚到18mm的外壁層后，然采用內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備，注入漿料高純度的熔融石英砂漿料后，切換內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備繼續(xù)噴涂，使壁厚達(dá)到20mm時(shí)噴涂結(jié)束后將坩堝生坯從模具中取出；
第四步：將第三步驟中得到的坩堝生坯在120℃的溫度下干燥5小時(shí)；
第五步：燒結(jié)，將第四步中得到的坩堝生坯放入燒結(jié)窯爐中，坩堝生坯在燒結(jié)窯爐中由常溫升溫至1150℃，然后在1150℃下保溫4小時(shí)。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案是，所述第三步驟中的成型噴涂設(shè)備分為外壁成型噴涂設(shè)備和內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備，在外壁成型噴涂設(shè)備中注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料，在內(nèi)壁成型噴涂設(shè)備中注入漿料高純度的熔融石英砂漿料。
為了便于坩堝體的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的模具為金屬模具。
為了確保坩堝成型過程中能夠快速的定型，保持生坯干燥，噴涂上的料漿能及時(shí)吸附在生坯表面而不出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中成型過程中模具的溫度需要保持在70℃。
為了提高噴涂設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高噴涂效率，使其噴涂的坩堝結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到多樣化的效果，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的成型噴涂設(shè)備為3d打印機(jī)。
為了確保干過的燒結(jié)過程加熱均勻、燒結(jié)后石英砂與粘結(jié)劑之間結(jié)合的牢固，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第二步中在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合的時(shí)間為8小時(shí)。
在本實(shí)施例中，主要用于制造成型1050*1050mm、壁厚為20mm的高純多晶鑄錠坩堝，坩堝的密度為1.98g/cm3，抗折強(qiáng)度為24mpa。高純坩堝能大幅度減少硅錠的側(cè)面紅區(qū)和底部紅區(qū)，對電池片轉(zhuǎn)換效率有明顯提升。
實(shí)施例3
本發(fā)明是一種石英陶瓷坩堝的制造方法，所述制造方法包括如下工藝步驟：
第一步：原料的選取，分別選用純度為：99.9％普通純度的熔融石英砂、99.995％高純度的熔融石英砂和99.9999％超高純度的熔融石英砂，熔融石英砂分別按照下列粒度進(jìn)行配置，其中每種粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比分別為：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為25％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為27％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為23％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的質(zhì)量百分比為25％；
第二步：漿料制備，將第一步中配比的熔融石英砂均勻混合后加入20wt％的超純水和8wt％的硅溶膠粘結(jié)劑，然后在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合制成料漿；
第三步：生坯成型，將第二步中制得的漿料注入成型噴涂設(shè)備，將噴涂的壓力調(diào)節(jié)為0.9mpa，將噴槍移動(dòng)速度調(diào)節(jié)為12mm/s，通過機(jī)械臂在模具內(nèi)壁上進(jìn)行循環(huán)噴涂，首先采用外壁成型噴涂設(shè)備，注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料，由外壁成型噴涂設(shè)備生坯壁厚到15mm的外壁層后，然采用內(nèi)壁中層成型噴涂設(shè)備，注入漿料高純度的熔融石英砂漿料后，切換內(nèi)壁中層成型噴涂設(shè)備繼續(xù)噴涂，使壁厚達(dá)到18mm，然采用內(nèi)壁外層成型噴涂設(shè)備，注入漿料超高純度的熔融石英砂漿料后，切換內(nèi)壁外層成型噴涂設(shè)備繼續(xù)噴涂，使壁厚達(dá)到21mm時(shí)噴涂結(jié)束后將坩堝生坯從模具中取出；
第四步：將第三步中得到的坩堝生坯在70℃的溫度下干燥15小時(shí)；
第五步：燒結(jié)，將第四步中得到的坩堝生坯放入燒結(jié)窯爐中，坩堝生坯在燒結(jié)窯爐中由常溫升溫至1130℃，然后在1130℃下保溫5小時(shí)。
為了提高坩堝內(nèi)壁層的質(zhì)量，同時(shí)又能降低坩堝的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案是，所述第三步中的成型噴涂設(shè)備分為外壁成型噴涂設(shè)備、內(nèi)壁中層成型噴涂設(shè)備和內(nèi)壁外層成型噴涂設(shè)備，在外壁成型噴涂設(shè)備中注入漿料普通純度的熔融石英砂漿料，在內(nèi)壁中層成型噴涂設(shè)備中注入漿料高純度的熔融石英砂漿料，在內(nèi)壁外層成型噴涂設(shè)備中注入漿料超高純度的熔融石英砂漿料。
為了便于坩堝體的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的模具為金屬模具。
為了確保坩堝成型過程中能夠快速的定型，保持生坯干燥，噴涂上的料漿能及時(shí)吸附在生坯表面而不出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中成型過程中模具的溫度需要保持在85℃。
為了提高噴涂設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高噴涂效率，使其噴涂的坩堝結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到多樣化的效果，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第三步中的成型噴涂設(shè)備為3d打印機(jī)。
為了確保干過的燒結(jié)過程加熱均勻、燒結(jié)后石英砂與粘結(jié)劑之間結(jié)合的牢固，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述第二步中在球磨機(jī)或攪拌機(jī)中充分混合的時(shí)間為12小時(shí)。
在本實(shí)施例中，主要用于制造成型1200*1200mm、壁厚為21mm的超高純多晶鑄錠坩堝，坩堝的密度為1.99g/cm3，抗折強(qiáng)度為25mpa。超高純坩堝可徹底消除硅錠側(cè)面紅區(qū)、大幅度降低底部紅區(qū)，能顯著提升電池片轉(zhuǎn)換效率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。