一种钨坩埚的制备方法

摘要

本发明提供了一种钨坩埚的制备方法，首先提供芯模，芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂；然后将芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品；将所述钨坩埚成型品倒置，进行加热，熔出芯模，得到钨坩埚半成品；将所述钨坩埚半成品经烧结，得到钨坩埚。本发明采用非金属芯模制备钨坩埚，由于芯模硬度比钢芯低，同时又具有良好的抗压能力，使得在压制成型过程中钨坩埚毛坯不易开裂，且芯模采用熔出的方式即可去除，不会对钨坩埚成型品造成破坏，从而提高了钨坩埚的成品率。

权利要求

1.一种钨坩埚的制备方法，包括如下步骤：

(1)提供芯模；所述芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、

20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂；

(2)将所述芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品；所述压制的压力为150～300MPa，所述压制的保压时间为5～30min；

(3)将所述钨坩埚成型品倒置，通过加热熔出芯模，得到钨坩埚半成品；

(4)将所述钨坩埚半成品进行烧结，得到钨坩埚。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯模通过如下方法制备得到：将所述原料混合，然后依次进行熔化和浇铸，得到芯模。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔化的温度为160～260℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯模的尺寸为钨坩埚内腔尺寸等比例扩大至1.15～1.25倍的尺寸。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨粉包括粒径为4～6μm的一级钨粉和粒径为1～3μm的二级钨粉；所述一级钨粉与二级钨粉的质量比为15～20:1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔出芯模在真空炉中进行。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述熔出芯模的真空压力为0.01-

5Pa，所述熔出芯模的温度为160～260℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结在真空感应烧结炉中进行。

9.根据权利要求1或8所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为2200～2400℃，所述烧结的时间为4～10h，所述烧结的真空压力为0.01-1Pa。

说明书

一种钨坩埚的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钨粉末冶金技术领域，尤其涉及一种钨坩埚的制备方法。

背景技术

[0002] 钨坩埚的熔点高达3410℃，具有使用温度高的特性，广泛用作蓝宝石单晶生长炉、石英玻璃熔炼炉、稀土冶炼炉等工业炉内的核心容器，其使用的工作温度环境一般在2000℃以上。特别对于蓝宝石单晶生长炉来说，具有高纯度、高密度、无内裂纹、尺寸精准、内外壁光洁等特征的钨坩埚对蓝宝石晶体生长过程中的种晶成功率、拉晶质量控制、脱晶粘锅以及使用寿命起到了关键性的作用。

[0003] 钨坩埚的生产工艺有气相沉积方法和粉末冶金法。其中，气相沉积方法制备钨坩埚主要是采用Cu或其它金属模具做为基体，在基体上面沉积W元素，然后用酸溶解基体，最终得到钨坩埚。该方法生产的坩埚致密度好，但成本较高，且难以生产大尺寸的钨坩埚。粉末冶金法制备钨坩埚主要是采用钨粉为原料，采用钢芯作为芯模，通过等静压成形后再将钢芯取出制成钨坩埚半成品，再经烧结获得钨坩埚，该方法生产钨坩埚工艺简单，且既可以生产大尺寸的坩埚，也可以生产小尺寸的坩埚，因此，是目前钨坩埚生产的主流工艺。但是粉末冶金法以钢芯为芯模，在芯模脱除时，易损坏钨坩埚半成品，存在成品率低的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种钨坩埚的制备方法，该方法制备钨坩埚时不易出现废品和次品，具有成品率高的优势。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种钨坩埚的制备方法，包括如下步骤：

[0007] (1)提供芯模；所述芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂；

[0008] (2)将所述芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品；

[0009] (3)将所述钨坩埚成型品倒置，通过加热熔出芯模，得到钨坩埚半成品；

[0010] (4)将所述钨坩埚半成品经烧结，得到钨坩埚。

[0011] 优选的，所述芯模通过如下方法制备得到：将所述原料混合，然后依次进行熔化和浇铸，得到芯模。

[0012] 优选的，所述熔化的温度为160～260℃。

[0013] 优选的，所述芯模的尺寸为钨坩埚内腔尺寸等比例扩大至1.15～1.25倍的尺寸。

[0014] 优选的，所述钨粉包括粒径为4～6μm的一级钨粉和粒径为1～3μm的二级钨粉；所述一级钨粉与二级钨粉的质量比为15～20:1。

[0015] 优选的，所述压制的压力为150～300MPa，所述压制的保压时间为5～30min。

[0016] 优选的，所述熔出芯模在真空炉中进行。

[0017] 优选的，所述熔出芯模的真空压力为0.01～5Pa，所述熔出芯模的温度为160～260℃。

[0018] 优选的，所述烧结在真空感应烧结炉中进行。

[0019] 优选的，所述烧结的温度为2200～2400℃，所述烧结的时间为4～10h，所述烧结的真空压力为0.01～1Pa。

[0020] 本发明提供了一种钨坩埚的制备方法，首先提供芯模，芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂；然后将芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品；将所述钨坩埚成型品倒置，通过加热熔出芯模，得到钨坩埚半成品；将所述钨坩埚半成品经烧结，得到钨坩埚。本发明采用以固体石蜡、聚氯乙烯和ABS树脂为原料制备得到芯模制备钨坩埚，由于上述组分构成的芯模硬度比钢芯低，同时又具有良好的抗压能力，使得在压制成型过程中钨坩埚毛坯不易开裂，且芯模采用熔出的方式即可去除，不会对钨坩埚成型品造成破坏，从而提高了钨坩埚的成品率。

附图说明

[0021] 图1芯模和钨粉装入软包套中后的示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明提供了一种钨坩埚的制备方法，包括如下步骤：

[0023] (1)提供芯模；所述芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂；各原料的质量百分含量之和为100％；

[0024] (2)将所述芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品；

[0025] (3)将所述钨坩埚成型品倒置，通过加热熔出芯模，得到钨坩埚半成品；

[0026] (4)将所述钨坩埚半成品经烧结，得到钨坩埚。

[0027] 本发明首先提供芯模。

[0028] 在本发明中，所述芯模由如下质量百分含量的原料制备而成：30～60％的固体石蜡、20～50％的聚氯乙烯和15～30％的ABS树脂。本发明采用上述三种组分组成的非金属芯模制备钨坩埚，该芯模硬度比钢芯低，同时又具有良好的抗压能力，可避免压制过程中出现开裂和变形的现象，且芯模采用熔出的方式即可去除，不会对钨坩埚成型品造成破坏。

[0029] 在本发明中，所述芯模的原料中固体石蜡的含量以质量百分含量计为30～60％，优选为35～50％。本发明对所述固体石蜡的来源没有特殊限定，采用市售固体石蜡即可。在本发明实施例中，所述固体石蜡为中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司公司的60号全精炼固体石蜡，其密度为0.9g/cm3，直链烷烃含量90％以上，熔点约为60℃。

[0030] 在本发明中，所述芯模的原料中聚氯乙烯的含量以质量百分含量计为20～50％，优选为30～40％。本发明对所述聚氯乙烯的来源没有特殊限定，采用市售聚氯乙烯即可。在本发明实施例中，所述聚氯乙烯为新疆天业集团有限公司的SG3型号的聚氯乙烯，其密度为1.2g/cm3，热加工温度为175-195℃。

[0031] 在本发明中，所述芯模的原料中ABS树脂的含量以质量百分含量计为15～30％，优选为24～27％。本发明对所述ABS树脂的来源没有特殊限定，采用市售ABS树脂即可。在本发明实施例中，所述ABS树脂为天津大沽化工股份有限公司的MG29型号的ABS树脂，其密度为1.0g/cm3，热加工温度为80-100℃。

[0032] 在本发明中，所述芯模优选通过如下方法制备得到：将所述原料混合，然后依次进行熔化和浇铸，得到芯模。

[0033] 在本发明中，所述熔化的温度优选为160～260℃，更优选为180～240℃。

[0034] 在本发明中，所述芯模的尺寸优选为钨坩埚内腔尺寸等比例扩大至1.15～1.25倍的尺寸，更优选为钨坩埚内腔尺寸等比例扩大至1.18～1.22倍的尺寸。在本发明中，所述芯模的尺寸大于钨坩埚的尺寸，可得到尺寸略大的钨坩埚半成品，在烧结过程中，钨坩埚半成品收缩，得到所需尺寸的钨坩埚。

[0035] 本发明对芯模的形状的没有特殊限定，本领域技术人员可根据所需制备的钨坩埚的形状选择芯模的形状。

[0036] 得到芯模后，本发明将所述芯模和钨粉装入软包套中，压制成型，得到钨坩埚成型品。

[0037] 本发明优选将钨粉进行预处理，再与芯模装入软包套，进行后续流程。

[0038] 在本发明中，所述预处理优选包括如下步骤：

[0039] 将钨粉置于乙醇中，依次经超声分散和干燥，得到可使用的钨粉。

[0040] 在本发明中，所述乙醇优选为无水乙醇。在本发明中，在乙醇中超声分散钨粉可以防止钨粉氧化。

[0041] 在本发明中，所述钨粉的质量与乙醇的体积之比优选为5～8g:1mL，更优选为6～7g:1mL。

[0042] 在本发明中，所述超声分散的功率密度优选为20～40W/L，更优选为25～35W/L；所述超声分散的时间优选为1～10min，更优选为3～7min。

[0043] 在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述真空干燥的真空压力优选为0.01～5Pa；所述真空干燥的温度优选为40～60℃，更优选为45～55℃。在本发明中，所述真空干燥可防止钨粉出现部分氧化的现象。

[0044] 在本发明中，所述钨粉优选包括粒径为4～6μm的一级钨粉和粒径为1～3μm的二级钨粉；所述一级钨粉与二级钨粉的质量比优选为15～20:1，更优选为16～19:1。在本发明中，采用两种粒径的钨粉，能够有效提高钨坩埚的烧结致密度。

[0045] 本发明对所述芯模和钨粉装入软包套中的方法没有特殊限定，采用本领域常规的装入方法即可。如图1所示为芯模和钨粉装入软包套中后的示意图，芯模在内部，钨粉在芯模和软包套之间均匀分布，被挤压成坩埚的形状。

[0046] 在本发明中，所述压制的压力优选为150～300MPa，更优选为200～250MPa；所述压制的保压时间优选为5～30min，更优选为15～20min。

[0047] 完成压制后，本发明优选将软包套去除，得到钨坩埚成型品。

[0048] 得到钨坩埚成型品后，本发明将所述钨坩埚成型品倒置，通过加热熔出芯模，得到钨坩埚半成品。在本发明中，将钨坩埚成型品倒置，在加热过程中，芯模熔化会自动流出。

[0049] 在本发明中，所述熔出芯模优选在真空炉中进行。

[0050] 在本发明中，所述熔出芯模的真空压力优选为0.01-5Pa；所述熔出芯模的温度优选为160～260℃，更优选为190～220℃。本发明对所述熔出芯模的熔出时间没有特殊限定，能够将芯模完全熔出即可。在本发明中，所述熔出过程在真空条件进行，可防止钨粉氧化，影响坩埚的品质。

[0051] 得到钨坩埚半成品后，本发明将所述钨坩埚半成品进行烧结，得到钨坩埚。在发明中，通过烧结可将钨坩埚半成品致密化，消除内部空隙。

[0052] 在本发明中，所述烧结优选在真空感应烧结炉中进行。

[0053] 在本发明中，所述烧结的温度优选为2200～2400℃，更优选为2250～2350℃；所述烧结的时间优选为4～10h，更优选为6～8h；所述烧结的真空压力为0.01-1Pa。

[0054] 下面结合实施例对本发明提供的钨坩埚的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0055] 实施例1

[0056] (1)将1000g粒径为5μm的钨粉和50g粒径为2μm的钨粉置于150mL乙醇中，在功率密度为30W/L的条件进行超声分散3min；然后在真空压力为0.01～5Pa，温度为45℃的条件下，将超声分散所得混合物进行真空干燥，得到混合钨粉；

[0057] (2)芯模制作：按照质量百分比为50％:30％:20％的比例称取固体石蜡、聚氯乙烯和ABS树脂，并混合，得到芯模原料混合物；将所述芯模原料混合物在220℃熔化，然后浇铸，得到芯模；所得芯模的尺寸为最终钨坩埚产品内腔尺寸等比例扩大至1.18倍的尺寸；

[0058] (3)将芯模和钨粉装入软包套中，放入冷等静压机，在250MPa的压力下保压15min，得到钨坩埚成型品；

[0059] (4)将所述钨坩埚成型品倒置在真空炉中，在真空压力为0.01～Pa的条件，升温至190℃，将芯模熔出，得到钨坩埚半成品；

[0060] (5)将所述钨坩埚半成品置于真空感应烧结炉中，在真空压力为0.01～1Pa条件，升温至2250℃，保温8h，然后随炉冷却至室温，得到钨坩埚。

[0061] 实施例2

[0062] (1)将1000g粒径为6μm的钨粉和70g粒径为1μm的钨粉置于150mL乙醇中，在功率密度为40W/L的条件进行超声分散8min；然后在真空压力为0.01～5Pa，温度为50℃的条件下，将超声分散所得混合物进行真空干燥，得到混合钨粉；

[0063] (2)芯模制作：按照质量百分比为35％:40％:25％的比例称取固体石蜡、聚氯乙烯和ABS树脂，并混合，得到芯模原料混合物；将所述芯模原料混合物在240℃熔化，然后浇铸，得到芯模；所得芯模的尺寸为最终钨坩埚产品内腔尺寸等比例扩大至1.22倍的尺寸；

[0064] (3)将芯模和钨粉装入软包套中，放入冷等静压机，在280MPa的压力下保压12min，得到钨坩埚成型品；

[0065] (4)将所述钨坩埚成型品倒置在真空炉中，在真空压力为0.01～5Pa的条件，升温至220℃，将芯模熔出，得到钨坩埚半成品；

[0066] (5)将所述钨坩埚半成品置于真空感应烧结炉中，在真空压力为0.01～1Pa条件，升温至2350℃，保温6h，然后随炉冷却至室温，得到钨坩埚。

[0067] 实施例3

[0068] 采用粒径为5μm的钨粉，按照实施例1所述的方法，制备钨坩埚。

[0069] 实施例4

[0070] 采用粒径为2μm的钨粉，按照实施例1所述的方法，制备钨坩埚。

[0071] 采用排水法测定实施例1～4所得钨坩埚的密度，结果见表1。

[0072] 由表1可以看出，采用分级粒径的钨粉制备的钨坩埚密度大于使用单一粒径钨粉制备的钨坩埚，说明其烧结致密度得到了有效提高。

[0073] 表1实施例1～4所得钨坩埚的密度

[0074] 序号 钨坩埚密度(g/cm3) 致密度实施例1 18.7 97.1％
实施例2 18.7 97.1％
实施例3 18.4 95.6％
实施例4 18.5 96.1％
传统钢芯(粉末2μm) 18.2 94.5％

[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。