CN102221293A - 一种熔炼坩埚用涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制备涂层的技术领域。一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，首先对熔炼坩埚进行烘制预处理，然后采用PVP无水乙醇溶液与氮化硅配置悬浊液，将悬浊液均匀喷涂于熔炼坩埚内壁，最后将喷好涂层的熔炼坩埚进行预烧处理，即可在熔炼坩埚内壁得到一层厚度均匀、结构致密的氮化硅涂层。本发明的显著效果是在喷涂前对熔炼坩埚进行烘制预处理及清洗处理，有利于涂层的粘连，涂层悬浊液加入PVP无水乙醇溶液，烘制后无水乙醇蒸发，粘结剂PVP将涂层粘连到坩埚内壁上，涂层的粘连性较大，防止坩埚与熔体的反应粘连，实现铸锭的顺利脱模，同时防止杂质进入熔液，实现熔体的提纯效果，满足了铸造过程中涂层的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于制备涂层的技术领域，特别涉及一种在熔炼坩埚内壁上喷涂氮化硅涂层的方法。
背景技术
在冶金熔炼除杂制备铸锭过程中，都需要使用熔炼坩埚，工业中通常使用的熔炼坩埚是石英或石墨坩埚，熔融金属液与坩埚接触时不可避免的产生反应粘连，同时坩埚中的杂质也会进入到硅熔体中。坩埚与金属之间的反应粘连、渗透和扩散会在铸锭脱模过程中引起问题，使得多晶硅铸锭有断裂或破裂的危险。高浓度的杂质，如C、O等将对铸锭的各种性能产生不利的影响。通常在坩埚上涂敷涂层使熔体与熔炼坩埚壁隔离，来减少反应粘连使铸锭顺利脱模，并阻止坩埚中的杂质在铸造过程中进入金属中。
Si3N4由于其自扩散系数低，耐高温，化学稳定性好，通常被用来作为多晶硅铸造过程中的涂层材料。氮化硅涂层的制备方法很多，但通常工艺复杂，成本高。申请号为200810243655.6的发明专利采用氮化硅颗粒和去离子水形成乳浆状熔液，在低压下喷涂后烧结形成氮化硅涂层，但此方法中使用的是去离子水来形成乳胶状熔液，烧结后，涂层与熔炼坩埚的粘连性较小，在铸造过程中极易脱落，从而无法达到涂层的作用。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，利用PVP无水乙醇溶液与氮化硅形成悬浮液，喷涂后制备的氮化硅涂层粘连性较大，厚度均匀、结构致密，满足了铸锭过程中隔离坩埚与熔体的要求。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，首先对熔炼坩埚进行烘制预处理，然后采用PVP无水乙醇溶液与氮化硅配置悬浊液，将悬浊液均匀喷涂于熔炼坩埚内壁，最后将喷好涂层的熔炼坩埚进行预烧处理，即可在熔炼坩埚内壁得到一层厚度均匀、结构致密的氮化硅涂层。
所述熔炼坩埚用涂层的制备方法具体步骤如下：
第一步熔炼坩埚烘制预处理：将熔炼坩埚放于定向凝固炉中，在真空度为3-10Pa、温度为600-1000℃下保温1-2h，炉冷后取出坩埚，用丙酮清洗除去内壁上的有机溶剂；
第二步配置涂层：向PVP质量百分比为6%-15%的无水乙醇溶液中加入Si3N4粉，搅拌约1-2h使粉体尽量分散均匀，得到氮化硅涂层的悬浊液，静置待用；
第三步喷制涂层：将清洗干净的喷枪和空压机出气口相连，先用无水乙醇试喷，待整个通道顺畅后，将静置的Si3N4悬浊液的上层清液倒入喷枪中，待喷出的雾状粉末均匀后向熔炼坩埚内壁进行喷涂，喷涂过程中不断旋转熔炼坩埚角度，直至外观上无明显露点且厚度均匀为止；
第四步预烧处理：将喷好涂层的熔炼坩埚置于定向凝固炉中，抽真空到3-10Pa，1-2h加热升温至800-1000℃，在此温度下保温1-2h后炉冷至室温，形成结构致密的氮化硅涂层。
所述的熔炼坩埚可为石英坩埚、石墨坩埚、Al2O3坩埚、SiC坩埚或MgO坩埚，其中熔炼坩埚为石英坩埚时，可省去第一步熔炼坩埚烘制预处理的操作。
所述悬浊液中PVP质量百分比为6%-10%的无水乙醇溶液与Si3N4粉质量比为0.3-1.0。
所述Si3N4粉的粒度为10-300微米。
所述空气压缩机出气口的压力为100-5000Pa。
所述氮化硅涂层的厚度为0.5-2mm。
本发明的显著效果是在喷涂前对熔炼坩埚进行烘制预处理及清洗处理，使坩埚致密洁净，有利于涂层的粘连，在配置涂层悬浊液时加入PVP无水乙醇溶液，烘制后无水乙醇蒸发，粘结剂PVP将涂层粘连到坩埚内壁上，涂层的粘连性较大，在金属熔体铸造过程中不至于脱落，从而将熔体与坩埚内壁隔离，防止坩埚与熔体的反应粘连，实现铸锭的顺利脱模，同时防止杂质进入熔液，实现熔体的提纯效果，满足了铸造过程中涂层的使用要求。
综上，该工艺方法简单，能制备一种厚度致密、粘连性大、结构致密的氮化硅涂层，实现了涂层的不脱落，从而将熔体与熔炼坩埚有效隔离的目的。
附图说明
附图1为本发明熔炼坩埚用涂层的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
第一步烘制预处理：选用“三高”石墨坩埚作为熔料载体，由于长时间放置以及加工过程中的影响，需要对坩埚进行烘制处理，烘制处理过程在定向凝固炉中进行，在真空度为5Pa、在800℃下保温1h，炉冷后取出坩埚，用丙酮清洗除去内壁上的有机溶剂；
第二步配置氮化硅涂层的悬浊液：向20g 8wt% PVP的无水乙醇溶液中加入30g 粒度为100微米的Si3N4粉，搅拌约2h使粉体尽量分散均匀，静置待用；
第三步喷制涂层：将清洗干净的喷枪和空压机出气口相连，将气压调节为500Pa，先用无水乙醇试喷，待整个通道顺畅后，将静置的Si3N4悬浊液的上层清液倒入喷枪中，为防止过量粉体进入喷枪堵住通道，每次可少注入些悬浊液。待喷出的雾状粉末均匀后向坩埚内壁进行喷涂，喷涂过程中要均匀进行，不断旋转坩埚角度，直至外观上无明显露点且厚度较均匀为止，涂层厚度不易过薄也不易过厚，过薄则无法充分起到涂层的隔离效果，过厚则容易在后期的预处理和熔炼过程中脱落，同样会削弱涂层的作用，并且使熔炼后硅锭与坩埚的分离变得更加困难；
第四步预烧处理：将喷好涂层的坩埚进行预烧处理，除去其中残留的液相和有机成分，防止在之后的熔炼过程这些成分进入到熔体中，预烧处理过程在定向凝固炉中进行，将喷好涂层的石墨坩埚置于定向凝固炉中，抽真空到4Pa，1h加热升温至800℃，在此温度下保温1h后炉冷至室温，形成一层厚度为0.8mm的结构致密的氮化硅涂层。将预烧处理后的坩埚放置在干净的环境中，避免污染和杂质的进入。
实施例2
第一步烘制预处理：选用Al2O3坩埚作为熔料载体，由于长时间放置以及加工过程中的影响，需要对坩埚进行烘制处理，烘制处理过程在定向凝固炉中进行，在真空度为8Pa、在600℃下保温1h，炉冷后取出坩埚，用丙酮清洗除去内壁上的有机溶剂；
第二步配置氮化硅涂层的悬浊液：向10g 6wt% PVP的无水乙醇溶液中加入20g 粒度为130微米的Si3N4粉，搅拌约2h使粉体尽量分散均匀，静置待用；
第三步喷制涂层：将清洗干净的喷枪和空压机出气口相连，将气压调节为300Pa，先用无水乙醇试喷，待整个通道顺畅后，将静置的Si3N4悬浊液的上层清液倒入喷枪中，为防止过量粉体进入喷枪堵住通道，每次可少注入些悬浊液。待喷出的雾状粉末均匀后向坩埚内壁进行喷涂，喷涂过程中要均匀进行，不断旋转坩埚角度，直至外观上无明显露点且厚度较均匀为止，涂层厚度不易过薄也不易过厚，过薄则无法充分起到涂层的隔离效果，过厚则容易在后期的预处理和熔炼过程中脱落，同样会削弱涂层的作用，并且使熔炼后硅锭与坩埚的分离变得更加困难；
第四步预烧处理：将喷好涂层的坩埚进行预烧处理，除去其中残留的液相和有机成分，防止在之后的熔炼过程这些成分进入到熔体中，预烧处理过程在定向凝固炉中进行，将喷好涂层的石墨坩埚置于定向凝固炉中，抽真空到6Pa，2h加热升温至900℃，在此温度下保温3h后炉冷至室温，形成一层厚度为0.6mm的结构致密的氮化硅涂层。将预烧处理后的坩埚放置在干净的环境中，避免污染和杂质的进入。
本发明制备氮化硅涂层经实例检验技术稳定，工艺简单，涂层性能好，能耗小，成本低，周期短，生产效率较高。
Claims (7)
1.一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，首先对熔炼坩埚进行烘制预处理，然后采用PVP无水乙醇溶液与氮化硅配置悬浊液，将悬浊液均匀喷涂于熔炼坩埚内壁，最后将喷好涂层的熔炼坩埚进行预烧处理，即可在熔炼坩埚内壁得到一层厚度均匀、结构致密的氮化硅涂层。
2.根据权利要求1所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步熔炼坩埚烘制预处理：将熔炼坩埚放于定向凝固炉中，在真空度为3-10Pa、温度为600-1000℃下保温1-2h，炉冷后取出坩埚，用丙酮清洗除去内壁上的有机溶剂；
第二步配置涂层：向PVP质量百分比为6%-15%的无水乙醇溶液中加入Si3N4粉，搅拌约1-2h使粉体尽量分散均匀，得到氮化硅涂层的悬浊液，静置待用；
第三步喷制涂层：将清洗干净的喷枪和空压机出气口相连，先用无水乙醇试喷，待整个通道顺畅后，将静置的Si3N4悬浊液的上层清液倒入喷枪中，待喷出的雾状粉末均匀后向熔炼坩埚内壁进行喷涂，喷涂过程中不断旋转熔炼坩埚角度，直至外观上无明显露点且厚度均匀为止；
第四步预烧处理：将喷好涂层的熔炼坩埚置于定向凝固炉中，抽真空到3-10Pa，1-2h加热升温至800-1000℃，在此温度下保温1-2h后炉冷至室温，形成结构致密的氮化硅涂层。
3.根据权利要求1或2所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，所述的熔炼坩埚可为石英坩埚、石墨坩埚、Al2O3坩埚、SiC坩埚或MgO坩埚，其中熔炼坩埚为石英坩埚时，可省去第一步熔炼坩埚烘制预处理的操作。
4.根据权利要求1或2所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，所述悬浊液中PVP质量百分比为6%-10%的无水乙醇溶液与Si3N4粉质量比为0.3-1.0。
5.根据权利要求1或2所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，所述Si3N4粉的粒度为10-300微米。
6.根据权利要求1或2所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，所述空气压缩机出气口的压力为100-5000Pa。
7.根据权利要求1或2所述的一种熔炼坩埚用涂层的制备方法，其特征在于，所述氮化硅涂层的厚度为0.5-2mm。
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