CN1112465C - 籽晶杆夹头的成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种籽晶杆夹头的成型方法，用铱料制成的籽晶杆夹头是经过制作夹头模具、制作浇铸模型、熔化铱料、浇铸、脱模、退火和切割的过程。本发明的夹头模具含有基座和夹头模芯。基座含有20≥n≥1个模芯螺孔供20≥n≥1个夹头模芯固定在基座上。夹头模芯一端固定在基座上，另一端是带有孔内塞有孔塞的中心内孔，或者是一平面。基座和夹头模芯是采用高纯石墨或石蜡制成，塞在中心孔内的孔塞是用高熔点晶体制成。与在先技术相比，本发明同时最多可以制成20个籽晶杆夹头，带有中心孔内的籽晶杆夹头可以一次成型，同时内孔和籽晶杆的同轴度好，内孔表面光洁度高。适用生长多种晶体，降低了生产成本，适合批量生产。
Description
技术领域：
本发明是一种籽晶杆夹头的成型方法，适用于晶体提拉生长炉用的籽晶杆夹头，或者用于高温熔炼中。
背景技术：
铂(熔点1800℃)和铱(熔点2450℃)均是难熔铂族金属，可制成用于晶体生长装置中的籽晶杆夹头、搅拌棒、盛装高温熔体的容器等，是晶体、玻璃和陶瓷行业中不可缺少的材料。铂族金属杆、棒的制作在先技术中：中国科学院上海光学精密机械研究所晶体组于1974年在《物理》杂志上(第三卷第四期234页)上发表了“铱器皿的精密铸造”一文，采用高纯石墨作模芯，用车床在模芯上车出一个直径为4～6毫米，深度为10～15毫米的内孔，浇铸时孔内用氧化镁砂填充，这种方法可以直接浇铸出籽晶杆夹头。该方法的缺点是：(1)在高温浇铸时，氧化镁砂容易移位，造成内孔的孔壁较粗糙，光洁度差，易出现砂眼、气孔等疵病。(2)夹头内孔与籽晶杆同轴度差。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述在先技术的缺点，提供一种能够浇铸出内孔精度高、光洁度好、内孔和籽晶杆的同轴度好的籽晶杆夹头，而且可以一次浇铸成型多个籽晶杆夹头。
本发明的籽晶杆夹头是用铱料制成的。制作过程是经过制作夹头模具、制作浇铸模型、熔化铱料、浇铸、脱模、退火和切割的过程。其具体成型步骤是：
<1>制作夹头模具，夹头模具含有基座1和夹头模芯2，如图1所示。其中基座1上，有一平面101在其中心位置上有一固定中心螺孔109，基座1上与上述带固定中心螺孔109的平面相背的平面102上均匀分布有20≥n≥1个固定模芯螺孔103、104、105、106、107、108，如图2所示。所说的夹头模芯2有20≥n≥1个，每个夹头模芯2一端带有与基座1上固定模芯螺孔103、104、105、106、107、108相配的螺纹头201，如图3、图4所示。夹头模芯2另一端带有中心内孔203，如图4所示。或者是一平面202，如图3所示。夹头模芯2是用带有螺纹头201的一端旋进基座1上固定模芯螺孔103、104、105、106、107、108内而固定在基座1上，如图1所示。
构成基座1和夹头模芯2的材料是高纯石墨或石蜡。
所说的夹头模芯2带有中心内孔203的一端的中心内孔203里塞有孔塞3，如图1、图4所示。孔塞3是用高熔点的晶体，如氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、碳化硅(SiC)等。
所说的基座1为了浇铸方便，可以是圆锥台形，或者是圆柱台形，或者是带圆角的多边台形等。
<2>制作铸浇模型，首先将上述制作好的夹头模具用基座1上的固定中心的螺孔109固定在金属模套内，在夹头模具与模套之间的所有空隙内填满致密的填充料，然后脱去模套，成为模胚。将模胚置于干燥处，让其自然风干4～7天。再将风干后的模胚在硅碳棒电阻炉内温度达到1250℃～1650℃烧结4～8天，待上述用高纯石墨或石蜡制成的夹头模具完全被烧掉，便制成所要求的浇铸模型。
所说的填充料是由氧化镁(MgO)粉加粘合剂构成，其中氧化镁(MgO)粉的粗细程度为按重量百分比20-30％的40目、20-30％的60目、60-40％的80目的比例混合。其中粘合剂是阿拉伯树胶，或者是熟胶。
<3>熔化铱料并浇铸，首先用氧化镁(MgO)料制作一个熔化铱料的熔埚。然后将上述制作好的浇铸模型及熔埚同时预热，当加热至1250℃-1650℃时，将铱料放入熔埚里，待铱料全部熔化后，将熔化的铱料注入浇铸模型内成型。
<4>将上述已注入铱液的浇铸模型让其自然冷却至600℃-1200℃时，打碎脱去浇铸模型后，放入水中急骤冷却。然后切去基座1，便制成一个个籽晶杆夹头。其中一端有中心内孔203的内孔还塞有孔塞3，将孔塞3打碎除去后，便留下了光滑的中心内孔203，如图5所示。
本发明的籽晶杆夹头的成型方法同时可以浇铸成型20个(20≥n≥1)籽晶杆夹头。而且一端有中心内孔的籽晶杆夹头能够一次成型，中心内孔同轴度好、孔内表面光洁度高。用本发明的成型方法制成的籽晶杆夹头适用生长多种晶体，如钽酸锂、钒酸钇、石榴石系列晶体、白宝石晶体等，本发明的成型方法降低了生产成本，适合批量生产。
附图说明：
图1是本发明籽晶杆夹头的成型方法中所制作的夹头模具示意图。
图2是图1夹头模具中的基座1示意图，其中图2-1是基座1正视示意图，图2-2是图2-1的A-A剖视示意图。
图3是一端为平面202的夹头模芯2示意图。
图4是图1中一端带有中心内孔203，孔内塞有孔塞3的夹头模芯2的示意图
图5是一端带有中心内孔203的籽晶杆夹头示意图
具体实施方式：
如上述具体成型步骤：
<1>首先制作夹头模具，如图1所示的结构，基座1，用高纯石墨加工成圆锥台形，大圆平面101的中心位置上有一深8mm、M8的固定中心螺孔109，小圆平面上均布有n＝6个固定模芯螺孔103、104、105、106、107、108，见图2。夹头模芯2有n＝6个，每个夹头模芯2的直径6mm，长度80mm，夹头模芯2的一端带有与基座1上固定模芯螺孔相配的螺纹头201，如图4所示。另一端带有直径为5毫米，深度为7毫米的中心内孔203，如图4所示。先将基座1及夹头模芯2采用高纯石墨用车床加工好。然后将n＝6个夹头模芯固定在基座1上固定模芯螺孔103、104、105、106、107、108内，将用氧化锆(ZrO2)晶体加工成直径为5毫米，长度为30毫米表面进行抛光的孔塞3，插入夹头模芯2的中心内孔203内，制成了夹头模具，见图1。
制作浇铸模型，首先制作模胚，将上述做好的夹头模具用基座1上的固定中心的螺孔109固定在铝筒做成的金属模套内，在夹头模具与模套之间的填充料是氧化镁(MgO)粉加粘合剂，其中氧化镁(MgO)粉按重量百分比20％的40目、20％的60目、60％的80目的比例混合在一起，用阿拉伯树胶做粘合剂。然后填充好填充料后将铝筒的模套脱去制成了模胚。
将上述模胚置于干燥处自然风干7天，并在硅碳棒电阻炉中烧结6天，烧结过程是：
(a)先是升温，采用自动控制缓慢升温，约50℃/小时，从室温连续升温至1400℃。
(b)接着恒温：到达1400℃后开始恒温55小时。此时用高纯石墨制成的基座和夹头模芯全部被燃烧干净。
(c)降温：恒温55小时后，用自动控制降温，以50℃/小时速率降温，从1400℃一直降温至室温。制成浇铸模型。
<3>熔化铱料并浇铸：
(a)首先制作熔化铱料的熔埚，用含20％的40目、20％的60目、60％的80目混合的氧化镁(MgO)粉加阿拉伯树胶做粘合剂，制成熔埚。
(b)同时预热上述做好的浇铸模型及熔埚，将浇铸模型放入石墨筒内，将石墨棒放入熔埚内，然后一起放入高频感应线圈内，用高频感应石墨的方法对浇铸模型、熔埚进行加热，加热至1400℃。
(c)熔料、浇铸：将熔埚内石墨棒取出，将铱料放入熔埚内通过高频对铱自感应的方式将铱料熔化，然后将铱液浇入浇铸模型内成型。
<4>(a)冷却：先将上述浇铸好的浇铸模型自然冷却至800℃，以消除部分应力。然后打碎脱去浇铸模型，再放入冷水中急冷。
(b)将夹头一端有中心内孔203孔内的晶体孔塞3敲碎，倒出，洗净内孔内的碎晶块，并将多个籽晶杆夹头用切割机将其从基座1上切下，一次成型为一端有中心内孔的籽晶杆夹头，还可在有中心内孔端用激光或电火花打一小孔，用于捆绑晶种。图5是制成的籽晶杆夹头示意图。
(c)若制成的籽晶杆夹头一端没有中心内孔，而是一个平面202，如图3所示。可以先从籽晶杆夹头平面的一端截取一段长度为12毫米铱棒，采用线切割技术在其内部切出一个内径为5毫米的通孔，则此段铱棒变成一个铱环，最后利用氧弧焊将铱环焊接在原来的平面上，也变成一个如图5所示一端带有中心内孔的籽晶杆夹头。
Claims (1)
1.一种籽晶杆夹头的成型方法，用铱料制成的籽晶杆夹头，是经过制作夹头模具、制作浇铸模型、熔化铱料、浇铸、脱模、退火和切割的过程。其特征在于具体的成型步骤是：
<1>制作含有基座(1)和夹头模芯(2)的夹头模具，其中基座(1)上，有一平面(101)在其中心位置有一固定中心螺孔(109)，基座(1)上与上述带固定中心螺孔(109)的平面相背的平面(102)上均匀分布有20≥n≥1个固定模芯螺孔(103、104、105、106、107、108)，其中夹头模芯(2)有20≥n≥1个，每个夹头模芯(2)一端带有与基座(1)上固定模芯螺孔(103、104、105、106、107、108)相配的螺纹头(201)，夹头模芯(2)另一端带有中心内孔(203)，或者是一平面(202)，夹头模芯(2)是用带有螺纹头(201)的一端旋进基座(1)上固定模芯螺孔(103、104、105、106、107、108)内而固定在基座(1)上；
构成基座(1)和夹头模芯(2)的材料是高纯石墨，或者是石蜡；塞在夹头模芯(2)一端的中心内孔(203)里孔塞(3)是由高熔点的氧化锆(ZrO2)晶体，或者是氧化镁(MgO)晶体，或者是碳化硅(SiC)晶体制成；
<2>制作铸浇模型，首先将上述制作好的夹头模具用基座(1)上的固定中心螺孔(109)固定在金属模套内，在夹头模具与模套之间的所有空隙内填满致密的填充料，然后脱去模套，成为模胚；将模胚置于干燥处，让其自然风干4～7天，再将风干后的模胚置于硅碳棒电阻炉内烧结4～8天，待上述用高纯石墨或石蜡制成的夹头模具完全被烧掉，便制成所要求的浇铸模型；
所说的填充料是由氧化镁粉加粘合剂构成，其中氧化镁(MgO)粉的粗细程度为按重量百分比20-30％的40目、20-30％的60目、60-40％的80目的比例混合，其中粘合剂是阿拉伯树胶，或者是熟胶；
<3>熔化铱料并浇铸，首先用氧化镁料制作一个熔化铱料的熔埚；然后将上述制作好的浇铸模型及熔埚同时预热，当加热至1250℃～1650℃时，将铱料放入熔埚里，待铱料全部熔化后，将熔化的铱料注入浇铸模型内成型；
<4>将上述已注入铱液的浇铸模型让其自然冷却至600℃～1200℃时，打碎脱去浇铸模型后，放入水中急骤冷却，然后切去基座(1)，便制成一个个籽晶杆夹头，其中一端有中心内孔(203)的孔内还塞有孔塞(3)，将孔塞(3)打碎除去后，便留下了光滑的中心内孔。
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