本發明涉及耐火坩堝制造技術領域，尤其是涉及一種耐高溫坩堝的制備方法。
背景技術：
坩堝是一種常用的實驗和生產設備，無論是在晶體材料的生長制備過程中，還是在粉體材料的合成過程中，都離不開坩堝的參與，坩堝的質量往往會影響這些材料的制備過程和制備而得材料的性能。現有技術中，坩堝通常采用粉體成型再進行燒結制備而得，其中成型是整個坩堝制備過程中的重要一環，成型的均勻性和密實度會對坩堝的燒結過程和最終燒結制得的坩堝的性能產生巨大的影響；現有的坩堝成型乃至所有粉體材料的成型大都采用壓力成型、等靜壓成型等工藝，其中等靜壓成型是成型均勻性和成型密實度最好的成型方式，但是其一般需要在油壓環境下進行，存在成型工藝較復雜，成型設備成本高，操作要求高，另外成型時間也較長等缺點，對于需要提高成型效率和減小成型成本的坩堝成型較不適宜；機壓成型一般采用對粉料施加單側壓力的方式成型，由于其在成型過程中只提供單側的壓力，使得其在成型過程中坯體受力不均，施壓一側受力較大，遠離施壓的一側受力較小，受力不均造成密實度也不均一，受力一側更加的密實，另一側則會有更多的空隙，這種不均勻的密實情況會對坩堝燒結時產生較大的不利影響，對于空隙較多的一側需要控制燒結速率使坯體中晶界的移動更慢使得氣體和雜質能夠被排除晶粒之外而不是被晶粒所包裹，而密實的一側則需要加快燒結過程中坯體晶界的移動速率，提高燒結效率；鑒于這種狀況，燒結時必須將燒結速率控制的足夠慢，提高坯體的燒結效果，但是不可避免的會影響燒結效率，同時也存在影響密實度高一側的燒結效果；因此，需要一種能夠在成型過程中能夠增進坯體密實度和均勻度的粉體材料。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種能夠提高坩堝生坯密實度和均一性，同時能夠賦予耐高溫坩堝成品較高致密度的耐高溫坩堝的制備方法。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
一種耐高溫坩堝的制備方法，包括以下步驟：
a）備料：按以下重量份的組分備料：
氧化鋁含量為98～99wt%的剛玉粉100份，石墨粉0.05～0.16份，石膏粉0.25～0.6份，白云母粉0.3～0.9份，滑石粉0.34～0.4份，造粒添加劑1.5～2份；
b）混料：將剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉混合并在無水乙醇為介質下濕磨20～40分鐘，濕磨后烘干制得混合粉體；
c）造粒：向混合粉體中加入造粒添加劑并混合均勻；
d）模壓：將造粒好的混合粉體加入到模具中模壓成型，成型壓力為2.5～30mpa，制得坩堝生坯；
e）排膠：將坩堝生坯升溫至550～600℃并保溫0.5～1小時，之后冷卻至室溫，制得排膠生坯；
f）燒結：將排膠生坯升溫至1300～1500℃，并保溫4～6小時，保溫完成后自然降溫至室溫，制得耐高溫坩堝粗品；
g）精修：用砂輪機精修耐高溫坩堝粗品，除去毛刺制得耐高溫坩堝。
本發明技術方案的一個目的是為了增加坩堝生坯密實度和均一性，即使得在粉體成型時，在成型壓力不均勻的情況下也能獲得粉料均勻密實度均勻且密實度高的坯體，保證坯體的均一性；上述目的通過兩個方法獲得，其一是合理調配粉體的粒徑分布；第二個方法是在粉料中添加一定量的能夠增加粉體流動性的添加劑，這些添加劑以石墨和滑石粉為主。為了獲得具有較高耐高溫能力的坩堝，選用氧化鋁含量為98～99wt%的剛玉粉體較適宜，而且高氧化鋁含量的剛玉本就是一種具有極好耐高溫性能的耐火材料。
石墨是一種層狀的無機材料，其具有良好的潤滑性能，能夠增加粉料的流動性，但是由于其構成元素為碳元素，其在空氣環境下的耐火度并不好，因此，只能添加一少部分，并且在粉料成型后燒結時盡量除去；云母是一種鋁硅酸鹽礦物，也是一種層狀硅酸鹽礦物，其也具有良的潤滑性能，添加到粉體中能夠增加粉體的流動性，并且鋁硅酸鹽礦物也是一種具有良好耐火性能的材料，其少量的加入，不會對粉體的耐火度產生變劣影響；滑石粉是一種含水硅酸鎂礦物，其具有良好的潤滑性能，同時其也具有十分優秀的抗膩性能，其能阻止細粉料之間發生團聚；石膏的組分為硫酸鈣，為層狀礦物，其具有一組完全解離，使得其具有良好的潤滑性能，添加后能改善粉體的流動性，同時石膏還具有一定的微膨脹性，在耐火材料粉體經過燒結后，能增加坯體的密實度。
步驟e排膠工序是為了排除坯體中造粒添加劑和原料中添加的石墨，由于造粒添加劑為有機化合物，其耐高溫性能極差，高溫環境下會發生分解產生氣體或者未完全燃燒的顆粒，如果未在燒結前將這些添加劑除去會影響坩堝的燒結性能，產生大量的氣體還存在是坩堝坯體炸裂的風險，排除石墨的理由也是如此，即使不在燒結階段產生危害，也會在后續的使用過程中污染坩堝中的燒結原料。
作為優選，剛玉粉中15～20wt%為粗粒徑剛玉粉，45～55wt%為中粒徑剛玉粉，余量為細粒徑剛玉粉。
作為優選，粗粒徑剛玉粉的粒徑為250～350目，中粒徑剛玉粉的粒徑為700～1000目，細粒徑剛玉粉的粒徑為1200～1500目；粗粒徑剛玉粉的中值粒徑d50為290～300目，中粒徑剛玉粉的中值粒徑d50為800～800目，細粒徑剛玉粉的中值粒徑d50為1350～1400目。
為使獲得的坯體具有較高的均勻度和密實度，保證坯體的均一性，也為了在坩堝燒結時粉體顆粒間的氣體能夠更好的排除，需要合理調配粉體的粒徑分布使得中等粒徑的粉體占主要部分，這樣既可以填補較粗顆粒間的空隙，減少成型后坯體內的氣體含量，也可以避免當細粒徑顆粒占大多數所帶來的粉料顆粒團聚的問題，經試驗中等粒徑的粉料占45wt%左右，然后最少的較粗粒徑顆粒最少的分配方案能夠盡量使粉體之間的空隙最小，細顆粒之間的團聚現象也最小
粗粒徑粉體的粒徑在250～350目范圍內，大約為42～60微米左右，中粒徑粉體的粒徑在700～1000目范圍內，大約為15～21微米左右，細粒徑粉體的粒徑為1200～1500目范圍內，大約為10～12微米左右；這樣的粒徑分布可以使得，細粒徑粉體正好能夠填補粗粒徑和中粒徑粉料混合后形成的空隙，能夠使得粉料在理論上達到最緊密狀態；同時輔以流動性添加劑，使粉料中的各部分分布能夠接近于這樣的理想分布狀態。
作為優選，造粒添加劑為重量百分數為5%的聚乙烯醇水溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液、聚乙烯醇乙醇溶液或聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中的一種。
作為優選，步驟b混料過程中，無水乙醇的重量為剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉總重量的1～1.5倍；濕磨的轉速為400～600rpm。
作為優選，步驟d中模壓步驟在振動臺上完成，振動臺振幅為4.5～5.5mm，振動頻率為80～90次/min。
模壓成型過程中進行振動，可以使模具內的粉料能夠盡可能的密實，從而減少模壓成型過程中不均勻的情況出現。
作為優選，步驟f燒結過程中，升溫時，溫度在1000℃及以下時升溫速率為5～10℃/min，溫度在1000℃以上時升溫速率為3～5℃/min。
作為優選，步驟f燒結過程中，向燒結爐中通入氫氣含量5～8vol%的氮氫混合氣體，并保持爐內氣壓為標準大氣壓。
通常燒結過程中，氣氛為空氣氣氛，由于空氣中含有大量氧氣，而氧氣分子又相對較大，在燒結過程中，分子較大的氣體更難以被排除，進而影響晶界移動和晶粒生長，影響燒結后成品的致密度；而采用氮氫混合氣體其相對的分子相較于空氣的相對分子較小，燒結過程中氣體更容易被排除，能夠促進燒結過程中晶界移動和晶粒生長，使制得的坩堝成品具有更高的致密度。
因此，本發明具有以下有益效果：
（1）本發明耐高溫坩堝在成型過程中，良品率更佳，成型過程中不易因粉料受力不均而破碎；
（2）本發明中耐高溫坩堝在制備過程中，特別是成型后能夠獲得均一性更加的坯體，能夠增進后續燒結工藝的效率；
（3）本發明中制備而得的耐高溫坩堝具有更高的致密度，絕大部分樣品的致密度達97%及以上；也具有更高的荷重軟化溫度，各樣品的荷重軟化溫度都在1700℃以上。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明的技術方案作進一步的說明。
顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
實施例1
一種耐高溫坩堝的制備方法，包括以下步驟：
a）備料：按以下重量份的組分備料：
氧化鋁含量為98wt%的剛玉粉100份，石墨粉0.05份，石膏粉0.25份，白云母粉0.3份，滑石粉0.34份，造粒添加劑1.5份；
剛玉粉中15wt%為粗粒徑剛玉粉，45wt%為中粒徑剛玉粉，40wt%為細粒徑剛玉粉，粗粒徑剛玉粉的粒徑為250～350目，其中值粒徑d50為290目，中粒徑剛玉粉的粒徑為700～1000目，其中值粒徑d50為800目，細粒徑剛玉粉的粒徑為1200～1500目，其中值粒徑d50為1350目；造粒添加劑為重量百分數為5%的聚乙烯醇水溶液；
b）混料：將剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉混合并在無水乙醇為介質下濕磨20分鐘，濕磨后烘干制得混合粉體；無水乙醇的重量為剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉總重量的1倍；濕磨的轉速為400rpm；
c）造粒：向混合粉體中加入造粒添加劑并混合均勻；
d）模壓：將造粒好的混合粉體加入到模具中模壓成型，成型壓力為2.5mpa，制得坩堝生坯；模壓步驟在振動臺上完成，振動臺振幅為4.5mm，振動頻率為80次/min；
e）排膠：將坩堝生坯升溫至550℃并保溫0.5小時，之后冷卻至室溫，制得排膠生坯；
f）燒結：將排膠生坯升溫至1300℃，并保溫4小時，保溫完成后自然降溫至室溫，制得耐高溫坩堝粗品；燒結過程中，向燒結爐中通入氫氣含量5vol%的氮氫混合氣體，并保持爐內氣壓為標準大氣壓；升溫時，溫度在1000℃及以下時升溫速率為5℃/min，溫度在1000℃以上時升溫速率為3℃/min；
g）精修：用砂輪機精修耐高溫坩堝粗品，除去毛刺制得耐高溫坩堝。
實施例2
一種耐高溫坩堝的制備方法，包括以下步驟：
a）備料：按以下重量份的組分備料：
氧化鋁含量為99wt%的剛玉粉100份，石墨粉0.08份，石膏粉0.40份，白云母粉0.4份，滑石粉0.4份，造粒添加劑1.5份；
剛玉粉中17wt%為粗粒徑剛玉粉，48wt%為中粒徑剛玉粉，35wt%為細粒徑剛玉粉，粗粒徑剛玉粉的粒徑為250～350目，其中值粒徑d50為300目，中粒徑剛玉粉的粒徑為800～900目，其中值粒徑d50為850目，細粒徑剛玉粉的粒徑為1300～1500目，其中值粒徑d50為1400目；造粒添加劑為重量百分數為5%的聚乙烯吡咯烷酮水溶液；
b）混料：將剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉混合并在無水乙醇為介質下濕磨20～40分鐘，濕磨后烘干制得混合粉體；無水乙醇的重量為剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉總重量的1.2倍；濕磨的轉速為500rpm；
c）造粒：向混合粉體中加入造粒添加劑并混合均勻；
d）模壓：將造粒好的混合粉體加入到模具中模壓成型，成型壓力為15mpa，制得坩堝生坯；模壓步驟在振動臺上完成，振動臺振幅為5mm，振動頻率為85次/min；
e）排膠：將坩堝生坯升溫至600℃并保溫1小時，之后冷卻至室溫，制得排膠生坯；
f）燒結：將排膠生坯升溫至1400℃，并保溫5小時，保溫完成后自然降溫至室溫，制得耐高溫坩堝粗品；燒結過程中，向燒結爐中通入氫氣含量6vol%的氮氫混合氣體，并保持爐內氣壓為標準大氣壓；升溫時，溫度在1000℃及以下時升溫速率為7℃/min，溫度在1000℃以上時升溫速率為4℃/min；
g）精修：用砂輪機精修耐高溫坩堝粗品，除去毛刺制得耐高溫坩堝。
實施例3
一種耐高溫坩堝的制備方法，包括以下步驟：
a）備料：按以下重量份的組分備料：
氧化鋁含量為99wt%的剛玉粉100份，石墨粉0.12份，石膏粉0.5份，白云母粉0.7份，滑石粉0.34份，造粒添加劑2份；
剛玉粉中18wt%為粗粒徑剛玉粉，52wt%為中粒徑剛玉粉，30wt%為細粒徑剛玉粉，粗粒徑剛玉粉的粒徑為250～350目，其中值粒徑d50為300目，中粒徑剛玉粉的粒徑為750～950目，其中值粒徑d50為850目，細粒徑剛玉粉的粒徑為1350～1450目，其中值粒徑d50為1400目；造粒添加劑為重量百分數為5%的聚乙烯醇乙醇溶液；
b）混料：將剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉混合并在無水乙醇為介質下濕磨20～40分鐘，濕磨后烘干制得混合粉體；無水乙醇的重量為剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉總重量的1.5倍；濕磨的轉速為500rpm；
c）造粒：向混合粉體中加入造粒添加劑并混合均勻；
d）模壓：將造粒好的混合粉體加入到模具中模壓成型，成型壓力為20mpa，制得坩堝生坯；模壓步驟在振動臺上完成，振動臺振幅為5mm，振動頻率為85次/min；
e）排膠：將坩堝生坯升溫至550℃并保溫1小時，之后冷卻至室溫，制得排膠生坯；
f）燒結：將排膠生坯升溫至1400℃，并保溫4小時，保溫完成后自然降溫至室溫，制得耐高溫坩堝粗品；燒結過程中，向燒結爐中通入氫氣含量7vol%的氮氫混合氣體，并保持爐內氣壓為標準大氣壓；升溫時，溫度在1000℃及以下時升溫速率為8℃/min，溫度在1000℃以上時升溫速率為4℃/min；
g）精修：用砂輪機精修耐高溫坩堝粗品，除去毛刺制得耐高溫坩堝。
實施例4
一種耐高溫坩堝的制備方法，包括以下步驟：
a）備料：按以下重量份的組分備料：
氧化鋁含量為99wt%的剛玉粉100份，石墨粉0.16份，石膏粉0.6份，白云母粉0.9份，滑石粉0.4份，造粒添加劑2份；
剛玉粉中20wt%為粗粒徑剛玉粉，55wt%為中粒徑剛玉粉，25wt%為細粒徑剛玉粉，粗粒徑剛玉粉的粒徑為250～350目，其中值粒徑d50為300目，中粒徑剛玉粉的粒徑為700～1000目，其中值粒徑d50為900目，細粒徑剛玉粉的粒徑為1200～1500目，其中值粒徑d50為1400目；造粒添加劑為重量百分數為5%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；
b）混料：將剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉混合并在無水乙醇為介質下濕磨20～40分鐘，濕磨后烘干制得混合粉體；無水乙醇的重量為剛玉粉、石墨粉、石膏粉、白云母粉和滑石粉總重量的1～1.5倍；濕磨的轉速為400～600rpm；
c）造粒：向混合粉體中加入造粒添加劑并混合均勻；
d）模壓：將造粒好的混合粉體加入到模具中模壓成型，成型壓力為2.5～30mpa，制得坩堝生坯；模壓步驟在振動臺上完成，振動臺振幅為4.5～5.5mm，振動頻率為80～90次/min；
e）排膠：將坩堝生坯升溫至550～600℃并保溫0.5～1小時，之后冷卻至室溫，制得排膠生坯；
f）燒結：將排膠生坯升溫至1300～1500℃，并保溫4～6小時，保溫完成后自然降溫至室溫，制得耐高溫坩堝粗品；燒結過程中，向燒結爐中通入氫氣含量5～8vol%的氮氫混合氣體，并保持爐內氣壓為標準大氣壓；升溫時，溫度在1000℃及以下時升溫速率為5～10℃/min，溫度在1000℃以上時升溫速率為3～5℃/min；
g）精修：用砂輪機精修耐高溫坩堝粗品，除去毛刺制得耐高溫坩堝。
性能測試：
1.模壓成型良品率：
在成型完成后統計成型坯體的良品率，其中坯體破裂、不完整視為不合格坯體，經統計成型良品率在95%及以上，而相同尺寸現有的粉料成型過程中，良品率勉強能夠達到90%左右；
2.燒結后耐高溫坩堝的致密度：
通過分別測試成品的干重、失重、浮重計算成品的體積密度，并與原料加權平均計算得到的理論密度相比較獲得致密度，經測試上述實施例中的成品的致密度為97.5%及以上，而現有技術中結構陶瓷的致密度為95%左右；
3.成品的荷重軟化溫度測試：
按照gb/t5989-2008中記載的荷重軟化點測試方法對上述實施例制備而得的耐高溫坩堝進行荷重軟化點測試，經檢測在0.2mpa條件下，上述各實施例制備而得的耐高溫坩堝的荷重軟化溫度不小于1700℃。
應當理解的是，對于本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。