一種日用微晶陶瓷的生產(chǎn)方法

摘要 本文探討了一種新型日用微晶陶瓷的生產(chǎn)方法，在工藝上改全熔塊燒結為部分熔塊燒結，并利用現(xiàn)有日用陶瓷生產(chǎn)線實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。

關鍵詞 微晶陶瓷，熔塊，燒結，鋰輝石

1前言

微晶陶瓷是近年來發(fā)展起來的一種新材料。微晶陶瓷是通過材料化學組成的選擇、晶核劑的加入、熱處理過程的控制等一系列環(huán)節(jié)，在材料中形成微米級尺寸的微晶，其含量可達50～95%。這種特有的結構可大大改善陶瓷材料的力學性能，提高陶瓷材料的強度和韌性。目前微晶陶瓷的制造工藝有兩種，一種是采用熔塊為原料的燒結法；另一種是采用玻璃制備工藝的熔融法。前者原料成本高且難以制作形狀復雜的產(chǎn)品；后者對設備要求苛刻難以在現(xiàn)有的陶瓷生產(chǎn)線上實施?，F(xiàn)有的制備微晶陶瓷的燒結法一般是將預定組成的原料全部在1400℃以上熔融成熔塊，然后粉碎、成形和燒結，獲得制品，也可稱之為全部熔塊燒結法。熔塊的熔制過程能源消耗大、成本高，且成形時的物料全部為瘠性物料，難以制作形狀復雜的日用陶瓷制品。本研究方法的思路是將全部熔塊燒結法變?yōu)椴糠秩蹓K燒結法，對微晶陶瓷的工藝過程進行大幅度的變革。在滿足預定組成的前提下，以含鋰的天然礦物、具有成形性能的天然礦物和部分熔塊為原料，使之可利用現(xiàn)有的普通陶瓷生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，既降低了生產(chǎn)成本，又改善了成形的性能，制作出高強度、高抗熱震性的日用微晶陶瓷，并實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。下面將試驗生產(chǎn)過程作一個介紹。

2工藝技術方案的確定

工藝技術路線：

（1） 現(xiàn)有的微晶陶瓷工藝，是在制品燒結成形后通過在較低溫度下的熱處理來控制微晶的尺寸和產(chǎn)量。本研究根據(jù)精細陶瓷的制作原理，采用原料的超細粉碎，通過反應燒結獲得設計的主晶相，調整配方控制燒結溫度并選擇合理的燒成制度以控制晶相尺寸，從而獲得具有理想顯微結構的微晶陶瓷，以滿足宏觀性能的要求。

（2） 本研究以Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系為基本物系。由于鋰原子的特殊性質，一系列含鋰礦物如鋰輝石、葉長石等均具有低膨脹甚至是負膨脹特性。配方選擇主要出于這樣的考慮：根據(jù)氧化鋰-氧化鋁-氧化硅系三元相圖，將組成點選在含鋰礦物的初晶區(qū)，以保證低膨脹晶體的析出；采用多組元熔劑，降低燒結溫度，使之利于細晶結構的形成；合理選擇原料以保證低成本和良好的成形性能。根據(jù)以上的工藝控制手段，可合理解決坯體燒結、析晶溫度控制、低膨脹晶相形成以及坯料成形性能之間的矛盾，以獲得高強度、低膨脹、高熱震穩(wěn)定性、低成本且適應現(xiàn)有普通陶瓷生產(chǎn)工藝的微晶陶瓷制品。

（3） 考慮到原料來源的穩(wěn)定性，采用天然鋰輝石為原料，由于天然鋰輝石在高溫過程中存在晶型轉變并伴隨有較大的體積膨脹，故需采用預煅燒。

（4） 坯釉的匹配是獲得良好熱穩(wěn)定性的前提，坯體的低膨脹性和低燒結溫度對釉料的研制提出了更苛刻的要求。為能滿足規(guī)模生產(chǎn)需要，確定釉料研制的思路為：以天然鋰輝石和低膨脹熔塊為原料，以滿足與坯體理化性能相匹配為前提，釉料的裝飾效果不拘泥于透明釉。

（5） 試驗過程中將計算機輔助設計與試驗研究相結合，以縮短試驗周期，加快試驗過程。

3坯釉料配方的研究

3.1 原料的種類及化學組成

根據(jù)方案中確定的原則，坯體原料主要有：天然鋰輝石：形成低膨脹的主晶相；連江土、蘇州土、生砂和少量的紫木節(jié)：可獲得較好的成形性能；石英：調節(jié)坯體組成在Li₂O-Al₂O₃-SiO₂三元系的含鋰化合物的初晶區(qū)；滑石、長石、ZnO、熔塊：形成多組元溶劑，降低坯體的燒結溫度。釉用原料主要有：天然鋰輝石、蘇州土、石英、滑石、長石、硅灰石、ZnO、熔塊和超細鋯英石等。主要原料的化學組成見表1。

3.2 坯體配方的研究

將坯體的組成點選在Li₂O-Al₂O₃ -SiO₂三元系的含鋰化合物的初晶區(qū)內，如圖1的陰影區(qū)所示。

坯體中原料組成的范圍見表2。

通過計算機輔助設計先后篩選了四組配方進行試驗，并測定其基本性能進行比較選擇。部分試樣的性能測定見表3，并對試樣進行掃描電鏡分析，觀察其顯微結構，結果見圖2。

在坯體配方的研究過程中有如下規(guī)律：熔塊的加入可在較低溫度下形成液相，顯著降低燒結溫度，同時也使熱膨脹系數(shù)增大。加入適量時可適當擴大燒結溫度5℃的范圍，加入過量時則使燒結溫度范圍變窄；ZnO的加入可大幅度提高坯體的白度、降低燒結溫度并提高力學性能；各種熔劑間適當?shù)谋壤欣跓Y溫度的降低和燒結溫度范圍的加寬；坯體的熱膨脹系數(shù)隨鋰輝石的加入量增加而降低。由X射線衍射分析得知：坯體中有大量晶體析出，主晶相為透鋰長石固溶體Li₂[Al₂Si₃O₁₀]，其次為少量莫來石。經(jīng)分析晶相量大于60%。

由表3可見，試樣的抗折強度均具有較高值，且燒結溫度較低的試樣強度較高，燒結溫度較高的試樣強度相對較低。由B-2和D-3的掃描電鏡照片（見圖2）可知，燒結溫度較高的B-2，以針狀和粒狀晶體為主，晶粒尺寸約在5～10μm，結構均勻性較差；而燒結溫度較低的D-3晶粒尺寸約為2～3μm。這說明隨著燒結溫度的降低，晶粒尺寸減小，坯體的顯微結構優(yōu)化，凸現(xiàn)出微晶材料優(yōu)越的力學性能。

該體系的坯體燒成溫度范圍較窄，一般在30℃左右，經(jīng)過反復調整可達到50～60℃，基本可適應在輥道窯中的燒成要求。

通過研究比較，綜合考慮坯體的力學性能、熱學性能、白度、成形性能，以及與生產(chǎn)線燒成溫度的匹配、與釉料的匹配等，選擇D-3為基本配方，在此基礎上調整粘土的種類，并選擇加入外加劑，進一步改善坯體的成形性能，以適應不同的成形方法。

D-3的坯式：

經(jīng)測定泥料的工藝性能如下：

注漿泥：細度0.06%、觸變性1.19、流動性6.75、收縮率11.8%、干坯強度2.32MPa。

滾壓泥：細度0.05%、可塑性指標3.25kg#8226;cm、收縮率12.1%、干坯強度2.51MPa。

3.3 釉料的研制

本項目中坯體的燒結溫度低、熱膨脹系數(shù)小，增加了釉料研制的難度。在釉料中以具有低膨脹性的鋰輝石為主要原料，加入部分熔塊，并加入少量的鋯英石以提高釉玻璃網(wǎng)絡的結合強度。釉料的原料組成范圍見表4。

通過多次試驗得到了與坯體相匹配且裝飾效果良好的Y22配方，釉式如下：

Y22釉的熱膨脹系數(shù)、熔融溫度測定如表5和表6所示。

4工藝流程和工藝參數(shù)

為確保新產(chǎn)品的質量，采用一次燒成工藝。工藝流程見圖3。

主要工藝參數(shù)如下：

滾壓泥：細度：0.02～0.05%、陳腐期：5天、水份：21～22%

注漿泥：細度：0.04～0.08%、陳腐期：7天、比重：1.7～1.8g/cm3

釉漿：細度：0.01～0.03%、陳腐期：先出先用、比 重：1.38～1.40g/cm3

燒成均采用燃氣輥道窯。

最高燒成溫度：1140～1160℃，燒成周期為5h

5產(chǎn)品的主要技術經(jīng)濟指標

主要的技術經(jīng)濟指標見表7。

產(chǎn)品具有較高的強度和優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性，可以直接加熱物品，完全可以滿足燒烤用微波爐餐具的要求。該產(chǎn)品的制備過程基本同精陶制品，只是原料成本有所提高，平均每件產(chǎn)品成本提高約2～3元左右，而售價提高了10～12元，按年產(chǎn)100萬件計，年純增效益約900萬元，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

6 結 論

（1） 本項目對微晶陶瓷的工藝過程進行了大幅度的變革，改全部熔塊燒結法為部分熔塊燒結法，以天然鋰輝石、具有成形性能的粘土礦物和部分熔塊為原料，利用現(xiàn)有的普通陶瓷生產(chǎn)線成功地研制出日用微晶陶瓷產(chǎn)品。

（2） 本研究以Li₂O-Al₂O₃-SiO₂三元系為基本物系，通過反應燒結獲得低熱膨脹的主晶相；采用原料的超細粉碎，采用多組元熔劑，降低燒結溫度，使之利于細晶結構的形成；合理選擇原料以保證低成本和良好的成形性能，從而合理解決坯體燒結、析晶溫度控制、低膨脹晶相形成以及坯料成形性能之間的矛盾。

（3） 采用以鋰輝石為主要原料的熔塊釉，通過合理調整各熔劑之間的比例，使之與低熱膨脹、高強度坯體相匹配，保證了產(chǎn)品的最終性能。

（4） 合理地調整現(xiàn)有的日用陶瓷工藝，制備了晶相含量大于60%、晶粒尺寸為2～3μm的鋰質微晶陶瓷，并獲得在1150℃下完全燒結、抗折強度大于70MPa、熱震穩(wěn)定性500～20℃水中熱交換三次不開裂的日用微晶陶瓷制品，而且該產(chǎn)品可直火加熱不破壞。該項目產(chǎn)品已經(jīng)投入試產(chǎn)，是一種高性能、高附加值、低成本，具有強大市場競爭力的新產(chǎn)品。