改善滑石質瓷料熱穩定性的研究

摘 要：本文以硼酸、氧化鋅等作為助熔劑，生成的硼硅酸鹽具有降低熱膨脹系數的作用，提高了滑石質瓷料的熱穩定性能；氧化鋅則有效地起到助熔作用，顯著降低了焙燒溫度。

關鍵詞：滑石；熱穩定性；助熔劑；燒塊；瓷料

1 前 言

硅酸鹽陶瓷材料中的滑石質瓷料，是以滑石（3MgO·4SiO2·H2O）為主要原料，并添加少量粘土與其他熔劑，燒成后的瓷體中，主要是斜頑火輝石（MgO·SiO2）晶體和玻璃物質。

由于滑石質瓷的熱膨脹系數較大，因此滑石質瓷料的熱穩定性能較差，在冷熱變化過程中，較大的制品常常出現局部開裂甚至整個制品炸裂的現象，成為滑石質瓷生產技術的瓶頸。本研究著重從改善瓷料的熱穩定性方面，采用添加其他熔劑的辦法來克服制品開裂的問題。

2 滑石質瓷料開裂原因探討

滑石質瓷料中的主要原料是滑石，其理論成分為：MgO 31.7%、SiO2 63.5%、H2O 4.8%，加熱至850℃左右脫水，并產生體積微量膨脹，脫水后分解成頑輝石與無定形硅酸；加熱接近1300℃時，頑輝石轉移為斜頑輝石與游離白硅石（SiO2），其反應式如下：

3MgO·4SiO2·H2O→3(MgO·SiO2)+SiO2+H2O （1）

理論上殘留的白硅石約占總重量的16.7%，它能降低瓷料的耐溫度急變性，因而在滑石質瓷料中，必須加入助熔劑與粘土成分，以轉化游離白硅石而生成玻璃，提高瓷料的致密程度，所以，滑石質瓷料是由斜頑輝石的結晶體、游離白硅石和玻璃所組成?；|瓷料所含的游離狀白硅石是引起制品在冷熱變化過程中產生開裂的主要原因，減少游離白硅石的含量比例，是克服和解決制品開裂的主要方向。

滑石質瓷料具有較大的熱膨脹系數，在加熱與冷卻過程中，因溫度變化所產生的內應力較大，并與加熱速度和冷卻速度有著重要的關聯。因此，加強工藝控制也能減少制品開裂。

3 試驗過程

采用硼酸作為滑石燒塊的礦化劑，促進滑石在較低溫度下獲得良好的燒結性能，同時采用重晶石（BaSO4）替代碳酸鋇作為熔劑，與滑石預燒成燒塊料。為了促進硫酸根的分解，添加少量的木炭作為還原劑。

3.1原料加工

（1） 滑石。試驗采用海城滑石和四川滑石。海城滑石經過篩選，剔除雜質后，粗碎成直徑小于50mm的顆粒，再以雷蒙機細磨成粉，細度以80目篩測定篩余量小于5%；四川滑石經過水洗，去除表面附著的雜質，粗碎成直徑小于30mm的顆粒，再以輪碾機加工至3mm以下的小顆粒，儲放在干燥的料倉里備用。

（2） 重晶石。經過水洗，去除表面附著的雜質，粗碎至小于50mm的顆粒，儲放在干燥的料倉里備用。

（3） A#粘土。去除雜質后用雷蒙機細磨成粉，細度以80目篩余小于10%為宜，儲放在干燥的料倉里備用。

試驗中所需要的氧化鋅、硼酸粉等化工原料在配料時直接加入。

3.2滑石燒塊的制備

采用燒塊工藝，使用天然重晶石替代碳酸鋇，并添加能降低制品熱膨脹系數的硼酸作為礦化劑?？紤]到硼酸的水溶性，滑石燒塊的制備采用干式球磨法進行細磨與混合，按照燒塊的重量比例，加入1%~2%的木炭粉，一并球磨，料與球石的比例為1:1.5，球磨3~8h。

球磨合格的粉料裝入匣缽入窯焙燒。焙燒時的升溫速度可控制在50~300℃/h，在最高溫度（1300~1350℃）保溫2~3h，以獲得燒結程度均勻的滑石燒塊。滑石焙燒后盡可能采取快速冷卻，出窯后，加工成粒徑0.8~1mm的細粒，儲放在干燥的料倉里備用。

3.3滑石質瓷料的制備

在配方中采用滑石燒塊70%~80%、四川滑石與A#粘土分別占15%~20%、氧化鋅2~4%。

球磨時根據球磨機的規格，按料:水:球石=1:（1.2~1.5）:（1.2~1.5）的裝料比例進行，球磨時間20~30h，以100目篩余小于0.02%為合格。料漿應全部通過40~60目篩，并經過除鐵去除鐵質與雜質。

料漿經壓濾機除去大部分水分，所得到的泥餅儲存在相對密閉的容器或室內經7天左右陳腐，然后進入真空練泥機精練以制備樣品。

3.4性能測試樣品的制備

（1） 測試靜態彎曲強度樣品，采用3次真空練泥后的泥段，制成長60mm±2mm，寬、厚各約7mm±2mm的樣品，烘干待燒。

（2） 測試耐熱穩定性的樣品，仍采用3次真空練泥后的泥段，制成長50~60mm的樣品，烘干待燒。

將烘干后的樣品放入電爐，以1280~1320℃的溫度焙燒，并在最高溫度保持1~3h。升溫時的最大速度控制在50~120℃/h；采用自然冷卻，最大降溫速度為200℃/h。焙燒后的樣品必須經吸紅試驗檢測合格。

瓷料的收縮系數為1.18~1.20，試驗所用原料、滑石燒塊及滑石瓷料的化學成分如表1、表2所示。試驗用的硼酸粉與氧化鋅純度在98%以上。

4 滑石瓷料性能的測定

4.1耐熱穩定性

（1） 方法1：將瓷件A在沸水中煮1h，迅速投入常溫的流水中，反復進行三周次，每周次結束后的樣品，均進行吸紅試驗，樣品沒有開裂的現象發生；再以同樣的方法和同樣的條件處理瓷件B（配料中沒有B2O3 、ZnO），則在第一周次時發現開裂的件數為試驗總數的50%，至第三周次結束時，樣品B全部開裂。

（2） 方法2：將瓷件在馬弗爐內加熱，室溫水中冷卻，加熱溫度自80℃起，每次加熱至預定溫度時，恒溫30min，并在水中冷卻30min，試驗結果以每次開裂的百分率統計。

4.2靜態抗彎強度

根據規定，滑石質瓷料的機械強度以靜態彎曲強度測定時，應有80%以上的強度大于1400kg/cm2，測定結果為平均值1510 kg/cm2，最大值1680 kg/cm2，最小值1390 kg/cm2，低于標準數的占10%。

5 討 論

（1） 從表2中滑石質瓷料的化學成分分析，理論上計算可知含有以下結晶物質和玻璃質：

斜頑火輝石 66%

白硅石 9.7%

玻璃 24.3%

在玻璃物質中，由于配方中加入了硼酸，生成的硼硅酸鹽具有降低熱膨脹系數的作用，氧化鋅則有效地起到助熔作用，顯著降低了焙燒溫度。

由于白硅石的含量降低，以及硼硅酸鹽的存在，滑石瓷料的熱膨脹系數有顯著降低，大大減弱了瓷料在熱變過程中的內應力，因而提高了瓷料的熱穩定性。

在滑石質瓷料中玻璃物質的大量增加，結晶體相應減少，對降低機械強度有直接的影響。試驗結果表明，在滑石質瓷料中適當增加助熔劑的含量，機械強度仍能符合標準要求。

瓷料焙燒溫度的降低，使窯爐設備的利用率相應提高，燃料耗用量減少，耐火材料的使用次數和窯爐壽命均有所增加。

（2） 在滑石質瓷料中，常用的助熔劑是以氧化鋇、碳酸鋇的形式引入，直接使用重晶石的情況很少。原因是硫酸鹽在陶瓷材料焙燒時容易使制品內部或表面起泡。本研究考慮到這一因素，在滑石煅燒時加入重晶石、木炭及硼酸，其中木炭作為重晶石的還原劑，促進硫酸根的分解，使容易產生氣泡的硫酸根得以徹底排除，克服了制品起泡的現象。

（3） 在試驗配方中粘土的比例較大，對瓷料的可塑性有很大的改善，但是也帶來制品在干燥過程中容易產生開裂的問題，需要制定合理的干燥制度，加強管理予以控制。

以上研究表明，添加適當的助熔劑和礦化劑能夠有效解決某些滑石質瓷料的開裂問題。

參考文獻

［1］ [美]W·D金格瑞.陶瓷導論[M].

［2］ [波]R·帕姆普奇.陶瓷材料性能導論[M].

［3］ [俄]布德尼可夫.硅酸鹽工藝學—普通教程[M].