淺談日用陶瓷熱穩定性工藝控制

陳化東，李 赫，孫 寧，喬金飛，單 婷

（山東硅元新型材料股份有限公司 淄博 255000）

陶瓷是脆性材料，我們研究的熱穩定性就是指材料在開裂或斷裂瞬間，用來抵御這類材料被破壞的能力。在正常情況下，產品在熱沖擊時的溫度不同，會使熱應力產生不同的分布，其計算頗為復雜，與材料的形狀、熱交換能力等因素有關。對于日用陶瓷產品來說，熱穩定性是瓷坯、釉料、顏料（釉上、釉下、釉中等）等多種成分綜合體的抗熱沖擊表現，這與陶瓷制品多方面的工藝因素均有關系，因此日用陶瓷熱穩定性的研究也會更加復雜。

一般情況下，從提高材料熱穩定性的角度看，提高材料強度，減小彈性模量，減小線脹系數，提高熱導率，改善微觀結構能提高材料的熱穩定性。提高材料強度，減小彈性模量，這意味著提高陶瓷材料的柔韌性，使之吸收較多的彈性應變能，從而不致產品開裂，并提高陶瓷產品熱穩定性。材料中如果含有少量微裂紋，并且裂紋長度能夠控制在較低的范圍內，就能有最小的動力擴展，使材料的抗熱震性得到充分改善。所以，為了改良陶瓷材料的熱穩定性，從工藝角度出發可以調整材料的顆粒尺寸、顆粒級配，通過引入第二相，如利用基體和彌散相引進顯微裂紋，可提高材料的韌性。

陶瓷的熱穩定性差和炸瓷現象主要因為釉的熱膨脹系數大于坯體的熱膨脹系數，從而造成坯釉不匹配。陶瓷工作者都應該知道坯的熱膨脹系數應略大于釉的熱膨脹系數，只有這樣，制品在降溫的過程中，會逐漸收縮，釉層慢慢冷卻到常溫后，陶瓷表面釉層處于壓應力狀態，所以此時的壓應力可以與淬冷時釉層所受到的張應力相互抵消一部分，因此陶瓷制品就會有較高的機械強度，產品可以經受住更大的實驗溫差，從而陶瓷制品的熱穩定性得到提高。但是，與之相反，如果釉層處于張應力狀態，陶瓷制品的機械強度就會顯著下降。釉層慢慢冷卻到室溫溫度后，陶瓷表面的釉層本身處于張應力的狀態，所以此時釉層的張應力和淬冷試驗中釉層受到的張應力相互疊加，從而促使釉面加快開裂，致使陶瓷的熱穩定性降低。

日用陶瓷產品造型設計是否合理，對陶瓷制品熱穩定性也會有很大的影響。假如器型設計很不合理，會導致某些部位因受力不均勻而炸裂或開裂，如注漿陶瓷壺嘴等接口處和滾壓陶瓷盤、碗等足底。陶瓷的產品厚度也會對熱穩定性產生影響，陶瓷胎體過厚，就會導致熱應力難以釋放從而導致陶瓷制品的開裂，陶瓷胎體過薄，則會導致陶瓷胎體強度不夠而開裂。所以造型、尺寸因素雖然不是陶瓷材料的本質屬性，但是這兩方面對陶瓷制品的熱穩定性有著極其重要的影響。造型復雜的缺乏工藝設計的結構會導致陶瓷制品中有較為嚴重的應力集中和溫度不均勻，使得陶瓷產品的熱穩定性嚴重下降，但是符合工藝的設計能有效地彌補陶瓷材料中某些性能不足的問題，從而提高陶瓷產品的熱穩定性。所以在實際的工作和設計中，陶瓷產品的器型必須加以注意和重視。熱穩定性工藝控制方法主要從以下幾方面來控制:

1 原料選擇

原料的質量對熱穩定性有著很大的影響，原料波動，可能引起坯體配方、石英顆粒含量、燒失量、可塑性、耐火度等指標情況的變化，原料物理化學指標的穩定性直接影響坯料的物理化學性能，所以應采用儲量大、品質穩定可靠的礦源，引進國內、外優質高嶺土，降低Fe、Ti含量，嚴把進廠原料檢驗關，每批原料均要經過采購、檢測、研發、工藝等部門的共同把關，并在檢驗及小樣試燒合格后方能使用。

2 配方優化

大部分釉原料配方設計為了減少釉面的針孔缺陷、降低釉的高溫粘度、增加釉的高溫流動性、增加釉面的光澤度，而大量增加釉料中熔劑的用量，導致釉料的熱膨脹系數過大。為此我們在釉漿中可以試著引入極少量的鋰輝石，因為Li2O的助熔能力比K2O、Na2O的助熔能力要強很多，因此釉的熱膨脹系數可以得到減少，并且Li2O能使釉的高溫粘度降低，高溫流動性增加，從而可以促進坯釉中間層的良好發育。在釉中適當的引入石英、熟料等有利于硅酸鹽網絡結構形成的物質，尤其50目～100目的陶瓷碎瓷粉，也可使釉料整體結構的緊密度得到提高，釉的熱膨脹系數會降低，從而改善陶瓷的熱穩定性。

3 顆粒級配

原料的顆粒細度會對瓷坯抗熱震性有重要影響，普遍認為，原料顆粒細度的增大可改善陶瓷產品的熱穩定性。尋找能夠使陶瓷成瓷性能最好的最佳物料細度配比成為工藝控制的重點，為此需要從陶瓷原料入磨的粒度、料漿研磨后的粒度控制以及各階段顆粒級配等多方面進行研究，嚴格控制球磨時間，并用激光粒度儀和顯微鏡對比測試泥漿粒度，通過對比熱穩定性的優劣，確定原料粒度和顆粒級配的工藝控制。

4 成形細節

泥料如果沒有經過陳腐和練泥，會導致坯體含有氣泡、含水率高或不均勻、可塑性能差；旋壓、滾壓成形的泥料過硬、水分不均勻、投泥的位置不正或泥餅過小；注漿成形過程中泥漿的顆粒較粗性能差；注漿和干燥時間過長或過短；修坯時刀具不鋒利，修坯過程中用力過大，轉盤晃動劇烈；烘干室溫度過高或過低，烘干時間過短；搬運過程中有磕碰，一只手取坯時會導致坯體單側受力，坯體放置不平穩等操作細節都會直接影響陶瓷產品的熱穩定性。要嚴格控制操作細節，注漿泥水分和電解質要嚴格稱量，調節好泥漿性能，確保滿足注漿成形工藝要求，減少坯泡等缺陷產生。滾壓泥除控制好水分，還要嚴格控制陳腐時間和練泥效果，滿足滾壓成形工藝要求，減少坯孔、分層等缺陷的產生。成形和修坯操作過程中要注意輕拿輕放，避免對坯體產生損傷，修坯要注意使邊、棱等圓滑。成形要嚴格按照操作規程操作，控制產品厚度，保證坯體均勻致密，減少生坯起泡、裂紋等缺陷的產生。產品搬運和出裝操作要輕拿輕放，避免對坯體產生傷害。

5 施釉控制

坯釉中間層對應力緩沖作用是因其膨脹系數介于坯和釉之間從而抵銷了部分應力，研究證明坯釉中間層能緩沖有害應力，提高產品的熱穩定性。所以我們可以使用兩次施釉方式，一是兩遍釉能提高瓷胎的強度，二是夾在瓷胎和低溫釉中間的高溫釉，形成了良好的中間過渡層，減緩了熱沖擊造成的破壞應力，因此使強度和熱穩定性有了較大提高。這樣一個復合釉層，在膨脹系數匹配的情況下，可提高瓷胎的抗折強度30%，所以兩遍釉工藝可形成一個良好的中間過渡釉層，同時也更有利于形成平滑光潤、晶瑩豐厚的釉面。

6 坯釉匹配

坯釉膨脹系數的匹配是保證陶瓷熱穩定性的關鍵。確保坯的膨脹系數略大于釉的膨脹系數，陶瓷制品燒成后，使整個產品和釉層都處于適當的壓應力狀態。普遍認為坯體比釉的熱膨脹系數略大0.4～0.8×10-6/℃，可使陶瓷的抗折強度提高30～35%，能大幅提高熱穩定性，反之，則會降低陶瓷產品熱穩定性。假如釉層受到較大的壓應力，那么在淬冷試驗中首先開裂的將不會是釉層而是緊靠釉層的坯體表層，因該處將會受到最大的張應力，在這種情況下，如果瓷胎本身強度不高，坯釉膨脹系數不適應，很容易造成炸瓷。針對這兩個方面的影響，在配方調整時，要千方百計地提高瓷胎的強度，千方百計地選好坯釉的膨脹系數。

7 燒成工藝

在坯體和釉料配方穩定的情況下，燒成制度、燒成曲線是陶瓷制品燒成工藝的關鍵，這些因素都會直接影響到莫來石、方石英和玻璃相的生成量以及結合量，并且間接影響到材料中氣孔率或吸水率的多少。合理地控制燒成溫度，可以使固相、液相反應更加充分，在升溫的過程中會生成較多的低膨脹晶須和莫來石晶須，從而使陶瓷具備較高的強度、較小的膨脹系數以及良好的熱穩定性。在產品冷卻過程中，高于850℃時，坯體內液相處在塑性狀態，需要進行快冷；低于850℃時，液相開始凝固，石英的晶型轉化會引起體積變化，應該緩冷。

需要指出的是，日用陶瓷產品是一個結合了瓷坯、瓷釉、顏料等多種材料的綜合體，而且生產工序多，各種變量因素復雜，提高日用陶瓷熱穩定性是一個相當復雜的工程，至今還沒有一個較為完善的理論。為此，所有改進日用陶瓷熱穩定性的方法必須與實際相結合，要在具體的使用條件下滿足具體的使用要求，并與各種外加因素一起進行綜合考慮，所以關于日用瓷熱穩定性的研究還是一個長期而艱巨的任務。