玻璃相對剛玉莫來石質陶瓷輥棒性能的影響

張脈官

摘 要：本文介紹了采用冷靜壓工藝制備陶瓷輥棒的過程，研究陶瓷輥棒中不同玻璃相含量對陶瓷輥棒的影響。結果表明玻璃相是剛玉莫來石質陶瓷輥棒中的重要組成部分，它可以促進輥棒中莫來石的發育，有利于燒結的進行，且在高溫下可以彌補材料的部分缺陷，對陶瓷輥棒的抗彎強度以及抗蠕變性能都有較大作用。

關鍵詞：陶瓷輥棒;剛玉莫來石;玻璃相

1 前 言

剛玉莫來石質陶瓷輥棒，使用時既要耐受高溫，在長期轉動過程中又要具備抗高溫蠕變的特性，所以它是一種特殊的高溫結構陶瓷。最近高檔全拋釉大理石瓷磚的興起，磚坯表面的輥棒“印”，備受關注，行業內有不少知名廠家相繼建立起了輥棒“印”的量化標準。作為承載燒成的關鍵部件——陶瓷輥棒，對陶瓷磚的表面平整度有至關重要的作用，所以也對陶瓷輥棒的高溫性能提出了更高的要求。本研究通過考查不同的陶瓷輥棒的配方，在陶瓷輥棒中形成不同含量的玻璃相，通過微觀結構來分析玻璃相對輥棒各性能的影響。

2 實 驗

2.1 剛玉莫來石質陶瓷輥棒的制備

2.1.1 配方設計

本實驗設計了4組目前最常見的輥棒配方，見表1。骨料采用鄭州二砂的白剛玉砂（60 ～ 120目混合砂），基質料中的高嶺土采用茂名高嶺土（造紙級），氧化鋁采用青島安邁 -Al2O3微粉，硅酸鋯采用澳大利亞砂（65度）。

2.1.2 成型

成型采用了佛山市陶瓷研究所的冷等靜壓技術，此技術制備的陶瓷輥棒，具備致密度高，使用壽命長，抗折強度高等特點。

將配方中的基質粉料按照配比加入球磨機中球磨約5 h，細度達到320目篩余小于2%時，倒入漿池攪拌，邊攪拌邊加入白剛玉砂，攪拌完成后抽進噴霧塔進行噴霧干燥。噴霧粉料加水攪拌，然后練泥并擠出成型，擠出成型后的坯體經過干燥，再放入等靜壓容器，在100 MPa的壓力下進行二次成型，成型后的坯體經過再次干燥，然后進入高溫窯爐中進行燒成。

2.1.3 燒成

燒成采用高溫梭式窯，在1600℃下燒成，燒成時間控制在24 h，保溫5 h。燒成制度按照圖1的燒成曲線進行。2.2 輥棒物相分析

在陶瓷輥棒高溫燒結過程中，高嶺土在1100℃左右的溫度范圍，莫來石形成量最多，所以在燒成時，在1000 ～ 1200℃燒成要慢一些，讓高嶺土充分分解產生一次莫來石和方石英，為后來莫來石的長大打下基礎。燒成進入第二階段，方石英與氧化鋁進一步反應生成二次莫來石。燒成第三階段，加入的硅酸鋯在高溫下分解，生成氧化鋯和石英，石英與氧化鋁反應生成三次莫來石。在整個物相反應過程中，高嶺土以及其它原料，含有一些K2O、NaO、CaO、MgO以及Fe2O3、TiO2等雜質，在高溫條件下，會伴隨生成大量玻璃相。玻璃相的存在，又促進了二次莫來石和三次莫來石的生成，有利于材料的快速燒結。用XRD進行定量分析，輥棒主要有剛玉和莫來石以及部分斜鋯石等晶相組成，另外含有大量的玻璃相，各物相含量如表2。

3 實驗結果與分析

3.1 玻璃相的成份分析

取1 ～ 4#的樣品，在玻璃相處用能譜分析其成分份，含量為：Na2O+K2O：3 ～ 5wt%，CaO+MgO：2 ～ 4wt%，Fe2O3+TiO2：1 ～ 3wt%，Al2O3：40 ～ 60wt%，SiO2：30 ～ 40wt%，ZrO2少量。從玻璃相的成分可以看出，陶瓷輥棒中的玻璃相是一種復雜的相，與單純的玻璃有較大區別。此種玻璃相經過XRD檢測是一種類玻璃相的非定型態，是一種介于玻璃和晶體中間的狀態。Al2O3和ZrO2的融入，起到了補網的作用，使玻璃相在高溫下粘度增大，耐高溫性能增強，是能在1350℃以下的高溫下長期使用的重要因素。

3.2 玻璃相的含量不同對陶瓷輥棒高溫強度（1350℃）的影響

陶瓷輥棒在輥道窯內使用時，窯爐溫度表顯示在1200℃左右，但陶瓷輥棒會接觸噴槍噴出的火焰，陶瓷輥棒實際的工作溫度經常高達1300 ～ 1400℃，所以我們要在1350℃下測試陶瓷輥棒的強度，比較符合實際狀況。各配方的高溫強度測試如圖2。

陶瓷輥棒的莫來石都是在燒成制備過程中產生的。莫來石含量的多少，直接表征燒結是否良好。在高溫下Al2O3和SiO2直接反應生成莫來石，是非常困難和緩慢的。但是玻璃相的出現，將反應傳質從固相傳質變成了液相傳質，從而加速了反應的進行。但是過多的玻璃相，在高溫下會侵蝕莫來石的晶體，不利于莫來石的生長。所以，陶瓷輥棒中的玻璃相含量存在一個最佳值。從1#到4#配方，隨著玻璃相的不斷減少，輥棒的強度先是增高，然后出現一個下降現象，過多的玻璃相不利于莫來石的生長，但過少的玻璃相，同樣導致固相反應困難，莫來石生長緩慢，導致燒結程度不夠，出現強度的下降情況。所以在剛玉莫來石輥棒中，適當的玻璃相，可以增加莫來石形成，形成柱狀莫來石網絡狀結構[1]，玻璃相填充其間，這樣有利于材料整體性能的提高。另外，為了提高陶瓷輥棒的抗急冷急熱性能，在制備陶瓷輥棒時，配方中會引入硅酸鋯，硅酸鋯在高溫下分解產生氧化鋯，在冷卻過程中，由于氧化鋯從四方相轉為斜方相，晶型轉化帶來的體積變化會在材料的內部形成微裂紋。這些微裂紋，雖有利于材料的抗急冷急熱性能的提高，但是微裂紋的存在，也同時降低了材料的強度。但是高溫下玻璃相的存在，會彌補部分微裂紋缺陷，是輥棒在高溫下保持較高的強度的重要保證。

3.3 玻璃相含量對陶瓷輥棒高溫蠕變性能的影響

由于陶瓷輥棒在高溫下轉動過程中，不斷受到一個重力和扭力的雙重合力，長期使用后會疲勞斷裂。所以，衡量陶瓷輥棒質量優劣的一個重要參數是高溫下的抗蠕變性能（見圖3）。蠕變小，使用壽命就會長。一般情況下，高溫耐火材料中，玻璃相的增加，會降低材料在高溫下抗蠕變性能，但是在陶瓷輥棒中有所不同。玻璃相的增加，促進了莫來石相的生成，使莫來石緊密結合剛玉骨架，這樣材料的強度得到了增強，另外高溫下玻璃相又起到填充縫隙作用，彌合了部分微裂紋，增加了材料的韌性，彎曲強度有所增強。但過多的玻璃相，高溫下容易軟化，且過多的玻璃相也緩慢融化部分莫來石，會加速材料在高溫下的蠕變速率。相反，材料中的玻璃相過少，莫來石相對發育不完全，莫來石與剛玉相結合不緊密，在受力過程中，容易疲勞失效，抗高溫蠕變能力也會變弱。

4 微觀結構分析和研究

陶瓷輥棒取樣做SEM分析，由圖4可以看出，1#樣品，基質料玻璃化嚴重，燒結程度高，但莫來石晶體粗大，輥棒的抗急冷急熱性能會變差，由于玻璃相太多，高溫下容易軟化，抗高溫蠕變能力也不強。2#配方，莫來石發育比較好，但周圍仍然存在較多數量的玻璃相，莫來石晶體在高溫下部分溶解。莫來石晶體的長度分布在5 ～ 10 μm，具備一定的高溫性能，但由于莫來石周圍大量玻璃相的存在，在高溫下抗高溫蠕變能力依然不強。3#配方，從圖上來看，莫來石發育良好，晶體長度達到10 ～ 20 μm，且交叉排列，形成網狀結構，周圍的玻璃相也較少，具備較強的高溫荷載性能，由于莫來石的晶體發育良好，且具備網狀交叉增強結構，所以具備優良的抗高溫蠕變性能，從圖3的測試結果，證實了3#配方的抗蠕變性能最強。4#配方，雖然玻璃相較少，但是莫來石發育不夠充分，晶體長度8 ～ 12 μm左右，且沒有交叉網狀結構，高溫強度不高，抗蠕變能力也不強。

5 結 論

本文研究的配方，是目前陶瓷輥棒的主流配方，因為燒成后玻璃相含量的不同，導致陶瓷輥棒的高溫性能差異巨大，從上面分析可以得出以下結論：

（1）剛玉莫來石質陶瓷輥棒，玻璃相是一個重要的組成部分，它是介于玻璃和晶體之間的一種中間態，在高溫下具備較高的粘度，能起到填縫和彌合微裂紋的作用，增加輥棒的強度。

（2）存在一定量的玻璃相，陶瓷輥棒在燒結過程中，莫來石的發育更加完整，且可以形成交叉網狀結構，提高了材料在高溫下的抗蠕變性能，從而可以起到延長陶瓷輥棒使用壽命的作用。

參考文獻

[1] 衛曉輝. 剛玉-莫來石材料高溫斷裂性能[J].稀有金屬材料與工程，2009，12.