浅谈日用陶瓷热稳定性工艺控制

陈化东，李 赫，孙 宁，乔金飞，单 婷

（山东硅元新型材料股份有限公司 淄博 255000）

陶瓷是脆性材料，我们研究的热稳定性就是指材料在开裂或断裂瞬间，用来抵御这类材料被破坏的能力。在正常情况下，产品在热冲击时的温度不同，会使热应力产生不同的分布，其计算颇为复杂，与材料的形状、热交换能力等因素有关。对于日用陶瓷产品来说，热稳定性是瓷坯、釉料、颜料（釉上、釉下、釉中等）等多种成分综合体的抗热冲击表现，这与陶瓷制品多方面的工艺因素均有关系，因此日用陶瓷热稳定性的研究也会更加复杂。

一般情况下，从提高材料热稳定性的角度看，提高材料强度，减小弹性模量，减小线胀系数，提高热导率，改善微观结构能提高材料的热稳定性。提高材料强度，减小弹性模量，这意味着提高陶瓷材料的柔韧性，使之吸收较多的弹性应变能，从而不致产品开裂，并提高陶瓷产品热稳定性。材料中如果含有少量微裂纹，并且裂纹长度能够控制在较低的范围内，就能有最小的动力扩展，使材料的抗热震性得到充分改善。所以，为了改良陶瓷材料的热稳定性，从工艺角度出发可以调整材料的颗粒尺寸、颗粒级配，通过引入第二相，如利用基体和弥散相引进显微裂纹，可提高材料的韧性。

陶瓷的热稳定性差和炸瓷现象主要因为釉的热膨胀系数大于坯体的热膨胀系数，从而造成坯釉不匹配。陶瓷工作者都应该知道坯的热膨胀系数应略大于釉的热膨胀系数，只有这样，制品在降温的过程中，会逐渐收缩，釉层慢慢冷却到常温后，陶瓷表面釉层处于压应力状态，所以此时的压应力可以与淬冷时釉层所受到的张应力相互抵消一部分，因此陶瓷制品就会有较高的机械强度，产品可以经受住更大的实验温差，从而陶瓷制品的热稳定性得到提高。但是，与之相反，如果釉层处于张应力状态，陶瓷制品的机械强度就会显著下降。釉层慢慢冷却到室温温度后，陶瓷表面的釉层本身处于张应力的状态，所以此时釉层的张应力和淬冷试验中釉层受到的张应力相互叠加，从而促使釉面加快开裂，致使陶瓷的热稳定性降低。

日用陶瓷产品造型设计是否合理，对陶瓷制品热稳定性也会有很大的影响。假如器型设计很不合理，会导致某些部位因受力不均匀而炸裂或开裂，如注浆陶瓷壶嘴等接口处和滚压陶瓷盘、碗等足底。陶瓷的产品厚度也会对热稳定性产生影响，陶瓷胎体过厚，就会导致热应力难以释放从而导致陶瓷制品的开裂，陶瓷胎体过薄，则会导致陶瓷胎体强度不够而开裂。所以造型、尺寸因素虽然不是陶瓷材料的本质属性，但是这两方面对陶瓷制品的热稳定性有着极其重要的影响。造型复杂的缺乏工艺设计的结构会导致陶瓷制品中有较为严重的应力集中和温度不均匀，使得陶瓷产品的热稳定性严重下降，但是符合工艺的设计能有效地弥补陶瓷材料中某些性能不足的问题，从而提高陶瓷产品的热稳定性。所以在实际的工作和设计中，陶瓷产品的器型必须加以注意和重视。热稳定性工艺控制方法主要从以下几方面来控制:

1 原料选择

原料的质量对热稳定性有着很大的影响，原料波动，可能引起坯体配方、石英颗粒含量、烧失量、可塑性、耐火度等指标情况的变化，原料物理化学指标的稳定性直接影响坯料的物理化学性能，所以应采用储量大、品质稳定可靠的矿源，引进国内、外优质高岭土，降低Fe、Ti含量，严把进厂原料检验关，每批原料均要经过采购、检测、研发、工艺等部门的共同把关，并在检验及小样试烧合格后方能使用。

2 配方优化

大部分釉原料配方设计为了减少釉面的针孔缺陷、降低釉的高温粘度、增加釉的高温流动性、增加釉面的光泽度，而大量增加釉料中熔剂的用量，导致釉料的热膨胀系数过大。为此我们在釉浆中可以试着引入极少量的锂辉石，因为Li2O的助熔能力比K2O、Na2O的助熔能力要强很多，因此釉的热膨胀系数可以得到减少，并且Li2O能使釉的高温粘度降低，高温流动性增加，从而可以促进坯釉中间层的良好发育。在釉中适当的引入石英、熟料等有利于硅酸盐网络结构形成的物质，尤其50目～100目的陶瓷碎瓷粉，也可使釉料整体结构的紧密度得到提高，釉的热膨胀系数会降低，从而改善陶瓷的热稳定性。

3 颗粒级配

原料的颗粒细度会对瓷坯抗热震性有重要影响，普遍认为，原料颗粒细度的增大可改善陶瓷产品的热稳定性。寻找能够使陶瓷成瓷性能最好的最佳物料细度配比成为工艺控制的重点，为此需要从陶瓷原料入磨的粒度、料浆研磨后的粒度控制以及各阶段颗粒级配等多方面进行研究，严格控制球磨时间，并用激光粒度仪和显微镜对比测试泥浆粒度，通过对比热稳定性的优劣，确定原料粒度和颗粒级配的工艺控制。

4 成形细节

泥料如果没有经过陈腐和练泥，会导致坯体含有气泡、含水率高或不均匀、可塑性能差；旋压、滚压成形的泥料过硬、水分不均匀、投泥的位置不正或泥饼过小；注浆成形过程中泥浆的颗粒较粗性能差；注浆和干燥时间过长或过短；修坯时刀具不锋利，修坯过程中用力过大，转盘晃动剧烈；烘干室温度过高或过低，烘干时间过短；搬运过程中有磕碰，一只手取坯时会导致坯体单侧受力，坯体放置不平稳等操作细节都会直接影响陶瓷产品的热稳定性。要严格控制操作细节，注浆泥水分和电解质要严格称量，调节好泥浆性能，确保满足注浆成形工艺要求，减少坯泡等缺陷产生。滚压泥除控制好水分，还要严格控制陈腐时间和练泥效果，满足滚压成形工艺要求，减少坯孔、分层等缺陷的产生。成形和修坯操作过程中要注意轻拿轻放，避免对坯体产生损伤，修坯要注意使边、棱等圆滑。成形要严格按照操作规程操作，控制产品厚度，保证坯体均匀致密，减少生坯起泡、裂纹等缺陷的产生。产品搬运和出装操作要轻拿轻放，避免对坯体产生伤害。

5 施釉控制

坯釉中间层对应力缓冲作用是因其膨胀系数介于坯和釉之间从而抵销了部分应力，研究证明坯釉中间层能缓冲有害应力，提高产品的热稳定性。所以我们可以使用两次施釉方式，一是两遍釉能提高瓷胎的强度，二是夹在瓷胎和低温釉中间的高温釉，形成了良好的中间过渡层，减缓了热冲击造成的破坏应力，因此使强度和热稳定性有了较大提高。这样一个复合釉层，在膨胀系数匹配的情况下，可提高瓷胎的抗折强度30%，所以两遍釉工艺可形成一个良好的中间过渡釉层，同时也更有利于形成平滑光润、晶莹丰厚的釉面。

6 坯釉匹配

坯釉膨胀系数的匹配是保证陶瓷热稳定性的关键。确保坯的膨胀系数略大于釉的膨胀系数，陶瓷制品烧成后，使整个产品和釉层都处于适当的压应力状态。普遍认为坯体比釉的热膨胀系数略大0.4～0.8×10-6/℃，可使陶瓷的抗折强度提高30～35%，能大幅提高热稳定性，反之，则会降低陶瓷产品热稳定性。假如釉层受到较大的压应力，那么在淬冷试验中首先开裂的将不会是釉层而是紧靠釉层的坯体表层，因该处将会受到最大的张应力，在这种情况下，如果瓷胎本身强度不高，坯釉膨胀系数不适应，很容易造成炸瓷。针对这两个方面的影响，在配方调整时，要千方百计地提高瓷胎的强度，千方百计地选好坯釉的膨胀系数。

7 烧成工艺

在坯体和釉料配方稳定的情况下，烧成制度、烧成曲线是陶瓷制品烧成工艺的关键，这些因素都会直接影响到莫来石、方石英和玻璃相的生成量以及结合量，并且间接影响到材料中气孔率或吸水率的多少。合理地控制烧成温度，可以使固相、液相反应更加充分，在升温的过程中会生成较多的低膨胀晶须和莫来石晶须，从而使陶瓷具备较高的强度、较小的膨胀系数以及良好的热稳定性。在产品冷却过程中，高于850℃时，坯体内液相处在塑性状态，需要进行快冷；低于850℃时，液相开始凝固，石英的晶型转化会引起体积变化，应该缓冷。

需要指出的是，日用陶瓷产品是一个结合了瓷坯、瓷釉、颜料等多种材料的综合体，而且生产工序多，各种变量因素复杂，提高日用陶瓷热稳定性是一个相当复杂的工程，至今还没有一个较为完善的理论。为此，所有改进日用陶瓷热稳定性的方法必须与实际相结合，要在具体的使用条件下满足具体的使用要求，并与各种外加因素一起进行综合考虑，所以关于日用瓷热稳定性的研究还是一个长期而艰巨的任务。