玻璃相对刚玉莫来石质陶瓷辊棒性能的影响

张脉官

摘 要：本文介绍了采用冷静压工艺制备陶瓷辊棒的过程，研究陶瓷辊棒中不同玻璃相含量对陶瓷輥棒的影响。结果表明玻璃相是刚玉莫来石质陶瓷辊棒中的重要组成部分，它可以促进辊棒中莫来石的发育，有利于烧结的进行，且在高温下可以弥补材料的部分缺陷，对陶瓷辊棒的抗弯强度以及抗蠕变性能都有较大作用。

关键词：陶瓷辊棒;刚玉莫来石;玻璃相

1 前 言

刚玉莫来石质陶瓷辊棒，使用时既要耐受高温，在长期转动过程中又要具备抗高温蠕变的特性，所以它是一种特殊的高温结构陶瓷。最近高档全抛釉大理石瓷砖的兴起，砖坯表面的辊棒“印”，备受关注，行业内有不少知名厂家相继建立起了辊棒“印”的量化标准。作为承载烧成的关键部件——陶瓷辊棒，对陶瓷砖的表面平整度有至关重要的作用，所以也对陶瓷辊棒的高温性能提出了更高的要求。本研究通过考查不同的陶瓷辊棒的配方，在陶瓷辊棒中形成不同含量的玻璃相，通过微观结构来分析玻璃相对辊棒各性能的影响。

2 实 验

2.1 刚玉莫来石质陶瓷辊棒的制备

2.1.1 配方设计

本实验设计了4组目前最常见的辊棒配方，见表1。骨料采用郑州二砂的白刚玉砂（60 ～ 120目混合砂），基质料中的高岭土采用茂名高岭土（造纸级），氧化铝采用青岛安迈 -Al2O3微粉，硅酸锆采用澳大利亚砂（65度）。

2.1.2 成型

成型采用了佛山市陶瓷研究所的冷等静压技术，此技术制备的陶瓷辊棒，具备致密度高，使用寿命长，抗折强度高等特点。

将配方中的基质粉料按照配比加入球磨机中球磨约5 h，细度达到320目筛余小于2%时，倒入浆池搅拌，边搅拌边加入白刚玉砂，搅拌完成后抽进喷雾塔进行喷雾干燥。喷雾粉料加水搅拌，然后练泥并挤出成型，挤出成型后的坯体经过干燥，再放入等静压容器，在100 MPa的压力下进行二次成型，成型后的坯体经过再次干燥，然后进入高温窑炉中进行烧成。

2.1.3 烧成

烧成采用高温梭式窑，在1600℃下烧成，烧成时间控制在24 h，保温5 h。烧成制度按照图1的烧成曲线进行。2.2 辊棒物相分析

在陶瓷辊棒高温烧结过程中，高岭土在1100℃左右的温度范围，莫来石形成量最多，所以在烧成时，在1000 ～ 1200℃烧成要慢一些，让高岭土充分分解产生一次莫来石和方石英，为后来莫来石的长大打下基础。烧成进入第二阶段，方石英与氧化铝进一步反应生成二次莫来石。烧成第三阶段，加入的硅酸锆在高温下分解，生成氧化锆和石英，石英与氧化铝反应生成三次莫来石。在整个物相反应过程中，高岭土以及其它原料，含有一些K2O、NaO、CaO、MgO以及Fe2O3、TiO2等杂质，在高温条件下，会伴随生成大量玻璃相。玻璃相的存在，又促进了二次莫来石和三次莫来石的生成，有利于材料的快速烧结。用XRD进行定量分析，辊棒主要有刚玉和莫来石以及部分斜锆石等晶相组成，另外含有大量的玻璃相，各物相含量如表2。

3 实验结果与分析

3.1 玻璃相的成份分析

取1 ～ 4#的样品，在玻璃相处用能谱分析其成分份，含量为：Na2O+K2O：3 ～ 5wt%，CaO+MgO：2 ～ 4wt%，Fe2O3+TiO2：1 ～ 3wt%，Al2O3：40 ～ 60wt%，SiO2：30 ～ 40wt%，ZrO2少量。从玻璃相的成分可以看出，陶瓷辊棒中的玻璃相是一种复杂的相，与单纯的玻璃有较大区别。此种玻璃相经过XRD检测是一种类玻璃相的非定型态，是一种介于玻璃和晶体中间的状态。Al2O3和ZrO2的融入，起到了补网的作用，使玻璃相在高温下粘度增大，耐高温性能增强，是能在1350℃以下的高温下长期使用的重要因素。

3.2 玻璃相的含量不同对陶瓷辊棒高温强度（1350℃）的影响

陶瓷辊棒在辊道窑内使用时，窑炉温度表显示在1200℃左右，但陶瓷辊棒会接触喷枪喷出的火焰，陶瓷辊棒实际的工作温度经常高达1300 ～ 1400℃，所以我们要在1350℃下测试陶瓷辊棒的强度，比较符合实际状况。各配方的高温强度测试如图2。

陶瓷辊棒的莫来石都是在烧成制备过程中产生的。莫来石含量的多少，直接表征烧结是否良好。在高温下Al2O3和SiO2直接反应生成莫来石，是非常困难和缓慢的。但是玻璃相的出现，将反应传质从固相传质变成了液相传质，从而加速了反应的进行。但是过多的玻璃相，在高温下会侵蚀莫来石的晶体，不利于莫来石的生长。所以，陶瓷辊棒中的玻璃相含量存在一个最佳值。从1#到4#配方，随着玻璃相的不断减少，辊棒的强度先是增高，然后出现一个下降现象，过多的玻璃相不利于莫来石的生长，但过少的玻璃相，同样导致固相反应困难，莫来石生长缓慢，导致烧结程度不够，出现强度的下降情况。所以在刚玉莫来石辊棒中，适当的玻璃相，可以增加莫来石形成，形成柱状莫来石网络状结构[1]，玻璃相填充其间，这样有利于材料整体性能的提高。另外，为了提高陶瓷辊棒的抗急冷急热性能，在制备陶瓷辊棒时，配方中会引入硅酸锆，硅酸锆在高温下分解产生氧化锆，在冷却过程中，由于氧化锆从四方相转为斜方相，晶型转化带来的体积变化会在材料的内部形成微裂纹。这些微裂纹，虽有利于材料的抗急冷急热性能的提高，但是微裂纹的存在，也同时降低了材料的强度。但是高温下玻璃相的存在，会弥补部分微裂纹缺陷，是辊棒在高温下保持较高的强度的重要保证。

3.3 玻璃相含量对陶瓷辊棒高温蠕变性能的影响

由于陶瓷辊棒在高温下转动过程中，不断受到一个重力和扭力的双重合力，长期使用后会疲劳断裂。所以，衡量陶瓷辊棒质量优劣的一个重要参数是高温下的抗蠕变性能（见图3）。蠕变小，使用寿命就会长。一般情况下，高温耐火材料中，玻璃相的增加，会降低材料在高温下抗蠕变性能，但是在陶瓷辊棒中有所不同。玻璃相的增加，促进了莫来石相的生成，使莫来石紧密结合刚玉骨架，这样材料的强度得到了增强，另外高温下玻璃相又起到填充缝隙作用，弥合了部分微裂纹，增加了材料的韧性，弯曲强度有所增强。但过多的玻璃相，高温下容易软化，且过多的玻璃相也缓慢融化部分莫来石，会加速材料在高温下的蠕变速率。相反，材料中的玻璃相过少，莫来石相对发育不完全，莫来石与刚玉相结合不紧密，在受力过程中，容易疲劳失效，抗高温蠕变能力也会变弱。

4 微观结构分析和研究

陶瓷辊棒取样做SEM分析，由图4可以看出，1#样品，基质料玻璃化严重，烧结程度高，但莫来石晶体粗大，辊棒的抗急冷急热性能会变差，由于玻璃相太多，高温下容易软化，抗高温蠕变能力也不强。2#配方，莫来石发育比较好，但周围仍然存在较多数量的玻璃相，莫来石晶体在高温下部分溶解。莫来石晶体的长度分布在5 ～ 10 μm，具备一定的高温性能，但由于莫来石周围大量玻璃相的存在，在高温下抗高温蠕变能力依然不强。3#配方，从图上来看，莫来石发育良好，晶体长度达到10 ～ 20 μm，且交叉排列，形成网状结构，周围的玻璃相也较少，具备较强的高温荷载性能，由于莫来石的晶体发育良好，且具备网状交叉增强结构，所以具备优良的抗高温蠕变性能，从图3的测试结果，证实了3#配方的抗蠕变性能最强。4#配方，虽然玻璃相较少，但是莫来石发育不够充分，晶体长度8 ～ 12 μm左右，且没有交叉网状结构，高温强度不高，抗蠕变能力也不强。

5 结 论

本文研究的配方，是目前陶瓷辊棒的主流配方，因为烧成后玻璃相含量的不同，导致陶瓷辊棒的高温性能差异巨大，从上面分析可以得出以下结论：

（1）刚玉莫来石质陶瓷辊棒，玻璃相是一个重要的组成部分，它是介于玻璃和晶体之间的一种中间态，在高温下具备较高的粘度，能起到填缝和弥合微裂纹的作用，增加辊棒的强度。

（2）存在一定量的玻璃相，陶瓷辊棒在烧结过程中，莫来石的发育更加完整，且可以形成交叉网状结构，提高了材料在高温下的抗蠕变性能，从而可以起到延长陶瓷辊棒使用寿命的作用。

参考文献

[1] 卫晓辉. 刚玉-莫来石材料高温断裂性能[J].稀有金属材料与工程，2009，12.