一种日用微晶陶瓷的生产方法

摘要 本文探讨了一种新型日用微晶陶瓷的生产方法，在工艺上改全熔块烧结为部分熔块烧结，并利用现有日用陶瓷生产线实现了规模化生产。

关键词 微晶陶瓷，熔块，烧结，锂辉石

1前言

微晶陶瓷是近年来发展起来的一种新材料。微晶陶瓷是通过材料化学组成的选择、晶核剂的加入、热处理过程的控制等一系列环节,在材料中形成微米级尺寸的微晶，其含量可达50～95%。这种特有的结构可大大改善陶瓷材料的力学性能，提高陶瓷材料的强度和韧性。目前微晶陶瓷的制造工艺有两种，一种是采用熔块为原料的烧结法；另一种是采用玻璃制备工艺的熔融法。前者原料成本高且难以制作形状复杂的产品；后者对设备要求苛刻难以在现有的陶瓷生产线上实施。现有的制备微晶陶瓷的烧结法一般是将预定组成的原料全部在1400℃以上熔融成熔块，然后粉碎、成形和烧结，获得制品，也可称之为全部熔块烧结法。熔块的熔制过程能源消耗大、成本高，且成形时的物料全部为瘠性物料，难以制作形状复杂的日用陶瓷制品。本研究方法的思路是将全部熔块烧结法变为部分熔块烧结法，对微晶陶瓷的工艺过程进行大幅度的变革。在满足预定组成的前提下，以含锂的天然矿物、具有成形性能的天然矿物和部分熔块为原料，使之可利用现有的普通陶瓷生产线进行生产，既降低了生产成本，又改善了成形的性能，制作出高强度、高抗热震性的日用微晶陶瓷，并实现了规模化生产。下面将试验生产过程作一个介绍。

2工艺技术方案的确定

工艺技术路线：

（1） 现有的微晶陶瓷工艺，是在制品烧结成形后通过在较低温度下的热处理来控制微晶的尺寸和产量。本研究根据精细陶瓷的制作原理，采用原料的超细粉碎，通过反应烧结获得设计的主晶相，调整配方控制烧结温度并选择合理的烧成制度以控制晶相尺寸，从而获得具有理想显微结构的微晶陶瓷，以满足宏观性能的要求。

（2） 本研究以Li2O-Al2O3-SiO2系为基本物系。由于锂原子的特殊性质，一系列含锂矿物如锂辉石、叶长石等均具有低膨胀甚至是负膨胀特性。配方选择主要出于这样的考虑：根据氧化锂-氧化铝-氧化硅系三元相图，将组成点选在含锂矿物的初晶区，以保证低膨胀晶体的析出；采用多组元熔剂，降低烧结温度，使之利于细晶结构的形成；合理选择原料以保证低成本和良好的成形性能。根据以上的工艺控制手段，可合理解决坯体烧结、析晶温度控制、低膨胀晶相形成以及坯料成形性能之间的矛盾，以获得高强度、低膨胀、高热震稳定性、低成本且适应现有普通陶瓷生产工艺的微晶陶瓷制品。

（3） 考虑到原料来源的稳定性，采用天然锂辉石为原料，由于天然锂辉石在高温过程中存在晶型转变并伴随有较大的体积膨胀，故需采用预煅烧。

（4） 坯釉的匹配是获得良好热稳定性的前提，坯体的低膨胀性和低烧结温度对釉料的研制提出了更苛刻的要求。为能满足规模生产需要，确定釉料研制的思路为：以天然锂辉石和低膨胀熔块为原料，以满足与坯体理化性能相匹配为前提，釉料的装饰效果不拘泥于透明釉。

（5） 试验过程中将计算机辅助设计与试验研究相结合，以缩短试验周期，加快试验过程。

3坯釉料配方的研究

3.1 原料的种类及化学组成

根据方案中确定的原则，坯体原料主要有：天然锂辉石：形成低膨胀的主晶相；连江土、苏州土、生砂和少量的紫木节：可获得较好的成形性能；石英：调节坯体组成在Li2O-Al2O3-SiO2三元系的含锂化合物的初晶区；滑石、长石、ZnO、熔块：形成多组元溶剂，降低坯体的烧结温度。釉用原料主要有：天然锂辉石、苏州土、石英、滑石、长石、硅灰石、ZnO、熔块和超细锆英石等。主要原料的化学组成见表1。

3.2 坯体配方的研究

将坯体的组成点选在Li2O-Al2O3 -SiO2三元系的含锂化合物的初晶区内，如图1的阴影区所示。

坯体中原料组成的范围见表2。

通过计算机辅助设计先后筛选了四组配方进行试验，并测定其基本性能进行比较选择。部分试样的性能测定见表3，并对试样进行扫描电镜分析，观察其显微结构，结果见图2。

在坯体配方的研究过程中有如下规律：熔块的加入可在较低温度下形成液相，显著降低烧结温度，同时也使热膨胀系数增大。加入适量时可适当扩大烧结温度5℃的范围，加入过量时则使烧结温度范围变窄；ZnO的加入可大幅度提高坯体的白度、降低烧结温度并提高力学性能；各种熔剂间适当的比例有利于烧结温度的降低和烧结温度范围的加宽；坯体的热膨胀系数随锂辉石的加入量增加而降低。由X射线衍射分析得知：坯体中有大量晶体析出，主晶相为透锂长石固溶体Li2[Al2Si3O10]，其次为少量莫来石。经分析晶相量大于60%。

由表3可见，试样的抗折强度均具有较高值，且烧结温度较低的试样强度较高，烧结温度较高的试样强度相对较低。由B-2和D-3的扫描电镜照片（见图2）可知，烧结温度较高的B-2，以针状和粒状晶体为主，晶粒尺寸约在5～10μm，结构均匀性较差；而烧结温度较低的D-3晶粒尺寸约为2～3μm。这说明随着烧结温度的降低，晶粒尺寸减小，坯体的显微结构优化，凸现出微晶材料优越的力学性能。

该体系的坯体烧成温度范围较窄，一般在30℃左右，经过反复调整可达到50～60℃，基本可适应在辊道窑中的烧成要求。

通过研究比较，综合考虑坯体的力学性能、热学性能、白度、成形性能，以及与生产线烧成温度的匹配、与釉料的匹配等，选择D-3为基本配方，在此基础上调整粘土的种类，并选择加入外加剂，进一步改善坯体的成形性能，以适应不同的成形方法。

D-3的坯式：

经测定泥料的工艺性能如下：

注浆泥：细度0.06%、触变性1.19、流动性6.75、收缩率11.8%、干坯强度2.32MPa。

滚压泥：细度0.05%、可塑性指标3.25kg•cm、收缩率12.1%、干坯强度2.51MPa。

3.3 釉料的研制

本项目中坯体的烧结温度低、热膨胀系数小，增加了釉料研制的难度。在釉料中以具有低膨胀性的锂辉石为主要原料，加入部分熔块，并加入少量的锆英石以提高釉玻璃网络的结合强度。釉料的原料组成范围见表4。

通过多次试验得到了与坯体相匹配且装饰效果良好的Y22配方，釉式如下：

Y22釉的热膨胀系数、熔融温度测定如表5和表6所示。

4工艺流程和工艺参数

为确保新产品的质量，采用一次烧成工艺。工艺流程见图3。

主要工艺参数如下：

滚压泥：细度：0.02～0.05%、陈腐期：5天、水份：21～22%

注浆泥：细度：0.04～0.08%、陈腐期：7天、比重：1.7～1.8g/cm3

釉浆：细度：0.01～0.03%、陈腐期：先出先用、比 重：1.38～1.40g/cm3

烧成均采用燃气辊道窑。

最高烧成温度：1140～1160℃，烧成周期为5h

5产品的主要技术经济指标

主要的技术经济指标见表7。

产品具有较高的强度和优良的热震稳定性，可以直接加热物品，完全可以满足烧烤用微波炉餐具的要求。该产品的制备过程基本同精陶制品，只是原料成本有所提高，平均每件产品成本提高约2～3元左右，而售价提高了10～12元，按年产100万件计，年纯增效益约900万元，具有良好的经济效益和社会效益。

6 结 论

（1） 本项目对微晶陶瓷的工艺过程进行了大幅度的变革，改全部熔块烧结法为部分熔块烧结法，以天然锂辉石、具有成形性能的粘土矿物和部分熔块为原料，利用现有的普通陶瓷生产线成功地研制出日用微晶陶瓷产品。

（2） 本研究以Li2O-Al2O3-SiO2三元系为基本物系，通过反应烧结获得低热膨胀的主晶相；采用原料的超细粉碎，采用多组元熔剂，降低烧结温度，使之利于细晶结构的形成；合理选择原料以保证低成本和良好的成形性能，从而合理解决坯体烧结、析晶温度控制、低膨胀晶相形成以及坯料成形性能之间的矛盾。

（3） 采用以锂辉石为主要原料的熔块釉，通过合理调整各熔剂之间的比例，使之与低热膨胀、高强度坯体相匹配，保证了产品的最终性能。

（4） 合理地调整现有的日用陶瓷工艺，制备了晶相含量大于60%、晶粒尺寸为2～3μm的锂质微晶陶瓷，并获得在1150℃下完全烧结、抗折强度大于70MPa、热震稳定性500～20℃水中热交换三次不开裂的日用微晶陶瓷制品，而且该产品可直火加热不破坏。该项目产品已经投入试产，是一种高性能、高附加值、低成本，具有强大市场竞争力的新产品。