改善滑石质瓷料热稳定性的研究

摘 要：本文以硼酸、氧化锌等作为助熔剂，生成的硼硅酸盐具有降低热膨胀系数的作用，提高了滑石质瓷料的热稳定性能；氧化锌则有效地起到助熔作用，显著降低了焙烧温度。

关键词：滑石；热稳定性；助熔剂；烧块；瓷料

1 前 言

硅酸盐陶瓷材料中的滑石质瓷料，是以滑石（3MgO·4SiO2·H2O）为主要原料，并添加少量粘土与其他熔剂，烧成后的瓷体中，主要是斜顽火辉石（MgO·SiO2）晶体和玻璃物质。

由于滑石质瓷的热膨胀系数较大，因此滑石质瓷料的热稳定性能较差，在冷热变化过程中，较大的制品常常出现局部开裂甚至整个制品炸裂的现象，成为滑石质瓷生产技术的瓶颈。本研究着重从改善瓷料的热稳定性方面，采用添加其他熔剂的办法来克服制品开裂的问题。

2 滑石质瓷料开裂原因探讨

滑石质瓷料中的主要原料是滑石，其理论成分为：MgO 31.7%、SiO2 63.5%、H2O 4.8%，加热至850℃左右脱水，并产生体积微量膨胀，脱水后分解成顽辉石与无定形硅酸；加热接近1300℃时，顽辉石转移为斜顽辉石与游离白硅石（SiO2），其反应式如下：

3MgO·4SiO2·H2O→3(MgO·SiO2)+SiO2+H2O （1）

理论上残留的白硅石约占总重量的16.7%，它能降低瓷料的耐温度急变性，因而在滑石质瓷料中，必须加入助熔剂与粘土成分，以转化游离白硅石而生成玻璃，提高瓷料的致密程度，所以，滑石质瓷料是由斜顽辉石的结晶体、游离白硅石和玻璃所组成。滑石质瓷料所含的游离状白硅石是引起制品在冷热变化过程中产生开裂的主要原因，减少游离白硅石的含量比例，是克服和解决制品开裂的主要方向。

滑石质瓷料具有较大的热膨胀系数，在加热与冷却过程中，因温度变化所产生的内应力较大，并与加热速度和冷却速度有着重要的关联。因此，加强工艺控制也能减少制品开裂。

3 试验过程

采用硼酸作为滑石烧块的矿化剂，促进滑石在较低温度下获得良好的烧结性能，同时采用重晶石（BaSO4）替代碳酸钡作为熔剂，与滑石预烧成烧块料。为了促进硫酸根的分解，添加少量的木炭作为还原剂。

3.1原料加工

（1） 滑石。试验采用海城滑石和四川滑石。海城滑石经过筛选，剔除杂质后，粗碎成直径小于50mm的颗粒，再以雷蒙机细磨成粉，细度以80目筛测定筛余量小于5%；四川滑石经过水洗，去除表面附着的杂质，粗碎成直径小于30mm的颗粒，再以轮碾机加工至3mm以下的小颗粒，储放在干燥的料仓里备用。

（2） 重晶石。经过水洗，去除表面附着的杂质，粗碎至小于50mm的颗粒，储放在干燥的料仓里备用。

（3） A#粘土。去除杂质后用雷蒙机细磨成粉，细度以80目筛余小于10%为宜，储放在干燥的料仓里备用。

试验中所需要的氧化锌、硼酸粉等化工原料在配料时直接加入。

3.2滑石烧块的制备

采用烧块工艺，使用天然重晶石替代碳酸钡，并添加能降低制品热膨胀系数的硼酸作为矿化剂。考虑到硼酸的水溶性，滑石烧块的制备采用干式球磨法进行细磨与混合，按照烧块的重量比例，加入1%~2%的木炭粉，一并球磨，料与球石的比例为1:1.5，球磨3~8h。

球磨合格的粉料装入匣钵入窑焙烧。焙烧时的升温速度可控制在50~300℃/h，在最高温度（1300~1350℃）保温2~3h，以获得烧结程度均匀的滑石烧块。滑石焙烧后尽可能采取快速冷却，出窑后，加工成粒径0.8~1mm的细粒，储放在干燥的料仓里备用。

3.3滑石质瓷料的制备

在配方中采用滑石烧块70%~80%、四川滑石与A#粘土分别占15%~20%、氧化锌2~4%。

球磨时根据球磨机的规格,按料:水:球石=1:（1.2~1.5）:（1.2~1.5）的装料比例进行,球磨时间20~30h,以100目筛余小于0.02%为合格。料浆应全部通过40~60目筛，并经过除铁去除铁质与杂质。

料浆经压滤机除去大部分水分，所得到的泥饼储存在相对密闭的容器或室内经7天左右陈腐，然后进入真空练泥机精练以制备样品。

3.4性能测试样品的制备

（1） 测试静态弯曲强度样品，采用3次真空练泥后的泥段，制成长60mm±2mm，宽、厚各约7mm±2mm的样品，烘干待烧。

（2） 测试耐热稳定性的样品，仍采用3次真空练泥后的泥段，制成长50~60mm的样品，烘干待烧。

将烘干后的样品放入电炉，以1280~1320℃的温度焙烧，并在最高温度保持1~3h。升温时的最大速度控制在50~120℃/h；采用自然冷却，最大降温速度为200℃/h。焙烧后的样品必须经吸红试验检测合格。

瓷料的收缩系数为1.18~1.20，试验所用原料、滑石烧块及滑石瓷料的化学成分如表1、表2所示。试验用的硼酸粉与氧化锌纯度在98%以上。

4 滑石瓷料性能的测定

4.1耐热稳定性

（1） 方法1：将瓷件A在沸水中煮1h，迅速投入常温的流水中，反复进行三周次，每周次结束后的样品，均进行吸红试验，样品没有开裂的现象发生；再以同样的方法和同样的条件处理瓷件B（配料中没有B2O3 、ZnO），则在第一周次时发现开裂的件数为试验总数的50%，至第三周次结束时，样品B全部开裂。

（2） 方法2：将瓷件在马弗炉内加热，室温水中冷却，加热温度自80℃起，每次加热至预定温度时，恒温30min，并在水中冷却30min，试验结果以每次开裂的百分率统计。

4.2静态抗弯强度

根据规定，滑石质瓷料的机械强度以静态弯曲强度测定时，应有80%以上的强度大于1400kg/cm2,测定结果为平均值1510 kg/cm2，最大值1680 kg/cm2，最小值1390 kg/cm2，低于标准数的占10%。

5 讨 论

（1） 从表2中滑石质瓷料的化学成分分析，理论上计算可知含有以下结晶物质和玻璃质：

斜顽火辉石 66%

白硅石 9.7%

玻璃 24.3%

在玻璃物质中，由于配方中加入了硼酸，生成的硼硅酸盐具有降低热膨胀系数的作用，氧化锌则有效地起到助熔作用，显著降低了焙烧温度。

由于白硅石的含量降低，以及硼硅酸盐的存在，滑石瓷料的热膨胀系数有显著降低，大大减弱了瓷料在热变过程中的内应力，因而提高了瓷料的热稳定性。

在滑石质瓷料中玻璃物质的大量增加，结晶体相应减少，对降低机械强度有直接的影响。试验结果表明，在滑石质瓷料中适当增加助熔剂的含量，机械强度仍能符合标准要求。

瓷料焙烧温度的降低，使窑炉设备的利用率相应提高，燃料耗用量减少，耐火材料的使用次数和窑炉寿命均有所增加。

（2） 在滑石质瓷料中，常用的助熔剂是以氧化钡、碳酸钡的形式引入，直接使用重晶石的情况很少。原因是硫酸盐在陶瓷材料焙烧时容易使制品内部或表面起泡。本研究考虑到这一因素，在滑石煅烧时加入重晶石、木炭及硼酸，其中木炭作为重晶石的还原剂，促进硫酸根的分解，使容易产生气泡的硫酸根得以彻底排除，克服了制品起泡的现象。

（3） 在试验配方中粘土的比例较大，对瓷料的可塑性有很大的改善，但是也带来制品在干燥过程中容易产生开裂的问题，需要制定合理的干燥制度，加强管理予以控制。

以上研究表明，添加适当的助熔剂和矿化剂能够有效解决某些滑石质瓷料的开裂问题。

参考文献

［1］ [美]W·D金格瑞.陶瓷导论[M].

［2］ [波]R·帕姆普奇.陶瓷材料性能导论[M].

［3］ [俄]布德尼可夫.硅酸盐工艺学—普通教程[M].

推荐访问:热稳定性 滑石 改善 研究 质瓷料