改善滑石質(zhì)瓷料熱穩(wěn)定性的研究

摘 要：本文以硼酸、氧化鋅等作為助熔劑，生成的硼硅酸鹽具有降低熱膨脹系數(shù)的作用，提高了滑石質(zhì)瓷料的熱穩(wěn)定性能；氧化鋅則有效地起到助熔作用，顯著降低了焙燒溫度。

關(guān)鍵詞：滑石；熱穩(wěn)定性；助熔劑；燒塊；瓷料

1 前 言

硅酸鹽陶瓷材料中的滑石質(zhì)瓷料，是以滑石（3MgO·4SiO2·H2O）為主要原料，并添加少量粘土與其他熔劑，燒成后的瓷體中，主要是斜頑火輝石（MgO·SiO2）晶體和玻璃物質(zhì)。

由于滑石質(zhì)瓷的熱膨脹系數(shù)較大，因此滑石質(zhì)瓷料的熱穩(wěn)定性能較差，在冷熱變化過程中，較大的制品常常出現(xiàn)局部開裂甚至整個制品炸裂的現(xiàn)象，成為滑石質(zhì)瓷生產(chǎn)技術(shù)的瓶頸。本研究著重從改善瓷料的熱穩(wěn)定性方面，采用添加其他熔劑的辦法來克服制品開裂的問題。

2 滑石質(zhì)瓷料開裂原因探討

滑石質(zhì)瓷料中的主要原料是滑石，其理論成分為：MgO 31.7%、SiO2 63.5%、H2O 4.8%，加熱至850℃左右脫水，并產(chǎn)生體積微量膨脹，脫水后分解成頑輝石與無定形硅酸；加熱接近1300℃時，頑輝石轉(zhuǎn)移為斜頑輝石與游離白硅石（SiO2），其反應(yīng)式如下：

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

理論上殘留的白硅石約占總重量的16.7%，它能降低瓷料的耐溫度急變性，因而在滑石質(zhì)瓷料中，必須加入助熔劑與粘土成分，以轉(zhuǎn)化游離白硅石而生成玻璃，提高瓷料的致密程度，所以，滑石質(zhì)瓷料是由斜頑輝石的結(jié)晶體、游離白硅石和玻璃所組成。滑石質(zhì)瓷料所含的游離狀白硅石是引起制品在冷熱變化過程中產(chǎn)生開裂的主要原因，減少游離白硅石的含量比例，是克服和解決制品開裂的主要方向。

滑石質(zhì)瓷料具有較大的熱膨脹系數(shù)，在加熱與冷卻過程中，因溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，并與加熱速度和冷卻速度有著重要的關(guān)聯(lián)。因此，加強工藝控制也能減少制品開裂。

3 試驗過程

采用硼酸作為滑石燒塊的礦化劑，促進滑石在較低溫度下獲得良好的燒結(jié)性能，同時采用重晶石（BaSO4）替代碳酸鋇作為熔劑，與滑石預(yù)燒成燒塊料。為了促進硫酸根的分解，添加少量的木炭作為還原劑。

3.1原料加工

（1） 滑石。試驗采用海城滑石和四川滑石。海城滑石經(jīng)過篩選，剔除雜質(zhì)后，粗碎成直徑小于50mm的顆粒，再以雷蒙機細磨成粉，細度以80目篩測定篩余量小于5%；四川滑石經(jīng)過水洗，去除表面附著的雜質(zhì)，粗碎成直徑小于30mm的顆粒，再以輪碾機加工至3mm以下的小顆粒，儲放在干燥的料倉里備用。

（2） 重晶石。經(jīng)過水洗，去除表面附著的雜質(zhì)，粗碎至小于50mm的顆粒，儲放在干燥的料倉里備用。

（3） A#粘土。去除雜質(zhì)后用雷蒙機細磨成粉，細度以80目篩余小于10%為宜，儲放在干燥的料倉里備用。

試驗中所需要的氧化鋅、硼酸粉等化工原料在配料時直接加入。

3.2滑石燒塊的制備

采用燒塊工藝，使用天然重晶石替代碳酸鋇，并添加能降低制品熱膨脹系數(shù)的硼酸作為礦化劑?？紤]到硼酸的水溶性，滑石燒塊的制備采用干式球磨法進行細磨與混合，按照燒塊的重量比例，加入1%~2%的木炭粉，一并球磨，料與球石的比例為1:1.5，球磨3~8h。

球磨合格的粉料裝入匣缽入窯焙燒。焙燒時的升溫速度可控制在50~300℃/h，在最高溫度（1300~1350℃）保溫2~3h，以獲得燒結(jié)程度均勻的滑石燒塊。滑石焙燒后盡可能采取快速冷卻，出窯后，加工成粒徑0.8~1mm的細粒，儲放在干燥的料倉里備用。

3.3滑石質(zhì)瓷料的制備

在配方中采用滑石燒塊70%~80%、四川滑石與A#粘土分別占15%~20%、氧化鋅2~4%。

球磨時根據(jù)球磨機的規(guī)格，按料:水:球石=1:（1.2~1.5）:（1.2~1.5）的裝料比例進行，球磨時間20~30h，以100目篩余小于0.02%為合格。料漿應(yīng)全部通過40~60目篩，并經(jīng)過除鐵去除鐵質(zhì)與雜質(zhì)。

料漿經(jīng)壓濾機除去大部分水分，所得到的泥餅儲存在相對密閉的容器或室內(nèi)經(jīng)7天左右陳腐，然后進入真空練泥機精練以制備樣品。

3.4性能測試樣品的制備

（1） 測試靜態(tài)彎曲強度樣品，采用3次真空練泥后的泥段，制成長60mm±2mm，寬、厚各約7mm±2mm的樣品，烘干待燒。

（2） 測試耐熱穩(wěn)定性的樣品，仍采用3次真空練泥后的泥段，制成長50~60mm的樣品，烘干待燒。

將烘干后的樣品放入電爐，以1280~1320℃的溫度焙燒，并在最高溫度保持1~3h。升溫時的最大速度控制在50~120℃/h；采用自然冷卻，最大降溫速度為200℃/h。焙燒后的樣品必須經(jīng)吸紅試驗檢測合格。

瓷料的收縮系數(shù)為1.18~1.20，試驗所用原料、滑石燒塊及滑石瓷料的化學(xué)成分如表1、表2所示。試驗用的硼酸粉與氧化鋅純度在98%以上。

4 滑石瓷料性能的測定

4.1耐熱穩(wěn)定性

（1） 方法1：將瓷件A在沸水中煮1h，迅速投入常溫的流水中，反復(fù)進行三周次，每周次結(jié)束后的樣品，均進行吸紅試驗，樣品沒有開裂的現(xiàn)象發(fā)生；再以同樣的方法和同樣的條件處理瓷件B（配料中沒有B2O3 、ZnO），則在第一周次時發(fā)現(xiàn)開裂的件數(shù)為試驗總數(shù)的50%，至第三周次結(jié)束時，樣品B全部開裂。

（2） 方法2：將瓷件在馬弗爐內(nèi)加熱，室溫水中冷卻，加熱溫度自80℃起，每次加熱至預(yù)定溫度時，恒溫30min，并在水中冷卻30min，試驗結(jié)果以每次開裂的百分率統(tǒng)計。

4.2靜態(tài)抗彎強度

根據(jù)規(guī)定，滑石質(zhì)瓷料的機械強度以靜態(tài)彎曲強度測定時，應(yīng)有80%以上的強度大于1400kg/cm2，測定結(jié)果為平均值1510 kg/cm2，最大值1680 kg/cm2，最小值1390 kg/cm2，低于標準數(shù)的占10%。

5 討 論

（1） 從表2中滑石質(zhì)瓷料的化學(xué)成分分析，理論上計算可知含有以下結(jié)晶物質(zhì)和玻璃質(zhì)：

斜頑火輝石 66%

白硅石 9.7%

玻璃 24.3%

在玻璃物質(zhì)中，由于配方中加入了硼酸，生成的硼硅酸鹽具有降低熱膨脹系數(shù)的作用，氧化鋅則有效地起到助熔作用，顯著降低了焙燒溫度。

由于白硅石的含量降低，以及硼硅酸鹽的存在，滑石瓷料的熱膨脹系數(shù)有顯著降低，大大減弱了瓷料在熱變過程中的內(nèi)應(yīng)力，因而提高了瓷料的熱穩(wěn)定性。

在滑石質(zhì)瓷料中玻璃物質(zhì)的大量增加，結(jié)晶體相應(yīng)減少，對降低機械強度有直接的影響。試驗結(jié)果表明，在滑石質(zhì)瓷料中適當增加助熔劑的含量，機械強度仍能符合標準要求。

瓷料焙燒溫度的降低，使窯爐設(shè)備的利用率相應(yīng)提高，燃料耗用量減少，耐火材料的使用次數(shù)和窯爐壽命均有所增加。

（2） 在滑石質(zhì)瓷料中，常用的助熔劑是以氧化鋇、碳酸鋇的形式引入，直接使用重晶石的情況很少。原因是硫酸鹽在陶瓷材料焙燒時容易使制品內(nèi)部或表面起泡。本研究考慮到這一因素，在滑石煅燒時加入重晶石、木炭及硼酸，其中木炭作為重晶石的還原劑，促進硫酸根的分解，使容易產(chǎn)生氣泡的硫酸根得以徹底排除，克服了制品起泡的現(xiàn)象。

（3） 在試驗配方中粘土的比例較大，對瓷料的可塑性有很大的改善，但是也帶來制品在干燥過程中容易產(chǎn)生開裂的問題，需要制定合理的干燥制度，加強管理予以控制。

以上研究表明，添加適當?shù)闹蹌┖偷V化劑能夠有效解決某些滑石質(zhì)瓷料的開裂問題。

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