熱彎陶瓷巖板生產常見問題探討*

梁 鐸 汪慶剛,2 陳鵬程,2 劉春江,2 吳洋,2

(1 蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528500)

(2 廣東省大尺寸陶瓷薄板企業重點實驗室 廣東 佛山 528500)

熱彎陶瓷巖板是一種新型的曲面陶瓷板,其耐酸堿腐蝕、耐污性、耐候性較天然石質弧形板更優越,且價格比石材低,加上其獨特的裝飾效果,可廣泛應用于室內外家具的弧形面裝飾、室外耐酸防腐保護面等,對美化人居環境有著重要的意義。但熱彎技術還不夠成熟,對熱彎技術的深度研究和技術突破是行業迫切需要解決的問題[1]。筆者就熱彎陶瓷巖板在生產過程中出現的技術問題進行相關的分析探討,以穩定熱彎陶瓷產品的品質和提升生產效率。

1 實驗內容

1.1 主要設備

熱彎工藝的核心設備是熱處理的窯爐設備,一般采用隧道式窯爐、梭式窯(抽屜式窯爐)較為常見;模具一般采用高溫耐火材料,主要以高溫化學結構穩定性好的剛玉莫來石質耐火材料為主;加熱方式主要以電加熱或天然燃料為主。其他設備有數碼水刀切割機、機械弧面板磨切削機、手拋機、手動磨削機、手動磨刷機等設備。

1.2 工藝流程

熱彎陶瓷巖板的工藝流程,如圖1所示,入窯熱彎的工藝制度和過程直接決定了熱彎陶瓷巖板的效果和品質。

圖1 熱彎陶瓷板的工藝流程示意圖

1.3 熱彎陶瓷板的二次熱處理溫度制度

溫度制度是陶瓷巖板熱彎工藝的核心,巖板二次熱處理最高溫度控制在其燒成溫度范圍之間,主要根據巖板坯體配方、厚度和彎曲弧度進行調整。

筆者所使用厚度為10.5 mm 的巖板,制定最高二次熱處理溫度為1 180℃。不同的升溫速率對產品性能有一定的影響,通常采用單室爐進行二次熱處理實驗,其冷卻方法為自然冷卻。熱彎的升溫曲線、保溫點需要根據現有坯體的軟化情況做適當的調整和測試;確保坯體在熱彎過程中不開裂,表1為現有熱彎工藝的溫度制度。

表1 現有熱彎工藝的溫度制度

由于巖板在常溫下是典型的脆性材料,無法對其進行塑性加工。經高溫加熱后,巖板坯體中玻璃相會發生軟化或局部熔融,使其具有一定的塑性,可以在自重或外力的作用下發生塑性變形,該高溫塑性加工過程通常也被稱為二次熱處理過程[2]。二次熱彎的升溫曲線、保溫點需要根據現有坯體的軟化情況做適當的調整,以確保坯體在熱彎過程中不開裂不變形為佳。

2 熱彎陶瓷巖板的缺陷及原因分析

2.1 熱彎產品的光澤度、色差變化原因分析以及解決措施

由于熱彎的溫度較原始燒成的溫度低,同時在熱彎過程中根據熱彎的不同效果需要保溫較長時間及緩慢冷卻,,此工藝過程會導致透明拋釉類巖板產品在熱彎后出現光澤度下降、析晶、變色等問題(見圖2)。

圖2 二次熱彎前后樣品表面情況對比

筆者通過對熱彎前后樣品進行掃描電鏡分析發現,巖板產品經過熱彎工藝處理后釉層中析出了大量的晶體,這是造成釉面失透、光澤度降低的主要原因(見圖3)。

圖3 常規拋釉產品熱彎前后顯微結構圖

為解決上述熱彎變色光澤度下降等問題,筆者開發出了高硅低鋁高鋅的透明拋釉,并選取了熱彎后透明不變色的樣品、熱彎變啞光的常規樣品進行能譜分析,對比結果如圖4、圖5所示。

圖4 熱彎后透明不變色拋釉層能譜

圖5 熱彎后變色啞光的拋釉產品能譜

由能譜半定量分析結果可知,在釉料組成上,氧化硅、氧化鋇、氧化鎂、氧化鉀整體含量差別不大,區別在于熱彎后釉層透明不變色的拋釉配方中鋁含量較低,含有極少量或者不含有鈉,氧化鋅的含量較高,整體硅鋁比為6∶1。而普通熱彎變色啞光的拋釉配方中硅鋁比為3∶1,含有少量鈉,氧化鋅的含量較低。總體對比分析,熱彎不變色光澤度較好的透明拋釉配方屬 于“高硅低鋁高鋅的透明釉”體系[3]。釉熔體在二次熱彎過程中,析晶受到熱彎溫度制度、釉料化學組成等影響[4],在二次熱彎的制度下(熱彎最高溫度低于最高燒成制度30～50℃),普通的全拋釉配方及組成,在熱彎最高溫度點,釉熔體的粘度較大且處于半玻璃化狀態,而“高硅低鋁高鋅的透明釉”體系在熱彎溫度最高點處于完全玻璃化狀態,同時這種體系由于粘度較低,在熱彎的高溫保溫階段晶體生長較慢導致析晶情況大為減弱,保持了釉層較好的玻璃狀態,因此光澤度和發色情況較穩定。

2.2 熱彎產品鼓包、炸裂、開裂原因分析及解決措施

陶瓷巖板在熱彎過程中有時會產生鼓包,甚至炸裂現象,如圖6所示。

圖6 熱彎后鼓包及炸裂

由圖6可知,a品牌陶瓷巖板在未彎曲之前,在升溫加熱接近熱彎溫度點的階段出現鼓包現象;b品牌陶瓷巖板在軟化彎曲之后即在慢冷階段炸裂的情況。

其中熱彎加熱鼓包的現象出現較多且難解決,尤其是在剛生產或轉換產品時,此工藝缺陷和不同廠家的坯體配方差異較大有主要關系,一般當坯體氧化不充分且燒結較快的情況下,坯體在二次熱彎的過程中容易出現坯體鼓包現象。生產過程中坯體氧化充分、燒結較好的情況下在巖板二次熱彎的過程中可以減少鼓包的情況發生。b品牌陶瓷巖板在軟化彎曲之后即在慢冷階段出現炸裂的現象,主要是板材受熱不平衡導致產生熱應力不均勻所致。在升溫階段,若升溫速度太快,會造成板材上、下表面及內部溫度不一致,產生的應力超過允許應力而炸裂。同時,在坯體緩慢冷卻時降溫速度太快導致退火不良,應力過大也會造成炸裂。

針對電熱彎時巖板鼓包、炸裂、開裂問題提出以下解決措施:

(1)根據不同的產品探索合理的熱彎工藝制度。

(2)加熱電阻絲的分布和模具的支承方式要合理。在熱彎過程中對于需要重點熱彎的部分一般單獨布局加熱絲,加熱的過程應使用模具保護發熱絲不與產品接觸,避免局部溫度偏高導致炸裂、開裂的情況發生;巖板在模具上的位置應處于窯爐上、下兩排“品”字型加熱絲布局中心線的中間,防止加熱絲直接燒在板上,以求靠氣流均勻加熱板材實現熱彎的目的。

(3)調整熱彎的加熱操作模式。在剛生產或換產品時,要用小實驗爐模擬相關工藝曲線,保證升溫和降溫的速率的均勻一致性和可控性;在達到設定溫度的前提下,要求操作工在升溫階段盡可能保持爐體內的電熱絲均勻緩慢升溫,保證溫度上升的均勻性,防止產品局部熱彎過程太快而導致表面產生褶皺紋現象(見圖7)。

圖7 熱彎后產品產生褶皺紋現象

2.3 熱彎產品弧形變形原因及解決措施

熱彎陶瓷巖板出窯后有時弧面變形度和母線直度偏差較大,生產大直徑板時更難控制。主要原因是模具在窯中發生了變形和熱彎巖板在降溫階段發生了“反彈”現象,需改進模具的質量,使用低收縮的新型耐火材料模具。可考慮使用空心高強、耐高溫的耐火管狀材料(見圖8)為模具的弧面,降低

圖8 圓柱形模具造型

圖9 小凹槽技術降低熱彎難度

3 結論

(1)巖板的釉面配方對熱彎弧形巖板的釉面光澤及變色問題起到決定性作用,需要有針對性的開發亮光透明釉、不變色的啞光釉等配方,確保熱彎前后釉面的光澤度一致、發色穩定和釉面質量平整光滑。

(2)選擇坯體氧化較好的巖板產品,可以有效減少熱彎過程中鼓包、釉面二次氣泡的產生,確保熱彎后的產品釉面質量符合預期效果;另外,合理的熱彎制度可以避免熱彎過程中的產品開裂,需要多次實驗確定熱彎產品的升降溫曲線。

(3)選擇合適的模具材料,配合模具結構設計,同時合理的加熱方式能夠更好地控制熱彎尺寸,減少熱彎后弧形巖板的變形開裂等問題。