6陶瓷烧成

陶瓷材料工艺学本章内容：*1.烧成制度（烧成制度与产品性能的关系、确定烧成制度的依据）；2.烧成方法（一次烧成、二次烧成）；*3.快速烧成（含义、实现快速烧成的措施）；4.装钵、装窑、窑具（自学）。第七章烧成陶瓷材料工艺学烧成是陶瓷制造工艺过程中最重要的工序之一。经过成形、上釉后的半成品，必须通过高温烧成，才能形成一定的矿物组成和显微结构，赋予陶瓷的一切特性。坯体在烧成过程中发生一系列物理化学变化，这些变化在不同的温度阶段中进行，它决定了陶瓷的质量与性能。陶瓷材料工艺学陶瓷烧成所需时间约占整个生产周期的1/3～1/4，所需费用约占产品成本的20%左右。因此，正确地设计与选择窑炉，科学地制订和执行烧成制度并严格地执行装烧操作规程，是提高产品质量和降低燃料消耗的必要保证。陶瓷材料工艺学陶瓷窑炉的种类很多。间歇式窑炉根据窑内火焰的流向可分为直焰窑、平焰窑和倒焰窑。连续式窑炉有隧道窑、辊道窑和推板窑等。快速烧成的间歇式窑有梭式窑和帽罩式窑等。中国陶瓷窑炉有悠久的历史。著名的传统窑炉主要有景德镇窑、龙窑和阶梯窑。目前，我国日用陶瓷工业广泛采用隧道窑、辊道窑和推板窑，并保留少量的倒焰窑继续用于生产。陶瓷材料工艺学坯体经过热处理的过程成为烧成。第一节烧成制度烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。其中影响制品性能的主要因素是温度制度和气氛制度，压力制度是保证温度制度和气氛制度实现的重要条件。陶瓷材料工艺学温度制度：包括升温速度、烧成温度、保温时间及冷却速度。烧成气氛：是制品接触的热气体（燃烧产物）中游离氧和还原成分CO的含量(比例）而定。一般游离氧含量10～8%为强氧化气氛；5～4%为氧化气氛；1～1.5%为中性气氛；游离氧低于1%，CO含量2～7%为还原气氛，其中3～7%为强还原气氛，1～2.5%为弱还原气氛。压力制度：窑内气体压力的规律性分布。通过调节窑炉的有关设备（烧嘴、风机、闸板等）控制窑内各部分气体压力呈一定分布。陶瓷材料工艺学1.烧成温度对产品性能的影响陶瓷坯体获得最佳性质时的相应温度，即烧成时的止火温度（最高温度）。实际上是一个温度范围，称为烧成范围。致密陶瓷体：烧成温度即烧结温度多孔制品：烧成温度并非其烧结温度一、烧成制度与产品性能的关系陶瓷材料工艺学陶瓷材料工艺学烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸、液相组成和数量、气孔的形貌和数量（即瓷坯的显微结构）。陶瓷材料工艺学特种陶瓷：过高的烧成温度，使晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，使制品的机电性能劣化。如压电陶瓷其体积密度↓、介电常数↓、介电损耗↑对传统配方的陶瓷：随温度的升高，瓷坯密度增大、吸水率和显气孔率减小、釉面光泽度提高。陶瓷材料工艺学烧成温度／℃相组成／％气孔体积／％玻璃相莫来石石英1210569323127058632821310611523113506210191表10－5不同温度下烧成后长石质瓷相组成P372生烧（欠烧），过烧陶瓷材料工艺学2.保温时间对产品性能的影响在止火温度或低于此温度，保温一定的时间，有利于物理化学变化更趋完全使坯体有足够液相量和适当晶粒尺寸、也使组织结构趋于均匀。在生产中，适当降低烧成温度，以一定的保温时间完成烧结，可保证制品质量均匀、减少烧成损失。陶瓷材料工艺学对于结晶釉等艺术釉产品，保温时间和温度更为重要。对特种陶瓷，保温可促进扩散和重结晶，但过长的保温时间使晶体长大或二次再结晶。陶瓷材料工艺学3.烧成气氛对产品性能的影响气氛影响坯体高温下的物化反应速度、改变其体积变化、晶粒与气孔大小、烧结温度甚至相组成，而得到不同性质的制品。陶瓷材料工艺学日用瓷（李家治、周仁）还原气氛中烧结温度低；图10－3长石质坯还原气氛中最大烧结线收缩小；瓷石质坯相反；图10－4过烧膨胀：坯体中含有膨润土，还原气氛中过烧膨胀大，而瓷石质坯和不含膨润土的长石质坯正好相反；图10－5还原气氛中最大线收缩速率大；图10－6气氛对瓷坯质量和透光度及釉面质量的影响：影响铁、钛价数；使SiO2和CO还原。陶瓷材料工艺学烧成气氛对产品性能的影响烧成气氛会影响陶瓷坯体在高温下的物化反应速度、体积变化、晶粒尺寸与气孔大小等，尤其对陶瓷坯的颜色、透光度和釉面质量的影响更加明显。氧化气氛烧成时，Fe2O3使坯体呈现黄色；当还原气氛烧成时，坯釉中的绝大部分Fe2O3被还原为FeO，FeO熔化在玻璃相中呈淡青色。但对含钛量较多的坯料则应避免用还原气氛烧成，否则部分TiO2会变成蓝紫色Ti2O3，还可能形成黑色FeO·Ti2O3尖晶石和一系列铁钛混合晶体，从而加深了铁的着色作用。陶瓷材料工艺学特种陶瓷氧化物陶瓷在还原气氛中或氧分压低的气氛中（例如氢气、一氧化碳、惰性气体或真空中）烧成时，可得到良好的氧化物陶瓷烧结体。对于含挥发组分的压电陶瓷等坯料，如铅、铋等化合物挥发，注意控制窑炉内铅的分压。陶瓷材料工艺学4.升、降温速度对产品性能的影响普通陶瓷快速加热时收缩比缓慢加热时小；致密坯体慢速升温其抗张强度比快速升温的坯体增加30%，而气孔率减少；烧成后缓慢冷却，收缩率大，相对气孔率小些；冷却速度的快慢对坯体中晶相的数量、大小、晶体的应力状态有很大的影响。陶瓷材料工艺学二、拟定烧成制度的依据1.坯料组成与加热过程中的物理化学变化可利用相图、差热曲线、失重曲线、热膨胀曲线、烧结曲线等技术资料。陶瓷材料工艺学K2O-Al2O3-SiO2相图低共熔点985±20℃，烧结温度范围宽50～60℃；MgO-Al2O3-SiO2相图低共熔点1355℃，烧结温度范围窄10～20℃；热分析曲线DTA、TE、ITE拟定烧成制度。Ｐ379图10－9，10－10陶瓷材料工艺学2.坯体形状、厚度和入窑水分陶瓷制品由于形状、厚度和含水率不同，升温速度和烧成周期都有所不同。薄壁小制品入窑水分易于控制，一般可采取短周期烧成。对大件厚壁制品，则升温不能过快，周期不能过短。如果坯体含有大量高可塑性粘土，则由于排水困难、升温速度更应放慢。陶瓷材料工艺学3.窑炉结构、燃料类型和装窑密度尽管坯料性能可适应快速烧成，但由于窑炉温差太大、燃料性质以及装窑密度等原因，也会使烧成速度受到限制。大截面大容积窑炉，一般温差较大，不宜快速烧成。扁形小截面窑炉，温差小且调节灵活，可快速烧成。因此，拟定烧成制度时，必须把需要的烧成制度和实现烧成制度的条件结合起来。否则，即使制定了较先进的温度制度，也难以实现。陶瓷材料工艺学4.烧成方法普通陶瓷有一次烧成和二次烧成，又有匣钵装烧与无匣钵明焰烧成之分；而一些特种陶瓷除了常压烧结外，还可采用热压法、热等静压法等一些新的烧结方法。烧成方法不同时烧成制度亦有差别。陶瓷材料工艺学第二节烧成方法一次烧成法就是将已经干燥的生坯施釉以后（也有不施釉的），装入窑内，进行一次烧成（也有叫本烧的），如景德镇的细瓷青花瓷，颜色釉（郎红，祭红，乌金等色釉瓷），青花玲珑等都是经一次烧成的。陶瓷材料工艺学两次烧成法将素烧过的熟坯施釉后，再装入窑内，按照一次烧成法进行烧成。世界各国硬质精细日用白瓷多采用此法。低温素烧、高温釉烧如：薄胎瓷、青瓷有高温素烧、低温釉烧如：石灰质精陶、骨灰瓷陶瓷材料工艺学低温素烧即用低温700-960℃左右，将已经干燥的生坯烧成，然后施釉，再入窑用高温烧成。如有些薄胎瓷、艺术瓷、釉下彩绘的日用瓷等。高温素烧是先将坯高温素烧（1260-1280℃），再进行低温釉烧（950-1050℃），如一般精陶和英国骨灰瓷等多采用此法。陶瓷材料工艺学３.二次烧成的优点素烧的作用：素烧时，坯体氧化分解产生的气体已基本排除，避免了釉烧时“桔釉”、“气泡”，提高釉面光泽度和白度；素烧后，坯体中的气孔有利于上釉，且釉面质量好；素烧使坯有一定机械强度，降低半成品的破损率；素烧时，坯体部分收缩，降低本烧阶段收缩率和变形倾向；素烧后，检选出不合格素坯返回，即提高釉烧合格率，又减少原料损失。陶瓷材料工艺学缺点：燃耗高、操作工序增多、坯釉中间层生长不良陶瓷材料工艺学烧成过程的物理化学变化第三节烧成制度示例陶瓷材料工艺学1、低温阶段（室温～300℃）入窑水分低于5％以下，排除残余机械结合水和吸附水，质量减轻，坯体体积收缩，坯体强度和气孔率增加。主要是物理变化，干燥过程的继续。使坯体入窑水分降低，提高窑炉生产效率。一般隧道窑的坯体入窑水分1%，辊道窑0.5%以下。陶瓷材料工艺学2、氧化分解阶段（300～950℃）①.粘土及其它含水矿物排除结构水；②.碳酸盐分解；③.碳素和有机物氧化；④.石英晶型转化和少量液相出现；陶瓷材料工艺学粘土及其它含水矿物排除结构水高岭石类粘土400～600℃蒙脱石类粘土550～750℃伊利石类粘土：550～650℃叶蜡石600～750℃瓷石600～700℃滑石800～900℃•Al2O3•2SiO2•2H2OAl2O3•2SiO2+2H2O陶瓷材料工艺学3、高温玻化成瓷阶段（950℃～最高烧成温度）①.1050℃以前继续氧化分解反应及排除少量残余结构水；②.硫酸盐分解和高价铁的还原与分解；③.形成大量液相和莫来石新相；④.新相的重结晶和坯体的烧结；⑤.釉料熔融成玻璃体。制品强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。陶瓷材料工艺学由Al-Si尖晶石→莫来石：2Al2O3•3SiO22（Al2O3•SiO2）＋4SiO23Al2O3•SiO23Al2O3•2SiO2＋SiO2约1100℃方石英1300～1400℃980～1000℃第一个放热反应原因：•偏高岭石向莫来石转化的有缺陷的Al－Si尖晶石相，2（Al2O3•2SiO2）2Al2O3•3SiO2＋SiO2约1100℃非晶质G.W.Brindley等人认为：陶瓷材料工艺学第二种看法：Al2O3•2SiO2Al2O3＋SiO2Al2O3（无定形）γ－Al2O3约950℃3γ－Al2O3＋2SiO23Al2O3•2SiO2＞1000℃陶瓷材料工艺学4、冷却阶段①.液相析晶，玻璃相物质凝固；②.游离石英晶型转变。陶瓷材料工艺学二、烧成制度的确定1.温度制度：室温～300℃:入窑水分、装窑密度、坯体的组成、窑炉内温差、坯体尺寸形状等300～950℃：氧化分解期，慢速升温950～烧成温度：坯体开始收缩，严格控制升温速度。气氛转换前，中火保温950～1020℃，强氧化气氛，（慢速升温达到中火保温目的也可）；此后，液相量增加，坯体急剧收缩，升温速度应慢而均匀。烧成温度与保温时间的确定：高火保温，应控制温度不升不降（亦称平烧）冷却速度：800℃以下，400℃以上慢速冷却陶瓷材料工艺学2.气氛制度：烧成时，氧化分解期要求强氧化气氛；玻化成瓷期，铁少、有机物、碳素多用氧化气氛；南方瓷，还原气氛，要注意气氛转换温度。强氧化物强还原，釉始熔前150℃左右，强还原弱还原，1200℃左右。“两点一度”：两个转化温度点和还原气氛的浓度。陶瓷材料工艺学3.压力制度：影响窑内温度和气氛。倒焰窑：窑底处于零压，窑内处于微正压，烟道内微负压。隧道窑：预热带负压（－40Pa），烧成带正压（19.6～29.4Pa），冷却带正压（0～19.6Pa)，零压位在预热带与烧成带之间。陶瓷材料工艺学油烧或气烧窑的压力曲线432101234预热带冷却带烧成带（＋）（－）压力mmH2O陶瓷材料工艺学倒焰窑烧成瓷器的温度曲线隧道窑烧成瓷器的温度曲线1—氧化气氛2—强氧化气氛3—还原气氛4—中性气氛5—氧化气氛（大气中）陶瓷材料工艺学第四节快速烧成一、传统烧成制度周期长的原因1.坯釉反应需要一定的时间；2.外部原因：如窑炉温差大、装窑密度、燃料、窑具性能等条件所限制。陶瓷材料工艺学二、快速烧成的意义烧成周期10h以上为常规烧成；4～10h以内称为加速烧成；4h以下为快速烧成。1.节约能源（燃料）2.充分利用原料资源3.提高窑炉和窑具的使用寿命4.缩短生产周期，提高生产效率陶瓷材料工艺学三、实现快速烧成的途径1.采用符合快烧要求的坯釉配方；2.降低坯体的入窑水分；3.尽量减少或不用窑具；4.采用含硫量低、无灰分的燃料；5.改变窑炉结构，采用