陶瓷燒成工藝與制度

1、陶瓷燒成工藝制度與窯爐一 陶瓷燒成燒成是指坯體在高溫下發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)， 使坯體礦物組成與顯微結(jié) 構(gòu)發(fā)生顯著變化， 外形尺寸固定， 強(qiáng)度提高， 最終獲得某種特定使用性能陶瓷制 品的過程。坯體在燒成過程中的物理化學(xué)反應(yīng)，如表 1 所示：溫度范圍物化反應(yīng)低溫階段（常溫 300）排除殘余水分氧化分解階段（ 300950）排除結(jié)構(gòu)水、有機(jī)物，碳和無機(jī)物氧化，碳酸鹽、硫酸鹽分解，晶型轉(zhuǎn)變高溫階段（ 950燒成溫度）上述氧化、分解繼續(xù)，生產(chǎn)液相。固相溶解，形成新 晶相和晶體長大，釉熔融。釉熔融冷卻階段（燒成溫度 室溫）液相析晶，液相過冷凝固，晶型轉(zhuǎn)變。二 燒成工藝制度燒成制度包括溫度制度、 氣氛制度

2、和壓力制度。 影響產(chǎn)品性能的重要因素是 溫度和氣氛， 壓力制度旨在溫度和氣氛制度的實(shí)現(xiàn)。 溫度制度包括升溫速度、 燒 成時間和保溫時間，冷卻速度等參數(shù)。2.1 燒成溫度曲線的制定 燒成溫度曲線表示由室溫加熱到燒成溫度， 再由燒成溫度冷卻至室溫的燒成 過程全部的溫度時間變化情況。燒成溫度曲線的性質(zhì)取決于下列因素： 燒成時坯體中的反應(yīng)速度。 坯體的組成、 原料性質(zhì)以及高溫中發(fā)生的化學(xué) 變化均影響反應(yīng)的速度。坯體的厚度、大小及坯體的熱傳導(dǎo)能力。 窯爐的結(jié)構(gòu)、形式和熱容，以及窯具的性質(zhì)和裝窯密度。2.1.1 升溫速度的確定低溫階段： 升溫速度主要取決于坯體入窯時的水分。 氧化分解階段： 升溫速 度主要

3、取決于原料的純度和坯件的厚度， 此外，也與氣體介質(zhì)的流速和火焰性質(zhì) 有關(guān)。高溫階段： 升溫速度主要取決于窯的結(jié)構(gòu)、 裝窯密度以及坯件收縮變化的 程度。2.1.2 燒成溫度及保溫時間的確定 燒成溫度必須在坯體的燒結(jié)范圍之內(nèi)，而燒結(jié)范圍必須控制在線收縮（體積收縮 ）達(dá)到最大而顯氣孔率接近于零（細(xì)瓷吸水率 <0.5%）的一段溫度范圍。最適 宜的燒成溫度或止火溫度可根據(jù)坯料的加熱收縮曲線和顯氣孔率變化曲線來確 定。保溫時間的確定原則是保證所需液相量平穩(wěn)地增加，不致使坯體變形。2.1.3 冷卻速度的確定 冷卻速度的確定主要取決于坯體厚度以及坯內(nèi)液相的凝固速度。2.2 氣氛制度氣體介質(zhì)對含有較多鐵的

4、氧化物、 硫化物、硫酸鹽以及有機(jī)雜質(zhì)等陶瓷坯料 影響很大。同一坯體在不同氣體介質(zhì)中加熱，其燒結(jié)溫度、最終燒成收縮、過燒 膨脹以及收縮速率、 氣孔率均不同， 故要根據(jù)坯料化學(xué)礦物組成， 以及燒成過程 各階段的物理化學(xué)變化規(guī)律，恰當(dāng)選擇氣體介質(zhì)（氣氛） 。2.3 壓力制度 窯內(nèi)合理的壓力制度是實(shí)現(xiàn)溫度制度和氣氛制度的保證。為保持合理的壓 力制度， 可采取調(diào)節(jié)總煙道閘板和排煙孔小閘板來控制抽力； 控制好氧化幕、 急 冷氣幕以及抽余熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓， 并適當(dāng)控制燒嘴油量， 調(diào)節(jié)車下風(fēng)壓和風(fēng) 量等辦法。三 陶瓷燒結(jié)方法3.1 常壓燒結(jié)常壓燒結(jié)又稱為普通燒結(jié)， 指燒結(jié)過程中無外加壓力， 只在常壓下即自然

5、大 氣條件下，置于可加熱的窯爐中， 在熱能作用下， 坯體由粉末聚集體變成晶粒結(jié) 合體，多孔體變成致密體。它是燒結(jié)工藝中最傳統(tǒng)、最簡便、最廣泛使用的一種 方法。3.2 熱壓燒結(jié)熱壓是加壓成型和加熱燒結(jié)同時進(jìn)行的工藝。熱壓的優(yōu)點(diǎn)有：（1）熱壓時，由于粉體處于熱塑性狀態(tài)， 形變阻力小， 易于塑性流動和致密化， 因此成型壓力僅為冷壓法的 1/10；（2）由于同時加溫加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴(kuò)散、流動等傳質(zhì)過程，降 低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間，因而抑制晶粒的長大；（3）熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體，容易得到細(xì)晶 粒的組織，容易實(shí)現(xiàn)晶粒的取向效應(yīng)和控制含有高蒸汽壓成分的系統(tǒng)的組成變

6、 化，因而容易得到具有良好機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品；（4）能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品。熱壓法的缺點(diǎn)：生產(chǎn)率低、成本高。3.3 熱等靜壓（ HIP ） 熱等靜壓的熱力傳遞介質(zhì)為惰性氣體，熱等靜壓工藝是將粉末壓坯或裝入包 套的粉料放入高壓容器中， 使粉料經(jīng)高溫和均衡壓力的作用下， 被燒結(jié)成致密體。 圖 1 為熱等靜壓裝置圖。圖1 熱等靜壓裝置圖1壓力容器； 2氣體介質(zhì)； 3壓坯； 4包套； 5加熱爐 熱等靜壓強(qiáng)化了壓制和燒結(jié)過程， 降低燒結(jié)溫度， 消除空隙，避免晶粒長大， 可獲得高的密度和強(qiáng)度。同熱壓法相比，熱等靜壓溫度低，制品密度提高。3.4 反應(yīng)熱壓燒結(jié)反應(yīng)熱壓燒結(jié)是指在燒結(jié)傳質(zhì)過程中

7、， 除利用表面自由能下降和機(jī)械作用力 推動外，再加上一種化學(xué)反應(yīng)能作為推動力或激活能， 以降低燒結(jié)溫度， 亦即降 低了燒結(jié)難度以獲得致密陶瓷體。3.5 反應(yīng)燒結(jié)（反應(yīng)成型）反應(yīng)燒結(jié)（反應(yīng)成型） 是通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 使坯體 質(zhì)量增加， 孔隙減小，并燒結(jié)成為具有一定強(qiáng)度和尺寸精度的成品的工藝。 同其 它燒結(jié)工藝相比，反應(yīng)燒結(jié)有如下幾個特點(diǎn)：（1）反應(yīng)燒結(jié)時，質(zhì)量增加；其它燒結(jié)過程也可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但質(zhì)量不增 加；（2）燒結(jié)坯件不收縮，尺寸不變，因此可制造尺寸精確的制品；（3）普通燒結(jié)，物質(zhì)遷移發(fā)生在顆粒之間，在顆粒尺度范圍內(nèi)。而反應(yīng)燒結(jié)的 物質(zhì)遷移過程發(fā)生在長距離范圍內(nèi)，反

8、應(yīng)速度取決于傳質(zhì)和傳熱過程；（4）液相反應(yīng)燒結(jié)工藝，在形式上同粉末冶金中的熔浸法類似，但是熔浸法中 的液相和固相不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不發(fā)生相互溶解，或只允許有輕微的溶解度。通過氣相的反應(yīng)燒結(jié)陶瓷有反應(yīng)燒結(jié)氮化硅 （RBSN）和氮氧化硅（ Si2ON2）。 通過液相的反應(yīng)燒結(jié)陶瓷有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅。圖 2 為碳化硅反應(yīng)燒結(jié)爐示意圖。圖 2 碳化硅反應(yīng)燒結(jié)爐示意圖1石英窗口； 2碳化硅坯件； 3石墨屏； 4氧化硅鋁； 5冷卻水； 6支座； 7接泵； 8冷卻水泵； 9 石墨坩堝； 10感應(yīng)線圈； 11密封圈3.6 氣氛燒結(jié) 對于空氣中很難燒結(jié)的制品（如透光體或非氧化物） ，為防止其氧化等，在 爐膛內(nèi)通入

9、一定的氣體， 形成所要求的氣氛， 在此氣氛下燒結(jié)。 氣氛燒結(jié)主要有 三種形式：制備透光性陶瓷的氣氛燒結(jié)（ Al 2O3、MgO 、Y 2O3、BeO 等透光體）、 防止氧化的氣氛燒結(jié)（ Si3N4、 SiC 陶瓷）、引入氣氛片的燒結(jié)（鋯鈦酸鉛等壓電 陶瓷）。3.7 電火花燒結(jié) 電火花燒結(jié)也稱為電活化壓力燒結(jié)， 它是利用粉末間火花放電產(chǎn)生高溫和同 時施加壓力的燒結(jié)方法。 電火花燒結(jié)經(jīng)歷放電活化和熱塑形變致密化兩階段， 燒 結(jié)時間短，燒結(jié)所用壓力比普通熱壓低，廣泛用于鈹、硬質(zhì)合金、氮化物、金剛 石制品的生產(chǎn)。3.8 放電等離子燒結(jié)放電等離子燒結(jié)( SPS)技術(shù)利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的

10、瞬 時高溫場來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、晶粒均勻、有利于控 制燒結(jié)體的細(xì)微結(jié)構(gòu)、獲得材料致密度高、性能好等優(yōu)點(diǎn)。四 影響燒結(jié)的因素4.1 原始粉料的粒度 細(xì)顆?？梢栽黾訜Y(jié)的推動力， 縮短原子擴(kuò)散距離和提高顆粒在液相中的溶 解度而導(dǎo)致燒結(jié)過程的加速。4.2 添加劑的作用4.2.1 外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體 外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體， 使主晶相晶格畸變， 缺陷增加， 便于結(jié)構(gòu)基 元移動而促進(jìn)燒結(jié)。4.2.2 外加劑與燒結(jié)主體形成液相 由于液相中擴(kuò)散傳質(zhì)阻力小、流動傳質(zhì)速度快兒降低了燒結(jié)溫度和提高坯 體的密度。4.2.3 外加劑與燒結(jié)主體形成化合物在燒結(jié)透明的 Al 2O3制品

11、時，為抑制二次再結(jié)晶，消除晶界上的氣孔，一般 加入 MgO 或 MgF2，高溫下形成鎂鋁尖晶石( MgAl 2O4)而包裹在 Al 2O3晶粒表 面，抑制晶界移動速率，充分排除晶界上的氣孔，促進(jìn)坯體燒結(jié)致密化。4.2.4 擴(kuò)大燒結(jié)范圍4.3 燒結(jié)溫度和保溫時間4.4 鹽類的選擇及其煅燒條件4.5 氣氛的影響4.6 成型壓力的影響五 陶瓷燒成設(shè)備窯爐5.1 隧道窯 隧道窯是陶瓷生產(chǎn)中使用最普遍的窯型，其基本特征是窯體外形像一條隧 道，其特點(diǎn)是連續(xù)性生產(chǎn)，產(chǎn)量高。一般隧道窯的工作系統(tǒng)包括排煙系統(tǒng)、冷卻 系統(tǒng)、助燃系統(tǒng)、氣幕隔離系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)等。隧道窯包括四個部分：窯體、窯 內(nèi)輸送設(shè)備、燃燒設(shè)備和通

12、風(fēng)設(shè)備。圖 3 隧道窯內(nèi)部示意圖5.2 輥道窯輥道窯也稱為輥底式隧道窯或輥底窯。 它是利用一系列的輥?zhàn)幼鳛橹破返妮?送工具。輥道窯的特點(diǎn)：加熱溫度均勻，且窯內(nèi)斷面溫差小，有利于實(shí)現(xiàn)自動化 和機(jī)械化，降低能耗，便于維護(hù)和檢修。圖 4 輥道窯外部示意圖5.3 梭式窯梭式窯是一種窯車式的倒焰窯； 燒嘴安放在兩側(cè)窯墻上， 并視窯的高矮設(shè)置 一層或數(shù)層燒嘴； 窯底用耐火材料砌筑在窯車鋼架結(jié)構(gòu)上； 窯底吸火孔、 支煙道 設(shè)于窯車上， 并使窯墻下部的煙道和窯車上的支煙道相連接。 利用卷揚(yáng)機(jī)或其它 牽引機(jī)械設(shè)備； 使裝載制品的窯車在窯室底部軌道上移動， 為充分利用梭式窯的 生產(chǎn)能力， 通常配備窯內(nèi)可容納 2倍，甚至3倍以上數(shù)量的窯車； 窯車之間以及窯 車與窯墻之間設(shè)有曲封和砂封。圖 5為梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖。圖51 窯室； 2 窯墻； 3 窯頂； 4 燒嘴； 5 升降窯門；6 支煙道； 7 窯車； 8 軌道六 蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷的制備工藝流程為：主原