CN1050347C

CN1050347C - 高韧性强化瓷及生产方法

Info

Publication number: CN1050347C
Application number: CN94110907A
Authority: CN
Inventors: 胡勇波; 邱林; 卢亚非; 陈镇坑; 黄锦梅; 黄秋楷; 陈潮光
Original assignee: YUYU CERAMIC FACTORY FENGXI CHAOAN COUNTY
Current assignee: YUYU CERAMIC FACTORY FENGXI CHAOAN COUNTY
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: CN1109454A

Abstract

本发明属于陶瓷技术领域，是关于一种高韧性强化瓷及生产方法。该瓷的瓷坯的化学成份含有SiO₂38-50%、Al₂O₃30-52%、K₂O2.5-4.0%、ZrO₂5-15%、CaO0.5-1.5%、MgO0.4-0.8%、Li₂O0.2-1%(重量百分比)，瓷胎中晶相量大于45%，其晶相为刚玉、莫来石、ZrO₂晶粒，刚玉和莫来石晶相量的比例为(3-1)∶(1-3)，刚玉晶相量不超过瓷胎的35%，莫来石晶相量不少于10%，ZrO₂晶相量1-9%，刚玉晶粒尺寸1-2μm，ZrO₂晶粒1-2μm，莫来石不大于30μm。本发明利用ZrO₂相变增韧的原理，提高了瓷质的机械强度，抗折强度≥2000kg/cm²、抗冲击韧性≥5kgf-cm/cm²。

Description

高韧性强化瓷及生产方法

本发明属于陶瓷技术领域，涉及一种高韧性强化瓷及生产方法。

陶瓷是一种典型的脆性材料，由于陶瓷内部结构的复杂性和不均匀性，使陶瓷缺乏像金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中，除增加新的断裂表面能外，几乎无其它可吸收能量的机能。长期以来人们一直在采用各种方法和途径以改善陶瓷的脆性，通过提高强度来改善韧性，但效果不明显。近年来，有采用ZrO₂相变增韧原理来提高陶瓷的韧性，但由于ZrO₂相变增韧是通过四方相ZrO₂(t-ZrO₂)转变为单斜相ZrO₂(m-ZrO₂)的过程来实现的，而从工艺考虑如何增加有贡献的t-ZrO₂含量，以达到相变增韧，到目前为止还尚未解决，因此用ZrO₂来增韧陶瓷的生产难以实现(《新型陶瓷》一书P68-72)。

本发明的目的是要提供一种以ZrO₂作为增韧剂的高韧性强化瓷及其生产方法，使得这种高韧性强化瓷能够用传统日用瓷的生产工艺流程、设备、设施来进行生产，能适应于机械洗涤而不易损坏的要求和用于微波炉、电烤炉、低温冷冻(电冰箱中)而不易开裂。

实现本发明目的的技术方案是：该高韧性强化瓷瓷坯的化学成份含有SiO₂ 38-50％、Al₂O₃ 30-52％、K₂O 2.5-4.0％、ZrO₂ 5-15％、CaO 0.5-1.5％、MgO 0.4-0.8％、Li₂O 0.2-1％(重量)，瓷胎中晶相量大于45％(一般在50-60％为宜)，其晶相为刚玉、莫来石、ZrO₂晶粒，刚玉和莫来石晶相量的比例为(3-1)∶(1-3)，刚玉晶相量不超过瓷胎的35％，莫来石晶相量不少于10％，ZrO₂晶相量1-9％，(重量)，刚玉晶粒尺寸1-2μm，ZrO₂晶粒1-2μm，莫来石为针状，长不大于30μm。莫来石晶和刚玉为主晶相，ZrO₂为次晶相，针状的莫来石晶交织成网状，成为瓷质的晶体骨架，刚玉和ZrO₂晶粒均匀分布于瓷胎中。由于在不同温度下，ZrO₂以三种同质异形体存在，即立方晶系、四方晶系、单斜晶系，单斜晶系与四方晶系的转化伴随有7％左右的体积变化，加热时由单斜-ZrO₂(m-ZrO₂)转变为四方-ZrO₂(t-ZrO₂)，体积收缩，冷却时由t-ZrO₂转变为m-ZrO₂体积膨胀。但这种收缩与膨胀并不发生在同一温度，前者约在1200℃，后者约在1000℃。因此为了得到ZrO₂相变增韧，本发明的化学成分的最低共熔点要高于1000℃，烧成温度在1200℃以上，这样能保证ZrO₂都转变为四方相(t-ZrO₂)，烧成后当温度降至1000℃时，瓷胎中的玻璃相已经凝固，t-ZrO₂晶粒呈弥散状分布于瓷胎中，由于两者具有不同的热膨胀系数，t-ZrO₂晶粒周围则有不同的受力情况，当它受到基体的压抑，ZrO₂的相转变也将受到压制。这样就能使t-ZrO₂保留在室温以下。另外，ZrO₂晶粒要尽可能小，ZrO₂粒子愈小，小颗粒的t-ZrO₂向m-ZrO₂转换的温度较低有利于相变增韧，因此，要使ZrO₂晶粒呈弥散状分布于瓷胎中。瓷坯化学成分中，控制Fe₂O₃≤0.3％、Na₂O＜0.5％。

本发明中与瓷坯相匹配的瓷釉的基本化学成分为：SiO₂ 70-74％、Al₂O₃ 14-15、CaO 0.5-1.5％、MgO 3.5-4.5％、Fe₂O₃≤0.1％、Li₂O 0.2-1％ K₂O 4.0-8.8％、ZrO₂0.2-0.6％(重量)。

本发明高韧性强化瓷的生产方法为：生产过程需经过原料加工、配料、球磨、抽浆、过筛、吸铁、压滤、陈腐、练泥、坯体成型、坯体干燥、施釉、烧成等，本发明的特征在于：

1、坯料原料配方基本组成为：高岭土40-60％、钾长石10-25％、煅烧物20-40％，锂辉石2-10％(重量)，配方中的煅烧物是由10-25％的锆英石、75-89％的工业氧化铝、1-5％的白云石三种原料的粉料混合均匀在1400-1450℃下煅烧后的物料。

2、釉料原料配方基本组成为：粘土8-16％(其中镁质粘土占釉料原料配方的2-4％)、钾长石30-50％、锂辉石2-8％、滑石8-12％、石英20-25％、本坯废瓷片8-15％(重量)。

3、坯料制备时，是先将煅烧物按配方先称重球磨，达到万孔筛余率≤0.1％后，再按配方称重加入高岭土、钾长石、锂辉石球磨达到万孔筛余率≤0.2％。

4、烧成温度1300-1350℃。

以上所述的煅烧物是将500-1000目的锆英石与过250目筛的工业氧化铝粉、白云石粉按上面规定的配比混合均匀后，在1400-1450℃温度下煅烧获得的物料。在煅烧过程中，利用过量的Al₂O₃与锆英石(ZrSiO₄)在1400-1450℃温度反应，白云石作为矿化剂和稳定剂，生成氧化锆(ZrO₂)、莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)和α-Al₂O₃刚玉三种晶相。将所得的煅烧物与熔剂物(钾长石、锂辉石)、高岭土按规定的比例配好，经过球磨等步骤后，将坯体烧成时，由于高岭土在1200-1300℃生成莫来石和SiO₂，使瓷坯中的莫来石晶相呈进一步增加，而刚玉、氧化锆晶相量相对稳定。由于坯体的矿物配方中引入锂辉石、钾长石，使坯体在烧成时，在1200℃左右产生液相(最低共熔点温度)，尤其是锂辉石具有强助熔剂作用，在烧成温度1300-1350℃时，使得总液相量在50％左右，促进该组成决定的晶相≥45％量的坯体体烧结，同时，锂辉石与坯体中高岭土分解出的SiO₂反应生成β-锂辉石固熔体(Li₂OAl₂O₃·8SiO₂)，这样可大大消除粗颗粒石英或方石英带来对机械强度的降低，同时也是控制坯体热膨胀各相之间的热膨胀能差过大，起到缓和作用，有利提高瓷质的热稳定性。另外，坯体在烧成过程中，有少量的二氧化硅又会和ZrO₂起反应生成锆英石，而锆英石熔化在玻璃相中相对提高了玻璃相的粘度，有利瓷的烧成温度的加宽，同时粘度的增加抑制了莫来石晶须的长粗，使得莫来石晶体保持为针状交织连网结构，瓷质的晶体骨架基分布均质化，大大提高了强度。由于坯体中最低共熔点温度为1200℃左右，这样烧成后瓷胎中的弥散状分布的四方相ZrO₂(t-ZrO₂)在冷却过程中，在1000℃时，因受到基体的压仰作用，不能转化为单斜相ZrO₂(m-ZrO₂)，这样，冷却到室温，瓷胎中的ZrO₂晶相基本上都是t-ZrO₂，具有很好的相变增韧作用。用本发明制造的瓷，机械强度大大提高，抗折强度≥2000Kg/cm²、抗冲击韧性≥5Kgf-cm/cm²。下面是本发明的不限定实施例。

实施例：高韧性强化瓷餐具的生产

1、确定坯料配方(按重量比)：

高岭土50％、钾长石15％、煅烧物30％、锂辉石5％，煅烧物的原料配比为：锆英石17％、工业氧化铝80％、白云石3％。选择原料时，引入瓷坯的化学成份中，控制Fe₂O₃≤0.3％、Na₂O＜0.5％

2、釉料原料配方(按重量比)：

高岭土10％、镁质粘土3％、钾长石42％、锂辉石5％、滑石10％、石英20％、本坯废瓷片10％。

3、原料加工：将煅烧物的原料粉料按配比混合均匀在1400-1450℃下煅烧得到煅烧物，按坯料原料的配比，将煅烧物先球磨15小时后达到万孔筛余率≤0.1％后，再按配方加入高岭土、钾长石、锂辉石球磨5-10小时，达到万孔筛余率≤0.2％。

釉料：按常规方法制成釉浆。

4、成型：对盘、碟、杯、碗均用滚压成型。

5、素烧：成型后的坯体经过干燥处理后，进行素烧、采用氧化焰、温度控制在750℃左右。

6、施釉：施釉前可进行釉下装饰，然后施釉。

7、釉烧：在70M长的遂道窑中烧成，烧成温度1320℃，高火保温时间40分钟。

8、成品检验包装。

本发明利用ZrO₂的相变增韧原理，应用到传统的日用瓷生产工艺上，采用锆英石引入ZrO₂大大降低了生产成本，生产的瓷器具有高韧性即高的抗折强度和抗冲击强度。

Claims

1、一种抗折强度≥2000Kg/cm²、抗冲击韧性≥5Kgf-cm/cm²的高韧性强化瓷，其特征在于该瓷的瓷坯的化学成份含有SiO₂ 38-50％、Al₂O₃ 30-52％、K₂O 2.5-4.0％、ZrO₂ 5-15％、CaO 0.5-1.5％、MgO 0.4-0.8％、Li₂O 0.2-1％(重量)，瓷胎中晶相量大于45％，其晶相为刚玉、莫来石、ZrO₂晶粒，刚玉和莫来石晶相量的比例为(3-1)∶(1-3)，刚玉晶相量不超过瓷胎的35％，莫来石晶相量不少于10％，ZrO₂晶相量1-9％(重量)，刚玉晶粒尺寸1-2μm，ZrO₂晶粒1-2μm，莫来石为针状。长不大于30μm。

2、根据权利要求l所述的高韧性强化瓷，其特征在于与瓷坯相匹配的瓷釉的基本化学成分为：SiO₂ 70-74％、Al₂O₃ 14-15、CaO 0.5-1.5％、MgO 3.5-4.5％、Fe₂O₃≤0.1％、Li₂O 0.2-l％ K₂O 4.0-8.8％、ZrO₂ 0.2-0.6％(重量)。

3、根据权利要求1所述的高韧性强化瓷，其特征在于ZrO₂晶粒呈弥散状分布于瓷胎中。

4、根据权利要求1所述的高韧性强化瓷，其特征在于瓷坯化学成分中，控制Fe₂O₃≤0.3％、Na₂O(0.5％)。

5、一种高韧性强化瓷的生产方法，经过原料加工、配料、球磨、抽浆、过筛、吸铁、压滤、陈腐、练泥、坯体成型、坯体干燥、施釉、烧成。其特征在于：

(1)、坯料原料配方基本组成为：高岭土40-60％、钾长石10-25％、煅烧物20-40％、锂辉石2-10％(重量)，配方中的煅烧物是由10-25％的锆英石、75-89％的工业氧化铝、1-5％的白云石三种原料的粉料混合均匀在1400-1450℃下煅烧后的物料。

(2)、釉料原料配方基本组成为：粘土8-16％，其中镁质粘土占釉料原料配方的2-4％、钾长石30-50％、锂辉石2-8％、滑石8-12％、石英20-25％、本坯废瓷片8-15％(重量)。

(3)、坯料制备时，是先将煅烧物按配方先称重球磨，达到万孔筛余率≤0.1％后，再按配方称重加入高岭土、钾长石、锂辉石球磨达到万孔筛余率≤0.2％。

(4)、烧成温度1300-1350℃。

6、根据权利要求5所述的高韧性强化瓷的生产方法，其特征在于煅烧物是将500-1000目的锆英石与过250目筛的工业氧化铝粉、白云石粉按上面规定的配比混合均匀后，在1400-1450℃温度下煅烧获得的物料。