釉面磚的熱穩定性:坯釉膨脹係數匹配還不夠,至少從3方面考慮

2020-12-03 陶瓷技術

如果是製作藝術瓷,冰裂釉自然是陶瓷技術與藝術結合的瑰寶,然而建築衛生陶瓷一旦發生龜裂,意味著嚴重的質量問題。

龜裂現象的本質是陶瓷坯釉的熱穩定性問題,有相當成熟的理論依據,國家標準也規定了嚴格的熱穩定性檢測方法。這一切都是為了預防熱穩定性不過關的產品流向市場,損害用戶利益。

一般認為陶瓷發生龜裂是由於坯釉熱膨脹係數的差值導致的,但具體到瓷磚這一具體陶瓷品類,單純坯釉膨脹係數匹配並不能完全解決龜裂問題,否則就不會出現磚形良好,但熱穩定性依然過不了的問題。

理論上,龜裂分為出窯龜裂和後期龜裂兩種情形,今天只分析後期龜裂現象。因為,在陶瓷工藝相對成熟的今天,熱穩定性測試主要是針對後期龜裂的預防,正規廠家產品出窯即龜裂的可能幾乎沒有,極端情況以後再討論。

後期龜裂的成因機理相當複雜,在生產實際中為了解決問題至少可以從以下3個方面的考慮,供大家參考。

坯釉應力——熱膨脹係數匹配

這是工藝員要考慮的首選方案,也是陶瓷工藝教材的標配答案。現代瓷磚生產採用輥道窯低溫快速燒成,冷卻帶的急冷環節起到淬火作用,對於釉面光澤及成品強度產生了積極影響,但由於坯釉熱膨脹係數不同,也造成坯釉間產生應力。

釉承受壓應力的能力要遠高於承受張應力,因此在後期應力釋放、吸潮膨脹的諸多因素不可控的情形下,生產中控制足夠且適當的壓應力,更容易保證釉面安全。

要實現釉面承受壓應力,工藝上採取控制釉的熱膨脹係數略小於坯的膨脹係數的方式,具體差值有陶瓷前輩測試總結,坯釉熱膨脹係數差(1-4)×10-6℃-1之間較為合適。直觀表現為磚形有一定的下彎度(微拱),這與國標中對於釉面磚(非拋光磚)平整度的要求是一致的。

對於坯釉膨脹係數的調整,根據不同的配方體系及陶瓷原料,具體操作方法各異,但基本方法是Si/Al(矽鋁比)的調節。當然,調整中一旦配方構架改變會對強度等其他重要工藝指標產生連鎖反應,需要採用同類替換等方法進行補償,否則會顧此失彼。

現實中常常會遇到磚形良好,甚至坯釉C.O.E(熱膨脹係數)測試值匹配也沒有問題,但熱穩定性測試卻過不了。這是因為,後期龜裂還受其他因素影響。

吸溼膨脹

陶質釉面磚的後期龜裂問題要更突出一些,固然有陶質磚多採用二次燒成工藝的緣故,但吸溼膨脹也是主要原因之一。

釉層吸水率為0,陶質磚的坯體則吸水率極大。不論是在做急冷急熱測試,還是在後期鋪貼中,都會發生坯體吸水情形。並且有吸水,乾燥,再吸水的反覆情形,更加劇了發生龜裂的可能。

質量合格的陶質釉面磚有一定的下彎度,坯吸水後膨脹,磚形變直,這個過程中釉面承受的壓應力是增強的,不易發生龜裂。當磚形完全變直以後,如果吸溼膨脹還在繼續,應力可能向張應力逆轉,就會非常危險。

針對以上過程,解決方案可以從3個方面考慮:

1. 保持足夠的下彎度。即通過調整坯釉膨脹係數,對釉提供足夠的壓應力,使吸溼膨脹最多只能使下彎度接近0,但不出現反翹情形,應力性質不至於達到逆轉的地步。

2. 控制吸水率。一般來說,陶質釉面磚吸水率極限為21%,實際生產中應當嚴格控制在18%以內,如果能在14%以內,熱穩定性更容易過關。二次燒炻質磚吸水率8%以內,熱穩定性一般不會出問題。

3. 加強坯釉結合強度。一方面,調整底釉的耐火度;另一方面,通過改善坯釉的化學成分,提高釉層的彈性。遇緊急情況,可調整釉層厚度作為權宜之計。

坯釉熱膨脹係數的匹配及吸溼膨脹對於瓷質磚的後期龜裂問題卻很難解釋,但瓷質磚(甚至雙0吸水率磚)的熱穩定性問題也是存在的。這要從坯釉的化學成分及結構方面考慮。

坯釉化學成分的影響

相對於前兩方面的因素,在成因機理方面沒有那麼直觀,涉及化學成分特別是晶型結構的問題。從晶體礦物學及矽物化原理來講,晶體結構在不同軸向的熱膨脹係數並不相同,甚至相差懸殊,比如NaAlSi3O8(鈉長石)的熱膨脹係數,在垂直於c軸方向為4×10-6℃-1,在平等於c軸方向則為13×10-6℃-1。從微觀上講,熱穩定性與原子的熱振幅有關。

從工藝層面來說,配方引入膨脹係數小的原料,成品不一定膨脹係數小;即使成品膨脹係數變小了,熱穩定性也不一定就更容易過。例如,鋰瓷石(鋰長石)助熔效果好且膨脹係數小,但過多加入底釉,非常容易產生龜裂。坯體中大量引入鉀長石,配方的Si/Al(矽鋁比)變化並不大,但過多鹼金屬元素卻容易導致熱穩定性的問題。

一旦發生熱穩定不好,但坯釉膨脹係數沒有明顯不匹配,吸水率也在控制範圍內,從理論層面不好解釋的情形,可以考慮通過引入新材料、同類替換等方法打破現有結構,或許會有轉機。

結語

鑑於陶瓷熱穩定性的問題是一個老話題,也是一個很大的話題,本文只是根據體驗給出一些建議,並非系統性論述。希望對於大家有所幫助。

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