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1、第六章 烧成与窑具,6.1 烧成制度,烧成是对陶瓷、耐火材料生坯进行高温焙烧，使之发生质变成为陶瓷或耐火材料成品的过程。其间，坯体及釉料将发生一系列物理化学变化，从而最终形成一定的矿物组成和显微结构，并获得所要求的性能。,陶瓷制品的烧成方式通常有一次烧成和二次烧成两种情况。 一次烧成：工序较简单、生产周期短、能耗小；生坯活性大、易形成良好的坯釉中间层、烧后产品的坯釉结合牢固；但对生坯强度要求较高、烧成工艺控制难度较大。 二次烧成：工序较多、生产周期长、能耗高；坯体活性低、不易形成良好的坯釉中间层；但对烧成工艺控制难度小、釉面效果易保证、釉料损失少。,二次烧成又有两种情况：（1）高温素烧、低温釉
2、烧；（2）低温素烧、高温釉烧,6.1 烧成制度,为了保证既定的烧成过程的顺利进行，即为了实现上述目标，必须制定一整套合理的烧成制度。一套完整的烧成制度包括：温度制度、气氛制度、压力制度。, 各项烧成制度的内容：,6.1 烧成制度,油（气）烧隧道窑的压力制度曲线,6.1 烧成制度,一、烧成制度与产品性能的关系,在烧成制度中，温度制度和气氛制度对产品性能将产生直接的重要影响。而压力制度不对产品性能产生直接影响，其重要性在于确保窑炉实现既定的温度制度和气氛制度。也就是说，实现一个正确的温度制度和气氛制度的前提，是必须制定出一个合理的压力制度，并严格按照该压力制度维持窑炉的运行。,（一）烧成温度对产品
3、性能的影响,在各项烧成工艺参数中，温度无疑是影响坯釉在高温下的物理化学变化的最主要因素。,一、烧成制度与产品性能的关系,（一）烧成温度对产品性能的影响,烧成温度的高低直接影响着制品的矿物组成、晶粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形态等，从而综合地影响制品的性能。,例如，对于传统配方的陶瓷制品，如烧成温度低（生烧）气孔率高、密度低、莫来石量少、玻璃相量少、残余石英多。这时的制品其机电性能都差。如烧成温度过高（过烧） 玻璃相含量高、晶相减少、A3S2重结晶、晶粒尺寸分布范围变宽。这时又会导致制品的一些性能从最佳状态降低。,一、烧成制度与产品性能的关系,（一）烧成温度对产品性能的影响,
4、在不过烧的情况下，随着烧成温度的提高，制品的体积密度增大，吸水率和气孔率逐渐减小，则其机械强度将增大，釉面光泽度及显微硬度也会提高。, 烧成温度或烧成范围的确定，主要决定于配方组成、坯料的加工细度，以及产品的质量性能要求。同时还要考虑烧成时间的长短。,一、烧成制度与产品性能的关系,（一）烧成温度对产品性能的影响,过高的烧成温度对特种陶瓷制品来说也是有害的。会导致制品中的晶粒平均尺寸过大或少数晶粒猛增，甚至将一些气孔包裹进去，从而破坏显微组织结构的均匀性，使产品的机电性能变差。,一种压电陶瓷的烧成温度与组织结构之间的关系,一种 压电陶瓷的烧成温度与其压电性能组织结构之间的关系,体积密度,介电常数
5、,介电损耗,最佳烧成范围：12401260,一、烧成制度与产品性能的关系,（二）保温时间对产品性能的影响,在适宜的烧成温度下，适当保温有利于使坯釉的物理化学反应更趋完全，形成均匀的内部结构。但若保温时间过长，也会导致大量小晶粒溶解、晶粒平均尺寸增大、晶相总量减少。无论普通陶瓷还是特种陶瓷都是如此。,一、烧成制度与产品性能的关系,（二）保温时间对产品性能的影响,一、烧成制度与产品性能的关系,（二）保温时间对产品性能的影响,保温时间和保温温度的控制对希望釉面析晶的产品尤其重要。它们直接关系着釉中晶体的形成数量，以及晶体的大小和形貌。,一、烧成制度与产品性能的关系,（二）保温时间对产品性能的影响,
6、总之，在实际生产中，适当地降低烧成温度，而通过保温一定时间来完成烧结过程，常能保证产品质量和降低烧成废品率。生产实践证明，对于同一种陶瓷或耐火材料制品，在稍高的烧成温度下、适当缩短保温时间，或者在稍低的烧成温度下、适当延长保温时间，都能得到质量合格的产品。,一、烧成制度与产品性能的关系,（三）升、降温速度对产品性能的影响,升温速度的快慢对制品烧成过程中所产生的体积收缩、残存的气孔率有明显影响，从而影响制品的机械性能和光学性能。,一、烧成制度与产品性能的关系,（三）升、降温速度对产品性能的影响,如果保温时间相同，普陶制品的坯体在快速升温的情况下，产生的体积收缩要比慢速升温的情况小，因而通常残存的
7、气孔率要大，则强度较小，透光率也低。,一、烧成制度与产品性能的关系,（三）升、降温速度对产品性能的影响,冷却速度的快慢对制品结构中的晶粒大小、体积收缩有明显影响，从而影响制品的性能。对于某些特种陶瓷制品，也包括含玻璃相多的普陶制品高温段的冷却，急冷可以防止粗晶的形成，因此可显著改善其机电性能。,一、烧成制度与产品性能的关系,（三）升、降温速度对产品性能的影响, 普通陶瓷烧成后，缓冷可导致较大的体积收缩、较小的气孔率。生产实践证明，对于含玻璃相多的致密烧结坯体，应采取高温快冷、低温缓冷的冷却制度。高温快冷不但可以防止粗晶形成，还可防止低价铁的重新氧化及釉面析晶，提高釉面光泽度。但是，对于膨胀系数
8、大、或含有大量SiO2 、ZrO2的坯体，由于晶型转变伴随较大的体积效应，故在转变温度附近冷却速度也不能太快。此外，对于厚且大的坯件，也要注意适当缓冷，否则会因内外温差太大，造成太大的内应力而引起开裂。,一、烧成制度与产品性能的关系,（四）烧成气氛对产品性能的影响,烧成气氛对坯釉中有关组分在高温下的反应温度及反应速度、体积效应均有影响，从而将直接影响着制品的矿物组成、晶粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形态等，并进而严重影响产品的质量性能。,通常，还原气氛都能在一定程度上降低化学反应的开始温度，例如：,一、烧成制度与产品性能的关系,（四）烧成气氛对产品性能的影响,普通陶瓷制品的烧
9、成气氛只有两种情况：氧化气氛或还原气氛。而 特种陶瓷制品的烧成气氛除此两种外，可能还有其他特殊气氛的情况，如N2气烧结、Ar气烧结等情况。,就普通陶瓷烧成情况而言，所谓“气氛”，系指窑内气体（或烟气）的性质，它是由燃料呈现不同的燃烧状态形成的：, 氧化气氛窑内烟气中存在游离氧（空气过剩系数1），这种烟气具有将坯体中某些组份（如C素）氧化的能力。, 还原气氛窑内烟气中存在CO（空气过剩系数1），这种烟气具有将坯体中某些组份（如高价Fe）还原的能力。, 中性气氛窑内烟气中既无游离氧存在，也无CO存在（空气过剩系数1）。,1. 关于气氛的有关概念,一、烧成制度与产品性能的关系,（四）烧成气氛对产品性
10、能的影响,1. 关于气氛的有关概念,非中性气氛还存在一个 “浓度”的问题，即根据窑内烟气中的游离氧或CO浓度的大小，氧化气氛和还原气氛有强弱之分：,（四）烧成气氛对产品性能的影响,1. 关于气氛的有关概念,氧化气氛烧成时，坯体始终处于氧化气氛中加热升温。而还原气氛烧成并非是坯体始终处于还原气氛中加热升温它只是在高温阶段的某一温度范围内处于还原气氛中加热焙烧，其他升温阶段仍是氧化气氛：,普通陶瓷制品的烧成只有两种情况：氧化气氛烧成或还原气氛烧成。,T1氧化气氛转还原气氛温度，简称“气氛转化温度”。,T2强还原气氛转弱还原气氛温度。,一、烧成制度与产品性能的关系,（四）烧成气氛对产品性能的影响,一
11、般来讲，对含铁量高、有机物含量少、吸附性弱的坯体应采取还原气氛烧成。反之宜在氧化气氛中烧成。,另外，采取还原气氛烧成时，在制品进入还原气氛烧成之前，往往要进行一段时间的氧化保温焙烧，即：使制品在9501050附近，于强氧化气氛下保温一定时间。其作用是使坯体的氧化分解反应在釉层玻化之前能充分反应完全，沉碳得以烧尽，为烧还原气氛做好准备。,（四）烧成气氛对产品性能的影响,1. 普通陶瓷的烧成情况,（1）气氛对烧结温度的影响,烧成气氛对普通陶瓷的烧结温度、最大烧结线收缩等均有明显影响。,日用瓷坯在不同烧成气氛下的烧结温度变化的比较,A系列：瓷石质坯体，含铁较多。,B系列：长石质坯体,（四）烧成气氛对
12、产品性能的影响,1. 普通陶瓷的烧成情况,（2）气氛对最大烧结线收缩的影响,烧成气氛对普通陶瓷的烧结温度、最大烧结线收缩等均有明显影响。,日用瓷坯在不同烧成气氛下的最大烧结线收缩变化的比较,（四）烧成气氛对产品性能的影响,1. 普通陶瓷的烧成情况,（3）气氛对坯体过烧膨胀的影响,（四）烧成气氛对产品性能的影响,1. 普通陶瓷的烧成情况,（4）气氛对坯体线收缩速率的影响,日用瓷坯在不同烧成气氛下的最大线收缩速率的比较,（四）烧成气氛对产品性能的影响,（5）气氛对制品颜色、透光性及釉面质量的影响,a) 影响铁、钛离子的价数,氧化焰烧成时，铁离子以Fe3+ 存在，Fe2O3 在碱含量低的玻璃相中溶解
13、度很低，冷却时从中析出胶态的Fe2O3 使坯体泛黄。 Fe2O3 含量高时则使坯体呈红色。还原焰烧成时， Fe2O3变为 FeO，溶解在玻璃相中而使坯体呈淡青色。此外，FeO还易与SiO2 形成低共熔物，降低液相粘度，促使坯体更加致密化，从而提高坯胎的透光性。,另外，Fe2O3 含量较高时，若采取氧化焰烧成，不但会使坯体泛黄，还易导致釉面气泡或针孔：,对于含 TiO2量较高的坯体，应采取氧化焰烧成。否则，部分TiO2会变成蓝到紫色的 Ti2O3，有时还会形成黑色的FeO Ti2O3尖晶石及其他铁钛混合晶体，并加深呈色。,（四）烧成气氛对产品性能的影响,1. 普通陶瓷的烧成情况,（5）气氛对制品
14、颜色、透光性及釉面质量的影响,b) 使SiO2 和 CO 还原,在一定温度下，还原气氛可使SiO2还原为SiO，使CO还原为C：,SiO2 + CO SiO + CO2,2CO CO2 + C,2SiO SiO2 + Si,在更低的温度下，SiO也会分解：,Si 和 C 的产生都会造成制品表面呈现黑斑。若继续升高温度，沉积于坯釉中的 C 有可能再被氧化成 CO2，就可能造成釉泡和针孔。 若坯体吸附性强（强塑性粘土含量大时），更易造成这种现象。,（四）烧成气氛对产品性能的影响,2. 特种陶瓷的烧成情况,还原气氛对氧化物陶瓷的烧结有明显的促进作用，如图所示：,1：C+H2 2：H2 3：Ar 4：
15、air 5：水蒸气,（四）烧成气氛对产品性能的影响,2. 特种陶瓷的烧成情况,对于一些半导体陶瓷（如BaTiO3 陶瓷 ），在还原性、中性和惰性气氛中烧成时，都要比在氧化气氛中烧成更有利于其半导体化，即更利于其室温电阻的降低。对于施主掺杂的高纯 BaTiO3 陶瓷而言，在缺氧气氛中烧成时，不仅可以使陶瓷材料半导体化，而且可以有效的扩大促使材料半导体画的施主添加剂的掺杂浓度范围：,二、烧成制度的制定依据,（一） 坯釉在加热过程中的物理化学变化,通过分析坯体组分在加热过程中的物理化学变化，可初步得出坯体 在各温区所允许的最大升降温速度。例如：,1. 根据坯体的组成，由相关相图分析可知其大致的烧结温
16、度范围。,一般长石质瓷（包括日用瓷、卫生瓷和电瓷）都是用长石、石英、粘土(高岭土)为原料配制成型，经高温煅烧而成，属于K2OAl2O3SiO2三元系统配料。为了使产品具有足够的机械强度和良好的热稳定性以及一定的半透明度，要求瓷坯中具有一定数量的莫来石和足够的玻璃相。,因此，长石质瓷的配料范围为：,SiO2：6575%；Al2O3：1925；（R2ORO）= 46.5，其中R2O2.5% 。,长石质瓷坯体中的液相量随温度升高增加较慢，且其熔体粘度较大、随温度升高降低较慢，故长石质瓷具有较宽的烧成温度范围（大致在 5080之间）。烧成温度 一般在12501350，低者可降到1200 左右。,又如 MgOAl2O3SiO2三元系统相图，其低共融点高（1355）. 此系统与镁质陶瓷、堇青石瓷、滑石瓷等瓷制品密切相关。,镁质陶瓷的主要原料是滑石（3MgO.4SiO2.H2O）与粘土（Al2O3. 2SiO2.2H2O）, 其组成范围一般都在烧滑石和烧高岭石的连线附近，如图中L、M、N各点。 滑石瓷的烧结范围狭窄，仅为 10 20。通过计算 L、M、N各点的液相 量
